Morfofisiologia clinica fisiologia anatomia

Morfofisiologia clinica (fisiologia & anatomia)

Proff. Tesi, Colombini, Zecchi A.A. 2021/2022

Morfofisiologia clinica prof.ssa Tesi A.A. 2021/2022

Cuore

Lez. 1 (21.10) – Introduzione al cuore

Abbiamo già in parte come istologia e anatomia cardiaca rientri tra organi muscolari e in particolare striato. La differenza però tra miocardio e muscolo scheletrico è il fatto che le cellule che lo compongono sono sì striate, con organizzazione sarcomerica con filamenti spessi di actina e miosina che si interdigitano, ma la differenza non risiede a livello molecolare ma nell’organizzazione cellulare. Infatti, tanto per dire, il motore molecolare, ovvero la miosina, che trasforma energia chimica in meccanica che troviamo nel ventricolo è lo stesso che troviamo anche nei muscoli, ma ciò che cambia è l’organizzazione del tessuto e la regolazione elettrica.

Nelle fibre muscolari scheletriche abbiamo sincizi, con cellule che si fondono in periodi precocissimi, prenatali in utero, a formare lunghissime cellule cilindriche polinucleate, nel miocardio invece si ha cellule piccole di tipo mononucleate, al massimo con 2 o 3 nuclei e si incastrano le une sull'altra come in un puzzle tridimensionale. Quindi se nel caso del muscolo scheletrico i sarcomeri sono organizzati per generare forza soprattutto in una direzione, in questo caso invece si ha tale struttura col fine di generare forza in tre dimensioni, funzionando come un organo che non sviluppa tanto forza quanto pressione e non accorciamento quanto variazione di volume.

Le fibre muscolari scheletriche inoltre presentano una connessione neurale, il motoneurone, che attiva le fibre muscolari scheletriche, passando il potenziale d’azione in rapporto 1:1, un PdA arriva al motoneurone, determina la depolarizzazione di tutta la fibra muscolare scheletrica e il comando è un segnale on/off impartito dal SNC. Nel caso del miocardio NON ci sono delle sinapsi, infatti le cellule sono unite in un grande sincizio funzionale ovvero con giunzioni a bassa resistenza elettrica che rende sufficiente che basta una cellula che viene depolarizzata, non a carico del SNC, peraltro, perché questo segnale elettrico si propaghi in modo armonico e rapido a tutto il cuore. E il segnale appunto non diparte dal SNC, ma diparte da un centro pacemaker, cellule cardiache specializzate che genera quell’input di depolarizzazione e contrazione di tutta la struttura. Il SNA regola semplicemente questa attività di base, ma li regola, ma non li genera, l’attività è infatti spontanea.

Dobbiamo quindi vedere la fisiologia funzionale in questa cascata segnalatoria che dà segnali elettrici/chimici da cui discende la contrazione cardiaca. I miociti cardiaci che costituiscono il tessuto muscolare cardiaco sono cellule divise spesso a forma di Y oppure a forma scalettata e unite tra loro mediante dischi intercalari.

• Cellule di lavoro, che sono quei miociti che si occupano dell’attività meccanica vera e propria a livello di atri e ventricoli (miocardio di lavoro) specializzato allo sviluppo di forza e accorciamento che nel cuore sono sviluppo di variazioni di volumi e pressioni. Le loro dimensioni sta in lunghezza di 100-150µm, con sezione intorno a circa 50µm. con forma a mattoncino più o meno frastagliato.
• Cellule pacemaker che sono definite come miocardio di conduzione e che generano e conducono il segnapasso. Sono cellule con caratteristiche specifiche, con caratteristiche sia funzionali che istologiche diverse. In questo caso si ha cellule molto piccole e di regola mononucleate, con una sezione di circa 10µm e una lunghezza intorno a 50µm e sono cellule molto molto piccole che contengono poco materiale contrattile, questo perché la loro specializzazione non è quella di generare forza, ma generare il PdA che viene trasmesso a tutte le cellule dell’organo.

Questo rende cuore e tutte le sue cellule, capaci di contrarsi anche senza l’arrivo di uno stimolo esterno dal SN. Abbiamo quindi i vari centri pacemaker: il nodo SA (senoatriale), il nodo AV (atrio-ventricolare) e tutta la rete ventricolare che, con le cellule del Purkinje appartenenti al fascio di His, raggiunge l’apice del ventricolo. Il NSA e NAV e anche le cellule del Purkinje trasmettono spontaneamente il PdA, potenziale pacemaker, ma la frequenza non è la stessa. C’è un pacemaker principale che produce PdA alla frequenza più elevata e si parla di pacemaker primario ed è il NSA, che infatti ha un’attività spontanea più rapida e stabilisce la frequenza del cuore, ovvero il numero di cicli cardiaci nel minuto.

