Cresta neurale cardiaca - Cardiac neural crest

Le cellule della cresta neurale sono cellule multipotenti necessarie per lo sviluppo di cellule, tessuti e sistemi di organi. Una sottopopolazione di cellule della cresta neurale è il complesso della cresta neurale cardiaca . Questo complesso si riferisce alle cellule che si trovano tra il placode midotico e il somite 3 destinate a subire trasformazione e migrazione epitelio-mesenchimale al cuore attraverso gli archi faringei 3, 4 e 6.

Il complesso della cresta neurale cardiaca svolge un ruolo vitale nella formazione dei tessuti connettivi che aiutano nella settazione del deflusso e nella modellazione delle arterie dell'arco aortico durante lo sviluppo iniziale. L'ablazione del complesso spesso porta a un'alterazione del funzionamento del miocardio simile ai sintomi presenti nella sindrome di DiGeorge . Di conseguenza, la rimozione delle cellule della cresta cardiaca che popolano gli archi faringei ha effetti sul timo , sulle paratiroidi e sulla tiroide .

Le cellule della cresta neurale sono un gruppo di cellule temporanee, multipotenti (possono dare origine ad altri tipi di cellule ma non a tutte) che vengono staccate durante la formazione del tubo neurale (precursore del midollo spinale e del cervello) e quindi si trovano a la regione dorsale (superiore) del tubo neurale durante lo sviluppo. Derivano dallo strato germinale dell'ectoderma , ma a volte sono chiamati quarto strato germinale perché sono così importanti e danno origine a tanti altri tipi di cellule. Migrano in tutto il corpo e creano un gran numero di cellule differenziate come neuroni , cellule gliali, cellule contenenti pigmenti nella pelle, cellule del tessuto scheletrico nella testa e molte altre.

Le cellule della cresta neurale cardiaca (CNCC) sono un tipo di cellule della cresta neurale che migrano verso la cresta circumfaringea (una cresta a forma di arco sopra gli archi faringei ) e poi nel 3°, 4° e 6° arco faringeo e nel tratto di efflusso cardiaco (OFT) .

Si estendono dai placode otici (la struttura negli embrioni in via di sviluppo che in seguito formeranno le orecchie) ai terzi somiti (gruppi di mesoderma che diventeranno muscolo scheletrico, vertebre e derma).

Le cellule della cresta neurale cardiaca hanno una serie di funzioni tra cui la creazione del muscolo e delle pareti del tessuto connettivo delle grandi arterie; parti del setto cardiaco ; parti delle ghiandole tiroide , paratiroidi e timo . Si differenziano in melanociti e neuroni e nella cartilagine e nel tessuto connettivo degli archi faringei. Possono anche contribuire alla creazione del corpo carotideo, l'organo che controlla l'ossigeno nel sangue e regola la respirazione.

Percorso della cellula migratoria della cresta neurale cardiaca

Migrazione delle cellule della cresta neurale cardiaca. I CNCC iniziano come parte della cresta neurale e diventano più specializzati dopo aver raggiunto la loro destinazione finale.

Induzione

L'induzione neurale è la differenziazione delle cellule progenitrici nella loro designazione o tipo finale. Le cellule progenitrici che meglio CNCCs si trovano nella epiblast merito nodo di Henson . Le cellule progenitrici vengono portate nelle pieghe neurali . Molecole come Wnt , fattore di crescita dei fibroblasti (FGF) e proteina morfogenetica ossea (BMP) forniscono segnali che inducono le cellule progenitrici a diventare CNCC. Poco si sa della cascata di segnali che promuove l'induzione della cresta neurale. Tuttavia, è noto che è richiesto un livello intermedio di BMP: se il BMP è troppo alto o troppo basso, le cellule non migrano.

Migrazione iniziale

Dopo l'induzione, i CNCC perdono i contatti tra le cellule. Ciò consente loro di muoversi attraverso la matrice extracellulare e interagire con i suoi componenti. I CNCC, con l'assistenza dei loro filopodi e lamellipodi ( actina contenente estensioni del citoplasma che consentono a una cellula di sondare il suo percorso di migrazione), lasciano il tubo neurale e migrano lungo un percorso dorsolaterale verso la cresta circumfaringea. Lungo questo percorso, i CNCC si uniscono per formare un flusso di cellule in migrazione. Le cellule nella parte anteriore del flusso migratorio hanno una forma poligonale speciale e proliferano a una velocità maggiore rispetto alle cellule finali.

