Cardiac neural crest

La inducción neural es la diferenciación de las células progenitoras en su designación o tipo final. Las células progenitoras que se convertirán en CNCC se encuentran en el epiblasto alrededor del nódulo de Henson . ^{[ 7 ] [ 8 ]} Las células progenitoras son transportadas a los pliegues neurales . Moléculas como Wnt , el factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) y la proteína morfogenética ósea (BMP) proporcionan señales que inducen a las células progenitoras a convertirse en CNCC. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Se sabe poco sobre la cascada de señalización que promueve la inducción de la cresta neural. Sin embargo, se sabe que se requiere un nivel intermedio de BMP: si el nivel de BMP es demasiado alto o demasiado bajo, las células no migran. ^{[ 8 ]}

After induction, CNCCs lose their cell to cell contacts. This allows them to move through the extracellular matrix and interact with its components. The CNCCs, with the assistance of their filopodia and lamellipodia (actin containing extensions of cytoplasm that allow a cell to probe its path of migration), leave the neural tube and migrate along a dorsolateral pathway to the circumpharyngeal ridge.^[5][6][7] Along this pathway, CNCCs link together to form a stream of migrating cells. Cells at the front of the migration stream have a special polygonal shape and proliferate at a faster rate than trailing cells.^[8]

Prior to migration, during a process known as epithelial-mesenchymal transition (EMT), there is a loss of cell contact, remodelling of the cytoskeleton and increased motility and interaction with extracellular components in the matrix.^[12] An important step in this process is the suppression of adhesion protein E-cadherin present on epithelial cells to initiate the migration process. This suppression mechanism occurs via the growth factor BMP signalling to turn on a transcriptional repressor Smad-interacting protein 1 (Sip1) and marks the beginning of the epithelial-mesenchymal transition.^[13]

Durante la migración, las células de la cresta destinadas a los arcos faríngeos mantienen contacto entre sí mediante lamelipodios y filopodios . El contacto local de corto alcance se mantiene con lamelipodios, mientras que el contacto no local de largo alcance se mantiene con filopodios. ^{[ 14 ]} Durante este proceso, la conexina 43 (Cx43) regula la interacción celular regulando la formación de canales conocidos como uniones comunicantes . ^{[ 1 ]} La función alterada de Cx43 en ratones transgénicos conduce a patrones alterados de las arterias coronarias y tractos de salida anormales. ^{[ 15 ]} La señalización adicional de las uniones comunicantes depende de una adhesión celular mediada por cadherina que se forma durante la comunicación cruzada con la señalización de la catenina p120. ^{[ 16 ]}

La formación adecuada del tracto de salida depende de un gradiente de concentración de morfógeno establecido por las células secretoras del factor de crecimiento de fibroblastos (FGF). Las células de la cresta cardíaca más alejadas de las células secretoras de FGF recibirán concentraciones más bajas de señalización de FGF8 que las células más cercanas a estas. Esto permite la formación adecuada del tracto de salida. ^{[ 17 ]} Las células ubicadas en los rombómeros 3 y 5 experimentan muerte celular programada bajo señales de señalización de las semaforinas . La ausencia de células en esta región resulta en la formación de zonas libres de cresta. ^{[ 18 ]}

El proceso de migración requiere una matriz extracelular permisiva. ^{[ 2 ]} La enzima arginiltransferasa crea este entorno añadiendo un grupo arginilo a las proteínas recién sintetizadas durante la modificación postraduccional . ^{[ 19 ]} Este proceso facilita la motilidad celular y asegura que las proteínas contenidas en el citoesqueleto de actina estén preparadas para la migración. ^{[ 2 ]}

La migración celular hacia la cresta circumfaríngea se ve obligada a detenerse para permitir la formación de los arcos faríngeos caudales. ^{[ 2 ]} Se sabe poco sobre este mecanismo de detención, pero estudios realizados en pollos han revelado el papel de los factores expresados ​​en el mesodermo , Efrina B3 y Efrina B4, en la formación de uniones de fibronectina. ^{[ 20 ]}

