心筋

心臓の大部分は心筋組織、すなわち心筋で構成されている。心臓壁は3層構造で、内側の心内膜と外側の心外膜（内臓心膜とも呼ばれる）の間に厚い心筋層が挟まれている。内側の心内膜は心腔を覆い、心臓弁を覆い、心臓につながる血管の内皮と結合している。心筋の外側には心外膜があり、心臓を包み込み、保護し、潤滑する心膜嚢の一部を形成している。 ^{[ 1 ]}

心筋内には、心筋細胞または心筋細胞のシートが複数存在します。心内膜に最も近い左心室を包む筋シートは、心外膜に最も近い筋シートに対して垂直に配向しています。これらのシートが協調して収縮すると、心室は縦方向（心尖部から心基部に向かって短くなる）、半径方向（左右に狭くなる）、およびねじれ運動（濡れた布を絞るような動き）で同時に収縮し、1回の心拍で心臓から可能な限り多くの血液を押し出します。^{[ 2 ]}

心筋の収縮には多くのエネルギーが消費されるため、酸素と栄養素を供給するために血液が絶えず流れる必要があります。 血液は冠動脈によって心筋に運ばれます。冠動脈は大動脈根から始まり、心臓の外側または心外膜面にあります。その後、血液は冠静脈によって右心房に排出されます。^{[ 1 ]}

心筋細胞（心筋細胞とも呼ばれる）は、心筋の収縮性筋細胞である。これらの細胞は、支持線維芽細胞によって産生される細胞外マトリックスに囲まれている。ペースメーカー細胞と呼ばれる特殊な修飾心筋細胞が、心臓の収縮のリズムを設定する。ペースメーカー細胞は、サルコメアがなく収縮力が弱く、ギャップ結合を介して隣接する収縮性細胞と接続されている。^{[ 3 ]}それらは、上大静脈の入口付近の右心房壁に位置する洞房結節（一次ペースメーカー）にある。^{[ 4 ]}他のペースメーカー細胞は、房室結節（二次ペースメーカー）にある。

ペースメーカー細胞は、心臓の拍動を担うインパルスを伝達します。ペースメーカー細胞は心臓全体に分布しており、いくつかの機能を担っています。まず、自発的に電気インパルスを生成して送信する能力が必要です。また、脳からの電気インパルスを受信して​​応答する能力も必要です。最後に、細胞間で電気インパルスを伝達する能力も必要です。^{[ 5 ]}洞房結節と房室結節のペースメーカー細胞は小さく、細胞間の伝導速度は比較的遅いです。ヒス束とプルキンエ線維の特殊な伝導細胞は直径が大きく、信号を高速で伝導します。^{[ 6 ]}

プルキンエ線維は電気信号を素早く伝導し、冠状動脈は筋肉細胞に栄養を運び、静脈と毛細血管網は老廃物を運び去ります。^{[ 7 ]}

心筋細胞は、心臓が血液を送り出すことを可能にする収縮細胞です。各心筋細胞は、隣接する細胞（機能的合胞体として知られる）と協調して収縮し、心臓から効率的に血液を送り出す必要があります。この協調が崩れると、個々の細胞が収縮していても、心室細動などの異常な心拍リズムの際に起こるように、心臓が全く血液を送り出せなくなる可能性があります。^{[ 8 ]}

顕微鏡で見ると、心筋細胞はほぼ長方形で、大きさは100～150μm×30～40μmです。^{[ 9 ]}個々の心筋細胞は、両端で介在板によって結合され、長い線維を形成します。各細胞には、アクチンとミオシンからなる特殊なタンパク質収縮線維である筋原線維が含まれており、これらは互いに滑り合います。これらは、筋細胞の基本的な収縮単位であるサルコメアに組織化されています。筋原線維がサルコメアに規則的に組織化されているため、心筋細胞は顕微鏡で見ると、骨格筋と同様に縞模様または横紋模様に見えます。これらの横紋は、主にアクチンからなる明るいI帯と、主にミオシンからなる暗いA帯によって引き起こされます。^{[ 7 ]}

