Сердечко маленькое по клеточкам: Мои маленькие рисунки по клеточкам – рисуем вместе со мной

Работа сердца — это функция клеток сердечной мышцы, или кардиомиоцитов, составляющих сердечную мышцу. Кардиомиоциты , показанные на рисунке 21.13, представляют собой характерные мышечные клетки, которые имеют поперечно-полосатую форму, как скелетные мышцы, но качают ритмично и непроизвольно, как гладкие мышцы; они связаны вставными дисками исключительно с сердечной мышцей.Они самостимулируются в течение определенного периода времени, и изолированные кардиомиоциты будут биться, если им будет обеспечен правильный баланс питательных веществ и электролитов.

Автономное биение клеток сердечной мышцы регулируется внутренним кардиостимулятором, который использует электрические сигналы для измерения времени биения сердца. Электрические сигналы и механические воздействия, показанные на рисунке 21.14, тесно переплетены. Внутренний кардиостимулятор начинается в синусно-предсердном узле (SA) , который расположен рядом со стенкой правого предсердия. Электрические заряды спонтанно пульсируют от узла SA, заставляя два предсердия сокращаться в унисон. Пульс достигает второго узла, называемого атриовентрикулярным (АВ) узлом, между правым предсердием и правым желудочком, где он останавливается примерно на 0,1 секунды, прежде чем распространиться на стенки желудочков. Из АВ-узла электрический импульс попадает в пучок Гиса, затем в левую и правую ветви пучка, проходящие через межжелудочковую перегородку.Наконец, волокна Пуркинье проводят импульс от верхушки сердца вверх по миокарду желудочков, а затем желудочки сокращаются. Эта пауза позволяет предсердиям полностью опуститься в желудочки до того, как желудочки откачут кровь. Электрические импульсы в сердце создают электрические токи, которые проходят через тело, и их можно измерить на коже с помощью электродов. Эту информацию можно наблюдать в виде электрокардиограммы (ЭКГ) — записи электрических импульсов сердечной мышцы.

Концепция в действии

Посетите этот сайт, чтобы увидеть в действии «кардиостимулятор» сердца.

Артерии, вены и капилляры

Кровь из сердца разносится по телу сложной сетью кровеносных сосудов (рис. 21.15). Артерии отводят кровь от сердца. Основная артерия — это аорта, которая разветвляется на крупные артерии, по которым кровь поступает к разным конечностям и органам. К этим основным артериям относятся сонная артерия, по которой кровь поступает в мозг, плечевые артерии, по которым кровь поступает в руки, и грудная артерия, по которой кровь поступает в грудную клетку, а затем в печеночную, почечную и желудочную артерии для печени, почек. , и желудок соответственно.По подвздошной артерии кровь идет к нижним конечностям. Основные артерии расходятся на второстепенные артерии, а затем на более мелкие сосуды, называемые артериолами , чтобы глубже проникать в мышцы и органы тела.

Артериолы расходятся в капиллярные русла. Капилляры содержат большое количество (от 10 до 100) из капилляров , которые разветвляются между клетками и тканями тела.Капилляры — это трубки узкого диаметра, через которые могут проходить красные кровяные тельца в виде единого ряда, и они являются местом обмена питательными веществами, отходами и кислородом с тканями на клеточном уровне. Жидкость также проникает в интерстициальное пространство из капилляров. Капилляры снова сходятся в венул , которые соединяются с второстепенными венами, которые, наконец, соединяются с основными венами, которые забирают кровь с высоким содержанием углекислого газа обратно в сердце. Вены — это кровеносные сосуды, по которым кровь возвращается к сердцу.По основным венам кровь отводится от тех же органов и конечностей, что и по основным артериям. Жидкость также возвращается к сердцу через лимфатическую систему.

Структура различных типов кровеносных сосудов отражает их функцию или слои. Стенки кровеносных сосудов состоят из трех различных слоев, или туник (рис. 21.16). Первая оболочка представляет собой гладкую внутреннюю выстилку из эндотелиальных клеток, которые контактируют с эритроцитами. Эндотелиальная оболочка переходит в эндокард сердца.В капиллярах этот единственный слой клеток является местом диффузии кислорода и углекислого газа между эндотелиальными клетками и эритроцитами, а также местом обмена посредством эндоцитоза и экзоцитоза. Движение материалов в месте расположения капилляров регулируется сужением сосудов , сужением кровеносных сосудов и расширением сосудов , расширением сосудов ; это важно для общей регуляции артериального давления.

Вены и артерии имеют еще две оболочки, которые окружают эндотелий: средняя оболочка состоит из гладких мышц, а самый внешний слой — из соединительной ткани (коллагеновые и эластичные волокна).Эластичная соединительная ткань растягивается и поддерживает кровеносные сосуды, а слой гладких мышц помогает регулировать кровоток, изменяя сопротивление сосудов за счет сужения сосудов и расширения сосудов. Артерии имеют более толстые гладкие мышцы и соединительную ткань, чем вены, чтобы выдерживать более высокое давление и скорость недавно перекачиваемой крови. Вены имеют более тонкие стенки, так как давление и скорость потока намного ниже. Кроме того, вены структурно отличаются от артерий тем, что вены имеют клапаны, предотвращающие обратный ток крови.Поскольку вены должны работать против силы тяжести, чтобы кровь возвращалась к сердцу, сокращение скелетных мышц помогает потоку крови обратно к сердцу.

Резюме

Сердечная мышца перекачивает кровь через три отдела кровеносной системы: коронарный, легочный и системный.Есть одно предсердие и один желудочек с правой стороны и одно предсердие и один желудочек с левой стороны. Прокачка сердца — это функция кардиомиоцитов, отличительных мышечных клеток, которые имеют поперечно-полосатую форму, как скелетные мышцы, но качают ритмично и непроизвольно, как гладкие мышцы. Внутренний кардиостимулятор начинается в синоатриальном узле, который расположен у стенки правого предсердия. Импульс электрических зарядов от узла SA заставляет два предсердия сокращаться в унисон; затем пульс достигает предсердно-желудочкового узла между правым предсердием и правым желудочком.Пауза в электрическом сигнале позволяет предсердиям полностью опуститься в желудочки до того, как желудочки откачут кровь. Кровь из сердца разносится по телу сложной сетью кровеносных сосудов; артерии забирают кровь из сердца, а вены возвращают кровь к сердцу.

Упражнения

1. Внутренний кардиостимулятор работает с помощью:
   1. внутренний имплантат, который посылает электрический импульс через сердце
   2. возбуждение клеток сердечной мышцы в синоатриальном узле, за которым следует атриовентрикулярный узел
   3. возбуждение клеток сердечной мышцы в атриовентрикулярном узле, за которым следует синоатриальный узел
   4. действие пазухи
2. Во время систолической фазы сердечного цикла сердце ________.
   1. договорные
   2. расслабляющий
   3. сокращение и расслабление
   4. наполнение кровью
3. Кардиомиоциты похожи на скелетные мышцы, потому что:
   1. бьют невольно
   2. используются для подъема тяжестей
   3. пульсируют ритмично
   4. бороздчатые
4. Чем артерии отличаются от вен?
   1. Артерии имеют более толстые слои гладких мышц, чтобы приспособиться к изменениям давления со стороны сердца.
   2. Артерии несут кровь.
   3. Артерии имеют более тонкие слои гладких мышц и клапаны и перемещают кровь под действием скелетных мышц.
   4. Артерии тонкостенные и используются для газообмена.
5. Опишите сердечный цикл.
6. Что происходит в капиллярах?

Ответы

1. В
2. А
3. D
4. А
5. Сердце получает электрический сигнал от синоатриального узла, заставляющий клетки сердечной мышцы в предсердиях сокращаться.Сигнал приостанавливается в атриовентрикулярном узле, прежде чем распространяется на стенки желудочков, так что кровь перекачивается по телу. Это систолическая фаза. Затем сердце расслабляется во время диастолы и снова наполняется кровью.
6. Капилляры в основном обмениваются материалами с окружающей средой. Их стенки очень тонкие и состоят из одного или двух слоев клеток, в которых рассеиваются газы, питательные вещества и отходы. Они распределены как кровати, сложные сети, которые соединяют артерии и вены.

