New concepts on development of the second heart field

Background Congenital heart diseases（CHDs） account for the majority of life-threatening congenital anomalies at birth. CHDs are outcomes of developmental disorders of heart during embryogenesis. Here, we reviewed the development of cardiac progenitors, called the second heart field（SHF）. And it is also the major origin of the outflow tract（OFT）, right ventricle and most of the atria.

Cx43、β-catenin、Smo在第二生心区的表达规律及意义

背景:第二生心区对于胚胎心脏发育具有重要意义,其发育异常会导致多种心脏畸形,Cx43基因敲除后第二生心区细胞的形成和增殖减少,但具体原因尚未明确。目的:①明确β-catenin、Smo以及Cx43在内胚层与第二生心区的表达模式,观察其有无共表达;②探究Cx43与Wnt/β-catenin通路或Shh通路之间是否存在相互作用,共同参与第二生心区的发育。方法:选取胚龄10-12 d的ICR小鼠胚胎石蜡包埋连续切片,进行免疫组织化学染色、苏木精-伊红染色、免疫荧光染色;剥离胚龄11 d小鼠胚胎的原始消化管用于蛋白印迹实验和免疫共沉淀。结果与结论:①胚龄10-12 d,Cx43与Isl1在前肠腹侧和心包腔背侧壁的部分间充质细胞呈共表达,Isl1阳性细胞增多的同时Cx43阳性细胞也增多;②胚龄10-12 d,Cx43与β-catenin在内胚层腹侧共表达;③胚龄10-12 d,Cx43与Smo在内胚层上共表达;④免疫共沉淀结果表明Cx43与β-catenin之间存在相互作用,共同参与第二生心区的发育。

神经嵴细胞和胰岛因子1阳性细胞与小鼠胚胎心流出道发育的关系

目的探讨迁移中的细胞视黄酸结合蛋白1(CRABP1)阳性神经嵴细胞、胰岛因子1(ISL-1)、阳性心肌前体细胞与小鼠胚胎心流出道发育的关系。方法 36只胚龄8.5～13d小鼠胚胎心连续石蜡切片,选用抗α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)、抗心肌肌球蛋白重链(MHC)、抗转录因子ISL-1、抗CRABP1和抗磷酸化组蛋白H3(PHH3)抗体,进行免疫组织化学及免疫荧光染色。结果胚龄8.5～10d,ISL-1阳性心肌前体细胞相继出现在心背系膜、原始咽两侧、头面部、鳃弓核心间充质和心包腔背侧壁间充质,构成心管流出道发育的第二生心区。胚龄11～13d,ISL-1阳性细胞在咽前方聚集,形成特征性锥体形结构,并向升主动脉、肺动脉干及主肺动脉隔延伸。胚龄9d前,神经嵴细胞散在分布于ISL-1阳性细胞之间,流出道远侧端可见少量CRABP1和ISL-1双阳性细胞。胚龄10d,CRABP1阳性神经嵴细胞分布在ISL-1阳性鳃弓核心间充质周围。随着发育,弓动脉等处的神经嵴细胞逐渐失去CRABP1表达,开始表达α-SMA。结论 ISL-1阳性第二生心区是动态结构,胚龄8.5～10d时,在神经嵴细胞配合下,向心管动脉端添加心肌细胞;胚龄11d后,开始向平滑肌方向分化,参与升主动脉、肺动脉干和主肺动脉隔的发育。

