第 5 章：心肌细胞超微结构（Cardiomyocyte Ultrastructure）
引言（INTRODUCTION）
Gerdes 在引言中首先说明，本章展示的电镜照片（图 5.1–5.5）是他从成年大鼠、犬和人心脏中收集的，所有组织都通过血管灌注戊二醛（glutaraldehyde）快速固定，以保证结构最佳保存。心脏由心肌细胞（cardiac myocytes）构成，约占心脏总体积的 75%，但非心肌细胞却占心脏总细胞数的 75% 以上；非心肌细胞类型包括成纤维细胞、内皮细胞、周细胞（pericytes）、神经细胞突起、施旺细胞、血管平滑肌细胞以及位于外层的脂肪细胞。心脏传导系统的细胞是被修饰过的心肌细胞，而不是神经元，但自主神经元的突起广泛分布于心肌组织中。心肌中的胶原可根据分布归类为肌内膜（endomysial，包绕单个心肌细胞）、肌束膜（perimysial，包绕细胞束）和肌外膜（epimysial，覆盖心外膜表面）三类，但不像骨骼肌中那样明显。
在细胞结构上，心肌细胞通过称为闰盘（intercalated discs）的连接接合在其两端彼此相连，而骨骼肌细胞可有数千个细胞核并贯穿肌肉全长。在成年哺乳动物心脏中，大多数心室肌细胞有 1–2 个细胞核；但核化模式因物种而异，human 约 50% 为双核，啮齿类约 90% 为双核，其余多为单核。Gerdes 引用他之前的工作指出，离体心肌细胞测得的左心室（LV）心肌细胞平均长度约 120–150 μm，但多数组织学教科书基于全组织切片（其中最大细胞长度因闰盘"阶梯"特征而可能落在切面外）所报告的长度更短。LV 心肌细胞的平均体积范围约为 25,000–45,000 μm³，但同一正常心脏内 LV 心肌细胞大小可从约 5,000 μm³ 到约 80,000 μm³ 不等。LV 心肌细胞的平均横截面积范围约为 180–280 μm²，雌性偏小、雄性偏大；大鼠数据表明两性每个心脏的心肌细胞总数相近，但雄性因体重较大故细胞显著更大。物种之间心脏质量的差异主要由心肌细胞数量差异驱动，细胞体积差异较小。哺乳动物每克 LV 组织约含 2,500 万个心肌细胞。
Gerdes 接着指出，将心脏煮沸分解结缔组织后可以将其展开成一条沿心室腔复杂缠绕的长肌纤维，心肌纤维方向横穿心室壁的变化类似日本扇面；因此 LV 壁横切面在内、外层（endo-和 epimyocardium）通常显示横切的心肌细胞，在中层（mid myocardium）显示纵切的心肌细胞。Gerdes 强调透射电镜（TEM）需要正确的固定方法——戊二醛是首选固定剂，因为它能交联蛋白质并比其他固定剂提供更高分辨率的结构保存，但戊二醛渗透慢且固定后组织不能用于免疫标记；获得最佳固定具有挑战性，因为心脏超微结构会迅速降解，理想情况是先用 KCl 等方法使心脏停跳于舒张期，冲洗掉血液（血液暴露于固定剂会凝固），再用冷戊二醛快速灌注冠状血管。小组织块的浸入固定常导致结果不一致，尤其在病变心脏中伪影发展更快。Gerdes 提示：文献中许多"病理改变"可能是固定伪影。为减少伪影风险，应只在最佳固定、灌注良好的血管周围心肌区采样。由于戊二醛灌注固定会过度交联蛋白质，所以实验上一般仍优选新鲜组织用于 Western blot 或免疫荧光；用浸入法固定的新鲜组织应在心脏取出后立即置于冰上、切成薄片、并尽快放入冰冷固定剂中以减缓代谢过程。