Глоссарий

стенокардия

Боль, вызванная частичной закупоркой коронарных артерий из-за образования зубного налета и недостатка кислорода в сердечной мышце

аорта

главная артерия тела, отводящая кровь от сердца

артериола

Небольшой сосуд, соединяющий артерию с капиллярным руслом

артерия

кровеносный сосуд, отводящий кровь от сердца

атеросклероз

Накопление жировых бляшек в коронарных артериях сердца

двухстворчатый клапан

(также митральный клапан; левый предсердно-желудочковый клапан) односторонний перепончатый лоскут между предсердием и желудочком в левой части сердца

капиллярное русло

большое количество капилляров, которые сходятся для подачи крови к определенному органу или ткани

капиллярный

Наименьший кровеносный сосуд, по которому проходят отдельные клетки крови и место диффузии кислорода и обмена питательными веществами

сердечный цикл

наполнять сердце кровью и опорожнять ее электрическими сигналами, заставляющими сердечные мышцы сокращаться и расслабляться

сердечный выброс

Объем крови, перекачиваемый сердцем за одну минуту, как произведение частоты пульса на ударный объем

кардиомиоциты

специализированная клетка сердечной мышцы, которая имеет поперечно-полосатую форму, но непроизвольно сокращается, как гладкая мышца

коронарная артерия

Сосуд, снабжающий кровью ткани сердца

коронарная вена

Сосуд, отводящий кровь от сердечной ткани обратно в камеры сердца

диастола

Фаза расслабления сердечного цикла, когда сердце расслаблено и желудочки наполняются кровью

электрокардиограмма (ЭКГ)

регистрация электрических импульсов сердечной мышцы

эндокард

Самый внутренний слой ткани сердца

эпикард

Наружный тканевой слой сердца

нижняя полая вена

отводит кровь из вен нижних органов и ног

Инфаркт миокарда

(также инфаркт) Полная закупорка коронарных артерий и гибель ткани сердечной мышцы

миокард

клетки сердечной мышцы, составляющие средний слой и основную часть стенки сердца

перикард

мембранный слой, защищающий сердце; также входит в состав эпикарда

полулунный клапан

перепончатый лоскут соединительной ткани между аортой и желудочком сердца (полулунные клапаны аорты или легких)

синоатриальный (SA) узел

внутренний кардиостимулятор сердца; расположен у стены правого предсердия

верхняя полая вена

отводит кровь из яремной вены, исходящей от головного мозга, и из вен, исходящих от рук

систола

Фаза сокращения сердечного цикла, когда желудочки перекачивают кровь в артерии

трехстворчатый клапан

односторонний перепончатый лоскут соединительной ткани между предсердием и желудочком в правой части сердца; также известен как атриовентрикулярный клапан

сужение сосудов

сужение кровеносного сосуда

расширение сосудов

Расширение кровеносного сосуда

Мультимасштабная визуализация сердца, охватывающая все сердце и его внутреннюю клеточную архитектуру на модели небольшого животного

Рецензент № 1:

Существенные изменения:

1) Текущее название предполагает, что описанные методы применимы для лучшего понимания врожденных пороков сердца (ВПС).Тем не менее, было бы более точным заявить, что описанные в настоящее время результаты в 2 не бьющихся сердцах цыплят (1 нормальное, 1 с ДМЖП и конотрункальными аномалиями) являются «доказательством принципа» для корреляции изменений макромасштабных аномалий в структуре сердца с микромасштабными изменениями. в тканевом и клеточном составе (как указано во введении).

Спасибо за комментарий. Наше нынешнее название «Мультимасштабная визуализация всего сердца и его внутренней клеточной архитектуры: применение к врожденным порокам сердца», безусловно, предполагает, что мы тщательно проанализировали врожденные пороки сердца, но это не так.Нашим намерением было подчеркнуть эту возможность. Мы согласны изменить название на «Многомасштабная визуализация сердца, охватывающая все сердце и его внутреннюю клеточную архитектуру на модели небольшого животного», чтобы более точно отразить объем статьи, в которой представлена ​​процедура многомасштабной визуализации, с примерами, подтверждающими ее использование.

2) Авторы должны прокомментировать, помимо технических достижений подхода, как эти данные обеспечивают новое понимание ошибок сердечного морфогенеза, изменения роста и адаптации или изменений механической функции, которые происходят при ИБС.

Спасибо, что подчеркнули эту мысль. Мы добавили параграф, объясняющий это более подробно. Вкратце, представленный метод визуализации позволит нам определить, как сердце адаптируется к гемодинамическим условиям (представленный случай), а также к другим повреждениям (например, гипергликемии, гипоксии), и провести сравнения между различными случаями и нормальным сердцем. Более того, комбинация структурных и ультраструктурных данных визуализации сердца может предсказать механическую функцию. Действительно, нарушение работы миокарда или заметное уменьшение миофибрилл, например, будет снижать сердечную эффективность, в том числе сниженную фракцию выброса и ударный объем.

В раздел «Обсуждение» статьи добавлен следующий абзац:

«Представленный подход к корреляционной многомасштабной визуализации предоставит новое понимание основ развития сердца и механических изменений сердца при ИБС. Анализ многомасштабных изображений сердца на разных стадиях развития поможет понять, как сердечные ткани постепенно собираются и созревают в различных масштабах, чтобы сформировать функциональное сердце. При нарушении сердечного развития (из-за изменения кровотока, гипергликемии, гипоксии или любого тератогенного вещества или изменений в окружающей среде) многомасштабные изображения покажут, как естественное созревание и сборка сердечных компонентов (клеток, внеклеточного матрикса) изменяются, иногда необратимо. пути, которые приводят к ИБС.Кроме того, многомасштабные изображения обещают выявить возможные различия и сходства между сердцами ИБС с разными фенотипами (например, TOF по сравнению с DORV), а также между сердцами со схожими фенотипами, но которые были результатом различных повреждений (например, сердца TOF, возникающие из-за измененных кровоток по сравнению с сердцами TOF из-за недостатков гена Hedgehog). Более того, комбинация данных морфологической и ультраструктурной визуализации сердца может предсказать механическую функцию сердца. Действительно, нарушение работы миокарда или заметное сокращение миофибрилл, например, уменьшит эффективность (и силу) сокращения сердечных тканей.В свою очередь, снижение сократимости влияет на сердечную эффективность, включая снижение фракции выброса и ударного объема ».

3) Авторы должны кратко обсудить, как изменения в архитектуре миофибрилл связаны с механической функцией (податливость камеры и сократимость, …), поскольку изменения в механической нагрузке и функции могут привести к многомасштабным изменениям в архитектуре сердца.

Спасибо за это содержательное предложение. Мы согласны с тем, что этого не хватает, и мы добавили к этому, объясняя, как архитектура миокардиальных клеток влияет на сердечную функцию.Вкратце, миофибриллы сокращаются вдоль своих длинных осей и выравниваются параллельно друг другу, так что сокращение сердца происходит в определенных направлениях в сердце. Нормальная спиральная архитектура миофибрилл гарантирует, что сердце сокращается и скручивается, чтобы эффективно выбрасывать кровь в легочное и системное кровообращение. Однако, если архитектура миофибрилл нарушена, сократимость сердца нарушается. Это связано как с тем, что ткань больше не может сокращаться в определенном направлении, так и с тем, что сила сжатия может быть уменьшена.Таким образом, изменения в архитектуре миофибрилл (по сравнению с нормальными) часто приводят к нарушению сократительной способности тканей сердца и, следовательно, к снижению податливости.

Во введении мы добавили следующие предложения:

«Этот высокоорганизованный паттерн гарантирует, что сокращение сердца происходит в определенных направлениях, так что сердце может эффективно выбрасывать кровь в легочные и системные кровообращения. Нарушения нормальной архитектуры миокарда влияют на сократимость и комплаентность сердца.Это связано как с тем, что ткань больше не может сокращаться в определенных направлениях и схемах, которые оптимизируют сердечную функцию, так и с тем, что сила сердечного сокращения может быть уменьшена. Следовательно, изменения в архитектуре миокарда (по отношению к норме) часто приводят к нарушению сократительной способности тканей сердца и снижению податливости ».

4) Статья будет усилена анализом большего количества изображений сердца (нормальных и аномальных), чтобы лучше понять воспроизводимость описанных методов.В этой статье используются одно нормальное и одно аномальное сердце и описываются результаты для 2 интересующих областей свободной стенки ЛЖ каждого образца. Единственным значительным различием между двумя образцами было увеличение внеклеточного пространства, отмеченное в образце TOF (Рисунок 7B). Документ может быть усилен, например, анализом смежных областей интереса в одном сердце для определения воспроизводимости и сравнением образцов как из образцов LV, так и из RV.