小鼠胚胎心流出道的形态发生与呼吸内胚层发育耦联

目的探讨小鼠胚胎心发育过程中前肠呼吸内胚层与第一生心区和第二生心区及胚胎心流出道的形态发生关系。方法胚龄7.5～13d小鼠胚胎心各3个,连续石蜡切片,用抗胰岛素增强子结合蛋白1(ISL-1)、抗心肌肌球蛋白重链(MHC)、抗α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)、抗Nkx2.5和抗增殖细胞核抗原(PCNA)抗体进行免疫组织化学或免疫荧光染色。结果胚胎发育7.5d,ISL-1在生心板心肌前体细胞表达并与发育中的第二生心区ISL-1阳性细胞连续。胚胎发育第10～13天,可见ISL-1强阳性的前肠腹侧呼吸内胚层细胞增生,排列不规则,失去极性,细胞间间隙明显,变为间充质样细胞,与周围ISL-1阳性间充质细胞无明确界限。紧邻动脉囊背侧壁,局部增生的内胚层向动脉囊方向生长,形成实心细胞索,ISL-1阳性间充质细胞围绕前肠腹侧呼吸内胚层及细胞索形成特征性锥体样结构。结论第一和第二生心区是连续结构,ISL-1同时是两个生心区心肌前体细胞的标记蛋白。呼吸内胚层和内胚层细胞索可能诱导第二生心区的扩展,并通过上皮-间充质转化,保持第二生心区细胞数量稳定。

小鼠胚胎呼吸内胚层相关第二生心区的发育

目的探讨小鼠胚胎心流出道分隔过程中,前肠呼吸内胚层与咽前第二生心区细胞发育的形态学关系及机制。方法胚龄9~13d小鼠胚胎标本各6例,连续石蜡切片,用抗转录因子叉头框蛋白A2（Foxa2）、抗胰岛因子1（ISL-1）、抗patched1（Ptc1）、抗patched 2（Ptc2）、抗α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）及抗心肌肌球蛋白重链（MHC）抗体进行免疫组织化学及免疫荧光染色。结果胚龄9~9.5d,前肠腹侧壁ISL-1阳性内胚层局部增厚,呼吸内胚层开始发育,ISL-1阳性间充质细胞紧随其后开始出现在呼吸内胚层周围的基质中。胚龄10~11.5d,呼吸内胚层向动脉囊方向生长延伸向喉-气管沟演变,ISL-1阳性咽前间充质细胞围绕呼吸内胚层呈对称的特征性锥体形结构分布,锥体顶端突入动脉囊腔向主-肺动脉隔发育。在喉-气管沟发育过程中,总能观察到1条实心内胚层细胞索位于其腹侧顶端,Ptc1和Ptc2主要局限于发育中的喉-气管沟及实心细胞索表达,喉-气管沟及实心细胞索的内胚层则位于锥体结构的中心。胚龄12~13d,在流出道水平前肠分隔形成气管,内胚层细胞索逐渐消失,气管上皮逐渐失去Ptc1和Ptc2表达,气管腹侧的ISL-1阳性间充质细胞密度明显减低,并逐渐停止向流出道添加,动脉囊分隔完成。结论呼吸内胚层的分化发育与咽前ISL-1阳性第二生心区细胞的发育聚集密切耦联。音猬因子（SHH）信号系统在呼吸内胚层发育过程中活跃程度较高,发育中的呼吸内胚层可能作为组织中心,通过SHH信号通路诱导ISL-1阳性细胞的聚集,并通过内胚层生长延伸造成的机械牵拉力驱动ISL-1阳性细胞迁移,参与流出道正常形态发生。

