Клітини серця

Сердце

Що змушує серце скорочуватися? Що визначає його ритм, і як цей ритм підтримується всією мускулатурою серця? Чому зобов’язане серце своєю здатністю пульсувати: властивостям кожної окремої клітини або взаємодії клітин? Щоб відповісти на всі ці питання, ми, співробітники медичного центру Каліфорнійського університету, розробляємо новий метод вивчення роботи серця. Ми відособляємо елементи живої тканини серцевого м’яза і стежимо за поведінкою окремих клітин.

Експеримент починається з обробки трипсином подрібненої тканини серця молодого щура. Цей фермент руйнує протеїн – білок, цементуючий клітини, причому подібна операція, очевидно, не порушує цілості самих клітин. Помістивши потім виділені таким чином клітини в центрифугу, ми отримуємо їх суспензію в середовищі, що містить сироватку крові та інші необхідні поживні речовини.

Приблизно через чотири години клітини серця починають осідати на дно. Після двох-трьох днів інкубації (температура підтримується 37° за Цельсієм) в спеціальній посудині (флаконі) видно, що клітини серця докорінно змінюються. Вони витягуються, стають більш щільними і прикріплюються до скла флакона довгими відростками.

Коли ми в перший раз розглянули один із цих препаратів під мікроскопом, перед нами відкрилася дивовижна картина: деякі з наших клітин пульсували! Приблизно одна зі ста клітин ритмічно скорочувалася, причому кожна така клітина мала свою особливу частоту скорочень (від 10 до 150 разів на хвилину). До цього проводилися дослідження, які показали пульсацію ізольованих клітин серця ембріона курчати. Нам вперше вдалося виявити це явище на матеріалі, отриманому з серця повністю розвинених ссавців.

Це відразу ж довело, що биття серця зароджується в битті одиничної клітини, тобто для процесу пульсації не потрібно ні безлічі клітин, ні нервових зв’язків. Ці фактори регулюють роботу серця, але немає сумніву, що періодичне скорочення є внутрішньою функцією одиничної клітини.

До останнього часу більшість фахівців заперечувало навіть існування у серці окремих клітин. Коли досліджували тканину серця, то бачили щось, що здавалося пучками пов’язаних між собою волокон, численні ядра яких не розділялися клітинними оболонками. Тому вважали, що серце складається, по суті, з однієї великої клітини з великою кількістю ядер. Електронна мікроскопія, однак, показує, що насправді ядро і навколишня їх протоплазма в сердцем’язовій тканини розділені перегородками, і серце, таким чином, складається з окремих функціонуючих клітин.

У першому з наших дослідів ми дали нашому препарату можливість розвиватися кілька тижнів і вели спостереження. У міру того, як клітини поглинали живильні речовини, вони росли і розмножувалися. Їх відростки видовжувалися і вступали в контакт один з одним. Чим більше клітин поєднувалося таким чином, тим більше їх число починало пульсувати. У кінцевому рахунку всі клітини з’єднувалися воєдино і пульсували, але пульсація кожної з них більше не була самостійною. Після того як відбувалося остаточне об’єднання клітин, вони пульсували з однаковою частотою і в унісон.

У міру подальшого розмноження клітин посудина все більше заповнюється ними. Починається нова фаза процесу. Серед клітин з’являються зовсім певні центри, навколо яких радіально розташовуються подовжені клітини. Тепер стінки судини як би покриті розетками, і всі ці розетки пульсують в унісон. Наступна стадія – зрощення клітин в перетинчастий пласт, який весь здіймається й опускається, пульсуючи вже як єдиний орган, а не як сукупність багатьох клітин. Розетки організовуються в лінії, як би утворюючи довгі пульсуючі «гірські хребти». Ці «хребти» часто товщають і частково відокремлюються від перепончатого пласта у вигляді волокон, і волокна теж продовжують пульсувати.

Ці спостереження наводять на думку про те, що організація серця дорослої особини частково є результатом діяльності самих клітин. А. А. Москоне (університет Чикаго) отримав аналогічні результати, працюючи з тканинами інших органів. Він змішував в одній чашці клітини печінки ембріона з клітинами нирок і помічав, що обидва типи клітин незабаром поділялися, і кожна група оформлялася таким чином, що нагадувала будову батьківських тканин.

Весь процес об’єднання і певної організації клітин серця нагадує розвиток слизової цвілі – особливого організму, який проводить частину життя у вигляді суспензії одиничних клітин, а іншу частину вже як багатоклітинний організм. В кінці першого періоду, тобто коли кожна клітина ще живе самостійним життям, клітини слизової цвілі збираються і об’єднуються в дорослий організм. На цій стадії слизова цвіль вражаюче схожа на клітини серця, що збираються воєдино.