Мы разработали методы, описанные после нескольких итераций, которые оптимизировали фиксацию ткани и подготовку как для микроКТ, так и для изображений SEM.После того, как мы нашли комбинацию процедур для достижения многомасштабного разрешения, представленного в этой статье, мы выбрали два сердца (нормальный и аномальный образцы сердца). Мы применили эти методы к этим двум сердцам, чтобы показать, что мы можем успешно воспроизвести правильную фиксацию и подготовку тканей, необходимых для получения изображений с высоким разрешением в различных масштабах, даже если сердца были разными. Другими словами, мы показали, что метод работает не только для нормальных, но и для уродливых сердец.Действительно, методы работали без дополнительных оптимизаций и настроек. Добавление большего количества сердец к исследованию будет полезно для исследовательской работы с целью понять, как аномальные сердца различаются между собой и по сравнению с нормальными; и как нарушенные условия кровотока или другие нарушения приводят к различным адаптациям и ультраструктуре. Поэтому мы уважительно не согласны с рецензентом: мы не думаем, что нам нужно больше примеров, чтобы показать в статье «Инструменты и ресурсы», что наш метод работает.Вместо этого потребуется больше образцов для полной исследовательской работы, посвященной сравнению сердец и информации, полученной с помощью методов и анализа изображений.

Мы согласны с тем, что статья будет усилена анализом смежных ROI из тех же сердец, который мы выполнили. Путем анализа изображений SEM, которые находились на расстоянии 2 мкм друг от друга (результаты представлены на рисунке 7A — теперь на рисунке 8A), мы выполнили анализ и сравнение смежных областей интереса и далее обнаружили, что различия между этими смежными областями интереса были небольшими (не более 10%), что подчеркивает воспроизводимость наших методов визуализации и сегментации.Было бы неплохо включить RV, а также LV, однако основная цель представленного анализа заключалась не в том, чтобы провести подробное сравнение этих двух сердец, а в том, чтобы показать возможные типы анализов и вид понимания, которое может быть получено. Тот факт, что единственное различие, которое мы смогли найти в ЛЖ этих двух сердец, — это увеличенное внеклеточное пространство, не имеет значения (и не имеет значения), мы хотим подчеркнуть, что наш подход позволяет проводить многомасштабную визуализацию сердца и количественный анализ.Более обширное исследование с большим количеством сердец (полный исследовательский документ) могло бы затем показать сходства и различия между сердцами на разных уровнях, а также, возможно, уникальные адаптации в разных областях одного и того же сердца.

5) Авторы подчеркивают способность классифицировать фенотип, размер сердца и толщину стенок с их техникой (подраздел «Сравнение контрольных и TOF сердец и ограничения этого исследования»), однако в документе отсутствует какое-либо обсуждение легко доступных в настоящее время и менее трудоемкий подход с использованием эхокардиографии с высоким разрешением для получения данных о нескольких временных точках при биении развивающихся сердец птиц и млекопитающих.Важно объяснить, как многомасштабные данные, полученные с помощью этого подхода, дополняют имеющиеся в настоящее время наборы данных.

Спасибо, что обратили наше внимание на этот важный момент. Мы хорошо осведомлены о доступных в настоящее время изображениях эхокардиографии (мы опубликовали исследование, в котором анализируются нормальные и деформированные сердца с использованием комбинации эхокардиографии и микроКТ [Midgett, Thornburg and Rugonyi, 2017]). Используя эхокардиографию, мы, безусловно, можем получить данные о функции сердца по биению сердец птиц и млекопитающих.Данные эхокардиографии могут быть дополнительно использованы для количественной оценки размера сердца и толщины стенки, а также скорости кровотока, фракции выброса и других функциональных параметров сердца. Однако, хотя мы можем наблюдать функциональные проблемы сердца с помощью эхокардиографии, мы не можем получить ультраструктурные детали сердца. Более того, с помощью только эхокардиографии также трудно идентифицировать тонкие аномалии в структуре сердца (это причина, по которой мы использовали комбинацию эхокардиографии и микроКТ в нашем исследовании для более точного фенотипа сердца).Таким образом, наш многомасштабный подход, безусловно, может дополнить данные эхокардиографии: обеспечивая более подробное фенотипирование сердца, включая структурные и ультраструктурные характеристики, которые могут объяснить и в конечном итоге предсказать функцию in vivo.

Мы рассмотрели эти соображения во Введении: «На более поздних стадиях развития сердца у мышей и цыплят используется экохардиография. Более того, в исследованиях на мелких животных из-за небольшого размера развивающегося сердца методы функциональной визуализации часто дополняются микро-КТ или гистологией для более точного фенотипирования сердца.”

И в разделе «Обсуждение»: «… комбинирование эхокардиографии, которая может получать изображения сердца in vivo для функционального анализа (включая кровоток), вместе с 3D-микро-КТ и СЭМ, может выявить функциональные, а также подробные микроструктурные и ультраструктурные характеристики. нормального сердца по сравнению с ИБС ».

–

6) Для авторов важно сослаться на исследования, в которых подробно описаны врожденные сердечные аномалии, связанные с конотрункальной полосатостью у куриного эмбриона, которые связаны с аномальной миграцией нервного гребня, изменением непрерывности аортально-митрального клапана, переопределением аортального клапана, межпозвоночными промежутками и аномальная конотрункальная перегородка (Gessner, 1966 и Clark et al., 1984). Этот механизм измененной конотрункальной перегородки может сильно отличаться от измененного нервного гребня и аномалий конотрункала у куриного эмбриона, вызванного аблацией нервного гребня (Hutson and Kirby, 2003), которые могут влиять на изменения ориентации и созревания миокарда и миофибрилл.

Это действительно важный момент для обсуждения и рассмотрения. Спасибо, что подчеркнули этот момент. Мы добавили краткое пояснение, поясняющее, что конотрункальные пороки сердца, подобные тем, которые были получены после гемодинамических вмешательств, также могут быть результатом абляции нервного гребня, добавив ссылки, упомянутые рецензентом.Затем наш метод многомасштабной визуализации может быть полезен для определения возможных изменений ультраструктуры и адаптации при, казалось бы, схожем фенотипе сердечной мальформации, но из-за различного происхождения.

Мы добавили следующий абзац в раздел «Обсуждение»:

«Предыдущие исследования подробно описали врожденные аномалии сердца, связанные с полосатостью оттока, использованные в этом исследовании для индукции TOF. Эти исследования обнаружили спектр врожденных пороков сердца после OTB, которые возникли из-за аномалий в тракте оттока (конотрункальные дефекты).Эти аномалии включали увеличенное разделение между кольцами аортального и митрального клапанов (нарушение непрерывности аортально-митрального клапана), дефекты межжелудочковой перегородки, аномальное положение аорты, включая TOF и правый желудочек с двойным выходом (DORV), при котором и аорта, и легочные стволы выходят из правого желудочка. Между тем, удаление клеток нервного гребня также приводит к аномалиям конотрункала у куриного эмбриона. Клетки нервного гребня сердца необходимы для нормального развития сердца (у цыплят и мышей), и удаление этих клеток приводит к стойкому артериальному стволу (PTA), характеризующемуся отсутствием разделения аорты и легочного ствола, а также к TOF и DORV. .Точно так же различные генетические аномалии также связаны с конотрункальными пороками сердца. Однако механизмы, с помощью которых аномальные гены, абляция клеток нервного гребня и измененная гемодинамика приводят к дефектам конотрункала, могут различаться, и эти различия могут влиять на ориентацию и созревание миокарда и миофибрилл. Мультимасштабные исследования изображений могут выявить влияние различных вмешательств на микроструктуру и ультраструктуру сердца, как при получении одинакового, так и при разных фенотипах. Это, в свою очередь, может способствовать нашему пониманию основ CHD и их функциональных и структурных последствий.”

Технические детали текущих исследований превосходны (за исключением отсутствия количественных данных о клеточной ориентации).

Приносим извинения за это упущение. Мы добавили количественную оценку ориентации клеток миофибрилл по нашим изображениям в разделе «Результаты» и добавили рисунок 10, чтобы проиллюстрировать это.

Введение:

Это предложение можно более четко изменить. Было бы точнее сказать, что большинство исследований архитектуры миокарда, включая анализ архитектуры миокарда и клеточных компонентов, показали, что все они являются ненормальными при врожденных пороках сердца.Что неизвестно, так это механизмы, которые ответственны за это, и последующие клинические последствия…

Рецензент прав. Мы переписали это предложение следующим образом: «Структурные (морфологические или« геометрические ») характеристики пороков сердца, включая изменения в архитектуре сердечной стенки, были тщательно изучены. Однако механизмы, которые приводят к аномальной сердечной архитектуре при ИБС, и клинические последствия этого неизвестны. «

Было бы неверно утверждать, что результаты небольшого количества исследований архитектуры миофибрилл были «проигнорированы при планировании стратегий лечения», и, вероятно, было бы точнее сказать, что эти исследования миофибрилл не доказали свою значимость для принятия решений. относительно стратегий лечения.Это предложение должно просто констатировать, что появляющиеся данные подтверждают важность расстройства миофибрилл при ИБС, которое может влиять на сердечную функцию до и после интервенционных процедур.

