Int. J. Morphol. 27(3):891-898, 2009.
Origin and Development of the Coronary Arteries
Origen y Desarrollo de las Arterias Coronarias
Geraldo de Oliveira Silva-Junior; Sandro Wilson da Silva Miranda & Carlos Alberto Mandarim-de-Lacerda
Laboratorium för morfometri och kardiovaskulär morfologi, biomedicinskt centrum, biologiska institutet, statens universitet i Rio de Janeiro, Brasilien.
Svar till:
SAMMANFATTNING: Bildandet av kranskärlen är en grundläggande händelse i hjärtats utveckling och inbegriper en rad noggrant reglerade tidsmässiga händelser som omfattar vaskulogenes och angiogenes. Denna översikt fokuserar på den hittills tillgängliga kunskapen om bildandet av kranskärlen och några molekylära mekanismer som är involverade i denna process. Det är viktigt att förstå kranskärlsembryogenesen för interventioner som rör hjärt- och kärlsjukdomar hos vuxna och de interventioner som är nödvändiga för att korrigera hjärtats medfödda defekter. Insikten om kranskärlens utveckling som ett resultat av inväxning förändrade förståelsen av flera medfödda kranskärlsvariationer och anomalier som beskrivs i grovanatomi.
Nyckelord: Kranskärl; Embryologi; Hjärta; Angiogenes; Vaskulogenes.
RESUMEN: La formación de la vascularización coronaria es un acontecimiento fundamental en el desarrollo del corazón e implica una serie de eventos temporales cuidadosamente regulados que incluyen vasculogénesis y angiogénesis. Denna granskning fokuserar på kunskap om bildandet av kranskärlen och på några molekylära mekanismer som är involverade i denna process. Det är viktigt att förstå kranskärlsembryogenesen för att kunna ingripa mot kardiovaskulära sjukdomar hos vuxna och för att korrigera medfödda hjärtfel. Idén om kranskärlens utveckling som ett resultat av inväxt förändrade förståelsen av flera variationer och medfödda anomalier av dessa artärer som beskrivs i grov anatomi.
Nyckelord: Kranskärl, Embryologi, Hjärta, Angiogenes, Vaskulogenes.
INLEDNING
Utvecklingen av kranskärlssystemet är en intressant utvecklingsbiologisk modell som har stor betydelse för den kliniska verksamheten. Även om utvecklingen av kranskärl är en form av vaskulogenes följt av angiogenes, använder detta system flera unika utvecklingsprocesser som inte observeras vid bildandet av andra blodkärl (Wada et al., 2003). I embryon i de stadier där identifieringen av kranskärlsöppningarna varierade, är de proximala epikardiella segmenten av vänster och höger kranskärl vanligen redan identifierade, såväl hos mänskliga som hos råttembryon. Å andra sidan ses aldrig en kranskärlsöppning i avsaknad av en proximal kranskärlsartär. Vid alla undersökta stadier (hos mänskliga embryon från 10 mm krona-mot-rumpa-längd och hos råttembryon från 11 mm krona-mot-rumpa-längd) identifieras kärlstrukturer i hjärtats epikardiella hölje. Teorierna om utveckling av proximala kranskärl är således otillräckliga för att förklara vare sig dessa uppgifter eller de kända möjliga medfödda avvikelserna i kranskärlen (Bogers et al., 1988). I de tidigaste embryonala stadierna finns det dock inte någon kranskärlscirkulation, utan blodet som strömmar genom hjärtrörets lumen tjänar till att ge näring åt endokardiet och myokardiet. I början av den post-somitiska perioden (tredje veckan hos människor), när hjärtats väggar under utveckling ökar i tjocklek, börjar ett dedikerat kärlsystem att bildas över den epikardiella ytan av myokardiet (Bernanke & Velkey, 2002), men det är fortfarande inte anslutet till aorta.
Det finns två modeller när det gäller den fysiologiska utvecklingen av de embryonala kranskärlen. Vissa författare nämner att kranskärlen utvecklas som en knopp eller utväxt av den endoteliala aortainsus som löper mot den intilliggande vävnaden (outgrowth-tolkning av kranskärlens utveckling) (Dbaly et al., 1968; Rychter & Ostádal, 1971; Virágh & Challice, 1981). Det sedan länge hävdade antagandet att kranskärlsvener och kranskärlsartärer bildades genom utväxter från den systemiska venösa sinus respektive aorta, hävdades dock för 20 år sedan (Bogers et al., 1989). I sin studie visade Bogers och medarbetare att de stora kranskärlen kunde identifieras i väggarna i aortainsusarna innan kranskärlsöppningarna uppstod, vilket tyder på att de arteriella kanalerna snarare växte in i än att de växte ut. Rötterna till höger och vänster kranskärl bildas när strängar från en peritruncal ring av kärlstrukturer tränger in i aorta vid höger och vänster aortainsinus Valsalva (Ando et al., 2004).