转录因子Nkx2.5、ISL-1表达与小鼠胚胎心的早期发育

目的：探讨转录因子Nkx2.5和ISL-1的表达与小鼠胚胎早期心发育的关系.方法：胚龄7.5～13d小鼠胚胎连续石蜡切片,用抗α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）、抗心肌肌球蛋白重链（MHC）、抗转录因子ISL-1、抗Nkx2.5抗体,进行免疫组织化学显色.结果：转录因子Nkx2.5在胚龄7.5d生心板表达早于心肌特异性蛋白MHC及SMA.随心外形建立,Nkx2.5在心各部表达逐渐增强.胚龄9d, Nkx2.5阳性表达从原始心管动脉端延伸至心包腔背侧脏壁中胚层及咽周围轴旁中胚层.Isl-1开始表达于胚龄8d原始心管心背系膜及前肠腹侧脏壁中胚层间充质,阳性细胞数量在11～12d达顶峰,形成前肠腹侧连接流出道远端和心房背侧壁的ISL-1阳性细胞带.11～12d,流出道远端出现Nkx2.5和MHC阴性,ISL-1、SMA阳性表达区.胚龄13d后,Nkx2.5和ISL-1在心和前肠腹侧间充质的表达强度下降.结论：Nkx2.5是原始生心区心肌前体细胞早期分化的标记蛋白,在第2生心区表达限于胚龄9d、咽周脏壁和轴旁中胚层心肌前体细胞亚群.第2生心区标记蛋白ISL-1主要表达在胚龄8～12d前肠腹侧脏壁中胚层心肌前体细胞,并向心管添加心肌细胞,参与流出道发育及心管成襻.11d后,第2生心区间充质细胞开始分化为升主动脉和肺动脉干平滑肌.

鼠胚呼吸内胚层相关第二生心区发育中的上皮-间充质转化

目的探讨上皮-间充质转化与鼠胚呼吸内胚层相关第二生心区发育的关系。方法用免疫印迹法检测转化生长因子β2(TGF-β2)和转化生长因子β3(TGF-β3)在胚龄9~14 d小鼠胚胎心脏的表达情况。另用叉头框蛋白A2(Foxa2)、胰岛因子1(ISL-1)、层黏连蛋白(LN)及上皮型钙黏蛋白(E-cad)抗体,对35例胚龄10~12 d小鼠胚胎心连续石蜡切片进行免疫组织化学或免疫荧光染色。结果 TGF-β2和TGF-β3蛋白于胚龄10~12 d在小鼠胚胎心脏均有表达。在上述呼吸内胚层相关第二生心区发育的时间点,均可见ISL-1阳性呼吸内胚层与周围ISL-1阳性第二生心区间充质分界不清或混为一体的现象,同时伴有相应部位基底膜的断续状或者模糊不清状改变;尤其在胚龄11 d和12 d,部分呼吸内胚层或其实心细胞索细胞失去Foxa2表达,呈较强ISL-1表达,同时伴有基底膜的断裂或者缺失,E-cad表达减弱,细胞间隙出现,甚至从内胚层脱离,失去上皮细胞的顶-底极性。结论TGF-β信号调节的上皮-间充质转化参与鼠胚呼吸内胚层相关第二生心区发育形成。

转录因子GATA4与原始心管的形成和静脉端的发育

目的：探讨GATA4表达和原始心管形成及心静脉端发育的关系。方法：用抗转录因子GATA4、抗α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）、抗α-横纹肌肌节肌动蛋白（α-SCA）、抗心肌肌球蛋白重链（MHC）抗体，对胎龄7．5～12d小鼠胚胎心连续切片进行免疫组织化学PAP法显色。结果：GATA4在7．5d小鼠胚胎生心板及原始心管呈较强表达，少数细胞显较弱MHC、α-SCA表达，α-SMA表达阴性。胎龄8．5d，第2生心区来源的胚胎心流出道和静脉端明显可辨，强α-SMA表达延伸至流出道、静脉端与心包腔脏壁中胚层的返折处，GATA4和MHC的表达主要集中在“S”型心的左、右心室，随发育逐渐向流出道和静脉端远侧延伸，但GATA4表达先于MHC和mSCA。胎龄9．5d后，静脉窦的形态发生以及窦壁心肌化在并入右心房的过程中逐渐完成。第11天，近右心房的上主静脉壁间充质增生分化形成GATA4和α-SMA阳性的窦房结原基，第12天获得较强MHC表达。间充质细胞向心肌细胞的分化在右下主静脉壁也可见到。结论：GATA4是原始生心区心肌前体细胞向心肌细胞分化的较早的标志蛋白。α-SMA是第2生心区来源的心肌细胞早期分化的标志蛋白，它的表达可能不受GATA4调节。GATA4主要调节定向后心肌细胞的增生和分化以及心管静脉端的正确成襻。

