Клетки сердца

Что заставляет сердце сокращаться? Что определяет его ритм, и как этот ритм поддерживается всей мускулатурой сердца? Чему обязано сердце своей способностью пульсировать: свойствам каждой отдельной клетки или взаимодействию клеток? Чтобы ответить на все эти вопросы, мы, сотрудники медицинского центра Калифорнийского университета, разрабатываем новый метод изучения работы сердца. Мы обособляем элементы живой ткани сердечной мышцы и следим за поведением отдельных клеток.

Эксперимент начинается с обработки трипсином измельченной ткани сердца молодой крысы. Этот фермент разрушает протеин — белок, цементирующий клетки, причем подобная операция, очевидно, не нарушает целости самих клеток. Поместив затем выделенные таким образом клетки в центрифугу, мы получаем их суспензию в среде, содержащей сыворотку крови и другие необходимые питательные вещества.

Приблизительно через четыре часа клетки сердца начинают осаждаться на дно. После двух-трех дней инкубации (температура поддерживается 37° по Цельсию) в специальном сосуде (флаконе) видно, что клетки сердца коренным образом изменяются. Они вытягиваются, уплощаются и прикрепляются к стеклу флакона длинными отростками.

Когда мы в первый раз рассмотрели один из этих препаратов под микроскопом, перед нами открылась удивительная картина: некоторые из наших клеток пульсировали! Примерно одна из ста клеток ритмично сокращалась, причем каждая такая клетка имела свою особую частоту сокращений (от 10 до 150 раз в минуту). До этого проводились исследования, которые показали пульсацию изолированных клеток сердца эмбриона цыпленка. Нам впервые удалось обнаружить это явление на материале, полученном из сердца полностью развитых млекопитающих.

Это сразу же доказало, что биение сердца зарождается в биении единичной клетки, то есть для процесса пульсации не требуется ни множества клеток, ни нервных связей. Эти факторы регулируют работу сердца, но нет сомнения, что периодическое сокращение является внутренней функцией единичной клетки.

До последнего времени большинство специалистов отрицало даже существование в сердце отдельных клеток. Когда исследовали ткань сердца, то видели нечто, казавшееся пучками связанных между собой волокон, многочисленные ядра которых не разделялись клеточными оболочками. Поэтому считали, что сердце состоит, по существу, из одной крупной клетки с большим количеством ядер. Электронная микроскопия, однако, показывает, что в действительности ядро и окружающая их протоплазма в сердечномышечной ткани разделены перегородками, и сердце, таким образом, состоит из отдельных функционирующих клеток.

В первом из наших опытов мы дали нашему препарату возможность развиваться несколько недель и вели наблюдения. По мере того, как клетки поглощали питательные вещества, они росли и размножались. Их отростки удлинялись и вступали в контакт друг с другом. Чем больше клеток соединялось таким образом, тем большее их число начинало пульсировать. В конечном счете все клетки соединялись воедино и пульсировали, но пульсация каждой из них больше не была самостоятельной. После того как происходило окончательное объединение клеток, они пульсировали с одинаковой частотой и в унисон.

По мере дальнейшего размножения клеток сосуд все больше заполняется ими. Начинается новая фаза процесса. Среди клеток появляются совершенно определенные центры, вокруг которых радиально располагаются удлиненные клетки. Теперь стенки сосуда как бы покрыты розетками, и все эти розетки пульсируют в унисон. Следующая стадия — срастание клеток в перепончатый пласт, который весь вздымается и опускается, пульсируя уже как единый орган, а не как совокупность многих клеток. Розетки организуются в линии, как бы образуя длинные пульсирующие «горные хребты». Эти «хребты» часто утолщаются и частично отделяются от перепончатого пласта в виде волокон, и волокна тоже продолжают пульсировать.

Эти наблюдения наводят на мысль о том, что организация сердца взрослой особи частично является результатом деятельности самих клеток. А. А. Москона (университет Чикаго) получил аналогичные результаты, работая с тканями других органов. Он смешивал в одной чашке клетки печени эмбриона с клетками почек и замечал, что оба типа клеток вскоре разделялись, и каждая группа оформлялась таким образом, что напоминала строение родительских тканей.

Весь процесс объединения и определенной организации клеток сердца напоминает развитие слизистой плесени — особого организма, который проводит часть жизни в виде суспензии единичных клеток, а другую часть уже как многоклеточный организм. В конце первого периода, то есть когда каждая клетка еще живет самостоятельной жизнью, клетки слизистой плесени собираются и объединяются во взрослый организм. На этой стадии слизистая плесень поразительно похожа на собирающиеся воедино клетки сердца.

