Abstract
Le fibre di Purkinje o cardiomiociti di Purkinje fanno parte dell’intero complesso del sistema di conduzione cardiaca, che è oggi classificato come tessuto muscolare cardiaco specifico responsabile della generazione degli impulsi del cuore. Dal punto di vista della loro distribuzione, la struttura e la composizione ultrastrutturale del sistema di conduzione cardiaca nel cuore di struzzo sono state studiate mediante microscopia ottica ed elettronica. Queste cellule sono state distribuite nel sistema di conduzione cardiaca tra cui il nodo SA, il nodo AV, il fascio di His e i rami così come l’endocardio, il pericardio, il miocardio intorno alle arterie coronarie, le bande moderatrici, il foglio bianco fibroso nell’atrio destro, e l’attacco settale sinistro della valvola AV. La maggior parte della fibra di Purkinje è composta da sarcoplasma chiaro, meno struttura, e le miofibrille tendono ad essere confinate in un anello sottile intorno alla periferia delle cellule. Hanno uno o più grandi nuclei situati centralmente all’interno della fibra. Ultrastrutturalmente, sono facilmente distinguibili. La principale caratteristica di distinzione è la mancanza di densità elettronica e l’avere un aspetto leggero, dovuto all’assenza di miofibrille organizzate. Le cellule P hanno di solito due nuclei con una massa di microfilamenti corti e delicati sparsi a caso nel citoplasma; contengono sarcomeri corti e placche di inserzione miofibrillare. Non hanno tubuli T.
1. Introduzione
Jan Evangelista Purkinje nacque il 18 dicembre 1787 a Libochovice (Boemia). Tra i 35 e i 63 anni, fece le sue scoperte più significative. Questa stessa età mostra generalmente la misura fisiologica delle più grandi onde creative dell’essere umano. Dal 1850 fino alla sua morte nel 1869, Purkinje lavorò nell’Istituto di Fisiologia di Praga, che aveva fondato. L’acquisizione del grande microscopio Plösl nel 1835 rappresentò una svolta importante per la ricerca istologica ed embriologica di Purkinje. Purkinje pubblicò la sua scoperta di una parte del sistema di conduzione del cuore, oggi chiamato fibre di Purkinje o cardiomiociti di Purkinje.
Tawara (1906) fu in grado di seguire prossimalmente dalle fibre di Purkinje (fibra P) ai fasci, che, organizza, erano collegati al suo fascio. In seguito, trovò che il suo fascio era collegato prossimalmente ad un plesso di fibre ben impostato (che chiamò nodo, nel suo libro). Questo è il nodo arterioventricolare. Inoltre, fu in grado di visualizzare connessioni interdigitanti tra le fibre di Purkinje e i muscoli ventricolari, così come tra il nodo e i muscoli arteriosi. L’attività elettrica del sistema di conduzione specializzato dei cuori canini è stata registrata in situ attraverso elettrodi attaccati all’endocardio durante il bypass cardiopolmonare totale. Armiger et al. hanno affermato che il tessuto connettivo delle trabecole ottenuto dai cuccioli e dai cani giovani aveva poche fibre elastiche, ma questo elemento era ben esteso nel tessuto connettivo dei cani adulti. Le trabecole dei cani anziani mostravano anche focolai distribuiti di goccioline di grasso extracellulare, e le loro aree di giunzione più vicine alla parete ventricolare erano spesso molto piene di grasso. Le cellule di Purkinje erano uniformi in ogni gruppo ma differivano da un gruppo all’altro.
Forsgren et al. hanno identificato che nel cuore fetale bovino i fasci di cellule subendocardiche potevano essere prominenti dalla massa miocardica principale. Le loro caratteristiche morfologiche esprimono che rappresentano fasci di fibre di Purkinje. Una grave fluorescenza dopo l’incubazione in antisieri fino allo scheletro proteico del filamento intermedio è anche a sostegno di questo suggerimento.
Uno studio comparativo ultrastrutturale delle fibre di Purkinje bovine e dei miociti comuni durante lo sviluppo fetale è stato intrapreso da Forsgren e Thornell.
Le differenze tra i due tipi di cellule per quanto riguarda il disco alloggiato, la quantità di miofibrille, la sequenza di mitocondri, la quantità di glicogeno e la formazione di tubuli a T sono diventate evidenti gradualmente. In tutti gli stadi studiati, una ridondanza di filamenti intermedi era tipica delle fibre di Purkinje. Le bande M miofibrillari si sono sviluppate prima nelle fibre di Purkinje che nei miociti ordinari. I complessi miofilamento-poliribosoma tipici delle fibre di Purkinje di mucca adulta non sono stati visti nei cuori fetali.