关于本章所用图像，Gerdes 指出部分电镜图像来自一例 21 岁男性（因头部创伤死亡、可卡因中毒致严重心律失常而未用于心脏移植）经戊二醛灌注固定的心脏；其余来自大鼠和犬。该例人心脏的图像可能是目前保存最好的人类心脏超微结构样本，是 Gerdes 在 1990 年代初于南佛罗里达大学心脏移植项目工作时收集的。最后，Gerdes 指出虽然 TEM 对光镜不可见的小结构具有最佳可视化效果，但近年来大部分 TEM 工作已被共聚焦显微镜取代——共聚焦显微镜虽为光镜技术，但通过荧光团标记可使检测结构突破传统光镜的分辨极限，从而在光镜与电镜之间架起桥梁并减少了对 TEM 的需求。然而精细细胞结构的可视化仍需要 TEM。
心肌细胞构筑（MYOCYTE ARCHITECTURE）
Gerdes 指出，具有收缩功能的心肌细胞常被称为肌纤维、心肌细胞（cardiac myocytes）或 cardiocytes。与同样呈条纹状外观的骨骼肌细胞不同，心肌细胞之间存在广泛的、分支状的相互连接；单个心肌细胞内部的实际分支少见，大多数分支发生在心肌细胞两端的特化细胞间连接处，即闰盘（图 5.1、5.2、5.3、5.5a）。这种分支形态也在心肌细胞内部的肌原纤维水平得到反映。骨骼肌细胞横切时大小较一致且呈圆形，细胞核扁平且位于外周；而心肌细胞横切时形状不规则，大小变化较大，细胞核大、呈长椭圆形、位于中央。光镜下可见由粗、细两种肌丝（myofilaments）构成的条纹状肌原纤维（myofibrils），肌丝在 TEM 下可见，并组织成肌节（sarcomere）—— 横纹肌细胞的基本收缩单位。收缩时粗、细肌丝彼此滑动，肌节长度缩短，从而驱动心脏泵血。
肌原纤维与肌节结构（MYOFIBRILLAR AND SARCOMERIC STRUCTURE）
心肌细胞中肌原纤维是最丰富的细胞器，约占细胞质 50–60%。肌原纤维由重叠的粗、细两种肌丝构成，组织成称为肌节的重复单元。Z 盘（Z-disc，又称 Z-line；图 5.1、5.2 中 Z）主要由 α-actinin 构成，形成肌节的边界并为细肌丝提供附着位点。Z 盘横切的高倍电镜图像显示小方形和"篮编"（basketweave）的晶格样图案；虽然在二维电镜图像中呈线状，但"盘"（disc）一词更好地描述了其三维结构。在心动周期中，肌节长度从舒张末期的约 2.2 μm 变化到收缩末期的约 1.5 μm，这是粗、细肌丝彼此滑动的结果；心肌细胞收缩过程中条纹模式的变化反映了粗、细肌丝之间重叠量的变化。
细肌丝（TEM 可见，图 5.4c 中 *）约长 1 μm、宽 8 nm，插入肌节两端的 Z 盘内，且在 Z 盘两侧极性相反，主要含肌动蛋白（actin），收缩时与粗肌丝中的肌球蛋白相互作用；细肌丝还含有调节蛋白肌钙蛋白（troponin）和原肌球蛋白（tropomyosin）。粗肌丝位于肌节中央，长约 1.5 μm、宽 15 nm，通过肌联蛋白（titin）丝锚定于 Z 盘。M 线（图 5.2 中单箭头；图 5.4c 中 M）位于粗肌丝中央（也是肌节中央），含肌酸激酶（creatine kinase）、肌联蛋白（myomesin）和 M 蛋白；M 线区的横桥连接相邻的粗肌丝。肌联蛋白是已知最大的蛋白质，从 M 线出发沿粗肌丝延伸到 Z 盘，但在电镜下不易直接观察；它含有一段具有双向弹簧样作用的区域，负责在肌节超过无负载长度（如大多数哺乳动物静息无负载肌节长度约 1.90 μm）时产生被动张力，并在低于无负载长度时恢复长度。Gerdes 提到，他们一致观察到离体人心肌细胞中的静息无负载肌节长度约 2.0 μm。