Простеживши за тим, як поширювався процес пульсації при об’єднанні клітин, ми вирішили дещо змінити умови експерименту. Була приготована культура, що містить у вісім разів більше клітин на одиницю об’єму, ніж у первісному варіанті. За один-два дні всі клітини вступили в контакт один з одним і почали пульсувати в унісон. У суспензії середньої концентрації за той же час почали пульсувати 80 відсотків клітин, які утворили кілька окремих груп. Причому кожна з цих груп пульсувала як єдиний орган, хоча і не в унісон з іншими групами клітин.

Було схоже на те, що пульсація передається шляхом прямого контакту між клітинами. Однак можна було також припускати, що в живильному середовищі знаходиться якийсь хімічний переносник – подразник. Щоб вирішити це питання, ми розділили одну колонію синхронно пульсуючих клітин на дві самостійні частини. Обидві вони негайно почали пульсувати з різною частотою, незважаючи на те, що були поміщені в одне і те ж середовище. В іншому експерименті ми застосували ацетилхолін (речовина, що сповільнює роботу серця), обробивши їм лише невелику частину клітин цілої колонії. Ацетилхолін придушив пульсацію всіх клітин. Коли ж ми подіяли ацетилхоліном на клітини однієї з частин розділеної колонії, він придушив пульсацію клітин тільки в цій частині; друга половина ніяк не реагувала на ацетилхолін до тих пір, поки не була перемішане живильне середовище.

Досліди показали, що можуть бути два типи ізольованих серцевих клітин: 1) невелика кількість клітин, пульсуючих мимовільно (їх ми назвали провідними клітинами – «лідерами») і 2) більшість клітин, названих нами «веденими», які пульсують, тільки перебуваючи в контакті з одним із «лідерів». Обробка культури метиленовою синькою допомогла виділити ці групи цілком чітко. Це, по-перше, довгі клітини неправильної форми, які добре забарвлювалися в темно-синій колір. Ймовірно, це і є клітини-«лідери». І, по-друге, клітини меншого розміру, округлої форми, очевидно, «ведені» клітини. Офарблювалися вони дуже слабо.

У серці відомі два основних типи клітин. Одні з них – клітини міокарда, м’язові клітини, складають основу серцевої тканини. Інші породжують і розсилають імпульси, що підтримують ритмічність пульсації серця. Кожне скорочення, очевидно, починається з імпульсу в синусному вузлі (вузол у правому передсерді). Звідси імпульс поширюється на обидва передсердя і досягає атріовентрикулярного вузла. Потім слідує далі через мережу клітин, відомих під назвою волокон Пуркіньє, до решти клітин серця. Нам представляється можливим, що клітини-«лідери» в наших культурах походять з вузлових тканин і волокон Пуркіньє, а «ведені» клітини – з тканин серцевого м’яза. Дані попередніх експериментів підтвердили цю точку зору: коли ми приготували культуру частини правого передсердя, що включає синусний вузол, ми отримали більш високий відсоток мимовільно пульсуючих клітин.

Потім ми поставили перед собою завдання з’ясувати, що визначає частоту пульсації в синхронній мережі. Чи залежить частота від биття самої «швидкої» або самої «повільної» клітини-«лідера» в даній групі, або ж тут виникає якась середня частота пульсації? Це питання можна відразу вирішити, провівши серію мікрофотографій за допомогою відеокамери, яка простежить частоту пульсацій окремих клітин при їх об’єднанні в мережу клітин. Ми приступили до підбору необхідного обладнання.

А тим часом нам вдалося отримати деякі дані не настільки прямим методом. Відомо, що частота пульсації серцевих клітин зростає з підвищенням температури. Використавши апарат, який давав можливість встановити температурний градієнт в чашці з культурою, ми виміряли частоту биття клітин спочатку при температурі 25 ° за Цельсієм, потім при 35 °. Після цього ми підігріли одну сторону чашки і знизили температуру іншої її сторони з тим, щоб клітини перебували в умовах різних температур – від 25 до 35 °. Вся мережа пульсувала з тією ж частотою (або майже з такою ж), яка спостерігалася при самій високій температурі.

Але коли ця мережа була розділена на дві частини, на нагрітій стороні збереглася початкова висока частота пульсації, а на охолодженій стороні частота впала. Іншими словами, клітини на більш холодній половині чашки зберігали швидкий темп биття до тих пір, поки вони були пов’язані з клітинами, нагрітими до більш високої температури. Однак коли охолоджені клітини були відокремлені, частота їх биття скоротилася до швидкості, характерної для більш низької температури. Це дозволило нам зробити висновок, що загальна для всієї мережі клітин частота визначається найшвидшою клітиною (чи, може бути, групою клітин).