转录因子Tbx3在小鼠胚胎第二生心区的表达规律

目的探讨转录因子Tbx3在小鼠胚胎第二生心区(SHF)的时空表达模式,为其对SHF的调节作用提供形态学依据。方法 40只胚龄9~15 d小鼠胚胎心脏连续石蜡切片,用抗胰岛素基因增强子结合蛋白1(ISL-1)抗体、抗心肌肌球蛋白重链(MHC)抗体、抗心肌肌球蛋白轻链Ⅱa(MLC2a)抗体、小鼠抗增殖细胞核抗体(PCNA)、抗Tbx3抗体进行免疫组织化学和免疫荧光双标染色。结果胚龄9 d,咽腹侧内胚层增厚,且表达Tbx3与SHF标记物ISL-1。胚龄10~12 d,咽腹侧间充质出现ISL-1阳性细胞并逐渐增多,部分细胞共表达Tbx3。动脉囊壁、心包腔背侧壁以及流出道远端壁也可见ISL-1表达,Tbx3在这些部位均呈阴性。心背侧间充质突(DMP)内可见ISL-1、Tbx3散在表达。胚龄13~15 d,DMP逐渐心肌化,同时可见Tbx3阳性细胞分布。结论 Tbx3在SHF的表达集中在咽腹侧间充质,可能参与调节SHF前体细胞的存在与增殖;但在后第二生心区(p SHF)的作用与在动脉端的SHF可能不同。

呼吸内胚层相关第二生心区与小鼠胚胎流出道远端的形态发生

目的探讨小鼠胚胎呼吸内胚层相关第二生心区(PSHF)发育与流出道远端形态发生的关系。方法用免疫蛋白印迹法检测抗胰岛因子-1(ISL-1)在80例胚龄10~14 d小鼠胚胎心脏标本的表达。另用抗ISL-1、抗α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)及抗心肌肌球蛋白重链(MHC)抗体,对36例胚龄11~13 d小鼠胚胎心连续石蜡切片进行免疫组织化学或免疫荧光染色。结果胚龄11~12 d是ISL-1蛋白在小鼠胚胎心脏表达的高峰时段。胚龄11 d,来自鳃弓或心包腔背侧壁等处PSHF的ISL-1阳性细胞延伸进入流出道远端管壁,流出道远端管壁则失去MHC表达,呈α-SMA阳性表达;来自PSHF的ISL-1阳性细胞则围绕呼吸内胚层呈对称性锥体结构分布,锥体顶端突入动脉囊腔呈ISL-1阳性突起。胚龄11.5 d,PSHF锥体顶端进入动脉囊头侧和尾侧管壁,形成流出道远端管壁上对称的ISL-1阳性柱结构;而动脉囊腔尚未分隔,流出道远端仍为单一管道。胚龄12 d,PSHF锥体突起失去ISL-1表达,呈较强的α-SMA表达。在PSHF锥体突起与流出道嵴融合前,两者之间出现主-肺动脉孔;两者融合后则形成α-SMA阳性的暂时性主-肺动脉隔,将动脉囊分隔成MHC阴性的心包内的主动脉和肺动脉。胚龄13 d,主-肺动脉隔逐渐消失,心包内主动脉和肺动脉分离。在MHC阴性的心包内大动脉管壁上出现了α-SMA阳性的平滑肌层,仍可见少量PSHF的ISL-1阳性细胞延伸进入心包内大动脉管壁。结论在小鼠胚胎发育11~13 d,PSHF将动脉囊分隔成心包内的主动脉和肺动脉,并参与心包内大动脉的侧面管壁和对侧面管壁的分化形成。