Sviluppo

La cresta neurale cardiaca origina dalla regione di cellule tra il somite 3 e il placode midotico che migrano verso e nel tratto di efflusso cardiaco. Le cellule migrano dal tubo neurale per popolare gli archi faringei 3, 4 e 6 con la più grande popolazione del tratto di deflusso proveniente da quelli negli archi faringei 4. Da qui, una sottopopolazione di cellule si svilupperà nell'endotelio delle arterie dell'arco aortico mentre altri migreranno nel tratto di efflusso per formare i setti aorticopolmonari e troncali. Altre cellule ectomesenchimali formeranno il timo e le ghiandole paratiroidi.

Transizione epiteliale-mesenchimale

Prima della migrazione, durante un processo noto come transizione epitelio-mesenchimale, si verifica una perdita di contatto cellulare, un rimodellamento del citoscheletro e un aumento della motilità e dell'interazione con i componenti extracellulari nella matrice. Un passo importante in questo processo è la soppressione della proteina di adesione E-caderina presente sulle cellule epiteliali per avviare il processo di migrazione. Questo meccanismo di soppressione si verifica tramite la segnalazione del fattore di crescita BMP per attivare un repressore trascrizionale che interagisce con la proteina 1 (Sip1) e segna l'inizio della transizione epitelio-mesenchimale.

Migrazione anticipata

Durante la migrazione, le cellule della cresta destinate agli archi faringei mantengono il contatto tra loro tramite lamellipodi e filopodi . Il contatto locale a corto raggio viene mantenuto con i lamellipodi mentre il contatto non locale a lungo raggio viene mantenuto con i filopodi. Durante questo processo, la connessina 43 (Cx43) regola l'interazione cellulare regolando la formazione di canali noti come giunzioni gap . La funzione alterata di Cx43 nei topi transgenici porta a modelli alterati dell'arteria coronaria e tratti di deflusso anormali. L'ulteriore segnalazione della giunzione gap dipende da un'adesione cellulare mediata dalla caderina formata durante il dialogo incrociato con la segnalazione della catenina p120.

Un'adeguata formazione del tratto di efflusso si basa su un gradiente di concentrazione di morfogeno creato dalle cellule che secernono il fattore di crescita dei fibroblasti (FGF). Le cellule della cresta cardiaca più lontane dalle cellule che secernono FGF riceveranno concentrazioni inferiori di segnalazione di FGF8 rispetto alle cellule più vicine alle cellule che secernono FGF. Ciò consente un'adeguata formazione del tratto di deflusso. Le cellule situate nei rombomeri 3 e 5 vanno incontro a morte cellulare programmata sotto segnali di segnalazione da semaforine . La mancanza di cellule in questa regione determina la formazione di zone libere da creste.

Il processo di migrazione richiede una matrice extracellulare permissiva. L' enzima arginiltransferasi crea questo ambiente aggiungendo un gruppo arginilico alle proteine ​​appena sintetizzate durante la modifica post-traduzionale . Questo processo aiuta la motilità delle cellule e assicura che le proteine ​​contenute nel citoscheletro di actina siano preparate per la migrazione.

Cresta circumfaringea

La migrazione cellulare verso la cresta circumfaringea è forzata a fermarsi per consentire la formazione degli archi faringei caudali. Poco si sa di questo meccanismo di pausa, ma studi condotti sui pulcini hanno scoperto il ruolo dei fattori espressi dal mesoderma EphrinB3 ed EphrinB4 nella formazione di attaccamenti di fibronectina.