肌节被分为 A 带（图 5.1 中长条）、I 带（图 5.1 中短条）、H 区和 Z 盘（图 5.1、5.2 中 Z）。颜色较深的 A 带在收缩过程中保持恒定长度，主要因为粗肌丝的侧向排列（lateral registration）。I 带颜色较浅，仅含细肌丝，收缩时变窄。H 区位于 A 带中央部分，仅含粗肌丝而无重叠的细肌丝。在骨骼肌中，H 带宽度在不同收缩阶段时变化明显：舒张时细肌丝从肌节中央滑出，H 带变宽；但心肌的电镜图像中 H 带宽度变化不明显，原因不明但推测与心肌的特征有关。H 区内位于 M 线两侧的浅色线在心肌中称为"假 H 带"（pseudo-H-band；图 5.2 中双箭头），松弛时宽度不变。假 H 带代表粗肌丝中仅含肌球蛋白尾部、不含与细肌丝相互作用的头部的区域。在横切面 TEM（图 5.4a）中，可在不同肌节区观察到粗肌丝和/或细肌丝。M 线横桥连接肌节中央的粗肌丝（图中未显示），是纵向取向的结蛋白（desmin）丝的插入位点。
细胞骨架（CYTOSKELETON）
Gerdes 指出，电镜下可观察到两类主要的细胞骨架组分：中间丝和微管。中间丝由结蛋白（desmin）构成，呈横向和纵向两种分布。横向取向的结蛋白丝在 Z 线水平包绕并系栓（tether）肌原纤维，可在肌原纤维间隙观察到（图 5.4b），是细胞与核膜之间机械感觉联系（mechanosensory link）的重要组成部分；这种横向细胞骨架系栓还有助于维持肌节排列和肌原纤维间线粒体的分布。中间丝也可见平行地走行于肌原纤维之间，插入闰盘中的桥粒（desmosomes）。
微管为中空圆筒，外径约 24 nm，在细胞核周围和肌原纤维之间形成网络（参考文献 9）。实验证据表明，压力超负荷和心力衰竭相关的微管密度增加会对肌原纤维施加粘性负荷（viscous load），从而促成收缩功能障碍（参考文献 10）。
膜系统（MEMBRANE SYSTEMS）
Gerdes 描述，心肌细胞膜（sarcolemma；图 5.1 中箭头）之外是细胞外层（external lamina）或糖萼（glycocalyx；图 5.2 中箭头），后者结合阳离子（主要是 Ca²⁺）。心肌细胞膜与 T 小管（T-tubules；图 5.1 中 t、图 5.2 中 ）连续，后者向细胞内凹陷形成广泛的膜网络，直径约 0.2 μm；T 小管在心肌细胞中开口于 Z 盘水平，而在骨骼肌细胞中开口于 A-I 连接处。心肌细胞中的 T 小管系统有时被称为"横向-轴向管状系统"（Transverse-Axial Tubular System, TATS），因为也观察到了纵向取向的 T 小管（参考文献 11）。表面糖萼延伸进 T 小管内衬其内表面，使 T 小管与肌浆网（SR）区分（图 5.2 中 、图 5.4c 和 d 中 T）。表面糖萼不延伸进闰盘（IDs）的细胞间连接。
闰盘是位于心肌细胞两端的特化细胞间连接，在传递机械力和传导电冲动中起重要作用。筋膜粘连连接（fascia adherens junctions）构成闰盘的大部分区域，是肌动蛋白丝的内部插入位点。桥粒（图 5.5a 中双箭头）染色密度高得多，是纵向取向的结蛋白丝的插入位点。桥粒与筋膜粘连（图 5.5a 中双箭头之间的密度较低的膜特化区）在细胞粘附中起重要作用；根据染色强度，两者有时难以区分。间隙连接（gap junctions；图 5.5a 中箭头）由连接子（connexons）构成，在电镜下呈紧密相邻的质膜区，对电传导很重要。