Los arcos faríngeos son tejidos compuestos por células derivadas del mesodermo, rodeadas por un ectodermo externo y un endodermo interno . ^{[ 2 ]} Una vez formados los arcos faríngeos caudales, los complejos de la cresta neural cardíaca migran hacia ellos y colonizan los arcos 3, 4 y 6. Las células que lideran esta migración mantienen contacto con la matriz extracelular y contienen filopodios que actúan como extensiones hacia los arcos faríngeos ectodérmicos. ^{[ 2 ] [ 14 ]} Diversos factores secretados aseguran la direccionalidad adecuada de las células. El FGF8 actúa como un agente quimiotáctico que dirige el movimiento celular hacia el arco faríngeo 4. ^{[ 1 ] [ 14 ]}

Una segunda vía de señalización que dirige el movimiento de las células de la cresta neural es la familia de ligandos de endotelina. Las células de la cresta neural cardíaca migratorias se asientan en los arcos faríngeos correctos bajo la guía de señalización de las variantes de Efrina A y Efrina B. Esto se corresponde con la expresión de receptores en los arcos faríngeos. El arco faríngeo 3 expresa los receptores de Efrina A y Efrina B1, y el arco faríngeo 2 expresa Efrina B2, lo que permite la unión de las variantes de Efrina A y Efrina B para guiar la migración de las células de la cresta neural cardíaca. ^{[ 2 ]}

Las arterias del arco aórtico transportan sangre desde la aorta a la cabeza y el tronco del embrión . ^{[ 21 ]} Normalmente, el desarrollo temprano del tracto de salida comienza con un solo vaso que forma ramas bilaterales simétricas en el saco aórtico dentro de los arcos faríngeos. Este proceso requiere el alargamiento del tracto de salida como requisito previo para asegurar la serie correcta de bucles y alineación cardíaca. ^{[ 1 ]} El complejo de la cresta neural cardíaca luego coloniza en el cojín troncal y se localiza en la capa subendotelial antes de la espiralización del cojín endocárdico para formar las crestas conotruncales. Esto luego sufre remodelación para formar el patrón aórtico del lado izquierdo presente en los corazones adultos. ^{[ 1 ]} El grupo de células que se encuentra en el tercer arco aórtico da origen a las arterias carótidas comunes . Las células que se encuentran en el cuarto arco aórtico se diferencian para formar el arco aórtico distal y la arteria subclavia derecha , mientras que las células del sexto arco aórtico se desarrollan en las arterias pulmonares . Las células de la cresta neural cardíaca expresan genes Hox que apoyan el desarrollo de las arterias 3, 4 y 6 y la regresión simultánea de las arterias 1 y 2. La ablación de los genes Hox en las células de la cresta neural cardíaca causa una septación de salida defectuosa. ^{[ 21 ]}

Una de las principales anomalías del flujo de salida cardíaco presentes durante la ablación del complejo de la cresta neural cardíaca es el tronco arterioso persistente . ^{[ 9 ]} Esto surge cuando el tronco arterial no se divide y causa la separación de la arteria pulmonar y la aorta. ^{[ 1 ]} Esto resulta en una falta de tabique aortopulmonar ya que los vasos que normalmente desaparecerían durante el desarrollo normal permanecen e interrumpen los vasos carotídeos. ^{[ 9 ]} La malformación del corazón y sus grandes vasos asociados depende de la extensión y ubicación de la ablación del complejo de la cresta neural cardíaca. ^{[ 9 ]} La eliminación completa de las crestas neurales cardíacas resulta en un tronco arterioso persistente caracterizado en la mayoría de los casos por la presencia de una sola válvula de salida y un defecto del tabique ventricular. ^{[ 22 ]} Las células de la cresta neural mesencefálica interfieren con el desarrollo normal de la septación del flujo de salida cardíaco ya que su presencia conduce a un tronco arterioso persistente. ^{[ 23 ]} Sin embargo, la adición de células de la cresta neural del tronco resulta en un desarrollo cardíaco normal. ^{[ 9 ]}