Да, согласны с рецензентом. Мы отредактировали это предложение, в котором теперь говорится: «Эти новые исследования выявляют нарушения миокарда при ИБС (по сравнению с их нормальными аналогами), которые, скорее всего, влияют на сердечную функцию до и после хирургического вмешательства».

Авторы должны включить 1 или 2 ссылки на другие методы визуализации, такие как ОКТ и использование эхокардиографии высокого разрешения для сердечно-сосудистого фенотипирования ИБС в развивающихся сердцах птиц и млекопитающих.

Спасибо, что указали на это. Мы включили ссылки на другие методологии, используемые для фенотипирования. Мы знаем об этих методах и использовали их в своей работе. ОКТ используется на более ранних стадиях, когда сердце еще маленькое и трубчатое (примерно до 4 дней инкубации у цыплят). Для представленных здесь исследований, когда сердце уже имеет четыре камеры (12-й день инкубации у цыплят) ОКТ, метод оптической визуализации, не может проникнуть в ткань, и вместо этого используется эхокардиография с высоким разрешением в развивающихся сердцах птиц и млекопитающих.В наших собственных исследованиях [Midgett, Thornburg and Rugonyi, 2017], кроме того, для фенотипирования использовалась эхокардиография сердца цыплят, но она была дополнена микроКТ, с помощью которого мы могли получить более подробное изображение морфологии сердца.

Мы добавили параграф об использовании методов ОКТ и эхокардиографии в контексте развития сердца и ИБС: «Для изучения сердечной функции нормального сердца и сердца с ИБС использовались методы визуализации. 8 У людей ультразвуковая эхокардиография, которая может отображать движение стенок сердца in vivo во время перекачки сердца и измерять скорость кровотока в сердце, используется для диагностики внутриутробной ИБС плода и оценки степени тяжести.После рождения ребенка эхокардиография полезна для мониторинга сердечной функции до и после вмешательств по восстановлению ВПС. Магнитно-резонансная томография (МРТ) также используется для точной диагностики пороков развития и мониторинга сердечной функции при ИБС. Кроме того, в исследованиях развития сердца на животных, оптическая когерентная томография (ОКТ) и эхокардиография используются с моделями ИБС у птиц и млекопитающих. ОКТ, как и ультразвук, представляет собой неинвазивную технику, которая может отображать движение сердца и измерять скорость кровотока в сердце.Разрешение ОКТ (<5 мкм) идеально подходит для ранних эмбрионов птиц и мышей на этапах развития канальцев сердца. На более поздних стадиях развития сердца у мышей и цыплят используют экохардиографию. Более того, в исследованиях на мелких животных из-за небольшого размера развивающегося сердца методы функциональной визуализации часто дополняются микро-КТ или гистологией для более точного фенотипа сердца ».

–

Авторы должны предоставить обновленный патогенез, согласно которому TOF является результатом аномальной миграции клеток нервного гребня и измененной аортопульмональной перегородки, которая может иметь ряд фенотипов, включая четыре основных признака (i, ii, iii и iv…) (Hutson and Kirby, 2003 ).

Мы хотели бы поблагодарить рецензента за это важное замечание. TOF, безусловно, может быть результатом других механизмов, включая аномальную миграцию клеток нервного гребня, что чрезвычайно интересно. Первоначально мы просто сосредоточили презентацию и обсуждение статьи на модели, которую мы представляли (гемодинамические вмешательства), но справедливо также упомянуть и другие возможные причины TOF. Интересно, что предлагаемый нами метод многомасштабной визуализации можно использовать для сравнения сердца с TOF от нарушений гемодинамики по сравнению с нарушениями миграции клеток нервного гребня.В разделе «Обсуждение» мы добавили, что TOF может быть результатом аномальной миграции клеток нервного гребня, а также предоставили ссылку, процитированную рецензентом.

В раздел «Обсуждение» добавлен следующий абзац:

«Предыдущие исследования подробно описали врожденные аномалии сердца, связанные с полосатостью оттока, использованные в этом исследовании для индукции TOF. Эти исследования обнаружили спектр врожденных пороков сердца после OTB, которые возникли из-за аномалий в тракте оттока (конотрункальные дефекты).Эти аномалии включали увеличенное разделение между кольцами аортального и митрального клапанов (нарушение непрерывности аортально-митрального клапана), дефекты межжелудочковой перегородки, аномальное положение аорты, включая TOF и правый желудочек с двойным выходом (DORV), при котором и аорта, и легочные стволы выходят из правого желудочка. Между тем, удаление клеток нервного гребня также приводит к аномалиям конотрункала у куриного эмбриона. Клетки нервного гребня сердца необходимы для нормального развития сердца (у цыплят и мышей), и удаление этих клеток приводит к стойкому артериальному стволу (PTA), характеризующемуся отсутствием разделения аорты и легочного ствола, а также к TOF и DORV. .Точно так же различные генетические аномалии также связаны с конотрункальными пороками сердца. Однако механизмы, с помощью которых аномальные гены, абляция клеток нервного гребня и измененная гемодинамика приводят к дефектам конотрункала, могут различаться, и эти различия могут влиять на ориентацию и созревание миокарда и миофибрилл. Мультимасштабные исследования изображений могут выявить влияние различных вмешательств на микроструктуру и ультраструктуру сердца, как при получении одинакового, так и при разных фенотипах. Это, в свою очередь, может способствовать нашему пониманию основ CHD и их функциональных и структурных последствий.”

Рис. 4. ПЖ и LV должны быть идентифицированы в сердцах CON и TOF.

Спасибо, что указали на это упущение. Мы изменили маркировку рисунка 4, в частности были добавлены метки для правого и левого желудочков (ПЖ и ЛЖ соответственно).

Подраздел «Сегментация изображения и количественная оценка» и рис. 8. Авторы предполагают, что на рис. 8 показано изменение ориентации миокардиальных клеток, но количественные данные (или данные о воспроизводимости образцов) не представлены.Это впечатление может быть усилено некоторыми количественными данными и некоторыми доказательствами того, что известная внешняя контрольная точка использовалась для ориентирования образцов перед гистологической обработкой.

Мы согласны с рецензентом (обратите внимание, что рисунок 8 теперь является рисунком 9).

Теперь мы предоставили количественную оценку угла миофибрилл, которая обобщена на рисунке 10 и описана в тексте рукописи (как в разделе «Результаты», так и в разделе «Материалы и методы»).

Подраздел «Выводы» Текст предполагает, что этот подход «позволяет анализировать как все сердце, так и ультраструктурную архитектуру», однако оценивался только небольшой сегмент ультраструктуры. Точнее сказать: «Описанный подход позволяет корреляцию макро- и микромасштабной архитектуры в выбранных областях сердца».

Мы согласны с рецензентом и соответствующим образом изменили предложение: «Описанный подход позволяет корреляцию микроструктурной и ультраструктурной архитектуры в выбранных областях сердца.”

Рецензент № 2:

В рукописи Rykiel сообщается об улучшенном методе микроКТ-анализа анатомии сердца с последующим ультраструктурным анализом клеток миокарда в том же образце. Анализ контрольного и деформированного эмбрионального куриного сердца показан как доказательство принципа полезности этого метода. Основным преимуществом описанного метода является улучшенная фиксация и визуализация одних и тех же образцов. Однако, как показано в текущем исследовании, у метода есть несколько ограничений.

Спасибо за положительный отзыв о рукописи и содержательные комментарии. Ниже мы рассмотрим ограничения исследования, указанные рецензентом.

Существенные изменения:

1) Для того, чтобы этот метод был полезен при строгом анализе анатомии сердца и клеточной организации, необходимы дополнительная количественная оценка и доказательства воспроизводимости методов. Текущая рукопись, анализирующая размер выборки n = 1, неадекватна, чтобы определить, можно ли получить воспроизводимые количественные данные с помощью этих методов.

Мы уважительно не согласны с рецензентом по этому поводу. Мы не думаем, что нам нужно больше образцов, чтобы продемонстрировать воспроизводимость методов. Мы разработали методы, описанные после нескольких итераций, которые оптимизировали фиксацию тканей и подготовку как для микроКТ, так и для изображений SEM. После того, как мы нашли комбинацию процедур, которые достигли многомасштабного разрешения, как представлено в этой статье (подробно описано в разделе «Материалы и методы»), мы выбрали два сердца (представленное нормальное и аномальное сердце) и применили методы к этим двум сердцам.Мы показали, что можем хорошо воспроизвести методы (правильная фиксация и подготовка тканей для визуализации), даже если сердца были разными (другими словами, что метод работает не только для нормального сердца, но и для аномального). Метод работал без проблем (нам не потребовались дополнительные оптимизации или настройки), и мы могли получить однородную фиксацию и окрашивание в обоих сердцах (как представлено в рукописи), а также изображения структуры и ультраструктуры сердца с высоким разрешением.