Il cuore di struzzo ha alcune caratteristiche diverse dagli altri uccelli. Nello struzzo, il pericardio fibroso come legamento sternopericardico si attacca lungo la superficie toracica dello sterno. Il bordo centrale della valvola muscolare pende verso il basso nel ventricolo destro e si attacca alla sua parete parietale ruvida tramite uno spesso gambo muscolare. Le vene polmonari destra e sinistra entrano nell’atrio sinistro indipendentemente, e le loro aperture sono completamente separate l’una dall’altra da un setto. Nel cuore dello struzzo, le fasce moderatrici sono state trovate sia nel ventricolo destro che in quello sinistro in luoghi diversi. Il ventricolo destro presenta una banda moderatrice tendinea vicino alla base del ventricolo che si estende dal setto alla valvola muscolare. Anche le bande moderatrici come filo tendineo o foglio piatto sono solitamente presenti all’apice del ventricolo destro che si estende dal setto alla parete parietale. Nel ventricolo sinistro, c’erano alcune bande moderatrici tendinee vicino all’apice che si estende dal setto alla parete parietale e tra le trabecole carnee della parete parietale.
Le malattie cardiovascolari nell’uomo e negli animali sono una delle principali cause di morte. Quindi, l’interpretazione corretta della funzione cardiaca o della fisiologia ha bisogno di una comprensione completa dell’anatomia, dell’istologia e del sistema di conduzione cardiaca. L’anatomia macroscopica e microscopica del cuore e del suo sistema di conduzione è stata studiata in diverse specie animali, ma non esiste una ricerca completa sul cuore dello struzzo (Struthio camelus). I risultati di questa indagine in futuro saranno utilizzati come conoscenza di base.
2. Materiali e metodi
2.1. Microscopia ottica
Sono stati usati cinque cuori di struzzi maschi sani. I cuori sono stati raccolti al macello immediatamente dopo la macellazione. Il peso medio dei cuori era di 1054,33 ± 172,34 g; la lunghezza dell’asse lungo era di 19,33 ± 1,05 cm; e la lunghezza circonferenziale al solco coronarico era di 35,66 ± 1,04 cm. Dopo la rimozione del pericardio, i cuori sono stati lavati con soluzione fisiologica normale e successivamente immersi in formalina neutra tamponata al 10% per 72 ore (l’apice ventricolare è stato tagliato per permettere la penetrazione della formalina nel lume). L’atrio destro e sinistro, la valvola muscolare destra e il setto interarterioso sono stati separati e divisi in diversi segmenti. Ogni segmento è stato disidratato, pulito, e incorporato in paraffina. Sezioni seriali di 6-8 Lm di spessore sono state tagliate, montate e colorate con H&E e tricromia di Masson verde
2.2. Microscopia elettronica
Altri tre cuori sono stati rimossi subito dopo la macellazione e rapidamente immersi nella soluzione di Karnovsky per la fissazione. Cubi di tessuto (circa 1 mm) sono stati post-fissati in tetrossido di osmio all’1% con tampone fosfato 0,1 m. I campioni sono stati disidratati in etanolo e incorporati in resina epossidica. Sezioni sottili (0,5-1 Lm) sono stati colorati con blu di toluidina per identificare la posizione del nodo AV. Sezioni ultrasottili (600A°) sono state montate su griglie di rame e colorate con acetato di uranile e citrato di piombo e sono state esaminate con un microscopio elettronico Philips CM-10, e sono state preparate elettromicrografie.
