Abstract
Purkinjevezels of Purkinje cardiomyocyten maken deel uit van het gehele complex van het hartgeleidingssysteem, dat tegenwoordig geclassificeerd wordt als specifiek hartspierweefsel dat verantwoordelijk is voor de generatie van de hartimpulsen. De verdeling, de structuur en de ultrastructurele samenstelling van het hartgeleidingssysteem in het struisvogelhart werden bestudeerd met licht- en elektronenmicroscopie. Deze cellen waren verdeeld over het geleidingssysteem van het hart, met inbegrip van de SA-knoop, de AV-knoop, de bundel His en de takken, alsmede het endocard, het pericard, het myocard rond de kransslagaders, de moderatorbanden, het witte vezelachtige vel in de rechterboezem, en de linker septale aanhechting van de AV-klep. Het grootste deel van de Purkinjevezels bestaat uit helder, structuurloos sarcoplasma, en de myofibrillen hebben de neiging zich te beperken tot een dunne ring rond de periferie van de cellen. Zij hebben één of meer grote kernen, centraal gelegen in de vezel. Ultrastructureel zijn ze gemakkelijk van elkaar te onderscheiden. Het voornaamste onderscheidende kenmerk is het ontbreken van elektronendichtheid en het lichte uiterlijk, als gevolg van de afwezigheid van georganiseerde myofibrillen. P-cellen hebben gewoonlijk twee kernen met een massa korte, fijne microfilamenten die willekeurig in het cytoplasma zijn verspreid; zij bevatten korte sarcomeren en myofibrillaire inhechtingsplaatjes. Ze hebben geen T-tubuli.
1. Inleiding
Jan Evangelista Purkinje werd geboren op 18 december 1787 in Libochovice (Bohemen). Tussen de leeftijd van 35 en 63 jaar deed hij zijn belangrijkste ontdekkingen. Juist deze leeftijd is over het algemeen de fysiologische maatstaf voor de grootste creatieve golven van de mens. Van 1850 tot aan zijn dood in 1869 werkte Purkinje in het Instituut voor Fysiologie in Praag, dat hij had opgericht. De verwerving van de grote Plösl-microscoop in 1835 betekende een belangrijk keerpunt voor Purkinje’s histologisch en embryologisch onderzoek. Purkinje publiceerde zijn ontdekking van een deel van het hartgeleidingssysteem, tegenwoordig Purkinje-vezels of Purkinje-cardiomyocyten genoemd.
Tawara (1906) was in staat proximaal van de Purkinje-vezels (P-vezels) naar de naastgelegen bundels te volgen, die, zo organiseerde hij, met zijn bundel verbonden waren. Nadien ontdekte hij dat zijn bundel proximaal verbonden was met een welbepaalde plexus van vezels (die hij in zijn boek een knooppunt noemde). Dit is de arterioventriculaire knoop. Bovendien kon hij interdigiterende verbindingen aantonen tussen de Purkinje-vezels en de ventriculaire spieren, evenals tussen de knoop en de arteriële spieren. De elektrische activiteit van het gespecialiseerde geleidingssysteem van het hart van een hond werd in situ geregistreerd door middel van elektroden die tijdens een totale cardiopulmonaire bypass op het endocard waren aangebracht. Armiger et al. stelden dat het bindweefsel van de trabeculae van de pups en de jonge honden weinig elastische vezels had, maar dit element was goed uitgebreid in het bindweefsel van de volwassen honden. De trabeculae van de oudere honden vertoonden ook verspreide foci van extracellulaire vetdruppels, en hun verbindingszones het dichtst bij de ventriculaire wand waren vaak zwaar gevuld met vet. De Purkinje cellen waren uniform in elke groep, maar verschilden van groep tot groep.
Forsgren et al. stelden vast dat in het foetale runderhart subendocardiale bundels cellen prominent aanwezig kunnen zijn ten opzichte van de hoofdmassa van het myocard. Hun morfologische kenmerken wijzen erop dat zij bundels Purkinje-vezels vertegenwoordigen. Een sterke fluorescentie na incubatie in antisera tot het intermediaire filament eiwit skelet ondersteunt ook deze suggestie.