Проследив за тем, как распространялся процесс пульсации при объединении клеток, мы решили несколько изменить условия эксперимента. Была приготовлена культура, содержащая в восемь раз больше клеток на единицу объема, чем в первоначальном варианте. За один-два дня все клетки вступили в контакт друг с другом и начали пульсировать в унисон. В суспензии средней концентрации за то же время начали пульсировать 80 процентов клеток, которые образовали несколько отдельных групп. Причем каждая из этих групп пульсировала как единый орган, хотя и не в унисон с другими группами клеток.

Было похоже на то, что пульсация передается путем прямого контакта между клетками. Однако можно было также предполагать, что в питательной среде находится какой-то химический переносчик — раздражитель. Чтобы решить этот вопрос, мы разделили одну колонию синхронно пульсирующих клеток на две самостоятельные части. Обе они немедленно начали пульсировать с различной частотой, несмотря на то, что были помещены в одну и ту же среду. В другом эксперименте мы применили ацетилхолин (вещество, замедляющее работу сердца), обработав им лишь небольшую часть клеток целой колонии. Ацетилхолин подавил пульсацию всех клеток. Когда же мы подействовали ацетилхолином на клетки одной из частей разделенной колонии, он подавил пульсацию клеток только в этой части; вторая половина никак не реагировала на ацетилхолин до тех пор, пока не была перемешена питательная среда.

Опыты показали, что могут быть два типа изолированных сердечных клеток: 1) небольшое количество клеток, пульсирующих самопроизвольно (их мы назвали ведущими клетками — «лидерами») и 2) большинство клеток, названных нами «ведомыми», которые пульсируют, только находясь в контакте с одним из «лидеров». Обработка культуры метиленовой синькой помогла выделить эти группы вполне четко. Это, во-первых, длинные клетки неправильной формы, которые хорошо окрашивались в темно-синий цвет. Вероятно, это и есть клетки-«лидеры». И, во-вторых, клетки меньшего размера, округлой формы, очевидно, «ведомые» клетки. Окрашивались они очень слабо.

В сердце известны два основных типа клеток. Одни из них — клетки миокарда, мышечные клетки, составляют основу сердечной ткани. Другие порождают и рассылают импульсы, поддерживающие ритмичность пульсации сердца. Каждое сокращение, очевидно, начинается с импульса в синусном узле (узел в правом предсердии). Отсюда импульс распространяется на оба предсердия и достигает атриовентрикулярного узла. Затем следует дальше через сеть клеток, известных под названием волокон Пуркинье, к остальным клеткам сердца. Нам представляется возможным, что клетки-«лидеры» в наших культурах происходят из узловых тканей и волокон Пуркинье, а «ведомые» клетки — из тканей сердечной мышцы. Данные предварительных экспериментов подтвердили эту точку зрения: когда мы приготовили культуру части правого предсердия, включающей синусный узел, мы получили более высокий процент самопроизвольно пульсирующих клеток.

Затем мы поставили перед собой задачу выяснить, что определяет частоту пульсации в синхронной сети. Зависит ли частота от биений самой «быстрой» или самой «медленной» клетки-«лидера» в данной группе, или же здесь возникает какая-то средняя частота пульсации? Этот вопрос можно сразу решить, проведя серию микрофотографий при помощи видеокамеры, которая проследит частоту пульсаций отдельных клеток при их объединении в сеть клеток. Мы приступили к подбору необходимого оборудования.

А тем временем нам удалось получить некоторые данные не столь прямым методом. Известно, что частота пульсации сердечных клеток возрастает с повышением температуры. Использовав аппарат, который давал возможность установить температурный градиент в чашке с культурой, мы измерили частоту биений клеток вначале при температуре 25° по Цельсию, затем при 35°. После этого мы подогрели одну сторону чашки и понизили температуру другой ее стороны с тем, чтобы клетки находились в условиях разных температур — от 25 до 35°. Вся сеть пульсировала с той же частотой (или почти с такой же), которая наблюдалась при самой высокой температуре.

Но когда эта сеть была разделена на две части, на нагретой стороне сохранилась начальная высокая частота пульсации, а на охлажденной стороне частота упала. Другими словами, клетки на более холодной половине чашки сохраняли быстрый темп биений до тех пор, пока они были связаны с клетками, нагретыми до более высокой температуры. Однако когда охлажденные клетки были отделены, частота их биений сократилась до скорости, характерной для более низкой температуры. Это позволило нам сделать вывод, что общая для всей сети клеток частота определяется самой быстрой клеткой (или, может быть, группой клеток).