Condensazione della faringe caudale e dell'arco arterioso

Gli archi faringei sono tessuti composti da cellule derivate dal mesoderma racchiuse da un ectoderma esterno e da un endoderma interno . Una volta formati gli archi faringei caudali, i complessi della cresta neurale cardiaca migreranno verso questi e colonizzeranno negli archi 3, 4 e 6. Le cellule che guidano questa migrazione mantengono il contatto con la matrice extracellulare e contengono filopodi che fungono da estensioni verso gli archi faringei ectodermici. Una serie di fattori secreti garantisce un'adeguata direzionalità delle cellule. FGF8 agisce come un'attrazione chemiotattica nel dirigere il movimento cellulare verso l'arco faringeo 4.

Una seconda via di segnalazione che dirige il movimento delle cellule della cresta è la famiglia dei ligandi dell'endotelina. Le cellule della cresta neurale cardiaca in migrazione si popoleranno in corrispondenza degli archi faringei corretti sotto la guida del segnale delle variazioni di EphrinA ed Ephrin B. Ciò corrisponde all'espressione del recettore negli archi faringei. L'arco faringeo 3 esprime i recettori EphrinA ed EphrinB1 e l'arco faringeo 2 esprime EphrinB2 e consente il legame delle variazioni di EphrinA ed EphrinB per guidare la migrazione delle cellule della cresta neurale cardiaca.

Rimodellamento dell'arco aortico

Le arterie dell'arco aortico trasportano il sangue dall'aorta alla testa e al tronco dell'embrione . Normalmente, lo sviluppo precoce del tratto di efflusso inizia con un singolo vaso che forma rami simmetrici bilaterali nel sacco aortico all'interno degli archi faringei. Questo processo richiede l'allungamento del tratto di efflusso come prerequisito per garantire la corretta serie di loop e allineamento cardiaco. Il complesso della cresta neurale cardiaca poi colonizza nel cuscino del tronco e si localizza nello strato subendoteliale prima della spiralizzazione del cuscino endocardico per formare le creste conotroncali. Questo in seguito subisce un rimodellamento per formare il modello aortico sinistro presente nei cuori adulti. Il gruppo di cellule trovato nel terzo arco aortico dà origine alle arterie carotidi comuni . Le cellule del quarto arco aortico si differenziano per formare l'arco aortico distale e l' arteria succlavia destra , mentre le cellule del sesto arco aortico si sviluppano nelle arterie polmonari . Le cellule della cresta neurale cardiaca esprimono i geni Hox che supportano lo sviluppo delle arterie 3, 4 e 6 e la regressione simultanea delle arterie 1 e 2. L'ablazione dei geni Hox sulle cellule della cresta neurale cardiaca causa un difetto di deflusso.

Ablazione del complesso della cresta neurale cardiaca

Un confronto tra lo sviluppo normale e le anomalie comuni che insorgono durante la differenziazione della cresta neurale cardiaca

Anomalie del deflusso cardiaco

Una delle principali anomalie del deflusso cardiaco presenti durante l'ablazione del complesso della cresta neurale cardiaca è il tronco arterioso persistente . Ciò si verifica quando il tronco arterioso non riesce a dividersi e provoca la separazione dell'arteria polmonare e dell'aorta. Ciò si traduce in una mancanza di setto aorticopolmonare poiché i vasi che normalmente scomparirebbero durante il normale sviluppo rimangono e interrompono i vasi carotidei. La malformazione del cuore e dei grandi vasi associati dipende dall'estensione e dalla posizione dell'ablazione del complesso della cresta neurale cardiaca. La rimozione completa delle creste neurali cardiache determina la persistenza del tronco arterioso caratterizzato nella maggior parte dei casi dalla presenza di una sola valvola di deflusso e di un difetto del setto ventricolare. Le cellule della cresta neurale mesencefalica interferiscono con il normale sviluppo della settazione del deflusso cardiaco poiché la sua presenza porta a un tronco arterioso persistente. Tuttavia, l'aggiunta di cellule della cresta neurale del tronco determina un normale sviluppo del cuore.

Altri esiti delle anomalie del deflusso cardiaco includono la tetralogia di Fallot , il complesso di Eisenmenger, la trasposizione dei grandi vasi e il ventricolo destro a doppia uscita.