小鼠胚胎心流出道发育中胰岛因子1的表达及意义

目的观察胰岛因子1(Islet-1,ISL-1)在小鼠胚胎心流出道发育中的表达,探讨ISL-1阳性细胞在第二生心区的时空分布特点及其在心流出道发育中的作用。方法 15只胚龄8.5d^12d小鼠胚胎心连续石蜡切片,选用抗α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)、抗心肌肌球蛋白重链(myosinheavy chain,MHC)和抗ISL-1抗体,进行免疫组织化学染色。结果胚龄8.5d^10d,ISL-1阳性细胞相继出现在流出道远端、心包腔背侧脏壁和体壁中胚层、原始咽腹外侧间充质及第2对鳃弓核心间充质,并逐渐分化为心肌细胞添加到流出道远端;胚龄11d,咽腹侧ISL-1阳性细胞形成独特的锥形结构,形成主肺动脉隔的雏形;胚龄12d,ISL-1阳性锥形结构与流出道远端心内膜垫融合形成主肺动脉隔,此时ISL-1阳性细胞开始分化为平滑肌细胞,参与心包腔内升主动脉、肺动脉干和主肺动脉隔的发育。结论第二生心区涵盖了原始咽腹外侧间充质、心包腔背侧壁中胚层及鳃弓核心间充质等多个区域,其中的ISL-1阳性细胞具有多向分化潜能,在心发育的不同阶段可以分化为不同类型的细胞,参与流出道的正常发育。

呼吸内胚层及第二生心区与小鼠胚胎心动脉端发育关系

目的:探讨呼吸内胚层及第二生心区与小鼠胚胎心动脉端发育的关系。方法:对35例胚龄9~13 d小鼠胚胎心连续石蜡切片应用抗音猬因子(Shh)、抗Ptc1、抗Smo、抗心肌肌球蛋白重链(MHC)、抗胰岛因子(ISL-1)、抗α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)抗体进行免疫组织化学和免疫荧光化学染色。结果:胚龄9~11 d,呼吸内胚层开始发育,其腹侧形成Ptc1阳性的内胚层细胞索,与紧邻的第二生心区咽前ISL-1阳性间充质细胞形成对称的锥体形结构,顶端突入动脉囊腔。胚龄12~13 d,随内胚层细胞索消失,气管腹侧ISL-1阳性间充质细胞数量明显减少,心包内主动脉和肺动脉分离。结论:发育中的呼吸内胚层可能通过Shh信号通路为第二生心区咽前ISL-1阳性间充质细胞的发育聚集提供位置信息,参与小鼠胚胎心流出道的正常形态发生。

转录因子Islet1与心脏发育

结合鸡胚心脏发育的过程,就Islet1与心脏发育之间的关系作一综述,以期为Islet 1基因研究提供参考。

小鼠胚胎心包内动脉心外膜的形成及其细胞的分布变化

目的探讨小鼠胚胎心包内动脉心外膜的起源、形成及其所含细胞在心包内主、肺动脉管壁发育过程中可能的作用。方法取胚龄E9.5—E16的小鼠胚胎石蜡包埋连续切片,进行免疫组织化学染色。提取及培养E13小鼠胚胎心包内主、肺动脉组织原代心外膜祖细胞,进行免疫荧光染色。结果E9.5—E10.5小鼠胚胎,心外膜逐渐形成并分布于心房、房室管和心室壁外表面,但流出道壁心外膜尚未形成;E11—E11.5小鼠胚胎,流出道非心肌部逐渐分隔为心包内升主动脉和肺动脉干,动脉心外膜开始出现在心包腔背侧壁以及与之相连的流出道壁远端;E12.5—E16小鼠胚胎,心包内主、肺动脉完全分隔,第二生心区前体细胞与动脉心外膜向平滑肌细胞分化,动脉瓣膜内也可见动脉心外膜来源的心外膜细胞。结论小鼠胚胎流出道非心肌部心外膜来自于动脉端心包腔背侧壁脏壁中胚层,动脉心外膜来源的间充质细胞可以进入动脉中膜,参与动脉壁的发育,同时参与动脉瓣膜的发育。