Tuttavia, ciò che accomuna sia le cellule di lavoro che di conduzione, è che sono unite tra loro mediante delle giunzioni a bassa resistenza elettrica, ovvero da grandi canali che fanno passare facilmente tutte le correnti. In questo modo è possibile che una depolarizzazione anche lontana nel cuore, sia trasmessa a tutta la struttura. È proprio, inoltre, dall’interazione tessuto di conduzione – tessuto di lavoro che origina il singolo ciclo cardiaco, fatto da contrazione e rilassamento e variazioni di pressioni e volumi.

Come possiamo quindi vedere da queste prime nozioni, il cuore è un organo estremamente raffinato da un punto di vista ingegneristico e strutturale, l’estrema specializzazione però lo rende anche soprattutto molto fragile e ha molti punti deboli, soprattutto perché basta che una sola delle cellule del cuore, una qualunque, per ragioni patologiche abbia attività spontanea, tali che si scombina il meccanismo di trasmissione dei segnali elettrici che genera il ciclo cardiaco estremamente armonico. È sufficiente quindi un fenomeno ischemico per cui alcune cellule ricevono poca irrorazione e entrano in sofferenza, per far sì che l’attività elettrica di questa cellula venga scombinata, si genera un PdA non voluto, ma che a quel punto assume funzione pacemaker e a causa delle strette giunzioni cellula-cellula, viene trasmesso in tutto il muscolo cardiaco causando per questo un’alterazione di tutta l’attività cardiaca, portando anche all’arresto cardiaco. Quindi è un sistema in cui bisogna attentamente mettere riparo e contenere fenomeni del tipo aritmie.

Andiamo allora a vedere le strutture che assicurano questa trasmissione dei segnali elettrici mediante la rete del miocardio di lavoro. Queste strutture sono dette giunzioni comunicanti o gap Junction e ci consentono di vedere un “canale tipo”. Sono infatti dei canali molto antichi ed estremamente ben conservati nell’evoluzione, sono delle strutture che costituiscono le sinapsi elettriche delle terminazioni nervose, permettendo infatti il passaggio di segnali elettrici intercellulari. Questa ovviamente non è la regola, infatti nelle reti neuronali le sinapsi elettriche sono la minoranza, ma di regola si parla quasi sempre di sinapsi chimica che consente con un neurotrasmettitore di indurre la trasmissione appunto dell’impulso elettrico, però chiaramente con un ritardo fisiologico. La presenza invece di queste giunzioni di tipo gap Junction, permette di rendere possibile un flusso di corrente intercellulare per far sì che una depolarizzazione avvenga senza alcun ritardo e in modo armonico. Abbiamo quindi dei canali nell’interfaccia tra due membrane di cellule giustapposte e creano quindi un canale a ottima conduttanza per la corrente ionica elettrica e lasciano passare molto bene gli ioni, ma non solo ioni, perché le gap Junction costituiscono un’ottima via di conduzione anche per piccole molecole, e quindi sono una via di passaggio e scambio anche per comunicazioni chimiche.

Le gap Junction, infatti, sono molto studiate e ne esistono tantissime forme e sono presenti in tantissime cellule in TUTTI i tessuti dove spesso la prima funzione è la comunicazione chimica intercellulare. Questa struttura quindi di canale giunzionale è una struttura il cui disegno è estremamente antico, e ben conservato. Il canale nasce dalla necessità di attraversare la membrana, che è costituita da un materiale isolante a tutti i livelli, isolando ioni e tantissime molecole, non passano quelle cariche, polari, non passano neanche le molecole grandi sebbene apolari, questo è dovuto al materiale idrofobico delle code lipidiche delle membrane, quindi passano soltanto piccolissime molecole apolari, soprattutto i gas, o appunto molecole solo liposolubili di piccole dimensioni. Quasi tutte però le molecole di interesse biologico sono cariche o grandi; quindi, è necessario creare microambienti polari per attraversare la membrana, appunto i canali. Questi canali sono fatti da proteine con doppia natura, perché deve avere affinità, all’esterno, per le code dei fosfolipidi idrofobiche, e una porzione, interna, che sia idrofilica per il passaggio di molecole più o meno grandi ma polari e cariche. Quindi sono canali la cui struttura è sia idrofobica che idrofilica, si posiziona da sola in modo tale da esporre la parte idrofobica verso porzioni lipidiche, e la parte idrofilica verso ambienti idrofilici, quindi attraversando la membrana. Per farlo, nel disegno base, necessitano di essere fatte da anse ad alfa elica ripetute.