Vid slutet av den vaskulogena perioden utan blodflöde är således kranskärlssystemets allmänna mönster fastställt, men en betydande omformning av de större kärlen och kapillärsystemet kommer att äga rum efter anslutningen till aorta. Anslutningen av kranskärlssystemet till det allmänna cirkulationssystemet är en komplex och understuderad utvecklingsprocess, och huruvida denna rörelse styrs av en kemotaktisk händelse eller helt enkelt representerar ”vägen för minsta motstånd” är hittills oklart (Wada et al.).
Det är fascinerande att inse med vilken precision kranskärlen ansluter till aorta eftersom de är belägna i mitten av aortaklaffbladen. Ändå är det intressant att notera att när anomalier förekommer är de undantagslöst cirkumferentiella och inte longitudinella. Att klarlägga den cellulära och molekylära regleringen av denna process är absolut nödvändigt för att förstå hur kranskärlen bildas (Wada et al.). Målet med denna korta översikt är därför att granska de senaste studierna som ger nya insikter om den komplexa processen för utveckling av kranskärlen.
Koronarkärlens utveckling. Bildandet av kranskärlen inbegriper en rad noggrant reglerade tidsmässiga händelser som omfattar vaskulogenes, angiogenes, arteriogenes och remodellering (Tomanek, 2005). Behovet av en kranskärlscirkulation uppstår först i embryot när de kompakta delarna av ventriklarna förtjockas,vilket ökar diffusionsavståndet för syre från ventrikellumen. Denna myokardiella tillväxt utlöser händelser som dikterar differentiering och migration av prekursorceller i epikardiet (Tomanek & Zheng, 2002). Vaskulogenes har beskrivits som de novo-generering av blodkärl, medan angiogenes kan betraktas som generering av kapillärer, vener och artärer från redan existerande kärl. Processen börjar med att vaskulogena celltyper levereras till hjärtats yta efter att slaget har börjat (Munoz-Chapuli et al., 2002).
Leverans av en cellpopulation till ett befintligt organ kräver dynamiska cellulära händelser och samordning av cellrörelsen med den exakta tidpunkten för leveransen. Dessutom är engagemang och differentiering avgörande för korrekt kärlbildning och organutveckling. De mesenkymala föregångarna till de vaskulära glatta muskelcellerna och de adventitiella fibroblasterna har sitt ursprung i en epitel-mesenkymal omvandling av det epikardiella mesotheliet. De tidiga EPDC:erna kan visa sig ha en liknande kompetens som de nyligen upptäckta bipotentiella kärlföräldracellerna, som kan differentiera sig till endotel eller glatt muskulatur beroende på om de utsätts för den vaskulära endoteliska tillväxtfaktorn (VEGF) eller den trombocytavledda tillväxtfaktorn (PDGF)-beta. Det är tänkbart att de tidigaste EPDC:erna differentierar sig till endotelceller som svar på myokardialt utsöndrad VEGF, medan efterföljande EPDC:er, som rekryteras av de framväxande kapillärerna via PDGF-beta-signalering, differentierar sig till pericyter och glatta muskelceller (Munoz-Chapuli et al., 2002). Å andra sidan har experimentella tekniker visat på kranskärlens utveckling från dess ursprung i proepikardiet till det slutliga sammansatta nätverket av artärer, vener och kapillärer som finns i det mogna hjärtat (Dong et al., 2008) Den äldre uppfattningen om ursprunget för de koronära kärlprogenitorerna härstammade från hjärtats mesoderm, i likhet med de andra celltyperna i myokardiet och endokardiet (Patten, 1949; Haan, 1965).