Een vergelijkende ultrastructurele studie van runder Purkinje vezels en gewone myocyten tijdens de foetale ontwikkeling is ondernomen door Forsgren en Thornell.
Verschillen tussen de twee celtypen met betrekking tot de geaccommodeerde schijf, de hoeveelheid myofibrillen, de volgorde van de mitochondriën, de hoeveelheid glycogeen, en de vorming van T-tubuli werden geleidelijk aan duidelijk. In alle bestudeerde stadia was een redundantie van intermediaire filamenten typisch voor de Purkinjevezels. Myofibrillaire M-banden ontwikkelden zich in een vroeger stadium in Purkinjevezels dan in gewone myocyten. Myofilament-polyribosoom complexen die typisch zijn voor volwassen koe Purkinje vezels werden niet gezien in de foetale harten.
Het struisvogelhart heeft een aantal andere kenmerken dan de andere vogels. Bij de struisvogel hecht vezelig pericardium als sternopericardiale ligament langs het thoracale oppervlak van het sternum. De centrale rand van de spierklep hangt naar beneden in de rechterhartkamer en is met een dikke spiersteel verbonden met de ruwe wand van de hartkamer. De linker- en rechterlongader komen onafhankelijk van elkaar in de linkerboezem, en hun openingen zijn volledig van elkaar gescheiden door een septum. In het hart van de struisvogel werden de moderatorbanden zowel in de rechter als in de linker hartkamer op verschillende plaatsen aangetroffen. De rechter ventrikel vertoont één pezige moderatorband nabij de basis van de ventrikel die zich uitstrekt van het septum tot de musculaire klep. Ook de moderator banden als pezige draad of plat vel zijn meestal aanwezig bij ongeveer de apex van de rechter ventrikel die zich uitstrekt van septum naar de pariëtale wand. In de linker ventrikel, waren er sommige pezige moderator banden dicht bij de apex die zich uitstrekt van septum naar de pariëtale wand en tussen trabeculae carneae van de pariëtale wand.
Cardiovasculaire ziekten bij mens en dier zijn een van de belangrijkste doodsoorzaken. Een juiste interpretatie van de functie of fysiologie van het hart vereist dus een volledig begrip van de anatomie, histologie en het geleidingssysteem van het hart. Macroscopische en microscopische anatomie van het hart en het geleidingssysteem zijn bestudeerd bij verschillende diersoorten, maar er is geen uitgebreid onderzoek gedaan naar het hart van de struisvogel (Struthio camelus). De resultaten van dit onderzoek zullen in de toekomst gebruikt worden als basiskennis.
2. Materialen en Methoden
2.1. Lichtmicroscopie
Vijf harten van gezonde mannelijke struisvogels werden gebruikt. De harten werden verzameld in het slachthuis onmiddellijk na het slachten. Het gemiddelde gewicht van de harten was 1054,33 ± 172,34 g; de lengte van de lange as was 19,33 ± 1,05 cm; en de omtreklengte bij de coronaire groef was 35,66 ± 1,04 cm. Na verwijdering van het hartzakje werden de harten gespoeld met normale zoutoplossing en vervolgens gedurende 72 uur ondergedompeld in 10% buffer-neutrale formaline (de ventriculaire apex werd afgesneden om de penetratie van formaline in het lumen mogelijk te maken). De rechter en linker atrium, rechts spierklep, en interarteriële septum werden gescheiden en verdeeld in verschillende segmenten. Elk segment werd gedehydrateerd, geklaard en ingebed in paraffine. Seriële secties van 6-8 Lm dikte werden gesneden, gemonteerd, en gekleurd met H&E en Groen Masson’s Trichrome.
2.2.