Otras consecuencias de las anomalías del tracto de salida cardíaco incluyen la tetralogía de Fallot , el complejo de Eisenmenger, la transposición de los grandes vasos y el ventrículo derecho de doble salida. ^{[ 9 ]}

La aorta cabalgante se produce por el plegamiento anómalo durante el desarrollo temprano del corazón y se acompaña de defectos del tabique ventricular. ^{[ 3 ]} En lugar de la formación anómala del tabique aortopulmonar, la eliminación parcial de la cresta neural cardíaca da lugar a una aorta cabalgante, en la que la aorta se sitúa sobre el tabique ventricular en lugar de sobre el ventrículo izquierdo. ^{[ 22 ]} Esto produce una reducción de la sangre oxigenada, ya que la aorta recibe parte de la sangre desoxigenada del flujo del ventrículo derecho . Hay una reducción en la cantidad de tubos endoteliales de ectomesénquima en los arcos faríngeos que rodean las arterias del arco aórtico. ^{[ 9 ]}

Otras consecuencias de las anomalías de la arteria del arco aórtico incluyen un arco aórtico doble, ausencia variable de las arterias carótidas y arco aórtico izquierdo. ^{[ 9 ]}

Los cambios funcionales en el corazón se hacen evidentes mucho antes de que se observen cambios estructurales en el fenotipo de los pollos ablacionados. Esto se debe a que el embrión compromete los cambios morfológicos del corazón para mantener la función cardíaca mediante la vasodilatación . A pesar de un aumento en el volumen sistólico y el gasto cardíaco embrionarios , esta compensación de la disminución de la contracción resulta en una desalineación de los vasos en desarrollo debido al plegamiento incompleto del tubo cardíaco. ^{[ 9 ]}

En un corazón adulto, la contracción del miocardio se produce mediante el acoplamiento excitación-contracción, en el que se produce la despolarización celular y se permite la entrada de calcio a través de los canales de calcio dependientes de voltaje . La posterior recaptación de calcio en el retículo sarcoplásmico provoca una disminución del calcio intracelular, lo que causa la relajación del miocardio. ^{[ 21 ]} La eliminación del complejo de la cresta neural cardíaca provoca una reducción de la contractilidad del miocardio. En embriones que contienen tronco arterioso persistente, se observa una reducción significativa de dos veces en las corrientes de calcio, lo que interrumpe el proceso de acoplamiento excitación-contracción cardíaca y provoca una reducción de la contractilidad. ^{[ 9 ] [ 21 ]}

Durante la cardiogénesis , la migración del complejo de la cresta neural cardíaca ocurre antes del desarrollo del sistema pulmonar. No se observa ninguna diferencia visible en las venas pulmonares de embriones de pollo que desarrollaron tronco arterioso persistente y embriones con un complejo de la cresta neural cardíaca intacto. La ablación del complejo de la cresta neural cardíaca no influye en el sistema venoso sistémico ni pulmonar, ya que no se observan defectos venosos visibles. ^{[ 24 ]}

Debido a su ubicación en los arcos faríngeos, la extirpación del complejo de la cresta neural cardíaca tiene efectos en cascada sobre el timo, la paratiroides y la glándula tiroides. ^{[ 11 ]}

At the circumpharyngeal arch the CNCCs must pause in their migration while the pharyngeal arches form.^[5][6][7][8]

The CNCCs continue their migration into the newly formed pharyngeal arches, particularly the third, fourth and sixth arches. In the pharyngeal arches the CNCCs assist in the formation of the thyroid and parathyroid glands.^[5][6][7]

The leading cells have long filopodia that assist migration while cells in the middle of the migration have protrusions at their front and back allowing them to interact and communicate with leading cells, trailing cells and receive signals from the extracellular matrix.^[8]

A variety of growth factors and transcription factors in the extracellular matrix signal cells and direct them toward a specific arch.^[8] For example, signalling by FGF8 directs CNCCS to the fourth arch and keeps the cells viable.^[8]