Anomalie delle arterie dell'arco aortico

L'aorta prevalente è causata dall'ansa anomala durante lo sviluppo precoce del cuore ed è accompagnata da difetti del setto ventricolare. Invece di una formazione anormale del setto aorticopolmonare, la rimozione parziale della cresta neurale cardiaca determina un'aorta dominante, per cui l'errato posizionamento dell'aorta si trova sul setto ventricolare rispetto al ventricolo sinistro. Ciò si traduce in una riduzione del sangue ossigenato poiché l'aorta riceve del sangue deossigenato dal flusso del ventricolo destro . C'è una riduzione della quantità di tubi endoteliali di ectomesenchima negli archi faringei che circondano le arterie dell'arco aortico.

Altri esiti delle anomalie dell'arteria dell'arco aortico includono un doppio arco aortico, un'assenza variabile delle arterie carotidi e l'arco aortico sinistro.

Cambiamenti funzionali al cuore

I cambiamenti funzionali al cuore diventano evidenti ben prima che si osservino cambiamenti strutturali nel fenotipo dei pulcini ablati. Ciò è dovuto al fatto che l'embrione compromette i cambiamenti morfologici del cuore per mantenere il funzionamento cardiaco attraverso la vasodilatazione . Nonostante un aumento della gittata sistolica embrionale e della gittata cardiaca , questa compensazione della diminuzione della contrazione provoca il disallineamento dei vasi di sviluppo a causa dell'ansa incompleta del tubo cardiaco.

In un cuore adulto, la contrazione del miocardio avviene tramite l'accoppiamento eccitazione-contrazione per cui si verifica la depolarizzazione cellulare e consente un afflusso di calcio attraverso i canali del calcio voltaggio-dipendenti . Una successiva ricaptazione del calcio nel reticolo sarcoplasmatico provoca una diminuzione del calcio intracellulare per provocare il rilassamento del miocardio. La rimozione del complesso della cresta neurale cardiaca provoca una riduzione della contrattilità del miocardio. Negli embrioni contenenti tronco arterioso persistente, si verifica una significativa riduzione di 2 volte delle correnti di calcio, interrompendo così il processo di accoppiamento eccitazione-contrazione cardiaca per causare una riduzione della contrattilità.

Sistema venoso polmonare

Durante la cardiogenesi , la migrazione del complesso della cresta neurale cardiaca avviene prima dello sviluppo del sistema polmonare. Non vi è alcuna differenza visibile nelle vene polmonari di embrioni di pollo che hanno sviluppato un tronco arterioso persistente ed embrioni con un complesso della cresta neurale cardiaca intatto. L'ablazione del complesso della cresta neurale cardiaca non gioca un ruolo nel sistema venoso sistemico o polmonare poiché non si osservano difetti venosi visibili.

Sviluppo derivato

A causa della sua popolazione negli archi faringei, la rimozione del complesso della cresta neurale cardiaca ha effetti sul timo, sulle paratiroidi e sulla tiroide.

Posizione

Negli archi faringei e nel tronco arterioso (embriologia) , formando il setto aorticopolmonare e la muscolatura liscia delle grandi arterie .

Anteriore dell'aorta per diventare i quattro gangli pre-aortici : ( ganglio celiaco , ganglio mesenterico superiore , ganglio mesenterico inferiore e ganglio renale aortico ).

Pausa sulla cresta circumfaringea

All'arco circumfaringeo i CNCC devono sostare nella loro migrazione mentre si formano gli archi faringei.

Migrazione agli archi faringei

I CNCC continuano la loro migrazione negli archi faringei di nuova formazione, in particolare nel terzo, quarto e sesto arco. Negli archi faringei i CNCC aiutano nella formazione della tiroide e delle ghiandole paratiroidi.

Le cellule principali hanno lunghi filopodi che aiutano la migrazione mentre le cellule nel mezzo della migrazione hanno sporgenze nella parte anteriore e posteriore che consentono loro di interagire e comunicare con le cellule principali, le cellule finali e ricevere segnali dalla matrice extracellulare.

Una varietà di fattori di crescita e fattori di trascrizione nelle cellule segnale della matrice extracellulare e le dirigono verso un arco specifico. Ad esempio, la segnalazione di FGF8 dirige CNCCS al quarto arco e mantiene le cellule vitali.