E come vediamo in figura le porzioni idrofobiche sono chiaramente nel doppio strato fosfolipidico, le porzioni idrofiliche nelle regioni a contatto con ambienti idrofilici. Non è poi detto che tutti i canali abbiamo il dominio carbossilico e amminico dallo stesso lato della membrana come è rappresentato nella figura, ma dipende, è chiaro, dal tipo di canale. Per la connessina il caso è esattamente questo in figura, con i domini COO e NH dal lato intracellulare e di fatto, 6 connessine creano, in una sola membrana, un emicanale, detto ciascuno connessone, definibile come struttura fatta da 6 oligomeri (detti appunto connessine) con simmetria centrale e si definisce quindi una struttura esamerica (quando per esempio invece i canali a Na, K o Ca sono tetramerici e il canale ionotropico all’acetilcolina invece è pentamerico). E ciascuna connessina quindi è fatta da 4 domini idrofobici di attraversamento di membrana, ovvero le anse ad alfa elica. Quindi innanzitutto dobbiamo avere questo disegno di anse, e il canale si costituisce di queste porzioni ripetute con le parti idrofobiche che stanno a contatto con l’interno della membrana e le parti idrofiliche che stanno al di fuori della membrana, oppure si guardano le une con le altre. Ogni struttura ha un diametro di circa 1,5nm.

Questi canali non sono sempre aperti, sono delle condutture che hanno uno stato di apertura finemente regolato. Alcuni sono fattori chimico fisici, come il pH, quindi il grado di acidità, fattori locali, come i neurotrasmettitori e anche poi il Ca chiaramente che è uno dei principali secondi messaggeri.

Le connessine nello specifico sono un argomento di vasto studio perché mutazioni a livello del gene che codifica la connessina possono dare origine a patologie molto diverse, neurologiche, metaboliche e tanto altro e ci sono anche terapie di tipo oncologico che mira a carico proprio delle connessine per cercare di limitare i segnali di una cellula tumorale al tessuto danneggiato e bloccare eventuale invasione in tessuto sano. I geni della connessina sono 21 geni nell’uomo, codificanti ciascuna isoforme diverse, e l’uomo stesso esprime isoforme multiple che possono anche costituire poi un unico stesso canale che quindi è eteromerico. Tutte le connessine in ogni caso hanno la stessa struttura con i domini C e N terminale intracellulari e sono regolatorie, quindi target per molte cascate segnalatorie.

Nel miocardio umano le connessine sono tante e molto diverse, per esempio la Cx45 nel NSA, nell’atrio destro la Cx33 e Cx40, la quale ritroviamo insieme alla Cx45 e Cx43 nelle fibre del Purkinje. In generale possiamo dire che le Cx40 e 43 sono collocate soprattutto nell’atrio, e le Cx45 nel ventricolo. In ogni caso questa è una visione molto schematica e generalizzata che ci deve comunque far ricordare che uno stesso connessone, ovvero fatto da 6 connessine, può essere costituito da connessine anche diverse tra loro. In particolare, per esempio, la Cx43, abbondante appunto nella porzione dei ventricoli, si caratterizza per la porzione E1 ed E2, ovvero le parti esposte all’esterno della cellula, che hanno residui amminoacidici di Cys molto conservati che sembrano elementi chiave per il docking, ovvero l’incastro tra canale e canale di due cellule eccitabili che si fronteggiano e serve appunto per l’aggancio dei due emicanali. Ma guardando anche le altre regioni vediamo come ci sono tantissimi siti funzionali e regolatorie che mediano eventi di signaling.

Le connessine sono state risolte con elevatissima risoluzione con cristallografia a raggi X, attualmente con anche tecniche crio, in cui i tessuti o proteine sono cristallizzate a basse temperature e poi viene fatta un’analisi con raggi X, in questo caso, o anche con microscopia elettronica ad alta risoluzione, ricreando la struttura 3D della proteina associandola alla struttura primaria, secondaria e terziaria. In particolare, con questa tecnica è stato osservato che il terminale N-terminale si colloca all’interno del poro del canale, creando un filtro, quindi una barriera e regolare essa stessa lo stato di attivazione e chiusura del canale.

