Морфологія елементів скоротливого апарату міокарда: питання сьогодення та перспективи дослідження
DOI:
https://doi.org/10.26641/1997-9665.2021.2.68-76Ключові слова:
кардіоміоцит, скоротливий апарат, саркомер, актин, міозинАнотація
Актуальність. За останні 50 років стрімкого розвитку отримали специфічні методи дослідження ультраструктури серця. Комплексна взаємодія різних методів дослідження дає змогу точніше сформувати уявлення просторової структури компонентів скоротливого апарату міокарда. Мета. Провести контентний аналіз результатів дослідження композиції скоротливого апарату міокарда. Провести широкий аналіз літературних посилань та сформувати розуміння просторової структури компонентів скоротливого апарату міокарда в перспективі дослідження на різних рівнях організації клітини. Отримані теоретичні та аналітичні інформаційні викладки використати в процесі формування методологічних підходів в аспекті дослідження морфологічної структури компонентних одиниць скоротливого апарату на різних етапах. Методи. Обробка інформаційних джерел проведено методом кнтентного комплексного метааналізу аналізу даних. Результати. Морфологічна характеристика скоротливого апарату міокарда включають ряд широкого профілю елементів. Система композиційних елементів скоротливого апарату кардіоміоцитів найбільш сформована та розвинена в структурі цитоплазматичного комплексу органел в групі скоротливих кардіоміоцитів. Комплекс скоротливого апарату представлений міофібрили, кожна з яких складається з тисяч послідовно з'єднаних телофрагм саркомерів, що містять актинові (тонкі) і міозинові (товсті) міофіламенти. Основні методи досліджень скоротливого апарату міокарда включають, як імуногістохімія та трансмісійна електрона мікроскопія дають розуміння будови компонентів на різних рівнях організації гістоархітектоніки та ультраструктури органел. В історичному контексті характеристика скоротливого апарату та відносний початок систематизації даних із питання дослідження компонентів скоротливого апарату міокарда починає формуватись приблизно 130 років, що в хронологічних рамках розвитку прикладної морфології виглядає достатньо молодим та перспективним напрямком для дослідження. Скоротливий апарат міокарду включає в себе видоспецифічні органели, які в основі своїй входять до цілого ряду основних апаратних систем кардіоміоцитів. Підсумок. Імуногістохімічні методи дослідження повинні наглядно відобразити локалізацію окремих елементів білкової структури скоротливого апарату мокарда, а тому слід включити в методи дослідження використання наступних імуногістохімічних маркерів, які зможуть відобразити просторову конфігурацію елементів тонких і товстих міофіламентів. Основними морфологічними параметрами скоротливого апарату кардіоміоцитів слід виділити наступні показники: чисельна щільність ядер кардіоміоцитів, відносний об'єм мітохондрій, кількісна щільність мітохондрій на поперечному зрізі кардіоміоциту, відносний об'єм міофібрил, а також ступінь орієнтації міофібрил і довжина Z-диску. Результати аналітичного огляду та аналізу інформаційних джерел за питанням характеристики компонентів міофібрилярного комплексу дає комплексний підхід у виборі конкретних методів дослідження і формує детальніше розуміння просторової організації елементів морфології скоротливого апарату міокарда.
Посилання
Avazmohammadi R, Soares JS, Li DS, Raut SS, Gorman RC, Sacks MS. A contemporary look at biomechanical models of myocardium. Annual review of biomedical engineering, 2019; 21, 417-442.
Bird SD, Doevendans PA, Van Rooijen MA, Brutel De La Riviere A, Hassink RJ, Passier R, Mummery CL. The human adult cardiomyocyte phenotype. Cardiovascular research, 2003; 58(2), 423-434.
Blair CA, Pruitt BL. Mechanobiology assays with applications in cardiomyocyte biology and cardiotoxicity. Advanced healthcare materials, 2020; 9(8), 190-1656.
Terracciano C, Guymer S. Heart of the Matter: Key concepts in cardiovascular science. Springer Nature. 2019;
Gerdes AM. Cardiomyocyte ultrastructure. Muscle: Fundamental Biology and Mechanisms of Disease, 2012; 47-55.
Shintani SA, Washio T, Higuchi H. Mechanism of contraction rhythm homeostasis for hyperthermal sarcomeric oscillations of neonatal cardiomyocytes. Scientific reports, 2020; 10(1), 1-12.
Fukuda K. Development of regenerative cardiomyocytes from mesenchymal stem cells for cardiovascular tissue engineering. Artificial organs, 2001; 25(3), 187-193.