心筋細胞には、細胞表面から細胞内部まで伸びる細胞膜の袋であるT細管が含まれており、収縮効率の向上に役立ちます。これらの細胞の大部分は核を1つしか持っていません（中央に2つの核を持つものもあります）。これは、多数の核を持つ骨格筋細胞とは異なります。心筋細胞には、細胞に必要なエネルギーをアデノシン三リン酸（ATP）の形で供給するミトコンドリアが多数含まれており、疲労に対する抵抗力が非常に高くなっています。^{[ 9 ] [ 7 ]}

介在円板

心筋シンシチウムは、介在円板によって連結された心筋細胞のネットワークであり、ネットワークを通して電気インパルスを迅速に伝達し、シンシチウムが心筋の協調的な収縮に作用することを可能にする。心房シンシチウムと心室シンシチウムがあり、これらは心臓連結線維によって連結されている。^{[ 14 ]}介在円板を通る電気抵抗は非常に低いため、イオンの自由な拡散が可能となる。心筋線維軸に沿ったイオンの移動が容易であるため、活動電位はわずかな抵抗しか受けずに、ある心筋細胞から次の心筋細胞へと伝わることができる。各シンシチウムは全か無かの法則に従う。^{[ 15 ]}

介在円板は、単一の心筋細胞を電気化学的合胞体に接続する複雑な接着構造です（胚発生中に多細胞合胞体となる骨格筋とは対照的です）。円板は主に筋収縮時の力伝達を担っています。介在円板は、アクチンフィラメントを固定する接着結合、中間径フィラメントを固定するデスモソーム、およびギャップ結合の 3 種類の細胞間結合から構成されています。^{[ 16 ]}これらは、細胞間でイオンの通過を可能にすることで心筋細胞間に活動電位が伝播し、心筋の脱分極を引き起こします。3 種類の結合は、単一の領域複合体として機能します。^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

光学顕微鏡下では、介在円板は隣接する心筋細胞を隔てる、細く、通常は濃く染色される線として見える。介在円板は筋線維の方向に対して垂直に走っている。電子顕微鏡下では、介在円板の経路はより複雑に見える。低倍率では、これは不明瞭なZ線の位置の上に重なる、複雑な電子密度構造として見えることがある。高倍率では、介在円板の経路はさらに複雑に見え、縦断面では縦方向と横方向の両方の領域が現れる。^{[ 20 ]}

心周期とは、人間の心臓が1回の心拍から次の心拍まで行う一連の動作のことです。心周期は2つの期間から構成されます。1つは心筋が弛緩して血液が再び満たされる拡張期、もう1つは力強く収縮して血液を送り出す収縮期です。血液が排出された後、心臓はすぐに弛緩して拡張し、肺や体内の他の器官から戻ってきた血液を受け入れ、再び収縮して​​肺やそれらの器官に血液を送り出します。正常に機能する心臓は、効率的に血液を送り出すためには、完全に拡張している必要があります。

静止期は分極していると考えられています。この拍動期の静止電位は、ナトリウム、カリウム、カルシウムなどのイオンを分離します。心筋細胞は自動性または自発的脱分極の特性を持っています。これは、ナトリウムイオンが脱分極の閾値に達するまでゆっくりと細胞内に入ることを可能にする膜の直接の結果です。カルシウムイオンがそれに続き、脱分極をさらに延長します。カルシウムが内側への移動を止めると、カリウムイオンがゆっくりと外側に移動して再分極を引き起こします。CMC膜の非常に遅い再分極が長い不応期の原因です。^{[ 28 ] [ 29 ]}