Endotelceller bildar vaskulära (kapillära) rör som smälter samman och växer i ett förgreningsmönster. Ett kapillärplexus kommer i kontakt med koronarsinus och smälter samman för att bilda en venös förbindelse. Senare får det venösa systemet glatt muskulatur (van den Hoff et al., 2001; Bernanke & Velkey). Som noterats hos många arter följs uppkomsten av kapillärer av utvecklingen av ett venöst system före uppkomsten av arteriella komponenter i kranskärlscirkulationen (Licata, 1954; Hirakow, 1983; Hutchins et al., 1988). Det arteriella systemet utvecklas när glatta muskelceller differentieras runt de endotelceller som bildade kärlkanaler (Hood & Rosenquist, 1992; Mikawa & Fischman, 1992). De huvudsakliga kranskärlen bildas av en sammanslagning av små endotelkanaler som tränger in i aorta (Bogers et al., 1989; Waldo et al., 1990). Den vaskulära tillväxten är proportionell mot hjärtmuskeltillväxten i det embryonala, överbelastade hjärtat, men den bestående trycköverbelastningen resulterar i ett misslyckande eller allvarliga begränsningar i kranskärlsutvecklingen, vilket tyder på att den vaskulära tillväxten under denna utvecklingsperiod åtminstone delvis regleras av hastigheten och omfattningen av hjärtmuskeltillväxten (Tomanek et al., 1999).
Figur 1. Angiogenes och vaskulogenes som bildar kärl: (A) Angiogenes: den sker inledningsvis med bildandet av knoppar (1) eller utväxt av endotelceller följt av sträckning (2) av små kärl och förgrening genom proliferation (3) av befintliga endotelceller och remodellering (4). (B) Vaskulogenes: det är tillväxten av kapillärer från redan existerande kärl (1 och 2), efter bildandet av vaskulära (kapillära) rör smälter dessa odifferentierade kärl samman och bildar en kontinuerlig kärlstruktur (3 och 4).
Figur 2. Fotomikrografer av longitudinella histologiska snitt av aortaklaffar och ascenderande aorta hos embryon av C57BL/6-mus vid postsomitisk period färgade med hematoxylin och eosin. (A) Embryo i stadium 16 – klassificering baserad på Carnegie Institute of Washingtons system (O’Rahilly, 1972), snitt genom utflödesbanan och aortakulären, det subepikardiella skiktet uppvisar inte redan uppenbara kapillärer (skalstreck = 100µm). (B) Embryo i stadium 19, subepikardiella kapillärer observeras runt aortakulären (pilar) (skala = 75 µm). (C) Embryo i stadium 23, snitt genom utflödeskanalen och aortakulären visar förbindelsen mellan den subepikardiella koronarartären (pilar, kärl som innehåller blodceller) och aortakulären sinus (Valsalva, asterisk) genom koronarostium (öppen pil, v = semilunarklaffen) (skalstreck = 75 µm).
Koronarartärernas bildning. Koronarartärerna betraktades länge som enbart utväxter av aortakroppen (Dbaly et al.; Rychter & Ostádal; Virágh & Challice). År 1989 visade Bogers och kollegor att de stora kranskärlen kunde ses i aortaväggen före uppkomsten av kranskärlsostierna, vilket tyder på att dessa kärl snarare växer in än växer ut (Bogers et al., 1989). Definitiva bevis för detta mönster gavs i chimärer mellan kyckling och vaktel (Poelmann et al., 1993) och i seriellt skurna kyckling- (Waldo et al., 1990) och råtthjärtan (Tomanek et al., 1996). Rötterna till de två huvudkoronarartärerna bildas när strängar från den peritrunka ringen av kärlrör tränger in i aorta vid vänster och höger kusper (Ando et al.).
Inledningsvis vandrar de proximala ändarna av kranskärlen mot den proximala aorta. Spetsarna på de framskjutande kranskärlen måste penetrera aortans tunica media, genomborra endotelfodret och etablera kontinuitet med lumen. I första hand närmar sig flera kranskärl vänster och höger aortainsinus, men endast en av dessa artärer kommer att etablera fast kontakt med varje sinus och bli höger och vänster kranskärl. Mesenkymet i de epikardiella kärlen som närmar sig varandra är sammanfogat med mesenkymet i de stora kärlen (Vrancken Peeters et al., 1997; Velkey & Bernanke, 2001). När anslutande kranskärl närmar sig aortans endotel finns apoptotiska celler längs aspekterna av dessa kärl och deras anslutning till aortan (Velkey & Bernanke).
Bildandet av kranskärlen hos människan följer ett liknande mönster som det som observerats hos andra däggdjur och fåglar. I tabell I jämförs den kronologiska utvecklingen av kranskärlen i iscensatta embryon från olika arter. Penetreringen av aorta genom det tubulära nätverket vid aortans bas är exakt orkestrerad så att det normalt endast bildas två större kranskärl. Etableringen av kranskärlsostierna är dock inte bara rumsligt utan även tidsmässigt reglerad eftersom vänster kranskärlsostium bildas före det högra hos både människor och råttor (Hirakow; Bogers et al., 1989; Mandarim-de-Lacerda, 1990).