另一个管状系统是肌浆网（SR），包绕肌原纤维并与 T 小管和表面心肌细胞膜形成连接。SR 通常分为三部分：网络 SR（network SR，围绕肌原纤维；图 5.4c 中 S）、连接 SR（junctional SR，与 T 小管耦合：图 5.4d 中箭头；与心肌细胞膜耦合：图 5.4d 中箭头）和球状 SR（corbular SR，附着于网络 SR 的卵圆形小体；参考文献 12）。心肌中 T 小管与 SR 的比值高于骨骼肌（骨骼肌中 SR 相对更丰富）；心肌中常见二联体（diads，一个 SR 轮廓与一个 T 小管相接），而骨骼肌中常见三联体（triads，两个 SR 轮廓夹一个 T 小管）。T 小管占心肌细胞质约 1%，SR 约 2%（参考文献 13）。Page 和 McAllister 报告，心肌肥大时通过 T 小管的过度增殖来维持心肌细胞的总表面积-体积比（参考文献 14）；他们还报告 SR 与肌原纤维的比值在心肌肥大过程中得以维持。最近一项研究将这一膜系统的不良重塑与从肥大向心力衰竭的进展联系起来（参考文献 15）。SR 与肌原纤维之间的紧密关系（涉及 Ca²⁺ 处理与收缩）已久为人知，但 SR 与线粒体之间的紧密邻近与相互作用也很重要，因为线粒体产生 SR 功能所需的 ATP。
细胞核与非纤维性细胞质（NUCLEUS AND NON-FIBRILLAR CYTOPLASM）
Gerdes 指出，在成年哺乳动物中心肌细胞典型地含 1–2 个位于中央的细长核，形态顺从于肌原纤维和线粒体的纵向排列（图 5.1）。双核细胞在多数物种中占主导；但也常见多于两个核的细胞，猪中曾报告多达 16 个核/细胞（参考文献 16）。多数细胞核为二倍体，但已有报告显示其倍性水平差异很大。细胞核占心肌细胞质约 1.5%，成年大鼠心肌细胞核约长 17 μm、宽 5 μm（参考文献 13, 17）。Gerdes 实验室用离体心肌细胞研究发现，无论大鼠心脏肥大模型中超负荷的持续时间、严重程度或类型如何，细胞核数量或倍性水平均无任何可检测的变化（参考文献 18）；在过去 30 余年对多种病理模型的整组织和离体心肌细胞广泛筛选中，他们也从未观察到一例成年心脏中的心肌细胞核分裂现象。
除了位置之外，心肌细胞的核由于较大且染色强度较低（因常染色质占主导），可与心肌中其他核明显区分。在细胞核膜的正面切片中可观察到均匀间隔的核孔（图 5.4f 中箭头）。心肌细胞核孔复合体已被 Goldstein 详细描述（参考文献 19）。核孔位于染色质稀少的膜区，直径约 500 Å，可有中央颗粒。典型可见 1–2 个大而致密的核仁（图 5.1 中 n、图 5.4f 中 N）。
线粒体（图 5.1 中 m）占心肌细胞细胞质约 22–35%。线粒体的相对含量与动物大小成反比，人类心肌细胞质中线粒体占比低于小鼠等小物种（参考文献 20）。物种间线粒体含量的差异可能与肌球蛋白重链同种型的 ATP 能量需求有关——β-肌球蛋白耗能较少并在较大的哺乳动物中占主导，α-肌球蛋白在小哺乳动物中占主导并需要更多 ATP。甲状腺激素处理后线粒体含量与 α-肌球蛋白表达平行升高，病理性肥大中 β-肌球蛋白表达增加后线粒体含量降低，进一步支持这一解释（参考文献 14）。在心肌细胞中，线粒体排列于肌原纤维之间的行列中，并在核极处形成大的、锥形聚集（图 5.1 插图中 m）。与其他细胞类型相比，心肌细胞的线粒体电子密度异常高且具有致密的"架状"（shelf-like）嵴。