Migrazione al tratto di efflusso cardiaco

Il tratto di efflusso cardiaco è una struttura temporanea nell'embrione in via di sviluppo che collega i ventricoli con il sacco aortico . Alcuni CNCC migrano oltre gli archi faringei verso il tratto di efflusso cardiaco. I CNCCS nel tratto di efflusso cardiaco contribuiscono alla formazione dei gangli cardiaci e del mesenchima alla giunzione del miocardio subaortico e subpolmonare (tessuto cardiaco muscolare) del tratto di efflusso. Una porzione più piccola dei CNCC migra nel tratto di efflusso prossimale dove aiuta a chiudere il setto di efflusso ventricolare.

Vie molecolari

Molte molecole di segnalazione sono necessarie per la differenziazione, la proliferazione, la migrazione e l' apoptosi dei CNCC. Le vie molecolari coinvolte includono le famiglie di molecole Wnt , Notch , BMP , FGF8 e GATA . Oltre a queste vie di segnalazione, questi processi sono anche mediati da fattori ambientali tra cui il flusso sanguigno, lo stress da taglio e la pressione sanguigna.

I CNCC interagiscono con le cellule del mesoderma cardiogeno dei campi cardiaci primari e secondari, che derivano dalla mezzaluna cardiaca e daranno origine all'endocardio , al miocardio e all'epicardio . Gli stessi CNCC sono i precursori delle cellule muscolari lisce vascolari e dei neuroni cardiaci.

Ad esempio, i CNCC sono necessari per la formazione del setto aorticopolmonare (APS) che dirige il deflusso cardiaco in due tratti: il tronco polmonare e l'aorta del cuore in via di sviluppo. Questo è un esempio di rimodellamento che dipende dalla segnalazione avanti e indietro tra i CNCC e il mesoderma cardiogeno . Se questa segnalazione viene interrotta o ci sono difetti nel CNCCS, possono svilupparsi anomalie cardiovascolari. Queste anomalie includono il tronco arterioso persistente (PTA), il ventricolo destro a doppia uscita (DORV), la tetralogia di Fallot e la sindrome di DiGeorge .

Wnt

Le proteine ​​Wnt sono fattori di crescita extracellulari che attivano le vie di segnalazione intracellulare. Esistono due tipi di percorsi: canonico e non canonico. La classica via Wnt canonica coinvolge la proteina B-catenina come mediatore di segnalazione. Wnt mantiene la B-catenina prevenendo la degradazione del proteasoma . Pertanto, la B-catenina è stabilizzata in presenza di Wnt e regola la trascrizione genica attraverso l'interazione con i fattori di trascrizione TCF/LEF. La via canonica Wnt/B-catenina è importante per il controllo della proliferazione cellulare. La via Wnt non canonica è indipendente dalla B-catenina e ha un effetto inibitorio sulla segnalazione Wnt canonica.

Le vie di segnalazione Wnt svolgono un ruolo nello sviluppo del CNCC e nello sviluppo dell'OFT. Nei topi, la diminuzione della B-catenina determina una diminuzione della proliferazione dei CNCC. La downregulation del corecettore Wnt Lrp6 porta a una riduzione dei CNCC nel tubo neurale dorsale e negli archi faringei e provoca difetti ventricolari, settali e OFT. La segnalazione canonica di Wnt è particolarmente importante per la regolazione del ciclo cellulare dello sviluppo del CNCC e l'inizio della migrazione del CNCC. La segnalazione Wnt non canonica svolge un ruolo maggiore nel promuovere la differenziazione cardiaca e lo sviluppo dell'OFT.

Tacca

Notch è una proteina transmembrana la cui segnalazione è necessaria per la differenziazione dei CNCC alle cellule muscolari lisce vascolari e per la proliferazione dei miociti cardiaci (cellule muscolari del cuore). Nei topi, l'interruzione della segnalazione di Notch provoca difetti di ramificazione dell'arco aortico e stenosi polmonare, nonché un difetto nello sviluppo delle cellule muscolari lisce della sesta arteria dell'arco aortico, che è il precursore dell'arteria polmonare. Nell'uomo, le mutazioni di Notch spesso determinano una malattia della valvola aortica bicuspide e la calcificazione della valvola aortica.