Questo sembra si realizzi mediante meccanismo di rotazione, che ha un ruolo importantissimo a livello cardiaco. Infatti, dei fatti ischemici sono causa di sofferenza cellulare e quindi danno intracellulare, con abbassamento pH, cosa che è uno dei tanti segnali che fa chiudere il connessone. Quindi, se questo effettivamente si verifica, questo è interessantissimo; infatti, se tutte le cellule di lavoro sono unite da sinapsi elettriche, è un fatto di debolezza; infatti, è sufficiente una cellula che va per i fatti suoi e tutte ne risentiranno. Ma se in quella regione ischemica si provvede alla chiusura dei connessoni, si isola elettricamente quella zona e si limitano le conseguenze del fatto ischemico in quella regione cardiaca con significato protettivo.

Le mutazioni nella connessina sono alla base di molte patologie cardiache, ma non solo perché non riguardano soltanto il miocardio, infatti tipiche sono le sindromi Dermatologiche, oppure di sordità, ma anche la malattia di Charcot-Marie Tooth e anche alcune malattie nel cristallino e cataratta. La Charcot Marie Tooth è dovuta alla mutazione sulla connessina Cx32 e è molto interessante perché non c’entra niente l’accoppiamento elettrico, ma questa Cx32 è la stessa che congiunge gli strati della guaina mielinica dovuta all’avvolgimento delle cellule di Shwann intorno agli assoni e la guaina mielinica rende possibile l’andamento saltatorio del PdA e rende capace quindi bassa dispersione del potenziale e andamento estremamente rapido e veloce. Molte malattie demielinizzanti sono infatti per questo devastanti, e la malattia di Charcot-Marie Tooth comporta proprio tale perdita di guaina, ma non per motivi autoimmuni come per esempio la sclerosi multipla, bensì per motivi genetici. E in questo caso non si ha funzione elettrica dei canali, ma sono necessari in termini di funzione metabolica per portare nutrienti e elementi vari agli strati più profondi dei processi delle cellule di Shwann che avvolgono l’assone e quando i nutrienti non arrivano in questi strati interni, la cellula di Shwann muore e si perde la guaina mielinica.

Bene osservare che i connessoni connettono i miociti in modo testa-coda e ci sono delle patologie cardiache, come la fibrillazione atriale, in cui si ha contrazione alterata nell’atrio con contrazioni non controllate dal pacemaker che danno alterazione di tutta la struttura. Andando a vedere cosa succede nel tessuto, osserviamo delle nette modifiche che tuttavia non si sa se sono modifiche che sono la causa o l’effetto della fibrillazione atriale, ma si osserva comunque un cambiamento in numero e distribuzione delle connessine atriali. Il numero diminuisce e inoltre non le troviamo più solo testa coda, ma le troviamo anche di lato.

Lez.2 (21.10/22.10/25.10) – Elettrofisiologia

E adesso siamo a parlare di qual è il segnale che si conduce dal tessuto di conduzione e il tessuto di lavoro capace di generare il ciclo cardiaco. Questo è chiaramente il potenziale d’azione e incontriamo una prima difficoltà. Il PdA quando ne parliamo in ambito del nervo o muscolo, ne parliamo come PdA “classico”, che è di tipo on/off, con un meccanismo a soglia, autorigenerativo, che si propaga senza decremento e sono le stesse proprietà di tutti i PdA, ma a livello cardiaco la grande differenza è che è un PdA multiforme, ovvero con forme e durate MOLTO diverse da quello classico, e per altro che può assumere forme diverse.

E come vediamo in figura il cuore ha diversissime e tante forme diverse di PdA, nel NSA, NAV, nelle fibre e anche nel miocardio di lavoro, che ha una durata vasta ma molto diversa nell’atrio o ventricolo. Tali diversità sono tali, che il PdA cardiaco lo dobbiamo dividere in due grandi macrocategorie:

• PdA rapido, proprio del miocardio di lavoro,
• PdA lento, proprio del tessuto di conduzione.

È pur sempre un PdA molto più lungo del PdA classico, infatti questo dura 1-2ms (millisecondi), mentre quello cardiaco sta nelle 10-100ms e in più ha molte più fasi di quello classico. Infatti, in quello classico si ha depolarizzazione iniziale, si arriva a una soglia, depolarizzazione fino al massimo, poi ripolarizzazione con iper-polarizzazione, al massimo possiamo avere una depolarizzazione postuma più o meno accentuata e poi torniamo di nuovo al valore di riposo. Nel cuore abbiamo tantissime fasi diverse, per altro poi con aspetto diverso anche in base alla regione che vediamo del cuore. Questo si verifica perché è un PdA che non è per nulla un segnale on/off da usare ad interruttore così come era nel muscolo scheletrico. Infatti,