3. Risultati
Le fibre di Purkinje nel cuore di struzzo sono grandi fibre muscolari cardiache specializzate. Hanno un diametro molto più grande della fibra muscolare normale, circa 5,5-16 µm. La disposizione dei componenti nella fibra P è diversa dalle fibre muscolari cardiache. La maggior parte della fibra è composta da sarcoplasma chiaro e meno strutturato, e le miofibrille tendono ad essere confinate in un sottile anello intorno alla periferia delle cellule. Hanno uno o più grandi nuclei situati centralmente all’interno della fibra (Figura 1). La fibra P nel cuore dello struzzo era ampiamente distribuita. In tutti gli strati endocardici, in particolare nello strato subendocardico, si vedono numerose fibre P, disposte in una o più file (Figura 2). Nel miocardio, tra i fasci muscolari, si vedono le fibre P. Passando all’esterno della rete di fibre P che si trova nello strato endoteliale, ci sono un gran numero di tratti di fibre di conduzione. Questi tratti si dividono, passando tra i fasci di fibre muscolari, e alla fine le divisioni più fini dei tratti, singole fibre di Purkinje, si trovano all’interno dei fasci in stretta associazione con le fibre muscolari. Questi tratti di fibre si trovano di solito in associazione con i rami delle arterie coronarie (Figura 3). Le fibre P sono occasionalmente visto nello strato epicardico, ma si verifica si trovano in sporgenza di epicardio sotto della superficie del miocardio intorno alle arterie coronarie. Nell’orecchietta destra del cuore di struzzo, le fibre P si trovano in gran parte sotto l’endocardio come una singola fibra o tratti ben sviluppati. Queste ultime si trovano più frequentemente nella giunzione del padiglione auricolare con l’atrio destro, e macroscopicamente sono con foglio di fibre in questa giunzione (Figura 4).
Fotoomicrografia della posizione microscopica della cellula di Purkinje nello strato endocardico del seno venoso della valvola seno-arteriosa sinistra nel cuore di struzzo maschio. Freccia: cellule della miofibrilla.
Photomicrograph dalla posizione microscopica delle fibre di Purkinje in endocardio, che mostra gli strati, tricromia di Masson verde. Freccia-cellule dell’endotelio, SE-strato del subendotelio, SA-subendocardio, P-cellule di Purkinje, *-guaina di tessuto connettivo, M-cellule miocardiche, L-pigmento di lipofuscina.
Photomicrograph della posizione microscopica delle fibre di Purkinje (P) intorno all’arteria coronaria (A), tra i fasci del muscolo cardiaco, (M) tricromo di Masson verde.
(a)
(b)
(a)(a)
(b)
(a) Fotomicrografia della posizione microscopica del foglio bianco fibroso tra i muscoli pectinati (PE) nell’atrio destro (RA) nel cuore di struzzo maschio. Tricromo di Masson verde: CT-massa di tessuto connettivo, CO-colonne di cellule di Purkinje. (b) Fotomicrografia della posizione microscopica del foglio bianco fibroso (WP) e relative clausole (freccia) nell’atrio destro del cuore di struzzo maschio: RA-atrio destro in basso, PE-muscoli della spalla.
Il sistema di conduzione del cuore (nodo senoatriale, nodo arterioventricolare il suo fascio e i suoi rami) consiste di queste fibre. La struttura delle fibre P varia a seconda della parte del sistema di conduzione in cui si trovano. Il nodo senoatriale è composto da fibre P e fibre intermedie (le fibre che, in apparenza, sono intermedie tra le fibre P e le fibre del muscolo cardiaco). Le fibre P si trovano nella regione periferica di questo nodo e si allontanano da esso. Nelle fasi iniziali del loro passaggio lontano dal nodo, hanno uno spesso foglio di tessuto di connessione (Figura 5).
Fotoomicrografia della posizione microscopica del nodo senoatriale (SAN), che mostra le cellule P (P), le cellule di transizione (T), e intermedie (I). Freccia-cellule endoteliali nella valvola sinuatriale superficiale del seno venoso, tricoma di Masson verde.
Il nodo atrioventricolare è composto da fibre che assomigliano alla fibra P più da vicino delle fibre muscolari miocardiche. Posteriormente, il nodo AV si restringe un po’ e continua come fascio arterioventricolare (His) (Figura 6). Questo fascio è composto da un gran numero di fibre P. Tre rami del fascio (destro/sinistro e ricorrente) sono costituiti da fibre P che sono disposte come un cordone (Figura 7).
Giunzione indicativa del nodo arterioventricolare (AVN) e del fascio arterioventricolare (AVB) nel cuore di struzzo maschio. Tricromo di Masson verde.
Fotoomicrografia della posizione microscopica delle cellule di Purkinje (*) nel fascio arterioventricolare (AVB) nel cuore di struzzo maschio. C-fibre di collagene, freccia-fibroblasto; tricromo di Masson verde.
Le bande moderatrici, che si trovano nel ventricolo destro e sinistro del cuore di struzzo, consistono solo di tessuto connettivo irregolare denso, e le cellule di Purkinje riempiono il nucleo delle bande moderatrici. C’era una comunicazione da cellula a cellula tra le fibre di Purkinje all’interno del fascio. Le cellule del Purkinje erano circondate da una guaina di tessuto connettivo (Figura 8).