2.2. Elektronenmicroscopie
Drie andere harten werden net na het slachten verwijderd en snel ondergedompeld in Karnovsky’s oplossing voor fixatie. Blokjes weefsel (ongeveer 1 mm) werden nagefixeerd in 1% osmiumtetroxide met 0,1 m fosfaatbuffer. De monsters werden gedehydrateerd in ethanol en ingebed in epoxyhars. Dunne coupes (0,5-1 Lm) werden gekleurd met toluïdineblauw om de locatie van de AV-knoop te bepalen. Ultrathin secties (600A°) werden gemonteerd op de koperen roosters en gekleurd met uranylacetaat en loodcitraat en werden onderzocht met een Philips CM-10 elektronenmicroscoop, en er werden elektromicrografen gemaakt.
3. Resultaten
Purkinjevezels in het struisvogelhart zijn grote gespecialiseerde hartspiervezels. Zij hebben een veel grotere diameter dan normale spiervezels, ongeveer 5,5-16 µm. De rangschikking van de componenten in de P-vezels is anders dan in hartspiervezels. Het grootste deel van de vezel bestaat uit helder sarcoplasma met minder structuur, en de myofibrillen hebben de neiging zich te beperken tot een dunne ring rond de periferie van de cellen. Zij hebben één of meer grote kernen die centraal in de vezel zijn gelegen (figuur 1). P-vezels in het hart van de struisvogel waren wijd verspreid. Doorheen de endocardiale lagen, vooral de subendocardiale laag, worden talrijke P-vezels gezien, gerangschikt in één of meer rijen (figuur 2). In het myocard, tussen de spierbundels, worden de P-vezels gezien. Vanuit het netwerk van P-vezels dat in de endotheellaag ligt, lopen grote aantallen geleidingsvezelkanalen naar buiten. Deze banen splitsen zich, gaan tussen de spiervezelbundels door, en uiteindelijk worden de fijnste delen van de banen, enkele Purkinje-vezels, gevonden binnen de bundels in nauwe associatie met de spiervezels. Deze vezeltrajecten worden gewoonlijk aangetroffen in associatie met de vertakkingen van de kransslagaders (figuur 3). De P-vezels worden nu en dan gezien in epicardiale laag, maar komen voor in uitsteeksel van epicardium onder van het oppervlak van myocard rond kransslagaders. In de rechter oorschelp van het struisvogelhart worden P-vezels het meest aangetroffen onder het endocardium als een enkele vezel of als goed ontwikkelde traktaten. Deze laatste worden het meest aangetroffen in de verbinding van de oorschelp met de rechterboezem, en macroscopisch zijn zij met vezels vel in deze verbinding (Figuur 4).
Fotomicrografie van de microscopische plaats van de Purkinje-cel in de endocardiale laag van de sinus venosus van de linker sinus-arteriële klep in het mannelijke struisvogelhart. Pijl-myofibrilcellen.
Photomicrograf van de microscopische locatie van de Purkinjevezels in endocardium, dat de lagen toont, Groen Masson’s Trichrome. Pijl-endotheelcellen, SE-subendotheellaag, SA-subendocardiaal, P-Purkinjecel, *-verbindingsweefselschede, M-myocardiale cellen, L-lipofuscinepigment.
Photomicrograf van de microscopische locatie van de Purkinjevezels (P) rond de kransslagader (A), tussen de hartspierbundels, (M) Groen Masson’s Trichroom.
(a)
(b)(b)
(a)(a)
(a)
(b)
(a) Fotomicrografiek van de microscopische locatie van het vezelige witte vel tussen de pectinaatspieren (PE) in de rechterboezem (RA) in het hart van de mannelijke struisvogel. Groen Masson’s Trichroom: CT-connectieve weefselmassa, CO-kolommen van Purkinje-cellen. (b) Fotomicrografiek van de microscopische lokalisatie van het vezelige witte vel (WP) en de bijbehorende clausules (pijl) in de rechterboezem van het mannelijke struisvogelhart: RA-rechtsboezem onderaan, PE-schouderspieren.