Shevchenko KM. Morphological features of atrial myocardium embryonic development and its changes caused by hypoxia effect. Regulatory Mechanisms in Biosystems, 2019; 10(1).
Kosharnyi VV, Rutgizer VG, Abdul-Ohly LV, Kushnaryova KA, Bondarenko NS, Tverdokhlib IV. [Ultrastructure of mitochondrial apparatus of left ventricle cardiomyocyte of rats after different exposures of electromagnetic radiation under hypothyroidism]. Morphologia. 2019;13(4):16-23. Ukrainian.
Schaper J, Meiser E, Stämmler G. Ultrastructural morphometric analysis of myocardium from dogs, rats, hamsters, mice, and from human hearts. Circulation research, 1985; 56(3), 377-391.
Taha MF, Valojerdi MR, Hatami L, Javeri A. Electron microscopic study of mouse embryonic stem cell-derived cardiomyocytes. Cytotechnology, 2012; 64(2), 197-202.
Sachs HG, Colgan JA, Lazarus ML. Ultrastructure of the aging myocardium: a morphometric approach. American Journal of Anatomy, 1977; 150(1), 63-71.
RD I, OHL E. [Heterogeneity of the mitochondrial apparatus of the myocardium and the mechanisms of its formation in the early ontogenesis of rats]. Citologiya i genetika, 1998; 32(2), 8. Russian.
Sudarikova YV, Bakeeva LE, Tsiplenkova VG. Ultrastructure of mitochondrial reticulum of human cardiomyocytes in alcohol cardiomyopathy. Biochemistry-New York-English Translation of Biokhimiya, 1997; 62(9), 989-1002.
El'darov CHM, Vajs VB., Vangeli IM, Kolosova NG, Bakeeva LE. [Morphometric study of the ultrastructure of cardiomyocyte mitochondria during aging]. Biohimiya, 2015; 80(5), 716-722. Russian.
Kozlov SV, Maevsky AE, Mishalov VD, Sulaeva ON. Changes of mitochondria in the contractile cardiomyocytes during postnatal rat ontogenesis. Morphologia. 2014; 8(4), 37-42.
Ivanchenko MV, Tverdohleb IV. [Influence of intrauterine hypoxia on mitochondrial heterogeneity and ways of its implementation in alteration of rat ventricular myocardium]. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo medicinskogo universiteta, 2014; 4 (52). Russian.
Іvanchenko MV. [Quantitative ultrastructural characterization of reorganizations of the mitochondrial apparatus of ventricular contractile cardiomyocytes in prenatal ontogenesis under the condition of chronic hypoxia]. Patologіya, 2013; (3), 66-70. Ukrainian.
Kisby T, De Lázaro I, Stylianou M, Cossu G, Kostarelos K. Transient reprogramming of postnatal cardiomyocytes to a dedifferentiated state. PloS one, 2021; 16(5), e0251054.
Tverdokhlib IV, Marchenko, DG. Ultrastructural changes of the rat contractile myocardial apparatus during prenatal ontogenesis in norm and after alcohol influence. World of Medicine and Biology, 2019; 15(69), 225-230.
Hunter PJ, McCulloch AD, Ter Keurs HEDJ. Modelling the mechanical properties of cardiac muscle. Progress in biophysics and molecular biology, 1998; 69(2-3), 289-331.
Guo Y. Pu WT. Cardiomyocyte maturation: new phase in development. Circulation research, 2020; 126(8), 1086-1106.
Kim GH, Uriel N, Burkhoff D. Reverse remodelling and myocardial recovery in heart failure. Nature Reviews Cardiology, 2018; 15(2), 83-96.
Blair CA, Pruitt BL. Mechanobiology assays with applications in cardiomyocyte biology and cardiotoxicity. Advanced healthcare materials, 2020; 9(8), 190-1656.
Blanchard EM, Solaro RJ. Inhibition of the activation and troponin calcium binding of dog cardiac myofibrils by acidic pH. Circulation research, 1984; 55(3), 382-391.
Tverdokhlib IV, Marchenko, DG. Ultrastructural changes of the rat contractile myocardial apparatus during prenatal ontogenesis in norm and after alcohol influence. World of Medicine and Biology, 2019; 15(69), 225-230.
Nadraga BA, Strus KI, Yashchenko AM, Lutsyk AD. Immunohistochemical investigation of rat cardiac muscle in experimental ischemia. Acta Medica Leopoliensia, 2020; 26(1), 11-19.