Photomicrograph dalla posizione microscopica che collega il peduncolo sinistro nella zona di collegamento alla valvola atrioventricolare. CT-massa di tessuto connettivo, P-cellule di Purkinje, E- fibre elastiche, F-cellule di fibroblasti, C-fibre di collagene, P-parete parietale del ventricolo destro; H&E.
Lo spesso gambo muscolare attaccato il bordo periferico del valore AV muscolare destra al setto arterio-ventricolare e ruvida parete parietale del ventricolo. Istologicamente è composto da fibre di Purkinje (Figura 9).
Il cuore di struzzo maschio, che mostra la posizione anatomica della valvola atrioventricolare. FR-anello fibroso, RA-atrio destro, IV-setto interventricolare, M-valvola muscolare destra, MS-stelo muscolare, AM-collegamento del gambo sinistro.
Con la microscopia elettronica, la cellula P si distingue facilmente. La principale caratteristica di distinzione è la mancanza di densità elettronica e l’avere un aspetto leggero, dovuto all’assenza di miofibrille organizzate. Le cellule P hanno di solito due nuclei con una massa di microfilamenti corti e delicati sparsi a caso nel citoplasma; contengono sarcomeri corti e placche di inserzione miofibrillare. Non hanno tubuli T (Figura 10).
(a)(a)
(b)(b)
(a)(a)
(b)
(a) Elettromicrografia di due cellule P (P) rappresenta la membrana piegata (freccia), nucleo (N), miofibrille (M), e mitocondriale (Mt). (b) Elettromicrografia di una parte della cellula P, che mostra il leptomero (L), lungo la miofibrilla (M).
4. Discussione
La distribuzione delle fibre di Purkinje è stata studiata in vari mammiferi. Nei mammiferi, la rete di Purkinje è distribuita nel tessuto connettivo subendocardico del ventricolo. Queste reti conducono l’eccitazione cardiaca dal fascio destro e sinistro al miocardio. Nell’uomo e nei cani, le cellule di Purkinje della rete sono di forma cilindrica o fusiforme e sono disposte in modo parallelo. Negli ungulati (pecora e capra), la catena di cellule di Purkinje era più grande dei miociti, e 2-8 cellule ovali formavano questa rete. Le cellule si collegano tra loro tramite desmosomi e gap junction. Queste cellule sono coperte da una spessa guaina di fibre reticolari. Nel ratto e nel topo, le cellule di Purkinje erano molto simili ai miociti ventricolari, anche un po’ più piccole. Sono di forma cilindrica e organizzate in modo parallelo, continuando con i miociti ventricolari nell’endocardio .
Vari aspetti dell’istochimica delle fibre di Purkinje sono stati studiati da Getty e Gossrau . Le osservazioni di DiDio, Hirako, e Sommer e Johnson sulla morfologia generale delle cellule ordinarie e del Purkinje del cuore di pollo sono state confermate. Le cellule del Purkinje del pollo sono simili in quasi tutti gli aspetti a quelle dei mammiferi. Non hanno dischi intercalati a gradini, ma hanno aree di apposizione di membrana disposte irregolarmente, che possiedono desmosomi, placche di inserzione miofibrillare e grandi nessi pentalaminari. Nessun sistema tubolare trasversale è presente, e il reticolo sarcoplasmatico è poco sviluppato. Le poche miofibrille sono disposte irregolarmente. In questo studio è stato osservato che le cellule del Purkinje contengono aggregazioni arrotondate di leptomeri. I leptomeri sono stati precedentemente descritti da Hirako che ha suggerito che rappresentavano una forma aberrante di fibrillazione muscolare che nasce durante lo sviluppo. Questo è improbabile dato che sono presenti in quasi tutte le cellule di Purkinje.
Sembra ragionevole supporre che siano associati alla formazione o alla distruzione delle miofibrille dato che sono visti in associazione con grandi masse di filamenti disorganizzati e anche in continuità con miofibrille apparentemente normali. Il sistema di conduzione è costituito dal nodo senoatriale, dal nodo atrioventricolare e dai fasci, e da una rete molto complessa di fasci e tratti sottili. Anche se il nodo SA è stato dimostrato in altri uccelli, c’è ancora qualche dubbio sulla sua posizione e anche la sua presenza come un nodo discreto negli uccelli. Concluse da prove fisiologiche che un nodo SA era presente vicino alla terminazione della vena precavale destra. Il nodo in un cuore di struzzo è composto da fibre, che in apparenza sono intermedie tra le fibre muscolari e vere fibre di Purkinje. Perifericamente all’interno del nodo e passando da esso ci sono diverse vere fibre P. La distribuzione delle fibre P all’interno delle orecchiette nel cuore di struzzo è simile a quella descritta da Davis per il piccione. Prakash ha affermato che gli atri sono privi di fibre P. Nel nostro studio, si trovano all’interno del miocardio in associazione con i vasi sanguigni, e occasionalmente nell’epicardio. Davis ha dichiarato che le fibre P auricolari si fermano brevemente alla base delle orecchiette e che non ci sono interconnessioni tra loro e il resto del sistema di conduzione cardiaca.