Мы согласны с тем, что добавление большего количества сердец к исследованию будет полезно для исследовательской работы, цель которой состоит в том, чтобы понять, насколько похожи / разные аномальные сердца между собой и по сравнению с нормальными.Такая статья действительно будет сосредоточена на сравнении сердец и инсайтах, полученных при применении представленного подхода к визуализации. Однако мы не думаем, что требуется больше образцов / животных для статьи об инструментах и ​​ресурсах (тип статьи для этой рукописи), в которой основное внимание уделяется методам и процедурам, необходимым для получения многомасштабных изображений относительно большой орган, сердце.

2) Необходима количественная оценка дополнительных параметров в исследованиях микроКТ и СЭМ.

Мы добавили дополнительные количественные данные по изображениям microCT и 3D SEM в результаты. К ним относятся количественные оценки размеров желудочков с помощью микроКТ и выравнивания миофибрилл с помощью SEM. Изначально мы решили не включать слишком много количественных оценок, чтобы не вводить читателей в заблуждение. Учитывая, что n = 1 (1 нормальное сердце и 1 сердце TOF), мы не можем делать выводы с биологической точки зрения, и мы не хотели создавать неправильное впечатление в этой статье «Инструменты и ресурсы». Тем не менее, теперь добавлено больше количественных оценок, чтобы проиллюстрировать дополнительные данные, которые могут быть получены с помощью нашего представленного подхода к многомасштабной визуализации, одновременно предупреждая читателя, что данные предназначены только для целей иллюстрации.

3) Тесты статистической значимости были выполнены на основе нескольких измерений одних и тех же образцов. Эти тесты не подходят для выборки n = 1 в текущем исследовании.

Статистические тесты по нескольким измерениям одних и тех же образцов (в разных местах) были включены только для того, чтобы показать, были ли эти два образца разными. Мы удалили эти тесты, чтобы не запутать читателей (статистические тесты обычно выполняются при сравнении групп животных), а также потому, что они не нужны (различия очевидны без статистических тестов).

4) Трудно оценить преимущества трехмерного ультраструктурного анализа по показанным изображениям. Трудно оценить интересующие элементы на рисунках 6, 7 и 8. Какие красные и зеленые пятна показаны на рисунке 8?

Спасибо за комментарий. Приносим извинения за то, что не показали более четко преимущества 3D SEM на наших рисунках. Мы добавили рисунок (Рисунок 7), показывающий подробную архитектуру, полученную с помощью SEM в небольшой области, который иллюстрирует преимущества 3D SEM.

Относительно конкретных цифр, упомянутых рецензентом. На рисунке 6 показано, что ультраструктурные детали можно оценить на плоскости изображения (плоскость x-y), но также и на перпендикулярных плоскостях (плоскости x-z и y-z), и что полученные изображения (часть стека изображений) хорошо выровнены и однородны. Мы добавили подписи к рисунку, чтобы сделать его более понятным, и отредактировали его заголовок. На рис. 7 (теперь на рис. 8) просто показаны количественные оценки, основанные на изображениях SEM в A и B, а затем — изображение трехмерного внеклеточного пространства в C и D для контрольного сердца и сердца TOF, соответственно.Мы отредактировали заголовок, чтобы точнее отразить это. Рисунок 8 (теперь Рисунок 9) показывает полностью сегментированный объем 3D SEM. Обратите внимание, что «пятна» — это сегменты (нарисованные очертания) ядер (красный), митохондрий (синий) и миофибрилл (зеленый). Эти сегменты были получены полуавтоматически с использованием стратегии глубокого обучения (искусственного интеллекта). Нам очень жаль, что мы не упомянули в подписи к рисунку, что представляют собой цвета, и теперь мы добавили это объяснение к подписи рисунка.Кроме того, как упоминалось ранее, мы добавили рисунок (Рисунок 7), показывающий подробные сегменты ультраструктуры.

5) Главный вывод, связанный с различиями в контрольном сердце и сердце TOF, по-видимому, заключается в увеличении внеклеточного пространства, связанном с повышенной трабекуляцией. Это, вероятно, будет легче оценить при анализе с более низким разрешением или архитектуре миокарда желудочков.

Мы согласны с рецензентом: усиление трабекуляции можно лучше оценить с помощью других методов.Однако мы не можем сделать никаких выводов о биологическом значении из n = 1. Мы приносим свои извинения за непонятность этого, и мы уже разъяснили это в статье. Анализ изображений не был исчерпывающим и был представлен только в качестве примера возможных количественных оценок. Существуют и другие аспекты, которые не были полностью проанализированы, такие как распределение липидных капель, распределение гликогена, распределение митохондрий относительно миофибрилл и т. Д. Наше намерение выбрать ядра, митохондрии и миофибриллы для сегментации и выполнить первоначальную количественную оценку их, было показать возможные количественные результаты, и просто в качестве примера.Могут быть выполнены более подробные количественные оценки — и это действительно будет уместно для статьи, анализирующей различия между нормальным или контрольным сердцем и сердцем с ИБС, в котором также рассматривается соответствующее количество животных и тщательный выбор SEM ROI, включая как левый, так и правый желудочки. . Тот факт, что для этих двух сердец не было разницы в объемной доле ядер, миофибрилл и митохондрий в их левых желудочках, был случайным. Таким образом, хотя кажется, что главный вывод из анализа заключается в том, что трабекуляция левого желудочка и внеклеточное пространство увеличиваются при TOF, и, следовательно, другие методы более подходят (и дешевле) для анализа этих двух сердец, этот вывод вводит в заблуждение, так как есть больше информации из 3D-изображений SBF-SEM, которые мы не анализировали, и которые не могут быть получены из изображений с низким разрешением архитектуры желудочкового миокарда.Кроме того, этот вывод может относиться исключительно к этим двум сердцам, а другие сердца, возможно, показывают различия.

Мы добавили следующее в раздел «Обсуждение»: «Однако, чтобы быть биологически значимыми, эти исследования должны включать больше животных. Количественные оценки и сравнения, представленные здесь для одного контрольного и одного сердца TOF (таким образом, n = 1), относятся только к этим двум сердцам и представлены в качестве иллюстрации возможных способов извлечения информации из предлагаемого метода многомасштабной визуализации.«

6) Авторы подчеркивают, что этот метод может быть применен для анализа врожденных пороков сердца человека. Проведенная подготовка образцов и ультраструктурный анализ неосуществимы на уровне всего органа для человека.

Согласны. Извините, текст вводит в заблуждение. Этот метод не предназначен для сердца человека, он предназначен для моделирования врожденных пороков сердца на мелких животных, которые могут свидетельствовать о врожденных пороках сердца человека. Теперь мы более решительно разъяснили это в рукописи.

В раздел «Обсуждение» добавлен следующий абзац:

«Прямое применение предложенного метода многомасштабной визуализации человеческого сердца ограничено. Представленный здесь метод является деструктивным, поэтому его можно применять только к образцам больных людей. Более того, больший размер человеческого сердца приведет к трудностям в достижении однородной фиксации и окрашивания. Чтобы обойти проблемы с фиксацией и однородностью окрашивания, определенно возможно увеличение времени распространения фиксирующих пятен и пятен тяжелых металлов, а также микроволновые шаги (для ускорения диффузии).Кроме того, возможны изменения в обработке, такие как срезы сердец после микроКТ для облегчения диффузии пятен тяжелых металлов и контрольной визуализации. Как показано, с использованием наших методов многомасштабное изображение человеческого сердца ограничено ».

7) Этот протокол может быть полезен для анализа пороков сердца у мышей. Есть ли какие-либо данные, подтверждающие использование этого метода на других моделях животных?

Спасибо за этот важный момент. На самом деле, мышиные сердца очень похожи по размеру на куриные, и в рукописи мы упоминали, что можем применить те же методы к мышам.К сожалению, несмотря на то, что у нас есть некоторые микроКТ-изображения сердец эмбрионов мышей, а другие получили 2D-ЭМ-изображения сердец мышей, мы еще не выполнили полное многомасштабное изображение сердца мыши, как описано в рукописи. Тем не менее, мы ожидаем, что эти методы будут беспрепятственно перенесены на мышиные сердца, возможно, лишь после нескольких небольших оптимизаций (если таковые имеются).