Proteine ​​morfogenetiche ossee

Le proteine ​​morfogenetiche ossee (BMP) sono necessarie per la migrazione delle cellule della cresta neurale nei cuscinetti cardiaci (precursori delle valvole cardiache e dei setti) e per la differenziazione delle cellule della cresta neurale in cellule muscolari lisce delle arterie dell'arco aortico. Negli embrioni carenti di Alk2 specifici della cresta neurale, i cuscinetti cardiaci del tratto di deflusso sono carenti nelle cellule a causa di difetti nella migrazione delle cellule della cresta neurale.

Fattore di crescita dei fibroblasti 8

I fattori di trascrizione del fattore di crescita dei fibroblasti 8 (FGF8) sono essenziali per regolare l'aggiunta di cellule del campo cardiaco secondario nel tratto di efflusso cardiaco. I mutanti di topo FGF8 hanno una serie di difetti cardiaci tra cui le arterie dell'arco sottosviluppate e la trasposizione delle grandi arterie.

GATA

I fattori di trascrizione GATA , che sono molecole complesse che si legano alla sequenza del DNA GATA , svolgono un ruolo critico nella restrizione della differenziazione del lignaggio cellulare durante lo sviluppo cardiaco. La funzione primaria di GATA6 nello sviluppo cardiovascolare è quella di regolare il modello morfogenetico del tratto di efflusso e dell'arco aortico. Quando GATA6 è inattivato nei CNCC, possono verificarsi vari difetti cardiovascolari come il tronco arterioso persistente e l'arco aortico interrotto. Questo fenotipo (anomalia) è stato osservato anche quando GATA6 è stato inattivato all'interno delle cellule muscolari lisce vascolari. GATA6 in combinazione con Wnt (Wnt2-GATA6) svolge un ruolo nello sviluppo del polo posteriore del cuore (il tratto di afflusso).

CNCCS e cardiopatia ischemica

C'è interesse tra i ricercatori sul fatto che i CNCC possano essere utilizzati per riparare il tessuto cardiaco umano. Gli attacchi di cuore negli esseri umani sono comuni e il loro tasso di mortalità è alto. Ci sono trattamenti di emergenza che gli ospedali possono somministrare, come l' angioplastica o la chirurgia , ma in seguito i pazienti probabilmente assumeranno farmaci a lungo termine e saranno più suscettibili agli attacchi di cuore in futuro. Altre complicazioni degli attacchi cardiaci includono aritmie cardiache e insufficienza cardiaca .

Sebbene i CNCC siano importanti negli embrioni, alcuni CNCC vengono mantenuti in uno stato dormiente fino all'età adulta, dove vengono chiamati cellule staminali della cresta neurale . Nel 2005, Tomita ha trapiantato cellule staminali della cresta neurale dai cuori dei mammiferi alla cresta neurale degli embrioni di pollo. È stato dimostrato che questi CNCC migrano nel cuore in via di sviluppo del pulcino utilizzando lo stesso percorso dorsolaterale dei CNCC e si differenziano in cellule neurali e gliali.

Lo studio di Tamura del 2011 ha esaminato il destino dei CNCC dopo un attacco di cuore (infarto del miocardio) in giovani topi. I CNCC nei topi giovani sono stati contrassegnati con una proteina fluorescente verde potenziata (EGFP) e quindi tracciati. I CNCC contrassegnati erano concentrati nel tratto di efflusso cardiaco e alcuni sono stati trovati nel miocardio ventricolare. È stato anche dimostrato che queste cellule si differenziano in cardiomiociti man mano che il cuore cresce. Sebbene ne siano stati trovati meno, questi CNCC marcati con EGFP erano ancora presenti nel cuore adulto. Quando è stato indotto un attacco di cuore, i CNCC si sono aggregati nell'area della zona di confine ischemica (un'area di tessuto danneggiato che può ancora essere salvata) e hanno contribuito in una certa misura alla rigenerazione del tessuto attraverso la differenziazione in cardiomiociti per sostituire il tessuto necrotico.

Riferimenti