Nello struzzo, il nodo AV si trova alla base del setto auricolare. È molto vicino alla giunzione dei setti auricolari e ventricolari. È composto da fibre che assomigliano più alle fibre P che alle fibre muscolari miocardiche e che non sono identiche a quelle del nodo SA. Come ha riferito Prakash, il fascio atrioventricolare nel nostro studio si estende in profondità nel setto interventricolare e poi si biforca in ramo destro e sinistro. Il ramo successivo si divide dalla rete di fibre P. La descrizione di Prakash non coincide esattamente con quella di DiDio per il piccione e il cigno ma assomiglia di più a quella di Drennan per lo struzzo. Allo stesso modo, la descrizione di Yousuf per il cuore di passero differisce nella struttura di base di questa parte del sistema di conduzione.
Una delle caratteristiche di interesse specifico nel cuore di struzzo è la presenza di bande moderatrici in entrambi i ventricoli destro e sinistro e in luoghi diversi. Il ventricolo destro ha una banda moderatrice tendinea alla base del ventricolo che si estende dal setto alla valvola muscolare. Anche le bande moderatrici sono di solito circa l’apice del ventricolo destro che si estendono dal setto alla parete parietale. Nel ventricolo sinistro, c’erano alcune bande moderate tendinee vicino all’apice che si estendono dal setto alla parete parietale e tra le trabecole carnee della parete parietale. Le bande moderatrici tendono a prevenire l’eccessiva distensione e servono come via per il passaggio delle fibre di Purkinje attraverso il lume della cavità formando una parte del sistema di conduzione. Anatomicamente, la posizione della banda moderatrice nel ventricolo destro e sinistro del cuore di struzzo è diversa dagli altri animali. Non c’erano muscoli papillari nel ventricolo destro dello struzzo e la banda moderatrice si attacca direttamente alla superficie ventrale della valvola muscolare dal setto interventricolare.
Poiché nell’uomo la banda moderatrice si estende tra il setto interventricolare e la parete libera ventricolare e negli animali domestici e ungulati queste bande si estendono dal setto interventricolare al muscolo papillare e non c’è connessione con le cuspidi vulvari. Nel ventricolo sinistro dello struzzo, nonostante la presenza del muscolo papillare, queste bande non hanno alcuna connessione con loro. La struttura istologica della banda moderatrice ha mostrato che hanno tessuto muscolare in varie proporzioni con tessuto connettivo e conduttivo. È simile a quella dei cuori umani, ungulati, ovini e caprini, ma nei carnivori non è mai stata trovata una vera banda moderatrice. Qualunque sia la dimensione e la forma, la banda moderatrice deve essere considerata come la via più breve dal setto interventricolare alla parete libera del ventricolo destro e sinistro nello struzzo e in altri animali. Le fibre di Purkinje sono di grandi dimensioni e simili nella maggior parte delle caratteristiche cellulari nello struzzo e nel cane, ma nello struzzo non c’è un’area chiara perinucleare. C’è poco glicogeno in queste cellule, ma nell’uomo e nei mammiferi queste cellule sono ricche di glicogeno. Le fibre di Purkinje sono organizzate in fascio con comunicazione da cellula a cellula e poca comunicazione laterale. Nello struzzo, c’è una guaina di tessuto connettivo intorno alle cellule del Purkinje, ma nell’uomo e nei mammiferi non c’è alcuna guaina fibrosa intorno a queste cellule. Questa organizzazione delle fibre del fascio aumenta la diffusione degli impulsi propagati e inibisce la diffusione trasversale. Nel ventricolo destro, c’è una fascia muscolotendinea moderatrice sulla base del ventricolo, che si estende dal setto interventricolare al peduncolo muscolare della valvola muscolare. Era singola e a volte ramificata.
Riconoscimento
Gli autori sono grati al consiglio di ricerca dell’Università di Shiraz per aver fornito assistenza finanziaria.