Рецензент № 3:

Эта рукопись под названием «Мультимасштабная визуализация всего сердца и его внутренней клеточной архитектуры: применение к врожденным порокам сердца», написанная Rykiel et al., представляет собой многомасштабную систему корреляционной визуализации, которая сочетает в себе методы трехмерной микрокомпьютерной томографии и сканирующей электронной микроскопии для одновременной оценки микро- и ультраструктуры тканей сердца. Авторы использовали модель птицы (цыпленка) in vivo и удовлетворительно продемонстрировали возможности применения своей новой системы визуализации. Методы микро-КТ и СЭМ по отдельности хорошо зарекомендовали себя, и их сочетание может быть проблематичным из-за разного разрешения изображений и проблем с фиксацией и окрашиванием.В модели сердца птицы это исследование показывает, что удалось преодолеть эти проблемы и успешно применить эту технику к более крупным тканям (шириной 5-6 мм), чем в предыдущих исследованиях. Этот новый метод действительно может стать мощным инструментом в изучении моделей ИБС и других заболеваний. Процедуры и этапы оптимизации окрашивания, фиксации и визуализации с использованием микро-КТ и SBF-SEM четко проиллюстрированы и подробно описаны. Однако есть некоторые второстепенные вопросы, которые необходимо решить в рукописи, чтобы улучшить ясность, и до публикации исследования.

Мы высоко ценим ваш положительный взгляд на нашу работу и хотели бы поблагодарить вас за то, что вы нашли время просмотреть нашу рукопись. Мы рассмотрели проблемы в рукописи, как описано ниже.

Существенные изменения:

1) В подразделе «Анализ структуры сердца на основе трехмерных изображений микро-КТ», анализируя изображения микро-КТ контрольного сердца птиц по сравнению с сердцем птиц TOF, авторы отмечают, что в сердце TOF была «правая» ветвь легочной артерии. отсутствует по сравнению с контрольным сердцем.В поддержку этого наблюдения они ссылаются на редкое человеческое состояние «одностороннее отсутствие легочной артерии», наблюдаемое у пациентов с TOF. Однако в легенде на Рисунке 3 они упоминают, что «левая» ветвь легочной артерии отсутствовала в сердце TOF. Было ли это наблюдение сделано в других образцах? Это сбивает читателя с толку и требует пояснения.

Приносим извинения за опечатку. Наблюдения проводились из того же сердца, левая ветвь отсутствует. Мы исправили эту ошибку.

2) Основное внимание в статье уделяется технике многомасштабной визуализации и ее потенциальным приложениям. Данные, представленные на рисунках 7 и 8, получены для одного контрольного и одного сердца птицы TOF. Хотя авторы обращаются к этому ограничению в статье, нужно быть осторожным, чтобы не сделать много выводов на основе наблюдений, сравнивающих сердца CT и TOF, хотя они соответствуют ранее опубликованным результатам.

Спасибо, что указали на этот важный аспект нашей работы (обратите внимание, что рисунки 7 и 8 теперь являются рисунками 8 и 9).Полностью согласны с рецензентом. Действительно, мы не можем сделать никаких выводов о биологическом значении из простого сравнения одного контрольного и одного сердца TOF. Мы выполнили некоторые количественные оценки и анализы просто для того, чтобы показать возможности, но никоим образом не предполагали, что мы можем сделать из них выводы. В рукописи мы подчеркнули, что основное внимание уделяется многомасштабной визуализации, а анализ, выполняемый на визуализации, призван проиллюстрировать возможности.

3) В подразделе «Сегментация изображения и количественная оценка» авторы упоминают при описании трехмерной визуализации сегментов SBF-SEM (рис. 8), что ориентация миокардиальных клеток «немного» отличалась.Это должно быть описано далее относительно того, как именно ориентация клеток миокарда TOF отличалась от контроля.

Спасибо, что указали на это. Ориентация миокардиальных клеток может быть определена количественно, и, поскольку ROI соответствуют, эти количественные оценки можно сравнивать. Мы пытались сделать это визуально на рисунке 8 (теперь рисунок 9), но мы согласны с тем, что этого недостаточно. Мы дополнили пояснения и теперь включили количественную оценку ориентации миофибрилл из обоих образцов.Эти количественные оценки обобщены на Рисунке 10, но также описаны в тексте (раздел «Результаты» и раздел «Материалы и методы»).

4) Необходимо кратко прокомментировать другие потенциальные применения этого нового метода визуализации в дополнение к ВПС (дезорганизация внеклеточного матрикса, фиброз, миксоматозная дегенерация тканей клапана и т. Д.). Следует кратко упомянуть любые другие ультраструктуры сердца, которые потенциально могут быть изучены с помощью этого метода.

Спасибо за то, что вы обратили внимание на этот важный момент, который мы не обсудили внимательно.В самом деле, возможны и другие применения нашего подхода к визуализации, включая анализ сердец, которые выглядят нормально, но подвергались оскорблениям на ранних этапах развития (являются ли они полностью нормальными?). Как указывает рецензент, другими применениями метода многомасштабной визуализации являются исследования дезорганизации внеклеточного матрикса, фиброза и дегенерации клапанов. Более того, помимо изучения ядер, митохондрий и миофибрилл (что мы подчеркнули в этой рукописи в качестве примера) мы могли также изучить распределение (и количество) липидных капель, гликогена, а также ультраструктурную организацию внутри миокарда, эндотелия, фибробласты и проводящие клетки.

Мы добавили эти пункты в раздел «Обсуждение».

«За рамками данной статьи, но имеющим отношение к сравнению нормального сердца и сердца с ИБС, будет обширный анализ микроструктуры и ультраструктуры стенок левого и правого желудочков, включая распределение липидных капель, гликогена и митохондрий по отношению к миофибриллы. Кроме того, исследования ультраструктурной организации в миокардиальных, эндокардиальных, фибробластных и проводящих клетках, в нормальном сердце и сердце с сердечной недостаточностью, будут иметь отношение к расшифровке влияния ИБС на клеточную и сердечную функцию.”

И следующее к Заключениям: «Важно, что многомасштабные исследования могут использоваться для расшифровки отпечатков, которые ранние изменения в окружающей среде, в которой растет сердце, оказывают на формирование и функционирование сердца. Кроме того, другими потенциальными приложениями к ИБС и за ее пределами являются определение организации / дезорганизации внеклеточного матрикса, сердечного фиброза, распределения гликогена и миксоматозной дегенерации клапанных тканей в ответ на различные повреждения и старение ».

5) Представленная здесь новая методика визуализации улучшает предыдущие методы, будучи применимой к более крупным тканям (до 5-6 мм по мнению авторов).Однако это все еще меньший размер ткани по сравнению с другими моделями in vivo и тканями сердца человека. Предвидят ли авторы какие-либо потенциальные проблемы в переносе этой технологии на ткани сердца человека? Это необходимо более подробно.

Спасибо за содержательный комментарий. Представленный здесь метод является деструктивным и как таковой (как представлено) может быть применен только к человеческим образцам умерших людей. Более того, больший размер человеческого сердца приведет к трудностям в достижении однородной фиксации и окрашивания.Для достижения фиксации и однородности окрашивания, безусловно, возможны увеличенные сроки распространения фиксирующих пятен и пятен тяжелых металлов, а также шаги с использованием микроволн (для ускорения диффузии). Кроме того, возможны изменения в обработке, такие как срезы сердец после микроКТ для облегчения диффузии пятен тяжелых металлов и контрольная визуализация.

В раздел «Обсуждение» добавлен следующий абзац:

«Прямое применение предложенного метода многомасштабной визуализации человеческого сердца ограничено.Представленный здесь метод является деструктивным, поэтому его можно применять только к образцам больных людей. Более того, больший размер человеческого сердца приведет к трудностям в достижении однородной фиксации и окрашивания. Чтобы обойти проблемы с фиксацией и однородностью окрашивания, определенно возможно увеличение времени распространения фиксирующих пятен и пятен тяжелых металлов, а также микроволновые шаги (для ускорения диффузии). Кроме того, возможны изменения в обработке, такие как срезы сердец после микроКТ для облегчения диффузии пятен тяжелых металлов и контрольной визуализации.Как показано, с использованием наших методов многомасштабное изображение человеческого сердца ограничено ».

У больных клеток сердечной мышцы аномально укороченные теломеры — ScienceDaily

У людей с формой сердечного заболевания, называемой кардиомиопатией, аномально короткие теломеры в клетках сердечной мышцы, ответственных за сокращение, согласно новому исследованию, проведенному учеными из Медицинской школы Стэнфордского университета.

Теломера — это последовательность ДНК, которая служит защитным колпачком на концах хромосом.