Het geleidingssysteem van het hart (sinoatriale knoop, arterioventriculaire knoop zijn bundel en zijn takken) bestaat uit deze vezels. De structuur van de P-vezels varieert naar gelang van het gedeelte van het geleidingssysteem waarin zij voorkomen. De sinoatriale knoop is samengesteld uit P-vezels en tussenliggende vezels (de vezels die qua uiterlijk het midden houden tussen P-vezels en hartspiervezels). De P-vezels bevinden zich in het perifere gebied van deze knoop en gaan er van weg. In het beginstadium van hun passage weg van de knoop, hebben zij een dik verbindingsweefselvel (figuur 5).
Fotomicrografie van de microscopische locatie van de sinoatriale knoop (SAN), met P-cellen (P), overgangscellen (T), en tussenliggende (I). Pijl-endotheliale cellen in oppervlakte sinuatriale klep van de sinus venosus, Groen Masson’s Trichome.
De atrioventriculaire knoop is samengesteld uit vezels die meer lijken op P-vezels dan de myocardiale spiervezels. Posterior, versmalt de AV-knoop enigszins en gaat verder als de arterioventriculaire (His) bundel (figuur 6). Deze bundel zelf is samengesteld uit een groot aantal P-vezels. Drie bundeltakken (rechts/links en recurrent) bestaan uit P-vezels die als een snoer zijn gerangschikt (Figuur 7).
Indicatieve kruising van de arterioventriculaire knoop (AVN) en de arterioventriculaire bundel (AVB) in het mannelijke struisvogelhart. Groen Masson’s Trichroom.
Fotomicrografie van de microscopische plaats van de Purkinje-cellen (*) in arterioventriculaire bundel (AVB) in het mannelijk struisvogelhart. C-collageenvezels, pijl-fibroblast; Groen Masson’s Trichrome.
De moderatorbanden, die in de rechter en linker hartkamer van het struisvogelhart worden aangetroffen, bestaan slechts uit dicht, onregelmatig bindweefsel, en de Purkinjecellen vullen de kern van de moderatorbanden. Er was cel-tot-cel communicatie tussen Purkinjevezels binnen de bundel. De Purkinjecellen waren omgeven door bindweefselscheden (Figuur 8).
Fotomicrografie van de microscopische locatie van de linker steel in het verbindingsgebied met de atrioventriculaire klep. CT-verbindingsweefselmassa, P-Purkinje-cellen, E-elastische vezels, F-fibroblastcel, C-collageenvezels, P-pariëtale wand van de rechterhartkamer; H&E.
De dikke gespierde stengel hechtte de perifere rand van de gespierde rechter AV-waarde aan het arterio-ventriculaire septum en de ruwe pariëtale wand van de hartkamer. Histologisch is deze samengesteld uit Purkinje-vezels (figuur 9).
Het hart van mannelijke struisvogel, waarbij de anatomische plaats van de atrioventriculaire klep te zien is. FR-vezelring, RA-rechtse boezem, IV-interventriculair septum, M-rechtse musculaire klep, MS-musculaire steel, AM-verbinding van de linker steel.
Met de elektronenmicroscopie is de P-cel gemakkelijk te onderscheiden. Het belangrijkste onderscheidende kenmerk is het ontbreken van elektronendichtheid en het lichte uiterlijk, als gevolg van de afwezigheid van georganiseerde myofibrillen. P-cellen hebben gewoonlijk twee kernen met een massa korte, fijne microfilamenten die willekeurig in het cytoplasma zijn verspreid; zij bevatten korte sarcomeren en myofibrillaire inhechtingsplaatjes. Zij hebben geen T-tubuli (Figuur 10).
(a)(a)
(b)(b)
(a)(a)
(b)(b)
(a) Elektromicrografiek van twee P-cellen (P) geeft het gevouwen membraan weer (pijl), kern (N), myofibrillen (M), en mitochondriaal (Mt). (b) Elektromicrografisch deel van de P-cel, met leptomeer (L), langs myofibril (M).