Gerdes 接着描述，心肌细胞的核极处常可见高尔基体（golgi；图 5.1 插图中 g）、粗面内质网（RER；图 5.4e 中箭头）、脂褐素颗粒（lipofuchin；图 5.4e 中 L；随年龄增加，在人上比啮齿类更典型）和糖原（glycogen；图 5.4e 中 G）。糖原颗粒也可见于线粒体与肌原纤维之间。脂滴（lipid droplets；图 5.2、5.3 中 L）和过氧化物酶体偶尔也可见于细胞质中。糖原在细胞质中分布广泛且数量远多于核糖体，与核糖体可能难以区分；核糖体更易与核膜处的 RER 膜相关联。糖原颗粒的浓度可因制备方法和固定时组织氧水平而变化（注意：缺氧会大幅降低糖原含量）。糖原与核糖体大小相近，可能难以确定 RER 的范围；事实上许多心肌 EM 研究甚至不提及 RER。核糖体特异性抗体标记后的共聚焦显微镜观察显示核周存在广泛的 RER 网络（参考文献 21），这也是 EM 中最常见的观察。RER 也可见于肌原纤维间隙中、特别是 Z 线附近。至少一项 EM 研究提示 RER 比一般所注意到的更为广泛（参考文献 22）。
Gerdes 指出，传统上认为参与脂质/固醇合成、糖代谢等的滑面内质网（SER）可能在心肌细胞中存在，但在 EM 研究中很少或从未被提及。显然，主要参与钙处理的 SR 与 SER 之间的区分在 EM 中很困难。Gerdes 还提到，虽然不多，但在一些核周切片中可在 EM 下清楚识别高尔基体。
非心肌细胞组织隔室（NON-MYOCYTE TISSUE COMPARTMENT）
Gerdes 从组织学角度指出，心肌大致可分为收缩性（心肌细胞和小血管）和非收缩性（大血管）区域。在多数形态学测量研究中，估计心肌细胞体积百分比时会忽略含大血管的区域。在收缩性区域内，心肌细胞体积百分比约 83%（参考文献 13）。然而若将收缩性（约 90%）和非收缩性（约 10%）区域一起计入全组织计算，心肌细胞体积百分比约为 75%（参考文献 2）。基于从收缩性区域取样，心肌组织的相对空间由以下组分占据：心肌细胞约 83%、间质细胞约 4%、间质空间约 4%、血管管腔空间约 8%（将这些数值乘以 0.9 得到全组织估计值）。这些数字假设最佳固定、几乎无组织间隙或水肿。当心肌被最佳固定时，心肌细胞紧密堆积，光镜下细胞边界难以分辨。
毛细血管是心肌最明显的非心肌细胞组分，直径约 4–5 μm（图 5.3 和 5.5c 中 C）。毛细血管由内皮细胞构成，横切时其核扁平或呈半月形。内皮细胞形成紧密连接，由细胞外层包绕（图 5.3 中箭头）。周细胞（pericytes）常与毛细血管内皮细胞相伴，具大而隆起的核（图 5.5c 中 P）和沿毛细血管行进的延伸突起（图 5.3 中 P）。周细胞具有细胞外层。小的、形状不规则的成纤维细胞（图 5.5f 中 F）常见，在活跃时具有广泛的 RER（图 5.5f 中 R），无细胞外层，且通常与附近的横纹胶原纤维相关联。肥大细胞含致密颗粒（组胺），偶尔可见于血管附近（图 5.5d 中 M）。
除位于 SA 节点的心脏神经丛和自主神经外，心脏神经在文献中很少被提及。然而，无髓神经突起在心肌中很丰富。嵌于施旺细胞（图 5.4a 中 S）内的小神经突起（图 5.4a 中箭头）易在心肌细胞之间和小血管附近观察到。其细胞质相对清晰，含小线粒体、微管和神经微丝。近终止处有时可见分泌颗粒，但不与其他细胞形成连接。