The cardiac outflow tract is a temporary structure in the developing embryo that connects the ventricles with the aortic sac. Some CNCCs migrate beyond the pharyngeal arches to the cardiac outflow tract.^[5][7][8] CNCCS in the cardiac outflow tract contribute to the formation of the cardiac ganglia and mesenchyme at the junction of the subaortic and sub pulmonary myocardium (muscular heart tissue) of the outflow tract.^[8] A smaller portion of the CNCCs migrate to the proximal outflow tract where they help to close the ventricular outflow septum.^[5][7]

Las proteínas Wnt son factores de crecimiento extracelulares que activan vías de señalización intracelular. Existen dos tipos de vías: canónicas y no canónicas. La vía canónica clásica de Wnt involucra a la proteína β-catenina como mediador de señalización. Wnt mantiene la β-catenina al prevenir su degradación por el proteasoma . De esta manera, la β-catenina se estabiliza en presencia de Wnt y regula la transcripción génica mediante la interacción con los factores de transcripción TCF/LEF. ^{[ 29 ]} La vía canónica Wnt/β-catenina es importante para el control de la proliferación celular. ^{[ 30 ]} La vía no canónica de Wnt es independiente de la β-catenina y tiene un efecto inhibitorio sobre la señalización canónica de Wnt. ^{[ 29 ]}

Las vías de señalización Wnt desempeñan un papel en el desarrollo de las CNCC, así como en el desarrollo del OFT. ^{[ 29 ]} En ratones, la disminución de β-catenina produce una disminución en la proliferación de las CNCC. ^{[ 29 ]} La regulación negativa del correceptor Wnt Lrp6 conduce a una reducción de las CNCC en el tubo neural dorsal y en los arcos faríngeos, y produce defectos ventriculares, septales y del OFT. ^{[ 29 ]} La señalización Wnt canónica es especialmente importante para la regulación del ciclo celular del desarrollo de las CNCC y el inicio de la migración de las CNCC. ^{[ 29 ]} La señalización Wnt no canónica desempeña un papel más importante en la promoción de la diferenciación cardíaca y el desarrollo del OFT. ^{[ 29 ]}

Notch is a transmembrane protein whose signaling is required for differentiation of CNCCs to vascular smooth muscle cells and for proliferation of cardiac myocytes (muscle cells of the heart). In mice, disruption of Notch signaling results in aortic arch branching defects and pulmonary stenosis, as well as a defect in the development of the smooth muscle cells of the sixth aortic arch artery, which is the precursor to the pulmonary artery.^[26] In humans, mutations in Notch most often result in bicuspid aortic valve disease and calcification of the aortic valve.^[31]

Bone morphogenetic proteins (BMPs) are required for neural crest cell migration into the cardiac cushions (precursors to heart valves and septa) and for differentiation of neural crest cells to smooth muscle cells of the aortic arch arteries. In neural crest–specific Alk2-deficient embryos, the cardiac cushions of the outflow tract are deficient in cells because of defects in neural crest cell migration.^[32]

Fibroblast growth factor 8 (FGF8) transcription factors are essential for regulating the addition of secondary heart field cells into the cardiac outflow tract. FGF8 mouse mutants have a range of cardiac defects including underdeveloped arch arteries and transposition of the great arteries.^[33][34]

GATA transcription factors, which are complex molecules that bind to the DNA sequence GATA, play a critical role in cell lineage differentiation restriction during cardiac development. The primary function of GATA6 in cardiovascular development is to regulate the morphogenetic patterning of the outflow tract and aortic arch. When GATA6 is inactivated in CNCCs, various cardiovascular defects such as persistent truncus arteriosus and interrupted aortic arch may occur. This phenotype (anomaly) was also observed when GATA6 was inactivated within vascular smooth muscle cells.^[35] GATA6 in combination with Wnt (Wnt2-GATA6) plays a role in the development of the posterior pole of the heart (the inflow tract).^[36]