4. Discussie
De verspreiding van Purkinjevezels is bij verschillende zoogdieren bestudeerd. Bij zoogdieren, is de Purkinje netwerk verdeeld in de subendocardiale bindweefsel in ventrikel. Deze netwerken geleiden de cardiale excitatie van de rechter en linker hartbundel naar het myocard. Bij de mens en de hond is de Purkinjecel in het netwerk cilindrisch of spoelvormig en in een parallel patroon gerangschikt. Bij hoefdieren (schaap en geit) is de keten van Purkinjecellen groter dan die van myocyten, en vormen 2-8 ovale cellen dit netwerk. De cellen verbinden zich met elkaar door desmosomen en gap junction. Deze cellen zijn bedekt door een dikke schede van netvormige vezels. Bij de rat en de muis lijken de Purkinje-cellen sterk op de ventriculaire myocyten, zelfs een beetje kleiner. Ze zijn cilindrisch van vorm en georganiseerd in een parallel patroon, dat zich voortzet met ventriculaire myocyten in het endocardium.
Verschillende aspecten van de histochemie van Purkinje vezels zijn bestudeerd door Getty en Gossrau . De waarnemingen van DiDio , Hirako , en Sommer en Johnson over de algemene morfologie van de gewone en Purkinje cellen van het kippenhart zijn bevestigd. De Purkinje cellen van het hoenderhart zijn in bijna alle aspecten gelijk aan die van zoogdieren. Zij hebben geen trapvormige intercalerende schijven, maar hebben onregelmatig gerangschikte gebieden van membraanaanhechting, die desmosomen, myofibrillaire invoegingsplaten en grote pentalaminaire nexussen bezitten. Er is geen transversaal tubulair systeem aanwezig, en het sarcoplasmatisch reticulum is slecht ontwikkeld. De weinige myofibrillen zijn onregelmatig gerangschikt. In deze studie is waargenomen dat de Purkinjecellen afgeronde aggregaties van leptomeren bevatten. Leptomeren zijn eerder beschreven door Hirako, die suggereerde dat zij een afwijkende vorm van spierfibrillen vertegenwoordigen die tijdens de ontwikkeling ontstaan. Dit is onwaarschijnlijk omdat zij in bijna alle Purkinje cellen aanwezig zijn.
Het lijkt redelijk aan te nemen dat zij geassocieerd zijn met myofibrillaire vorming of vernietiging omdat zij worden gezien in associatie met grote massa’s ongeorganiseerde filamenten en ook in continuïteit met ogenschijnlijk normale myofibrillen. Het geleidingssysteem bestaat uit de sinoatriale knoop, de atrioventriculaire knoop en bundels, en een zeer complex netwerk van fijne bundels en traktaten. Hoewel de SA-knoop bij andere vogels is aangetoond, bestaat er nog steeds twijfel over de plaats en zelfs de aanwezigheid ervan als afzonderlijke knoop bij vogels. Op basis van fysiologisch bewijs werd geconcludeerd dat een SA-knoop aanwezig was nabij het uiteinde van de rechter precavale ader. De knoop in een struisvogelhart is samengesteld uit vezels die het midden houden tussen spiervezels en echte Purkinje-vezels. Perifeer in de knoop en er vanaf lopend bevinden zich verschillende echte P-vezels. De verdeling van de P-vezels in de oorschelpen van het struisvogelhart is vergelijkbaar met die welke Davis voor de duif heeft beschreven. Prakash heeft verklaard dat de atria verstoken zijn van P-vezels. In onze studie worden ze gevonden binnen het myocardium in associatie met bloedvaten, en soms in het epicardium. Davis verklaarde dat de oorschelp P-vezels kort stoppen aan de basis van de oorschelpen en dat er geen onderlinge verbindingen zijn tussen deze vezels en de rest van het hartgeleidingssysteem.