区域结构差异（REGIONAL VARIATION IN STRUCTURE）
Gerdes 指出，心房肌细胞虽有横纹但远小于工作心室肌细胞。一般而言它们没有 T 小管，但部分研究报告存在原始形态的 T 小管。其区分特征是含有存储心房利钠肽（ANP；图 5.5b 中箭头）的深色颗粒——ANP 是一种有效的血管扩张剂，也增加钠排泄。工作心室肌细胞在心脏肥大期间也可产生并分泌更多 ANP，但不出现存储颗粒。相对于心室心肌，心房中细胞间质更明显。
构成传导系统的细胞包括结细胞和浦肯野细胞，是被修饰过的心肌细胞，在外观上因物种不同而差异很大。浦肯野细胞主要沿心内膜表面走行，在大哺乳动物中最易观察到；其糖原含量增加、肌原纤维较少、T 小管稀少。在小啮齿类中，工作心肌细胞和浦肯野细胞外观相似，但浦肯野细胞的 T 小管可能更少。结细胞通常被描述为小的、充满糖原的细胞，含许多线粒体但肌原纤维稀少或排列不良（参考文献 23, 24）。
本章个人批注
Gerdes 这章是本卷第二部分"心肌（Cardiac Muscle）"的第一章，从解剖学/形态学的角度为后续所有电生理、钙处理、收缩耦合等分子机制章节提供结构背景。章节写作风格非常传统——大量引述作者自己的形态学测量工作，并配以精心保存的人、大鼠、犬心脏的 TEM 图像作为直观证据。我注意到 Gerdes 反复强调固定伪影问题：在心脏超微结构研究中，戊二醛灌注固定是金标准但操作困难，且很多"病理改变"可能是固定伪影——这一点对后续解读第 19 章（蛋白质组学）、第 17 章（线粒体形态）等涉及"病理变化"的章节时是一个值得记住的方法论提醒。T 小管系统与肌浆网之间的耦合（diad）是后续第 7 章（离子通量与动作电位）和第 12 章（兴奋-收缩耦合）的结构基础，本章给出的 T 小管约 1%、SR 约 2% 的占比数据为后面讨论钙处理时提供了空间约束。Gerdes 引用的 Page & McCallister 关于心肌肥大中 T 小管过度增殖以维持表面积-体积比的工作，被第 15 章 Wei 等的"T 小管重塑"研究承接，构成了一条从结构到功能不良再到心衰进展的因果链。我对其中几个具体数字存疑：作者称 LV 心肌细胞平均长度 120–150 μm，但同时承认教科书常用更短的长度，原因是全组织切片中闰盘的"阶梯"特征使最大细胞长度落在切面外——这是离体细胞与组织切片数据差异的典型例子。另外关于物种间线粒体含量差异与肌球蛋白同种型的对应（α-肌球蛋白耗 ATP 多、对应较多线粒体），这一假说虽然符合甲状腺激素调控的证据，但在 β-肌球蛋白占主导的病理性肥大中线粒体是否被绝对下调、还是仅相对下调，本章没有给出定量数据。
与上下章的衔接（一段话）
本章上承第三部分"心肌（Cardiac Muscle）"的开篇——前三章已分别讲述了肌肉总论（Ch01）、肌肉研究简史（Ch02）以及心肌细胞命运决定与分化的转录调控（Ch03-04），后者着重于心脏发育的分子机制；本章则转向完全分化的成熟心肌细胞，从超微结构的角度提供静态结构背景。下接第六章"心肌生理总览"——后者从器官/组织水平的功能生理出发，并把本章提供的微观结构作为电生理、钙循环、收缩-舒张等功能过程的载体；之后第七章（离子通量与动作电位起源）和第十二章（兴奋-收缩耦合）则把本章"膜系统"一节中描述的 T 小管、肌浆网、二联体结构与具体的离子通道、钙释放机制对应起来。换言之，本章在第二部分中起结构-功能的桥梁作用：前面四章讲发育和起源，后面章节讲动态功能，本章提供"硬件解剖"。