Развитие детского сердца и контрактильность от внутриутробного до постнатального периода
Обзор литературы посвящен анализу современных данных об основных этапах развития и становления контрактильности детского сердца от внутриутробного до постнатального периода. Представленная информация позволит расширить традиционные представления по возрастной физиологии сердечно-сосудистой системы детского возраста.
Традиционно длительное время сердце человека считалось постмитотическим органом, но новейшие достижения биологии стволовых клеток свидетельствуют об определённом потенциале самообновления во взрослом и детском возрастах. Доказана возможность роста сердца у детей до 2 лет за счёт увеличения количества кардиомиоцитов (при отсутствии признаков гипертрофии). Получены данные, подтверждающие возможность пролиферации кардиомиоцитов с момента рождения и до 20 лет, пока сердце не достигнет параметров взрослого возраста. Однако большая часть пролиферации кардиомиоцитов происходит во время пренатального развития для увеличения массы сердца, соответствующего возрастающим потребностям развивающегося эмбриона и плода. Существенным эпигенетическим фактором, влияющим на рост миокарда, признана механическая нагрузка. В процессе развития сердце подвергается воздействию различных биомеханических сил: сил, действующих на стенку со стороны потока крови (пульсирующее ламинарное напряжение сдвига, сила трения, параллельная стенке сосуда), давление внутри стенки миокарда — сила сокращения, формирующая напряжение на миокардиальных и эндотелиальных клеточно-клеточных соединениях; сил, влияющих на стенку миокарда — экстракардиального давления.
Морфологические изменения, происходящие в процессе роста и развития сердца, определяются как механическими силами, оказывающими воздействие на стенку миокарда потоком крови, так и наличием энергетических субстратов, таких как кислород и источники углерода, обусловливающих кардиогенез на клеточном и молекулярном уровнях.
Известно, что начало функционирования сердечно-сосудистой системы человека, представленной трубчатым образованием (tubular heart), соотносится с периодом (середина 4 нед. беременности), когда у эмбриона начинаются первые сокращения сердца. Механизм работы сердца в эмбриональный период связывают с перистальтическими движениями, в которых волна сжатия, порождённая электрической активацией клеток миокарда, распространяется вдоль трубчатого сердца от каудальной части к краниально расположенному оттоку, вызывая движение крови и при этом оказывая наибольшую нагрузку в процессе сокращения на внутренние слои мышечной трубки в сравнении с концентрическими наружными слоями, что моделирует гистологическую структуру и функцию созревающего сердца. Эмбриональное сердце начинает перекачивать кровь задолго до развития различимых камер и клапанов, при этом на ранних стадиях сердечная трубка, имеющая форму подобно шланговому насо- су, реализует вариант сердечной динамики, при которой присасывающее действие производится из-за распространения упругих волн в сердечной трубке. Бесспорно, важный вклад в работу сердца в эмбриональный период вносит образование трабекул, значительно увеличивающих площадь поверхности, массу миокарда и жёсткость стенок, способствующих пассивной диффузии кислорода при отсутствии на ранней стадии коронарных сосудов, сердечным сокращениям, направлению движения крови из желудочка. Доказано влияние морфологии трабекул (в т.ч. уменьшение сложности организации) и в дальнейшем (в постнатальный период развития) на функцию взрослого сердца — трабекулы оказывают независимое от нагрузки влияние на диастолическое наполнение левого желудочка (ЛЖ), сократительную способность и системное давление. Клетки эпикарда, для миграции которых необходим генерируемый при сердцебиении поток жидкости, проникают в субэпикардиальный компартмент и колонизируют лежащий в его основе миокард, способствуя дальнейшему росту развивающейся сердечной мышцы и коронарных сосудов, действуя в качестве важного источника митогенов для кардиомиоцитов и сосудов.
Наличие клеток крови (гематокрита) и формирование собственно потока крови оказывают комплексное воздействие на регуляцию процессов роста и развития эмбрионального сердца. Возникающая механическая нагрузка определяет рост желудочков, процессы формообразования (способствуя созреванию, организации оптимальной архитектуры, спиральному расположению миофибрилл) и функцию на данном этапе развития.
Изменение в дальнейшем формы сердца до вида “изогнутой трубки” сопровождается не только переменой типа движений, приближающихся к образцу скручивающейся модели, но и постепенным возрастанием скорости распространения импульсов с последующим изменением характер электромеханической активации к последовательности, встречающейся в зрелой модели, — от “верхушки к основанию”. Возникающий в данных условиях внутриутробный поток влияет на эмбриональное развитие сердца через трансдукцию сил сдвига на эндотелиальные слои. Изменения картины течения вызывают макроскопические трансформации геометрии сердца, поскольку формирование вихревого кольца обеспечивает стабильное, повторяющееся и предсказуемое движение потока, регулирующего и оптимизирующего кардиогенез.