Bij de struisvogel ligt de AV-knoop aan de basis van het oorschelpseptum. Hij ligt zeer dicht bij de kruising van de auriculaire en ventriculaire septa. Hij is samengesteld uit vezels die meer lijken op P-vezels dan op myocardiale spiervezels en die niet identiek zijn aan die van de SA-knoop. Zoals Prakash rapporteerde, strekt de atrioventriculaire bundel zich in onze studie uit tot diep in het interventriculaire septum en splitst zich dan in een rechter en linker tak. De latere tak splitst zich op van het netwerk van P-vezels. De beschrijving van Prakash komt niet precies overeen met die van DiDio voor de duif en de zwaan, maar lijkt meer op die van Drennan voor de struisvogel. Evenzo verschilt de beschrijving van Yousuf voor het hart van de passer in de basisstructuur van dit deel van het geleidingssysteem.
Een van de kenmerken van specifiek belang in het struisvogelhart is de aanwezigheid van moderatorbanden in zowel de rechter als de linker hartkamer en op verschillende plaatsen. De rechter ventrikel heeft één pezige moderatorband rond de basis van de ventrikel die zich uitstrekt van het septum tot aan de spierklep. Ook de moderatorbanden bevinden zich meestal rond de apex van de rechter ventrikel die zich uitstrekt van het septum tot de pariëtale wand. In de linker ventrikel waren er enkele pezige moderatorbanden dicht bij de apex die zich uitstrekten van septum tot pariëtale wand en tussen trabeculae carneae van pariëtale wand. De moderatorbanden voorkomen overmatige uitzetting en dienen als doorgang voor de Purkinjevezels door het lumen van de holte, en vormen een deel van het geleidingssysteem. Anatomisch verschilt de plaats van de moderatorband in de rechter- en linkerhartkamer van het struisvogelhart van die van de andere dieren. Er waren geen papillaire spieren in de rechter ventrikel van de struisvogel en de moderator band hecht direct aan het ventrale oppervlak van de spierklep van interventriculaire septum.
Zoals bij de mens de moderator band zich uitstrekt tussen interventriculaire septum en ventriculaire vrije wand en bij huisdieren en hoefdieren deze banden zich uitstrekken van interventriculaire septum naar de papillaire spieren en er is geen verbinding met de vulvar cusps. In de linkerventrikel van de struisvogel hebben deze banden, ondanks de aanwezigheid van papillaire spieren, geen verbinding met deze spieren. De histologische structuur van de moderatorbanden toonde aan dat zij spierweefsel bevatten in verschillende verhoudingen met bindweefsel en geleidend weefsel. Het is vergelijkbaar met dat van de menselijke , hoefdier , schaap en geit hart , maar in de carnivoren , een echte moderator band werd nooit gevonden . Ongeacht de grootte en vorm moet de moderatorband worden beschouwd als de kortste weg van het interventriculaire septum naar de vrije wand van de linker- en rechterhartkamer bij de struisvogel en andere dieren. De Purkinjevezels zijn groot van omvang en vergelijkbaar in de meeste cellulaire kenmerken bij struisvogel en hond, maar bij de struisvogel is er geen perinucleair helder gebied. Er is weinig glycogeen in deze cellen, maar bij de mens en zoogdieren zijn deze cellen rijk aan glycogeen. De Purkinjevezels zijn georganiseerd in de bundel met cel-tot-cel communicatie en weinig laterale communicatie. Bij de struisvogel is er een schede van bindweefsel rond de Purkinjecellen, maar bij de mens en de zoogdieren is er geen vezelige schede rond deze cellen . Deze organisatie van de bundelvezels verhoogt de spreiding van de voortgeplante impulsen en remt de transversale spreiding. In de rechter ventrikel is er één musculotendineuze moderatorband rond de basis van de ventrikel, die zich uitstrekt van het interventriculaire septum tot de spiersteel van de musculaire klep. Hij was enkelvoudig en soms vertakt.
Erkenning
De auteurs zijn de onderzoeksraad van de universiteit van Shiraz erkentelijk voor het verlenen van financiële steun.