Это открытие согласуется с предыдущим исследованием, показывающим, что люди с мышечной дистрофией Дюшенна, генетическим заболеванием, приводящим к истощению мышц, также имеют короткие теломеры в клетках сердечной мышцы или кардиомиоциты. Эти пациенты часто умирают в раннем возрасте от сердечной недостаточности.

Хотя пока неизвестно, влияют ли низкорослые теломеры напрямую на функцию кардиомиоцитов или возникают в результате сердечной недостаточности, открытие открывает двери для интригующего направления исследований и открытия новых лекарств.Это также может однажды позволить исследователям и клиницистам выявлять людей с риском сердечной недостаточности из-за кардиомиопатии.

«Укорочение теломер в кардиомиоцитах, по-видимому, является надежным признаком сердечной недостаточности, которая возникает из-за генетических дефектов, и это очень специфично для клеток, которым необходимы недостающие сократительные белки, такие как дистрофин, тропонин Т или тяжелая цепь миозина, среди прочего, «сказала Хелен Блау, доктор философии, профессор микробиологии и иммунологии и член Стэнфордского института сердечно-сосудистой системы.

Блау, профессор Фонда Дональда Э. и Делии Б. Бакстер и директор лаборатории биологии стволовых клеток Бакстера, является старшим автором исследования, которое будет опубликовано в Интернете 27 августа в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. . Алекс Чанг, доктор философии, преподаватель сердечно-сосудистой медицины, микробиологии и иммунологии, является ведущим автором.

Укорочение с делением клеток

В большинстве клеток теломеры естественным образом укорачиваются при каждом делении клетки.Но кардиомиоциты делятся нечасто, и длина их теломер остается относительно стабильной на протяжении всей жизни.

У людей мышечная дистрофия Дюшенна, вызванная мутацией в гене дистрофина, характеризуется прогрессирующей мышечной слабостью и возможной смертью из-за сердечных осложнений. В более ранней работе Блау и ее коллеги заметили, что, хотя у мышей с соответствующей мутацией в дистрофине наблюдались симптомы истощения мышц, их сердца функционировали нормально.Исследователи поняли, что ключевое различие между людьми и мышами заключается в длине теломер каждого вида: теломеры человека относительно короткие и составляют 5-15 килобаз, но у мышей теломеры достигают 40 килобайт. Когда исследователи ввели вторую мутацию у мышей, которая уменьшила длину теломер, чтобы более точно соответствовать человеческой, у животных начали проявляться типичные симптомы болезни, включая сердечную недостаточность.

Последующее исследование в лаборатории Блау показало, что у мышей укорочение теломер запускает реакцию повреждения ДНК, которая ставит под угрозу функцию генераторов энергии клеток или митохондрий.В результате кардиомиоциты не могли эффективно перекачивать кровь по всему телу.

«Поскольку в предыдущем исследовании мы обнаружили, что кардиомиоциты мальчиков, умерших от мышечной дистрофии Дюшенна, имели теломеры примерно на 50 процентов короче, чем у людей, не страдающих этим заболеванием, — сказал Блау, — мы задавались вопросом, могут ли люди с другими генетическими заболеваниями сердца такие как кардиомиопатии, могут также иметь кардиомиоциты с аномально укороченными теломерами ». Блау и Чанг сотрудничали с несколькими другими членами Стэнфордского института сердечно-сосудистой системы, чтобы исследовать этот вопрос.

Кардиомиопатия — это состояние, при котором сердце необычно большое, утолщенное или жесткое. Это влияет на его способность эффективно перекачивать кровь. Этим заболеванием страдает каждый 500–2500 человек в мире, и кардиомиопатии являются основной причиной трансплантации сердца. Дилатационная кардиомиопатия возникает при увеличении левого желудочка, в то время как гипертрофическая кардиомиопатия вызывается утолщением сердечной мышцы.

Чанг сравнил длину теломер в кардиомиоцитах у 11 пациентов с дилатационной или гипертрофической кардиомиопатией из-за генетических мутаций с девятью людьми, умершими по причинам, не связанным с сердечными заболеваниями.Он обнаружил, что теломеры пациентов с кардиомиопатией были примерно на 25-40 процентов короче, чем у контрольных субъектов. Напротив, длина теломер в не бьющихся сердечных клетках кровеносных сосудов существенно не различалась между двумя группами.

Чанг увидел аналогичные результаты в кардиомиоцитах, созданных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток: те, которые были получены от людей с кардиомиопатией, имели значительно более короткие теломеры, чем у здоровых родственников.

«В течение 20 дней мы смогли увидеть, как происходит укорачивание теломер в выращенных в лаборатории кардиомиоцитах больных пациентов, что позволяет предположить, что это внутреннее свойство клетки», — сказал Блау.

Способность использовать технологию iPS-клеток для генерации пораженных кардиомиоцитов также означает, что должна быть возможность быстро и легко тестировать соединения или лекарства, которые мешают укорачиванию теломер, с целью поиска лекарств для отмены заболевания у людей, считают исследователи. .

«Теперь мы можем изучить это явление в лаборатории в режиме реального времени и начать задавать вопросы о причине и следствии», — сказал Блау. «Мы хотели бы знать, например, как это сокращение может повлиять на реакцию на повреждение ДНК, митохондриальную дисфункцию и пути гибели клеток.Это открывает совершенно новое направление расследования ».

Электрическая система сердца

Обзор темы

Что контролирует время вашего сердцебиения?

Электрическая система вашего сердца контролирует время вашего сердцебиения, регулируя вашу:

• Частоту сердечных сокращений, то есть количество ударов вашего сердца в минуту.
• Сердечный ритм, который является синхронизированным насосным действием ваших четырех камер сердца.

Электрическая система вашего сердца должна поддерживать:

• Постоянную частоту сердечных сокращений от 60 до 100 ударов в минуту в состоянии покоя.Электрическая система сердца также увеличивает эту скорость, чтобы удовлетворить потребности вашего организма во время физической активности, и снижает ее во время сна.
• Упорядоченное сокращение предсердий и желудочков (это называется синусовым ритмом).

Посмотрите изображение сердца и его электрической системы.

Как работает электрическая система сердца?

Ваша сердечная мышца состоит из крошечных клеток. Электрическая система вашего сердца контролирует время вашего сердцебиения, посылая электрический сигнал через эти клетки.

Два разных типа клеток в вашем сердце позволяют электрическому сигналу контролировать ваше сердцебиение:

• Проводящие клетки передают электрический сигнал вашего сердца.
• Мышечные клетки позволяют камерам вашего сердца сокращаться, действие, запускаемое электрическим сигналом вашего сердца.

Электрический сигнал проходит через сеть проводящих клеток «путей», которые стимулируют ваши верхние камеры (предсердия) и нижние камеры (желудочки) сокращаться.Сигнал может перемещаться по этим путям посредством сложной реакции, которая позволяет каждой клетке активировать соседнюю клетку, стимулируя ее «передавать» электрический сигнал упорядоченным образом. Поскольку клетка за клеткой быстро передает электрический заряд, все сердце сокращается одним скоординированным движением, вызывая сердцебиение.

Электрический сигнал начинается с группы клеток в верхней части сердца, называемой синоатриальным (SA) узлом. Затем сигнал проходит через ваше сердце, вызывая сначала два ваших предсердия, а затем два желудочка.В здоровом сердце сигнал очень быстро проходит через сердце, позволяя камерам сокращаться плавно и упорядоченно.

Сердцебиение происходит следующим образом:

1. Узел SA (так называемый кардиостимулятор сердца) посылает электрический импульс.
2. Верхние камеры сердца (предсердия) сокращаются.
3. AV-узел посылает импульс в желудочки.
4. Нижние камеры сердца (желудочки) сокращаются или накачиваются.
5. Узел SA посылает еще один сигнал предсердиям на сокращение, что снова запускает цикл.

Этот цикл электрического сигнала, за которым следует сокращение, составляет одно сердцебиение.

Узел SA и предсердия

Когда узел SA посылает электрический импульс, он запускает следующий процесс:

• Электрический сигнал проходит от узла SA через мышечные клетки в правом и левом предсердии.
• Сигнал запускает мышечные клетки, которые заставляют ваши предсердия сокращаться.
• Предсердия сокращаются, перекачивая кровь в левый и правый желудочки.

АВ-узел и желудочки

После того, как электрический сигнал заставил ваши предсердия сокращаться и перекачивать кровь в желудочки, электрический сигнал поступает в группу клеток в нижней части правого предсердия, называемую атриовентрикулярным узлом или АВ-узлом. Узел AV ненадолго замедляет электрический сигнал, давая желудочкам время принять кровь из предсердий.Затем электрический сигнал запускает ваши желудочки.