Необходимо отметить, что ранние кардиомиоциты содержат мало миофибрилл и митохондрий (с незрелой ультраструктурой), не имеют Т-трубочек и организованного саркоплазматического ретикулума. С течением времени сократительный аппарат заполняет миоплазму, а миофибриллярная структура становится более зрелой, увеличивается содержание саркоплазматического ретикулума, Т-трубочек и митохондрий. При этом даже после рождения структура кардиомиоцитов детского сердца остаётся незрелой. В образцах, полученных из сердец плодов человека на 11-21 нед. гестации, обнаруживаются ниши стволовых клеток сердца, локализованные в субэпикардиальной и интрамиокардиальной областях, выделена популяция примитивных мезенхимальных стволовых клеток, способных дифференцироваться in vitro в кардиомиоциты.
Анализ организации кардиомиоцитов сердец здоровых плодов человека позволил сделать заключение об отсутствии “полного сходства с моделью уплощенной ленты Torrent-Guasp”, формирующейся спиральной ориентации миофибрилл (19 нед. гестации), изотропности (10-14 нед. гестации), трансформирующейся в анизотропность (14-19 нед. гестации) и созревающей лишь после рождения ламинарной структуре.
В перинатальном периоде кардиомиоциты претерпевают значительные структурные изменения,
трансформируясь из мелких, круглых клеток без признаков организации структуры в крупные, цилиндрические клетки с высокоорганизованными структурами: отмечается увеличение длины и отношение длины к ширине клетки, выявляются более организованные миофибриллы, значительно изменяется локализация ионных каналов, происходит созревание межклеточных соединений — интеркалярных дисков, появляются Т-трубочки, обеспечивающее эффективное возбуждение и сокращение, оптимизируется количество и структура митохондрий, происходит перераспределение изоформ контрактильных белков, формируя более эффективное сокращение. Установлено, что сердцу человека в течение беременности свойственна низкая сократительная способность, медленные темпы релаксации и изменения параметров в различные сроки гестации. Данный факт может быть результатом экспрессии определённых изоформ белков и структурного созревания тканей сердца. Неонатальный миокард также развивает меньшую силу, чем миокард у взрослого человека, однако после рождения кардиомиоциты увеличивают содержание миофибрилл и саркоплазматического ретикулума, их повышенная сократимость становится результатом изменений содержания изоформ контрактильных белков. Вскоре после рождения содержание фетальной изоформы тайтина N2BA “переключается” на изоформу N2B, приводя к увеличению пассивного напряжения при заданной длине саркомера и увеличивая жесткость миокарда, компенсировав значительное возрастание конечно-диастолического объема ЛЖ, который повышается в 100 раз с периода поздней стадии беременности до стадии взрослого человека. При созревании кардиомиоцитов отмечается “переключение” синтеза изоформы тяжелой цепи миозина с α-MHC на β-MHC. Тропони I (TnI), первоначально присутствующий в виде изоформы TnI (ssTnI), вскоре после рождения заменяется изоформой (cTnI), что важно для формирования более сильных сокращений.
Заключение
Таким образом, появление новых знаний фундаментального характера по возрастной физиологии сердечно-сосудистой системы, дополняющих традиционные представления о закономерностях становления механики ЛЖ в детском и подростковом возрасте, предполагает понимание механизмов, влияющих на морфологию детского сердца, изучение генеза и эволюционной целесообразности одновременного существования различных контрактильно-ротационных моделей ЛЖ, обеспечивающих эффективную работу сердца в процессе постнатального роста и развития. При анализе развития контрактильности ЛЖ сердца в детском возрасте необходимо учитывать общие закономерности глобальной поэтапной перестройки миокарда, происходящие во внутриутробный и в постнатальный периоды, а также существенную роль совокупности факторов, определяющих свойства сердечной ткани — состояние внеклеточного матрикса, межклеточных связей, вставочных дисков, ионтранспортных систем, гомеостаза кальция, контрактильных белков, особенности строения микроциркуляторного русла.
Источник: Развитие детского сердца и контрактильность от внутриутробного до постнатального периода.
Павлюкова Е. Н., Колосова М. В., Унашева А. И., Неклюдова Г. В., Карпов Р. С.
Российский кардиологический журнал. 2022;27(1):4669.
doi:10.15829/1560-4071-2022-4669
05.10.2022