Vejandla RM, Orgil BO, Alberson NR, Li N., Munkhsaikhan U, Khuchua Z, Purevjav E. Deficiency in nebulin repeats of sarcomeric nebulette is detrimental for cardiomyocyte tolerance to exercise and biomechanical stress. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 2021; 320(5), 2130-2146.
Іvanchenko MV. Tverdohlіb ІV. [Formation of the mitochondrial apparatus of rapid cardiomyocytes in normal brain hypoxic ear reduction in cardiogenesis]. Morfologіya, 2013; 7(1), 5-20. Ukrainian.
Kentish JCHED, Ter Keurs J, Allen DG. The contribution of myofibrillar properties to the sarcomere length-force relationship of cardiac muscle." Starling’s law of the heart revisited. Springer, Dordrecht, 1988. 1-17.
Guerriero JrV, Rowley D. R, Means AR. Production and characterization of an antibody to myosin light chain kinase and intracellular localization of the enzyme.
Riesselmann JN, Holler T, Radocaj A, Meißner J, Kraft T, Weber N. Effects of Cardiac Myosin Heavy Chain Isoform Composition on Contraction Kinetics and Calcium Transients in Adult Rat Cardiomyocytes. Biophysical Journal, 2021; 120(3), 340a.
Holmes KC, Lehman W. Gestalt-binding of tropomyosin to actin filaments. Journal of muscle research and cell motility, 2008; 29(6-8), 213.
Hanft LM, McDonald KS. Length dependence of force generation exhibit similarities between rat cardiac myocytes and skeletal muscle fibres. The Journal of physiology, 2010; 588(15), 2891-2903.
Metzger JM, Westfall MV. Covalent and noncovalent modification of thin filament action: the essential role of troponin in cardiac muscle regulation. Circulation research, 2004; 94(2), 146-158.
Parmacek MS, Solaro RJ. Biology of the troponin complex in cardiac myocytes. Progress in cardiovascular diseases, 2004; 47(3), 159-176.
Holmes KC, Lehman W. Gestalt-binding of tropomyosin to actin filaments. Journal of muscle research and cell motility, 2008; 29(6-8), 213.
Kolotova AA, Kuleshova LM, Kavalerova DA. [Morphometric research methods in the study of myocardial microcirculation]. Actual problems of experimental and clinical medicine. 2017; 525-526. Russian.
Taralyova MM, Fimina MI. [Morphometric study of human contractile cardiomyocytes using intraoperative material]. Al'manah molodoj nauki, 2020; (1), 41-42. Russian.
Breckwoldt K, Letuffe-Brenière D, Mannhardt I, Schulze T, Ulmer B, Werner T, Hansen A. Differentiation of cardiomyocytes and generation of human engineered heart tissue. Nature protocols, 2017; 12(6), 1177-1197.
Brook WH, Connell S, Cannata J, Maloney JE, Walker AM. Ultrastructure of the myocardium during development from early fetal life to adult life in sheep. Journal of anatomy, 1983; 137(Pt 4), 729.
Bub G, Camelliti P, Bollensdorff C, Stuckey DJ, Picton G, Burton RA. Kohl P. Measurement and analysis of sarcomere length in rat cardiomyocytes in situ and in vitro. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 2010; 298(5), 1616-1625.
Kuo PL, Lee H, Bray MA, Geisse NA, Huang YT, Adams WJ, Parker KK. Myocyte shape regulates lateral registry of sarcomeres and contractility. The American journal of pathology, 2012; 181(6), 2030-2037.
Wang Z, Lee SJ, Cheng HJ, Yoo JJ, Atala A. 3D bioprinted functional and contractile cardiac tissue constructs. Acta biomaterialia, 2018;70, 48-56.
Song C, Zhang X, Wang L, Wen F, Xu K, Xiong W, Qiu X. An injectable conductive three-dimensional elastic network by tangled surgical-suture spring for heart repair. ACS nano, 2019; 13(12), 14122-14137.
Kron SJ, Spudich JA. Fluorescent actin filaments move on myosin fixed to a glass surface. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1986; 83(17), 6272-6276.
Pires RH, Shree N, Manu E, Guzniczak E, Otto O. Cardiomyocyte mechanodynamics under conditions of actin remodelling. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 2019; 374(1786), 20190081.
Burbaum L, Schneider J, Scholze S, Böttcher RT, Baumeister W, Schwille, P, Jasnin M. Molecular-scale visualization of sarcomere contraction within native cardiomyocytes. Nature Communications, 2021; 12(1), 1-12.
