โครงสร้างและการเชื่อมต่อของกล้ามเนื้อหัวใจ

กล้ามเนื้อหัวใจเป็นกล้ามเนื้อลายที่ทำงานนอกอำนาจจิตใจ ประกอบด้วยเซลล์ที่มีแขนงเชื่อมต่อกันแบบปลายชนปลายด้วยแผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ (intercalated discs) รอยต่อรูปขั้นบันไดที่พิเศษเหล่านี้ทำหน้าที่ยึดเหนี่ยวเชิงกลที่ช่วยให้กล้ามเนื้อหัวใจห้องล่างหดตัวเป็นหน่วยเดียวกัน และยังเป็นช่องทางเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่ช่วยให้คลื่นกระตุ้นแพร่กระจายจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง ทำให้หัวใจหดตัวเป็นเนื้อเดียวกันในเชิงการทำงาน (functional syncytium)

Definition

กล้ามเนื้อหัวใจเป็นกล้ามเนื้อลายที่ทำงานนอกอำนาจจิตใจ ประกอบด้วยเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่มีแขนงและโดยทั่วไปมีนิวเคลียสเดี่ยว เชื่อมต่อกันแบบปลายชนปลายด้วยแผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ (intercalated discs) ซึ่งเป็นบริเวณรอยต่อตามขวางที่รวมรอยต่อแบบยึดเกาะและเดสโมโซมเข้ากับช่องว่างเชื่อมต่อ เพื่อเชื่อมโยงเซลล์เข้าด้วยกันทั้งในเชิงกลและเชิงไฟฟ้า

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเนื้อเยื่อวิทยาของกล้ามเนื้อหัวใจ: โครงสร้างของเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจแต่ละเซลล์, นิวเคลียสเดี่ยวหรือคู่ที่อยู่ตรงกลางและลายตามขวาง, และโดยเฉพาะอย่างยิ่งแผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ (intercalated disc) ที่มีรอยต่อเชิงกล (fasciae adherentes, desmosomes, บริเวณผสมผสาน area composita) และช่องว่างเชื่อมต่อ (gap junctions) เนื้อหานี้วางกรอบโครงสร้างเพื่อทำความเข้าใจการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและเชิงกล และไม่ได้กล่าวถึงการจัดการโรคหัวใจ

Core questions

• เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจแตกต่างจากเส้นใยกล้ามเนื้อโครงร่างในเชิงโครงสร้างอย่างไร?
• รอยต่อใดบ้างที่ประกอบเป็นแผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ และแต่ละส่วนทำหน้าที่อะไร?
• แผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์สนับสนุนการเชื่อมต่อเชิงกลและไฟฟ้าได้อย่างไร?
• area composita คืออะไร และมีความสำคัญต่อการยึดเกาะของเซลล์หัวใจอย่างไร?

Key concepts

• เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ (มีแขนง, มีนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง, มีลายตามขวาง)
• เนื้อเดียวกันในเชิงการทำงาน (Functional syncytium)
• แผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ (Intercalated disc)
• Fascia adherens (การยึดเกาะของแอคติน)
• Desmosomes (การยึดเกาะระหว่างเซลล์เชิงกล)
• Area composita (รอยต่อแบบยึดเกาะแบบผสม)
• ช่องว่างเชื่อมต่อ (Gap junctions) และคอนเนกซิน-43 (connexin-43)
• ท่อตามขวาง (Transverse tubules) และไดแอด (dyads)

Mechanisms

เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ (cardiomyocytes) มีขนาดสั้นกว่าและมีแขนงเมื่อเทียบกับเส้นใยกล้ามเนื้อโครงร่าง และโดยทั่วไปมีนิวเคลียสหนึ่งหรือสองนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง โดยมีซาร์โคเมียร์ที่ทำให้เกิดลักษณะลายตามขวางเช่นเดียวกัน เซลล์ที่อยู่ติดกันจะมาบรรจบกันที่แผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ (intercalated discs) ซึ่งวางตัวตามขวางกับแกนยาว ส่วนตามขวางของแผ่นเชื่อมต่อนี้มี fasciae adherentes ซึ่งยึดปลายเส้นใยแอคตินของซาร์โคเมียร์ และ desmosomes ซึ่งยึดเส้นใยกลางและให้การยึดเกาะเชิงกลที่แข็งแรง การศึกษาในระดับโครงสร้างจุลภาคและระดับโมเลกุลแสดงให้เห็นว่าสิ่งเหล่านี้มักจะผสมผสานกันเป็นรอยต่อแบบผสมที่เรียกว่า area composita (Franke et al., 2006) ส่วนด้านข้างของแผ่นเชื่อมต่อประกอบด้วยช่องว่างเชื่อมต่อ (gap junctions) ซึ่งส่วนใหญ่สร้างจากคอนเนกซิน-43 (connexin-43) ซึ่งเป็นช่องทางที่มีความต้านทานต่ำสำหรับไอออน ทำให้การลดขั้วไฟฟ้าส่งผ่านโดยตรงระหว่างเซลล์ และกล้ามเนื้อหัวใจทำงานทางไฟฟ้าเสมือนเป็นเนื้อเดียวกัน (syncytium) (Vermij et al., 2017) การจัดระเบียบของรอยต่อแบบบูรณาการนี้เชื่อมโยงการส่งผ่านแรงเชิงกลกับการนำไฟฟ้าที่รวดเร็ว