Rsakerna till att kranskärlsostierna är begränsade till två av de tre aortiska bihålorna är fortfarande oklara. Mikroskopisk undersökning av seriella sektioner av mänskliga embryon från 5,0 till 17,5 mm CR-längd (Carnegie-stadier 13-19) bekräftade att de tidigaste kärlen i hjärtväggen utvecklas subepikardialt nära apexen vid stadium 15. Nätverket sträcker sig centripetalt och först i stadium 17 kunde man identifiera kranskärlsstammar som kommunicerar med aortalumen. Sekvensen tyder på att begränsning av kranskärlsostierna till insidan av både höger och vänster bakre bihåla troligen sker eftersom dessa utgör de mest tillgängliga kontaktpunkterna för det centripetalt växande kärlplexus (Turner & Navaratnam, 1996).
Den utvecklingsmässiga proximala delen av kranskärlet genomgår en omfattande remodellering då dess luminaldiameter ökar fyra gånger mellan stadierna 18 och 21 (Ratajska & Fiejka, 1999). Dessutom tyder experimentella bevis på att koronararteriogenesen hos kyckling ger en strukturell ram, eller ledningar, för differentiering av myokardieceller till Purkinjefibrer (Harris et al., 2002).
Vissa mekanismer anses förstärka teorin om ”ingrodd” för utvecklingen av kranskärlen. Man pekade på neural crest-cellernas roll i etableringen av de huvudsakliga kranskärlsstammarna (Waldo et al., 1990; Hood & Rosenquist) samt transkriptionsfaktorer i epikardiet, t.ex. Fog-2 (Tevosian et al., 2000) och Ets-1 och Ets-2 (Lie-Venema et al., 2003). Det är också vedertaget att medlemmarna i VEGF-familjen behövs för att kapillärplexus ska kunna tränga in i aortakroppen och bilda kranskärl (Tomanek et al., 2006). Den unilaterala neuralkamablationen hos kycklingen resulterade i endast en kontralateral kranskärlshuvudstam som förgrenade sig för att bilda den högra och vänstra. Ektopiskt ursprung till en andra kranskärlsartär hittades i alla embryon med neural crest ablation. Hos kycklingen har man funnit att neuralkamcellerna stör medierna i kranskärlsbasen (Waldo et al., 1994) och bidrar till parasympatiska ganglier och nerver, som finns innan kranskärlen bildas (Tomanek).
Hypotesen att denna familj av tillväxtfaktorer utgör den viktigaste signalmekanismen för koronar ostia och artärbildning baserades på observationen av högt uttryck av VEGF i epikardiella och subepikardiella celler vid aortaroten och den höga tätheten av VEGF-R2- och -R3-transkriptioner vid de aortiska platserna för kranskärlsrötterna. VEGF-familjemedlemmar krävs för bildandet av de viktigaste kranskärlen via endotelcellspenetration i aorta eftersom VEGF-Trap förhindrade denna händelse (Tomanek et al., 2002; Tomanek et al., 2006).
Fig. 3. Apoptos vid bildandet av kranskärlens ostia: (A) Tvärsnitt av den peritrunala regionen och de utvecklande klaffarna i kycklingembryo i stadium 30 — stadieindelning baserad på Hamburger och Hamilton (1992). Peritruncal capillary plexus (PCP) observeras runt aorta (Ao) och lungartär (PA). (B) Blinda kärl (B-eV) från PCP tränger in i aortavävnaden, apoptotiska celler (Apo) hittas i samband med prolifererande kärl från PCP; (C) När det penetrerande kärlet når aortaendotelet omvandlas gränssnittet mellan aortaendotelet och B-eV till en patenterad öppning via apoptos, vilket skapar en förbindelse. (D) Efter att ha anslutit sig till aortan (Ao) selekteras en del av de penetrerande kärlen (okänd mekanism) och utvecklas till de definitiva proximala koronarartärerna (CA).
Växtfaktorernas roll i koronar morfogenes. De mekanismer som ligger till grund för specifikationen av denna nyckelhändelse är fortfarande okända. En morfologisk ledtråd som noterats hos vakteln är den intensiva tätheten av transkript för receptorerna VEGF-receptor-2 (R2) och VEGF-receptor-3 (R3) på de platser där kranskärlen uppstår. Detta är ett område där epikardiella och subepikardiella celler färgar mer intensivt för VEGF (Tomanek et al., 2002). VEGF och dess receptorer är således avgörande för bildandet av kranskärlsstammarna (Munoz-Chapuli et al.).