Опыты, проведенные над целым сердцем, подтверждают этот вывод. Разрушение синусного узла снижает частоту пульсации, и основная роль в определении скорости биения тогда принадлежит атриовентрикулярному узлу. Когда развивающееся сердце цыпленка разделяли на две части, то обе части пульсировали с разной частотой; когда обе части соединяли, то преобладала большая частота.

Короче говоря, общая частота пульсации определяется клеткой, обладающей наибольшей частотой, и именно потому, что она пульсирует быстрее всех других, И хотя все клетки в сети клеток пульсируют с одинаковой частотой, потенциально они сохраняют свои индивидуальные особенности.

Если приготовить культуру клеток сердца очень слабой концентрации, то в ней не образуются ни розетки, ни волокна, клетки продолжают пульсировать в одиночку до 40 дней. Первые несколько дней поведение каждой такой пульсирующей клетки во многом напоминает работу целого сердца. Но пульсирующая клетка гораздо более чувствительна, чем бьющееся сердце, и представляет собой как бы уменьшенную во много раз «модель» сердца, которую можно использовать во многих опытах, На клетках можно изучать действие лекарственных веществ. Так, например, ацетилхолин совершенно приостанавливает биение клетки на несколько минут. Биение возобновляется после нейтрализации действия ацетилхолина ферментом холинэстеразой. Если клетку предварительно обработать эзерином, то есть составом, нейтрализующим действие холинэстеразы, то эффект ацетилхолина сохраняется. Действие эзерина, в свою очередь, может быть сведено на нет строфантином.

Сердечномышечные клетки чрезвычайно чувствительны также к агентам, подавляющим некоторые стадии обмена веществ. Одним из таких агентов является динитрофенол, препятствующий синтезу аденозин-трифосфата (АТФ), который, как считают, дает энергию для процесса сокращения мышц. Мы обнаружили, что очень низкие концентрации динитрофенола задерживают пульсацию единичной клетки. Это тормозящее действие динитрофенола может быть уничтожено прибавлением АТФ. Напрашивается вывод, что для процесса пульсации необходим АТФ. При помощи соответствующих тормозящих агентов можно изучить и другие реакции, снабжающие энергией – клеточные процессы. Подобные исследования могут внести ясность в картину обмена веществ, лежащую в основе работы сердца.

Клеткам требуется меньше питательных веществ для того, чтобы они пульсировали, чем для одновременного роста и пульсации. Физиологический раствор, содержащий фракцию гликопротеина сыворотки крови, углекислоту и источник энергии в виде глюкозы или лактата (соли молочной кислоты), будет способствовать продолжению и сохранению процесса пульсации. Цельная сыворотка, аминокислоты и витамины способствуют росту клеток. Если концентрация культуры достаточно высока для образования из клеток волокнистых масс, то потребность их в питательных веществах снижается: они могут пульсировать безо всякого постороннего источника энергии (углекислоты и гликопротеина).

Гарри Игл (медицинский колледж имени Альберта Эйнштейна) обнаружил подобное явление и на других клетках млекопитающих. Разбавленные культуры требуют нескольких аминокислот, в то время как культуры повышенной концентрации прекрасно обходятся без этого. Независимо от того, какие могут быть сделаны выводы из этих открытий, уже сейчас одно представляется несомненным: потребность в питательных веществах неодинакова у единичной клетки и у целой ткани.

В основе описанных экспериментов лежит вопрос о взаимосвязи и взаимозависимости единичных клеток и родительской ткани. Нет сомнения, что изоляция клетки и помещение ее в чужеродную среду не могут не сказаться коренным образом на процессах, происходящих в этой клетке. Клетка некоторое время продолжает функционировать, потому что она сохраняет структуру и ферменты, синтезированные в нормальных условиях целого организма. Она, так сказать, пытается продолжать свою историю. Однако через некоторое время в этих клетках наступают изменения. Они теряют способность производить специфичные ферменты. Единичные клетки в разбавленных растворах пульсируют не более шести недель; в концентрированных культурах клетки, объединившиеся в синхронно пульсирующие совокупности, дегенерируют уже через две недели.

Такие эксперименты, мы надеемся, позволят решить один из наиболее важных вопросов биологии: как в развивающемся организме возникает специфика различных типов клеток.

Автор: Г. Иткиса, перевод с английского.