Stemmer EA, Joy I, Aronow WS, Thibault W, McCart P, Connolly JE. Preservation of myocardial ultrastructure. The Journal of thoracic and cardiovascular surgery, 1975; 70(4), 666-676.
Tarvala U, Khalique Z. Myocardial Microstructure and Contractile Apparatus. In Heart of the Matter; 2019; 39-48.
Toepfer CN, Garfinkel AC, Venturini G, Wakimoto H, Repetti G, Alamo L, Seidman CE. Myosin sequestration regulates sarcomere function, cardiomyocyte energetics, and metabolism, informing the pathogenesis of hypertrophic cardiomyopathy. Circulation, 2020; 141(10), 828-842.
Wang SM, Greaser ML, Schultz E, Bulinski JC, Lin JJ, Lessard JL. Studies on cardiac myofibrillogenesis with antibodies to titin, actin, tropomyosin, and myosin. The Journal of cell biology, 1988; 107(3), 1075-1083.
Chacko KJ. Observations on the ultrastructure of developing myocardium of rat embryos. Journal of morphology, 1976; 150(3), 681-709.
Bleier J, Vorderwinkler KP, Falkensammer J, Mair P, Dapunt O, Puschendorf, B., Mair, J. Different intracellular compartmentations of cardiac troponins and myosin heavy chains: a causal connection to their different early release after myocardial damage. Clinical chemistry, 1998; 44(9), 1912-1918.
Franco D, Markman MM, Wagenaar GT, Ya J, Lamers WH, Moorman AF. Myosin light chain 2a and 2v identifies the embryonic outflow tract myocardium in the developing rodent heart. The Anatomical Record: An Official Publication of the American Association of Anatomists, 1999; 254(1), 135-146.
Ter Keurs HEDJ, Runsburger WH. Van Heuningen R. Restoring forces and relaxation of rat cardiac muscle. European heart journal 1.suppl_1 1980; 67-80.
Wright PT, Tsui SF, Francis AJ, MacLeod KT, Marston SB. Approaches to high-throughput analysis of cardiomyocyte contractility. Frontiers in physiology, 2020; 11, 612.
Zhu Y, Do VD, Richards AM, Foo R. What we know about cardiomyocyte dedifferentiation. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 2020;
Weiwad WK, Linke WA, Wussling MH. Sarcomere length–tension relationship of rat cardiac myocytes at lengths greater than optimum. Journal of molecular and cellular cardiology, 2000; 32(2), 247-259.
Fentzke RC, Buck SH, Patel JR, Lin H, Wolska BM, Stojanovic MO. Leiden, J. M. Impaired cardiomyocyte relaxation and diastolic function in transgenic mice expressing slow skeletal troponin I in the heart. The Journal of physiology, 1999; 517(1), 143-157.
Carlson EC, Grosso DS, Romero SA, Frangakis CJ, Byus CV. Bressler R. Ultrastructural studies of metabolically active isolated adult rat heart myocytes. Journal of molecular and cellular cardiology. 1978; 10(5), 449-459.
Trombitas K, Greaser ML, Pollack GH. Interaction between titin and thin filaments in intact cardiac muscle. Journal of Muscle Research & Cell Motility, 1997; 18(3), 345-351.
Le Guennec JY, Cazorla O, Lacampagne A, Vassort G. Is titin the length sensor in cardiac muscle? Physiological and physiopathological perspectives. Elastic Filaments of the Cell. Springer, Boston, MA, 2000. 337-351.
Woodcock‐Mitchell J, Mitchell JJ, Low RB, Kieny M, Sengel P, Rubbia L, Gabbiani G. α‐Smooth muscle actin is transiently expressed in embryonic rat cardiac and skeletal muscles. Differentiation, 1988; 39(3), 161-166.
Helmes M, Trombita´s KR, Granzier H. Titin develops restoring force in rat cardiac myocytes. Circulation research, 1996; 79(3), 619-626.
Shintani SA, Washio T, Higuchi H. Mechanism of contraction rhythm homeostasis for hyperthermal sarcomeric oscillations of neonatal cardiomyocytes. Scientific reports, 2020; 10(1), 1-12.
Zaunbrecher RJ, Abel AN, Beussman K, Leonard A, von Frieling-Salewsky M, Fields PA, Murry CE. Cronos titin is expressed in human cardiomyocytes and necessary for normal sarcomere function. Circulation, 2019; 140(20), 1647-1660.
Wegner A. The interaction of α, α-and α, β-tropomyosin with actin filaments. FEBS letters, 1980; 119(2), 245-248.