Apoptos under utvecklingen av kranskärlsstammen. Under bildandet av den proximala kranskärlet tränger endotelsträngar från den peritrunka ringen in i de motstående sinus och smälter sedan samman, medan de strängar som tränger in i de icke-koronära sinus försvinner. Därefter avgränsar koronarartärens tunica media den definitiva proximala koronarartären från den aortiska tunica media (Ando et al.). Ett samband mellan apoptos och koronar inväxt rapporterades först av Velkey och Bernanke (Velkey & Bernanke). Dessa författare angav inte tydligt någon specifik regleringsmekanism som verkar under kranskärlens utveckling. I avsaknad av någon karakterisering av de apoptotiska cellerna eller någon experimentell manipulation av aorta- och kranskärlsvävnad är det svårt att ge en molekylär förklaring till de komplexa händelser som är inblandade i kranskärlens utveckling. Resultaten bekräftar endast att apoptos är inblandad i bildandet av de proximala kranskärlen och deras mynningar. Dessa resultat genererar således vägar för framtida forskning och föreslår att faktorer som är involverade i regleringen av apoptos bör inkluderas i framtida modeller för utveckling av kranskärl (Bernanke & Velkey).
Apoptosprocessen vid utvecklingen av kranskärlet kan didaktiskt delas in i tre stadier: a) invasion, under processen för vaskulär invasion av aorta invaderar blinda kärl från det peritrunala kapillärplexuset aortavävnaden. Apoptotiska celler finns i anslutning till de prolifererande kärlen i det peritrunka kapillärplexus, men inte i aortaendotelet. b) Anslutning, när det invaderande kärlet kommer i kontakt med aortaendotelet omvandlas gränssnittet mellan aortaendotelet och kärlets blinda ände till en patenterad öppning via apoptos; c) omformning, efter att ha anslutit sig till aorta, väljs en del av de inträngande kärlen ut genom en ännu okänd mekanism som utvecklas till de definitiva proximala kranskärlen. Dessa kärl börjar få en glatt muskulatur och ökar i diameter. Kranskärlsöppningen och den omgivande aortavävnaden måste rymma kranskärlens expansion, och man antar att apoptos spelar en viktig roll i denna ombyggnadsprocess (Velkey & Bernanke, 2001; Rothenberg et al., 2002).
Slutanmärkningar. Insikten om kranskärlens utveckling som ett resultat av inväxning förändrade förståelsen av flera medfödda kranskärlsvariationer och anomalier som klassiskt beskrivs i grovanatomi. Kranskärlens ursprung utanför aortainsinus, t.ex. lungstammen eller lungartärerna (Castorina et al., 2008; Farouk et al., 2009), eller kranskärlsöppningarnas extremt höga läge från den ascenderande aorta (Piegger et al., 2001), förklaras bättre av ingroddteorin om kranskärlens ursprung. Förekomsten och den höga prevalensen av myokardiella broar på kranskärlens huvudgrenar (Mandarim-de-Lacerda et al., 1987; Belov Iu & Bogopol’skaia, 2004) är också begriplig med tanke på ingroddteorin.
Haan, R. L. Utveckling av pacemakervävnad i det embryonala hjärtat. Ann. N. Y. Acad. Sci., 127(1):7-18, 1965.
Hirakow, R. Utveckling av hjärtats blodkärl i stadieindelade mänskliga embryon. Acta Anat. 115(3):220-30, 1983.
Licata, R. H. Det mänskliga embryonala hjärtat i den nionde veckan. Am. J. Anat., 94(1):73-125, 1954.
O’Rahilly, R. Guide to the staging of human embryos. Anat. Anz., 130(5):556-9, 1972.
Tomanek, R. J. Bildandet av kranskärlen under utvecklingen. Angiogenesis, 8(3):273-84, 2005.
Tomanek, R. J. & Zheng, W. Tillväxtfaktorernas roll i koronar morfogenes. Tex. Heart Inst. J., 29(4):250-4, 2002.
Turner, K. & Navaratnam, V. Positionerna för kranskärlens öppningar. Clin. Anat. 9(6):376-80, 1996.
Svar till:
Centro Biomédico, Instituto de Biologia,
Universidade do Estado do Rio de Janeiro.
Av 28 de Setembro, 87 (fds) – 20551-030
Rio de Janeiro, RJ,
BRASIL
Telefon/Fax: (+55. 21) 2587-6416
E-post: [email protected]
URL: www.lmmc.uerj.br
Mottaget: 24-04-2009
Antagen: 22-06-2009