Clinical relevance

การจัดระเบียบโครงสร้างของแผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ (intercalated disc) เป็นพื้นฐานอ้างอิงสำหรับการทำความเข้าใจว่าการเชื่อมต่อเชิงกลและไฟฟ้าสามารถถูกรบกวนได้อย่างไร ตัวอย่างเช่น การรบกวนการยึดเกาะของแผ่นเชื่อมต่อหรือโปรตีนช่องว่างเชื่อมต่อ (gap-junction proteins) ได้รับการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะและโรคกล้ามเนื้อหัวใจตาย (cardiomyopathy) บทความนี้อธิบายโครงสร้างปกติเพื่อวัตถุประสงค์ทางการศึกษา และไม่ใช่แนวทางการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

ข้อมูลในที่นี้อ้างอิงจากการศึกษาในระดับโมเลกุลและโครงสร้างจุลภาคของแผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์และรอยต่อของมัน (Franke et al., 2006; Vermij et al., 2017) และจากตำราเนื้อเยื่อวิทยามาตรฐาน (Mescher, 2018) ไม่มีแนวทางปฏิบัติทางคลินิกที่ควบคุมเนื้อหาเชิงพรรณนานี้

History

แผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ (intercalated disc) ถูกระบุโดยนักเนื้อเยื่อวิทยาในศตวรรษที่ 19 ว่าเป็นลายตามขวางที่แสดงขอบเขตของเซลล์ในกล้ามเนื้อหัวใจ และองค์ประกอบของรอยต่อได้รับการแก้ไขโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในศตวรรษที่ 20 งานวิจัยทางอิมมูโนอิเล็กตรอนและโมเลกุลในภายหลังได้ปรับปรุงภาพนี้ให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น รวมถึงการรับรู้ว่าส่วนประกอบที่ยึดเกาะและเดสโมโซมมักจะผสมผสานกันใน area composita (Franke et al., 2006) และการทำแผนที่แบบบูรณาการขององค์กรโมเลกุลของแผ่นเชื่อมต่อ (Vermij et al., 2017)

Debates

รอยต่อแบบยึดเกาะและเดสโมโซมของแผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์แยกจากกันจริงหรือไม่?

แบบจำลองคลาสสิกถือว่า fasciae adherentes และ desmosomes เป็นโครงสร้างที่แตกต่างกัน แต่หลักฐานจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนภูมิคุ้มกันแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลของพวกมันผสมผสานกันอย่างกว้างขวางเป็นรอยต่อแบบผสม (area composita) ซึ่งเป็นการปรับกรอบการอธิบายการยึดเกาะระหว่างเซลล์หัวใจ

Seminal works

• franke-2006
• vermij-2017

Frequently asked questions

แผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ (intercalated disc) คืออะไร?

เป็นรอยต่อพิเศษรูปขั้นบันไดที่เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจสองเซลล์มาบรรจบกันแบบปลายชนปลาย; มันรวมรอยต่อแบบยึดเกาะและเดสโมโซมสำหรับการเชื่อมต่อเชิงกลเข้ากับช่องว่างเชื่อมต่อเพื่อความต่อเนื่องทางไฟฟ้า

ทำไมหัวใจจึงถูกอธิบายว่าเป็นเนื้อเดียวกันในเชิงการทำงาน (functional syncytium)?

แม้ว่าเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจจะเป็นเซลล์ที่แยกจากกัน แต่ช่องว่างเชื่อมต่อ (gap junctions) ในแผ่นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ของพวกมันช่วยให้การลดขั้วไฟฟ้าส่งผ่านโดยตรงจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งได้ ดังนั้นเซลล์ที่เชื่อมต่อกันจึงหดตัวพร้อมกันราวกับว่าเป็นหน่วยเดียวที่ประสานงานกัน