小鼠胚胎后第二生心区与心房的发育

目的:探讨后第二生心区isl1阳性细胞的分布规律以及小鼠胚胎心房的发育.方法:对胚龄9～15 d小鼠胚胎心石蜡切片进行α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)、心肌肌球蛋白重链(MHC)、isl1和Nkx2.5免疫组织化学显色.结果:胚龄9～12d,isl1阳性细胞主要聚集于咽前间充质、心包腔背侧壁的脏壁中胚层、心背系膜以及窦房结、腔静脉瓣.此期心背侧间充质突(DMP)形成,并与房室管心内膜垫、原发隔融合.在胚龄13 d,isl1阳性细胞局限于心包腔的右腔静脉壁与窦房结.胚龄13～15d,DMP与心包内腔静脉、冠状窦壁进行心肌化.结论:后第二生心区isl1阳性细胞在胚胎不同发育时期分布模式不同,参与心房的发育.DMP来源于后第二生心区,参与原发孔的封闭.DMP的心肌化是由于原发隔的心肌细胞迁移而完成.

肌动蛋白细胞骨架在小鼠第二生心区祖细胞部署发育中的作用

脊椎动物心管起源于早期胚胎的生心中胚层细胞,随后从邻近的咽中胚层和内脏中胚层中逐渐添加第二生心区(second heart field, SHF)祖细胞而延长。SHF细胞向心管贡献受损,使心管不能最大限度地延长,导致一系列的心脏发育缺陷,包括最常见的右心室发育不良与流出道分隔旋转异常等先天性出生缺陷。SHF祖细胞构成非经典顶端-基底极性上皮,并具有顶部单纤毛、动态肌动蛋白(actin)富集基底端的丝状伪足等特点。本文总结了actin细胞骨架在小鼠SHF祖细胞部署发育过程中的研究进展,揭示actin细胞骨架在SHF祖细胞发育特别是SHF细胞向流出道部署过程中的重要性,以期为阐明和理解SHF祖细胞迁移、部署的细胞生物学特性提供一定的理论参考。

EDU脉冲追踪小鼠心脏第二心场细胞迁移方法的优化

流出道(Outflow tract,OFT)发育畸形约占出生时检测到的人类先天性心脏病的30%,OFT和右室是由第二心场(Second heart field,SHF)祖细胞发育形成。SHF祖细胞向心管部署、迁移使心管得以足够的伸展,是心脏形态发生所必需的。然而,迄今SHF发育及迁移部署过程仍不清楚。建立标记、追踪小鼠心脏第二心场细胞迁移的方法,对于阐明哺乳动物心脏SHF迁移、部署的细胞生物学过程具有重要意义。首先采用文献报道的EDU(5-乙炔基-2’脱氧尿嘧啶核苷)脉冲追踪方法及剂量(10mg/kg),发现大部分胚胎并不能被EDU标记。接下来,分别对EDU标记的剂量以及脉冲标记的时间进行优化,分析EDU在SHF细胞中的标记情况、EDU标记的SHF细胞向OFT的迁移情况。发现EDU剂量增加到40 mg/kg能对胚胎进行有效的标记(由6只孕鼠获得的31只胚胎均被有效的标记),且不会对孕鼠和胚胎造成毒性;EDU脉冲标记2 h和4 h,EDU在SHF细胞中的标记效率、EDU标记SHF细胞迁移进入远端OFT的距离均没有差异。研究表明使用40 mg/kg的EDU脉冲剂量和2 h的标记时间,可对胚胎的SHF细胞进行有效的标记,经过19 h的追踪,EDU标记的细胞能够迁移进入到远端OFT中。