Vejandla RM, Orgil BO, Alberson NR, Li N., Munkhsaikhan U, Khuchua Z, Purevjav E. Deficiency in nebulin repeats of sarcomeric nebulette is detrimental for cardiomyocyte tolerance to exercise and biomechanical stress. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 2021; 320(5), 2130-2146.
Hanft LM, McDonald KS. Length dependence of force generation exhibit similarities between rat cardiac myocytes and skeletal muscle fibres. The Journal of physiology, 2010; 588(15), 2891-2903.
Volkov VP. [Myocardial morphology in the aspect of ontogenesis: a morphometric study]. Innovacii v nauke, 2015; 10 (47). Russian.
Yu JG, Russell B. Cardiomyocyte remodeling and sarcomere addition after uniaxial static strain in vitro. Journal of Histochemistry & Cytochemistry, 2005; 53(7), 839-844.
Fukuda K. Development of regenerative cardiomyocytes from mesenchymal stem cells for cardiovascular tissue engineering. Artificial organs, 2001; 25(3), 187-193.
Lehman W, Hatch V, Korman V, Rosol M, Thomas L, Maytum R, Craig R. Tropomyosin and actin isoforms modulate the localization of tropomyosin strands on actin filaments. Journal of molecular biology, 2000; 302(3), 593-606.
Zagorujko GE, Zagorujko YUV. [Morphometric analysis of prenatal and postnatal maturation of rat cardiomyocytes]. Vіsnik problem bіologії і medicini, 2017; (2). Ukrainian.
Moore RL, Musch TI, Yelamarty RV, Scaduto Jr,RC, Semanchick AM, Elensky MARYBETH, Cheung JY. Chronic exercise alters contractility and morphology of isolated rat cardiac myocytes. American Journal of Physiology-Cell Physiology, 1993; 264(5), C1180-C1189.
Ter Keurs HEDJ, Runsburger WH. Van Heuningen R. Restoring forces and relaxation of rat cardiac muscle. European heart journal 1.suppl_1 1980; 67-80.
Dem'yanenko IA. [Morphological features of the formation of the human heart in prenatal ontogenesis.]. Vіsnik problem bіologії і medicini, 2014;1(1):36-39. Ukrainian.
Zagorujko GE, Zagorujko YUV. [Morphometric analysis of prenatal and postnatal maturation of rat cardiomyocytes]. Vіsnik problem bіologії і medicini, 2017;2:79-83. Ukrainian.
Xiao F, Lam N, Wang P, Li S, Canseco D, Kimura W, Sadek H. Adducin Regulates Sarcomere Disassembly During Cardiomyocyte Mitosis. bioRxiv. 2020;
Bugrova ML. Morphology of right atrium myocytes. Muscle Cell and Tissue—Current Status of Research Field. Sakuma K, ed. 2018; IntechOpen, 339-357.
Frank JS. Ultrastructure of the sarcolemma of isolated cardiomyocytes. Isolated Adult Cardiomyocytes, 2019; 125-143.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0), яка дозволяє іншим особам вільно поширювати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи в цьому журналі.
Автори, направляючи рукопис до редакції журналу «Morphologia», погоджуються з тим, що редакції передаються права на захист і використання рукопису (переданого до редакції матеріалу, в тому числі таких об'єктів, що охороняються авторським правом, як фотографії автора, малюнки, схеми, таблиці і т.п.), в тому числі на відтворення в пресі і в мережі Інтернет; на поширення; на переклад рукопису на будь-які мови; експорту та імпорту примірників журналу зі статтею Авторів з метою поширення, доведення до загального відома. Зазначені вище права Автори передають Редакції без обмеження терміну їх дії і на території всіх країн світу без обмеження.
Автори гарантують, що вони мають виняткові права на використання матеріалів, переданих до редакції. Редактори не несуть відповідальності перед третіми особами за порушення гарантії, надані авторами. Розглянуті права передаються до редакції з моменту підписання поточної публікації для публікації. Відтворення матеріалів, опублікованих в журналі іншими особами та юридичними особами, можливе лише за згодою редакції, з обов'язковим зазначенням повної бібліографічного посилання первинної публікації. Автори залишають за собою право використовувати опублікований матеріал, його фрагменти і частини для навчальних матеріалів, усні презентації, підготовку дисертації дисертації з обов'язковою бібліографічною посиланням на оригінальну роботу. Електронна копія опублікованій статті, що завантажується з офіційного веб-сайту журналу в форматі .pdf, може бути розміщена авторами на офіційному веб-сайті їх установ, будь-яких інших офіційних ресурсах з відкритим доступом.