Когда электрический сигнал покидает АВ-узел, он запускает следующий процесс:

• Сигнал проходит вниз по пучку проводящих клеток, называемому пучком Гиса, который делит сигнал на две ветви: одна ветвь идет к левому желудочку. , другой правый желудочек.
• Эти две основные ветви далее разделяются на систему проводящих волокон, которые распространяют сигнал через левый и правый желудочки, заставляя желудочки сокращаться.
• Когда желудочки сокращаются, ваш правый желудочек перекачивает кровь к вашим легким, а левый желудочек перекачивает кровь к остальной части вашего тела.

После сокращения предсердий и желудочков каждая часть системы электрически перезагружается.

Как электрическая система сердца регулирует частоту сердечных сокращений?

Клетки узла SA в верхней части сердца известны как кардиостимулятор сердца, потому что частота, с которой эти клетки посылают электрические сигналы, определяет частоту ударов всего сердца (частоту сердечных сокращений).

Нормальная частота пульса в состоянии покоя колеблется от 60 до 100 ударов в минуту. Ваша частота пульса может повышаться или понижаться в зависимости от потребностей вашего тела.

Что заставляет ваш пульс учащаться или замедляться?

Ваш мозг и другие части вашего тела посылают сигналы, побуждающие ваше сердце биться быстрее или медленнее. Хотя способ взаимодействия всех химических сигналов, влияющих на частоту сердечных сокращений, сложен, в конечном итоге эти сигналы говорят узлу SA запускать заряды в более быстром или медленном темпе, что приводит к более быстрому или более медленному пульсу.

Например, во время тренировок, когда организму требуется больше кислорода для функционирования, сигналы от вашего тела заставляют ваш пульс значительно увеличиваться, чтобы доставить больше крови (и, следовательно, больше кислорода) в тело. Ваша частота сердечных сокращений может превышать 100 ударов в минуту, чтобы удовлетворить повышенные потребности вашего организма во время физических нагрузок.

Точно так же в периоды отдыха или сна, когда организму требуется меньше кислорода, частота сердечных сокращений уменьшается. У некоторых спортсменов нормальная частота сердечных сокращений значительно ниже 60, потому что их сердца очень эффективны и им не нужно биться так быстро.Таким образом, изменения частоты сердечных сокращений — это нормальная часть усилий вашего сердца по удовлетворению потребностей своего тела.

Как ваше тело контролирует частоту сердечных сокращений?

Ваше тело контролирует ваше сердце посредством:

• Симпатической и парасимпатической нервных систем, нервные окончания которых находятся в сердце.
• Гормоны, такие как адреналин и норадреналин (катехоламины), циркулирующие в кровотоке.

Симпатическая и парасимпатическая нервные системы

Симпатическая и парасимпатическая нервные системы представляют собой противодействующие силы, влияющие на частоту сердечных сокращений.Обе системы состоят из очень крошечных нервов, которые проходят от головного или спинного мозга к сердцу. Симпатическая нервная система срабатывает во время стресса или потребности в увеличении сердечного выброса и посылает сигналы в ваше сердце, чтобы увеличить его частоту. Парасимпатическая система активна в периоды покоя и посылает сигналы сердцу, чтобы уменьшить его частоту.

Катехоламины

Во время стресса или потребности в увеличении сердечного выброса надпочечники выделяют в кровоток гормон, называемый норадреналином, в то же время, когда симпатическая нервная система также запускается, чтобы увеличить частоту сердечных сокращений.Этот гормон заставляет сердце биться быстрее, и в отличие от симпатической нервной системы, которая посылает мгновенный и кратковременный сигнал, норэпинефрин, попадающий в кровоток, увеличивает частоту сердечных сокращений на несколько минут или более.

Препараты для микроскопии сердечно-сосудистой системы

Глава 9 — Сердечно-сосудистая система

Сердечно-сосудистая система транспортирует кровь к сердцу и от сердца ко всем тканям тела. Его основная функция — транспортировка кислорода и углекислого газа, питательных веществ и продуктов метаболизма.Он также участвует в регуляции температуры, распределении гормонов и иммунной функции.

Сердечно-сосудистая система состоит из следующих структур:

• Сердце — перекачивает кровь по системе
• Артерии — сосуды, доставляющие кровь к тканям
• Капилляры — сеть мелких сосудов, которые перфузируют ткани
• Вены — сосуды, возвращающие кровь к сердцу

Кровеносные сосуды находятся во всех тканях тела, за очень редким исключением, например, в эпителии и хрящах.

Клетки крови рассматриваются в отдельной главе.

СЕРДЦЕ

Сердце — это насос, который ритмично сокращается, отправляя кровь через сердечно-сосудистую систему. Сократительная стенка сердца, миокард, состоит из клеток сердечной мышцы.

Сердце состоит из четырех камер: двух предсердий и двух желудочков .В предсердия поступает кровь, а в желудочки кровь выводится из сердца.

Клапаны сердца и скелет сердца

Клапаны сердца представляют собой тонкие складки эндокарда с сердцевиной из плотной соединительной ткани. Для сохранения формы сердечные клапаны прикреплены вокруг фиброзных колец сердечного скелета .

(H&E)

(трехстворчатый клапан и коронарная артерия)

(H&E / PTAH)

(аортальный клапан и скелет сердца)

Волокна Пуркинье

Волокна Пуркинье — это специализированные мышечные волокна, которые передают импульсы для создания синхронизированных сокращений желудочков.

(кислотное пятно Шиффа)

КРОВООБРАЩЕНИЕ

Кровообращение разделено на два контура:

• Легочный контур — переносит бедную кислородом кровь от сердца к легким и возвращается в виде богатой кислородом крови (см. Дыхательная система)
• Системный контур — переносит богатую кислородом кровь от сердца по всему телу и возвращается в виде бедной кислородом крови

Кровеносные сосуды имеют стенки, состоящие из трех слоев (или оболочек):

• Tunica intima — эндотелий и рыхлая соединительная ткань
• Tunica media — концентрические слои различного количества эластичных волокон, гладкомышечных клеток и коллагеновых волокон
• Обычно самый толстый слой в артериях
• Адвентициальная туника — наружный слой соединительной ткани
• Обычно самый толстый слой в прожилках

Эти слои различаются по толщине в зависимости от типа сосуда (артерии, артериолы, венулы и вены).

Эластические артерии и крупные вены

Эластичные артерии проводят кровь от сердца к различным участкам тела. Эти сосуды включают аорту, легочную артерию и их самые крупные ветви.

Среда оболочки содержит множество концентрических фенестрированных пластин эластина (, т.е. , эластичных пластинок, ), перемежающихся с гладкомышечными клетками.

Эта эластичная ткань позволяет этим сосудам расширяться при повышении артериального давления (систола) и отскакивать при падении артериального давления (диастола). Это перекачивающее действие помогает поддерживать кровяное давление в сердечном цикле.

Мышечные артерии и средние вены

Мышечные артерии распределяют кровь к определенным органам в соответствии с их функциональными потребностями. Большинство названных артерий в организме — мышечные артерии.

Среда оболочки состоит из концентрических слоев гладкомышечных клеток. Сокращение и расслабление этих мышечных клеток регулируют кровоток, изменяя размер просвета.

Выступающая внутренняя эластичная пластинка отделяет внутреннюю оболочку от среды. В более крупных артериях внешняя эластическая пластинка также отделяет среднюю оболочку от адвентиции.

Артериолы

Артериолы регулируют кровоток в капиллярных руслах.Они обеспечивают большую часть сопротивления кровотоку в организме.

Среда оболочки уменьшена до одного или двух концентрических слоев гладкомышечных клеток.

Сокращение гладкомышечных клеток сужает просвет артериолы, уменьшая кровоток и увеличивая сопротивление сосудов.

Капилляры

Капилляры — это самые маленькие кровеносные сосуды (менее 10 мкм в диаметре).Тонкая стенка капилляров состоит из эндотелиальных клеток, поддерживаемых базальной мембраной.

Можно выделить три типа капилляров:

• Непрерывные капилляры — непрерывный эндотелий и базальная мембрана
• Фенестрированные капилляры — эндотелиальные клетки содержат маленькие поры от 80 до 100 нм, называемые фенестрациями (обычно с тонкими диафрагмами)
• Синусоидальные капилляры — прерывистый эндотелий и неполная базальная мембрана

Непрерывные капилляры отвечают за обмен газов, питательных веществ и продуктов жизнедеятельности между кровью и тканями.Газы проходят через эндотелиальные клетки путем диффузии, небольшие молекулы проходят между эндотелиальными клетками, в то время как большие молекулы транспортируются через эндотелий пиноцитотическими пузырьками.