しかし、細胞質内のカルシウム濃度が上昇するメカニズムは、骨格筋と心筋で異なります。心筋では、活動電位はナトリウムイオンとカルシウムイオンの両方の流入から構成されます。ナトリウムイオンの流入は速いものの非常に短時間で終わりますが、カルシウムイオンの流入は持続し、心筋活動電位に特徴的なプラトー期を生み出します。L型カルシウムチャネルを介した比較的少量のカルシウム流入は、カルシウム誘発性カルシウム放出と呼ばれる現象で、筋小胞体からの大量のカルシウム放出を引き起こします 。一方、骨格筋では、活動電位中に細胞内へ流入するカルシウムはごくわずかであり、代わりにこれらの細胞の筋小胞体は表面膜に直接結合しています。この違いは、心筋線維は収縮するために細胞周囲の溶液中にカルシウムが存在する必要があるのに対し、骨格筋線維は細胞外カルシウムがなくても収縮するという観察によって説明できます。

心筋細胞の収縮時には、細胞の長さに沿って並んだ長いタンパク質である筋フィラメントが互いに滑り合います。これは滑りフィラメント説として知られています。筋フィラメントには2種類あり、ミオシンというタンパク質からなる太いフィラメントと、アクチン、トロポニン、トロポミオシンというタンパク質からなる細いフィラメントがあります。太いフィラメントと細いフィラメントが互いに滑り合うことで、細胞は短く太くなります。クロスブリッジサイクリングと呼ばれるメカニズムでは、カルシウムイオンがトロポニンというタンパク質に結合し、トロポニンとトロポミオシンがアクチン上の重要な結合部位を露出させます。太いフィラメント内のミオシンはアクチンに結合し、太いフィラメントを細いフィラメントに沿って引っ張ります。細胞内のカルシウム濃度が低下すると、トロポニンとトロポミオシンが再びアクチン上の結合部位を覆い、細胞は弛緩します。

心筋細胞は再生できないと一般的に信じられていたが、2009年に発表された報告書によってこの考えは否定された。^{[ 30 ]}ストックホルムのカロリンスカ研究所のオラフ・ベルクマンとその同僚は、1955年以前に生まれ、心臓の周りの心筋が非常に少ない人々の心筋サンプルを検査した。この異常により障害を抱えている人が多かった。研究者らは、多数の心臓のDNAサンプルを使用して、4歳児は1年に約20%の心筋細胞を再生し、50歳児の心筋細胞の約69%は出生後に生成されたと推定した。^{[ 30 ]}

心筋細胞の再生が起こる方法の一つは、正常な老化過程における既存の心筋細胞の分裂によるものである。^{[ 31 ]}

2000年代には、成人の内因性心臓幹細胞の発見が報告され、骨髄幹細胞を含むさまざまな幹細胞系統が心筋細胞に分化することができ、心不全の治療に使用できると主張する研究が発表された。^{[ 32 ] [ 33 ]} しかし、他のチームはこれらの発見を再現できず、元の研究の多くは後に科学的不正行為として撤回された。^{[ 34 ] [ 35 ]}

心筋は心臓の心房と心室の両方を形成します。この筋肉組織は心臓の腔間で非常に似ていますが、いくつかの違いがあります。心室の心筋は強力な収縮を可能にするために厚くなっていますが、心房の心筋ははるかに薄くなっています。心筋を構成する個々の心筋細胞も心臓の腔間で異なります。心室心筋細胞はより長く幅広く、T細管ネットワークがより密です。カルシウム処理の基本的なメカニズムは心室心筋細胞と心房心筋細胞で似ていますが、心房心筋細胞ではカルシウム過渡現象が小さく、減衰がより速く、それに伴いカルシウム緩衝能力が増加します。^{[ 36 ]}イオンチャネルの構成は腔間で異なり、心室では活動電位の持続時間と有効不応期が長くなります。I _K(UR)などの特定のイオン電流は心房心筋細胞に非常に特異的であるため、心房細動の治療の潜在的な標的となる。^{[ 37 ]}