Досліди, проведені над цілим серцем, підтверджують цей висновок. Руйнування синусового вузла знижує частоту пульсації, і основна роль у визначенні швидкості биття тоді належить атріовентрикулярному вузлу. Коли розвинене серце курчати поділяли на дві частини, то обидві частини пульсували з різною частотою; коли обидві частини з’єднували, то переважала велика частота.

Коротше кажучи, загальна частота пульсації визначається клітиною, що володіє найбільшою частотою, і саме тому, що вона пульсує швидше за всіх інших, І хоча всі клітини в мережі клітин пульсують з однаковою частотою, потенційно вони зберігають свої індивідуальні особливості.

Якщо приготувати культуру клітин серця дуже слабкої концентрації, то в ній не утворюються ні розетки, ні волокна, клітини продовжують пульсувати поодинці до 40 днів. Перші кілька днів поведінка кожної такої пульсуючої клітини в чомусь нагадує роботу цілого серця. Але пульсуюча клітина набагато більш чутлива, ніж серце, і являє собою як би зменшену у багато разів «модель» серця, яку можна використовувати в багатьох дослідах, На клітинах можна вивчати дію лікарських речовин. Так, наприклад, ацетилхолін абсолютно призупиняє биття клітини на кілька хвилин. Биття поновлюється після нейтралізації дії ацетилхоліну ферментом холінестеразою. Якщо клітину попередньо обробити езеріном, тобто складом, що нейтралізує дію холінестерази, то ефект ацетилхоліну зберігається. Дія езеріну, в свою чергу, може бути зведена нанівець строфантином.

Сердцевом’язові клітини надзвичайно чутливі також до агентів, що подавляють деякі стадії обміну речовин. Одним з таких агентів є динітрофенол, що перешкоджає синтезу аденозин-трифосфату (АТФ), який, як вважають, дає енергію для процесу скорочення м’язів. Ми виявили, що дуже низькі концентрації динітрофенола затримують пульсацію одиничної клітини. Ця гальмуюча дія динітрофенола може бути знищена додатком АТФ. Напрошується висновок, що для процесу пульсації необхідний АТФ. За допомогою відповідних гальмують агентів можна вивчити і інші реакції, що постачають енергією – клітинні процеси. Подібні дослідження можуть внести ясність в картину обміну речовин, що лежить в основі роботи серця.

Клітинам потрібно менше поживних речовин для того, щоб вони пульсували, ніж для одночасного зростання і пульсації. Фізіологічний розчин, що містить фракцію глікопротеїну сироватки крові, вуглекислоту і джерело енергії у вигляді глюкози або лактату (солі молочної кислоти), сприятиме продовженню та збереженню процесу пульсації. Цілісна сироватка, амінокислоти і вітаміни сприяють зростанню клітин. Якщо концентрація культури досить висока для утворення з клітин волокнистих мас, то потреба їх в поживних речовинах знижується: вони можуть пульсувати без жодного стороннього джерела енергії (вуглекислоти і глікопротеїну).

Гаррі Ігл (медичний коледж імені Альберта Ейнштейна) виявив подібне явище і на інших клітинах ссавців. Розбавлені культури вимагають декількох амінокислот, в той час як культури підвищеної концентрації чудово обходяться без цього. Незалежно від того, які можуть бути зроблені висновки з цих відкриттів, вже зараз одне представляється безсумнівним: потреба в поживних речовинах неоднакова у одиничної клітини і у цілої тканини.

В основі описаних експериментів лежить питання про взаємозв’язки і взаємозалежності одиничних клітин і батьківської тканини. Немає сумніву, що ізоляція клітини і поміщення її в чужорідне середовище не можуть не позначитися докорінно на процесах, що відбуваються в цій клітці. Клітина деякий час продовжує функціонувати, бо вона зберігає структуру і ферменти, синтезовані в нормальних умовах цілого організму. Вона, так би мовити, намагається продовжувати свою історію. Однак через деякий час в цих клітинах наступають зміни. Вони втрачають здатність виробляти специфічні ферменти. Поодинокі клітини в розведених розчинах пульсують не більше шести тижнів; в концентрованих культурах клітини, які об’єдналися в синхронно пульсуючі сукупності, дегенерують вже через два тижні.

Такі експерименти, ми сподіваємося, дозволять вирішити одне з найбільш важливих питань біології: як в організмі, що розвивається виникає специфіка різних типів клітин.

Автор: Г. Іткіс, переклад з англійської.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *