The heart in higher vertebrates develops from a simple tube into a complex organ with four chambers specialized for efficient pumping at pressure. During this period, there is a concomitant change in the level of myocardial organization. One important event is the emergence of trabeculations in the luminal layers of the ventricles, a feature which enables the myocardium to increase its mass in the absence of any discrete coronary circulation. In subsequent development, this trabecular layer becomes solidified in its deeper part, thus increasing the compact component of the ventricular myocardium. The remaining layer adjacent to the ventricular lumen retains its trabeculations, with patterns which are both ventricle- and species-specific. During ontogenesis, the compact layer is initially only a few cells thick, but gradually develops a multilayered spiral architecture. A similar process can be charted in the atrial myocardium, where the luminal trabeculations become the pectinate muscles. Their extent then provides the best guide for distinguishing intrinsically the morphologically right from the left atrium. We review the variations of these processes during the development of the human heart and hearts from commonly used laboratory species (chick, mouse, and rat). Comparison with hearts from lower vertebrates is also provided. Despite some variations, such as the final pattern of papillary or pectinate muscles, the hearts observe the same biomechanical rules, and thus share many common points. The functional importance of myocardial organization is demonstrated by lethality of mouse mutants with perturbed myocardial architecture. We conclude that experimental studies uncovering the rules of myocardial assembly are relevant for the full understanding of development of the human heart.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/%28SICI%291097-0185%2820000401%29258%3A4%3C319%3A%3AAID-AR1%3E3.0.CO%3B2-O

Developmental patterning of the myocardium.

Aspects of human fetoplacental vasculogenesis and angiogenesis. II. Changes during normal pregnancy.

The origin of the epicardium and the formation of the early blood vessels of the heart prior to the opening of the coronary arteries from the aorta have been studied in the 9–13.5 day post coitum (dpc) mouse embryo heart. The epicardium begins to appear by 9 dpc. The majority of the epicardial cells derive from the somatopleural investment of the septum transversum, from where they migrate, associated to form vesicles, to the dorsal aspect of the ventricles and atria. The epicardial cells then migrate over the lateral surfaces and the AV sulcus to the ventral aspect of the heart. In the subepicardial space around the sulcuses, the proliferating epithelial tissue is found, also in vesicular form, for a time. The ventrally migrating primordial epicardial tissue ensheaths lastly the truncus arteriosus, while the sinus venosus is coated with epicardium ab initio, where (and also in the SA sulcus) the epicardial cells derive in part from the cuboidal cells of the pleuroperitoneal canal and in part from the somatopleural cells. The early blood vessel formation follows in space and time the development of the epicardium. The first blood vessels appear by 10 dpc by the invagination of the endocardium into the early sinus muscle, and at the same time in the ventricular chamber by the encasing of the endocardium, as the trabeculae become consolidated into the myocardial walls. By this process sinusoids are formed, some of which penetrate through the myocardium and which, by rapid proliferation, form an interconnected subepicardial plexus. These capillaries proliferate ventrally in the wide subepicardial space, reaching the septating truncus, in which the aorta and pulmonary artery are developing. The definitive coronary artery openings appear by 13 dpc, allowing the high pressure blood from the aorta to flow into a preexisting vascular bed.

The origin of the epicardium and the embryonic myocardial circulation in the mouse

The endothelium of the coronary vascular system has been described in the literature as originating from different sources, varying from aortic endothelium for the main coronary stems, endocardium for the intramyocardial network, and sinus venosus lining for the venous part of the coronary system. Using an antibody against quail endothelial cells (alpha-MB1), we investigated the development of the coronary vascular system in the quail (Hamburger and Hamilton stages 15 to 35) and in a series of 36 quail-chicken chimeras. In the chimeras, pieces of quail epicardial primordium and/or liver tissue were transplanted into the pericardial cavity of a chicken host. The results showed that the coronary vascular endothelial distribution closely followed the formation of the epicardial covering of the heart. However, pure epicardial primordium transplants did not lead to endothelial cell formation, whereas a liver graft with or without an epicardial contribution did have this capacity. The first endothelial cells were seen to reach the heart at the sinus venosus region, subsequently spreading through the inner curvature to the atrioventricular sulcus and the outflow tract and, last of all, over the ventricular surfaces. At these sites, the precursor cells and small vessels were seen to invade the sinus venosus wall, the ventricular and atrial myocardium, and the mesenchymal border of the aortic orifice. Connections with the endocardium of the heart tube were only observed in the right ventricular outflow region. Initially, the connections with the aortic endothelium were multiple, but later in development only two of these connections persisted to form the proximal part of the two main coronary arteries. Connections to the pulmonary orifice were never observed. Our transplantation data showed that the entire coronary endothelial vasculature originated from an extracardiac source. Moreover, using the developing subepicardial layer as a matrix, we showed that the endothelial cells reached the heart from the liver region. Ingrowth into the various cardiac segments was also observed. Implications for the relation to specific congenital cardiac malformations are discussed.

Development of the cardiac coronary vascular endothelium, studied with antiendothelial antibodies, in chicken-quail chimeras

Structural analysis of endocardial cytodifferentiation

Untersucht wurden 78 Herzen von Lampetra planeri (Cyclostomata), Scyllium canicula, Torpedo marmorata (Elasmobranchii), Hippocampus hippocampus, Crenilabrus ocellatus, Labrus mixtus, Mugil cephalus und Cyprinus carpio (Teleostei). — Anordnung und Bluternahrung der Herzmuskulatur unterscheiden sich deutlich bei den einzelnen Fischarten. Das Myokard der Fische mit leichterem Korpergewicht (Lampetra, Hippocampus, Crenilabrus und Labrus) besteht nahezu vollstandig aus Spongiosa, die durch Diffusion aus dem Kammerlumen ernahrt wird. Dagegen kann man bei den schwereren Fischen (Scyllium, Torpedo und Cyprinus) eine klar begrenzte ausere Compacta beobachten, deren Ernahrung durch Capillaren der Coronararterien erfolgt. Die absolute Dicke der Compacta nimmt mit steigendem Korper-und Herzgewicht signifikant zu, d.h., sie ist bei Scyllium am dunnsten und bei Cyprinus am dicksten. Capillaren in den Trabekeln der Spongiosa finden wir nur bei den Elasmobranchii (Scyllium und Torpedo). — Die Ultrastruktur der verschiedenen Strombahnabschnitte unterscheidet sich bei den einzelnen Arten nicht. Die intertrabecularen Raume gehoren zum Kammerlumen und sind von einer kontinuierlichen Schicht aus Endokardzellen ausgekleidet. Die Capillaren verhalten sich elektronenmikroskopisch in Compacta und Spongiosa gleich. Die Capillarwand selbst wird von verhaltnismasig dunnen Endothelzellen gebildet, ist immer geschlossen und besitzt eine kontinuierliche Basalmembran. — Unsere Befunde zeigen, das die Differenzen in Struktur und Bluternahrung zwischen den untersuchten Fischarten eher Beziehungen zum Korper-und Herzgewicht als zur phylogenetischen Stellung dieser Tiere haben.

Über die terminale Strombahn in Fischherzen

An 379 Rattenherzen zwischen dem 9. Embryonaltag und 6. Lebensmonat wird die Entwicklung der Herzgefase histologisch und mit Hilfe von Tusche-Gelatineinjektionen studiert. Bis zum 12. Embryonaltag erfolgt die Myokardernahrung durch Diffusion; danach bildet sich ein venoses Versorgungssystem aus. Es besteht 1. aus Sinusoiden, die ab 11. Embryonaltag als Einbuchtungen zwischen den Trabekeln der Kammerwand nachweisbar sind; 2. aus Capillaren, deren erste Anlage am 13. Embryonaltag als Ausstulpungen des Kammerendokards and der Herzbasis und am Ventrikelseptum, ferner als Spaltbildungen im Myokard der Bulbuswand erscheinen. Die anfangs blinden Gefasstrecken treten ab 14. Embryonaltag miteinander in Verbindung und bilden Capillarnetze, die mit den Kammersinusoiden kommunizieren. 3. aus Venen, die aus Aussackungen des Sinus coronarius hervorgehen und an die Capillaren Anschlus bekommen. Diese sinusoido-venose Strombahn ist zunachst auf das Kammerseptum und die Herzbasis beschrankt, breitet sich jedoch in der Folgezeit uber das ganze Herz aus. — Am 16.-17. Embryonaltag entstehen die Coronararterien als Ausstulpungen des Sinus aortae. Sie treten mit den bereits vorhandenen Capillaren in Beziehung, die sich teilweise zu Arteriolen, Arterien, Venen und Venulen umwandeln. Bis etwa zum 3. Lebenstag ist das definitive, coronare Gefassystem aufgebaut.—Auserdem wird das Capillarsystem als Ganzes umgestaltet. Die Capillaren werden zahlreicher, bilden schlieslich ein feinmaschiges Netzwerk und orientieren sich ahnlich wie die Muskulatur in der Kammerwand ausen und innen langs, in der Mitte zirkular—Die Sinusoide beginnen sich am 18. Embryonaltag zu thebesianischen Venen, capillarartigen gefas-luminaren Anastomosen und Zwischenstufen umzuwandeln.—Die Vorhofswande erhalten ihre Gefase teils aus der extracoronaren (Mediastinum), teils aus der coronaren Strombahn, teilweise direkt aus dem Vorhofslumen.

Development of blood supply in the rat heart

An 56 Rattenembryonen wurde die Entwicklung der Herzmuskelcapillaren ab 11. Embryonaltag (ET) elektronenmikroskopisch studiert. — In der Zeit vom 11. bis 13. ET ist die Wand des linken Ventrikels durch die Ausbildung zahlreicher intertrabecularer Buchten (Sinusoide) charakterisiert, die von einer sehr zarten Endothelzellage (Endokard) ausgekleidet sind. Eine Basalmembran fehlt. — Im Endokard fallen zahlreiche eng umschriebene dunne Stellen auf, die als “endokardiale Membranen” bezeichnet werden. Sie entstehen durch extreme Annaherung von innerem und auserem Plasmalemm, wobei jedoch stets eine schmale, Cytoplasmaschicht — oft mit einer zentralen Verdickung —erhalten bleibt. — Zwischen Endokard, und dem von weiten Spalten durchzogenen Myokard befindet sich der elektronenoptisch nahezu leere Sulzraum, der ab 14. ET kleiner wird. —Durch Offnungen im Endokard bestehen direkte Verbindungen zwischen Blutbahn, Sulzraum und Intercellularraumen des Myokards. Die Lucken im Endokard liegen intercellular, sind unregelmasig verteilt und nehmen bis zum 16. ET an, Zahl zu. — Ab 14. ET dringt das Endokard der Sinusoide mit trichterformigen Ausbuchtungen in die myokardialen Spaltraume, vor. Die so entstehenden embryonalen Herzcapillaren besitzen sofort ein Lumen und sind an der Spitze offen. Auserdem kommen im Endothel der embryonalen Capillaren zahlreiche Lucken vor, die einen Saftstrom aus der Blutbahn in die noch nicht von Endothel ausgekleideten myokardialen Spaltraume ermoglichen. — Ab 17. ET, schreitet die Ausreifung der Herzcapillaren rasch voran; es bildet sich eine Basalmembran aus und die Pinocytose nimmt zu.

Zur Frühentwicklung der herzeigenen Strombahn. Elektronemikroskopische Untersuchung an der Ratte

Es wird elektronenmikroskopisch die Entwicklung der Meerschweinchenplacenta ab 12. Tag der Tragzeit untersucht.

Fine structure of the guinea pig placenta during development

Untersucht wurde die Entwicklung der Herzcapillaren an 218 Ratten vom 15. Embryonaltag (ET) bis 14. Lebenstag (LT). Ferner wurde die Permeabilitat der Capillarwand mit Ferritin und Peroxidase als Testsubstanzen studiert. In der Fruhzeit der Entwicklung (15. ET) sind fur die primitiven Blutbahnen zwei Abschnitte charakteristisch: 1. intertrabeculare Raume, die als direkte Fortsetzung des Endokards tief in die Kammerwand hineinragen und 2. intramyokardiale Spalten, denen jede Endothelauskleidung fehlt. Fur die weitere Entwicklung des terminalen Strombettes ist das Einwachsen von Endothelzellen in die Spaltraume entscheidend, ohne das zunachst eine geschlossene Gefaswand entsteht; auch sind die ersten Basalmembranen sehr zart und diskontinuierlich. Durch die Wandlucken konnen Blutzellen muhelos die Strombahn verlassen. Am 18. ET kommen die ersten Capillaren mit geschlossenem Endothel und deutlicher Basalmembran vor. Auserdem sind in dieser Periode die verschiedensten Entwicklungsstufen gleichzeitig vorhanden. In der Folgezeit (20.–21. ET) werden die zunachst dicken Capillarwande schmaler und es entstehen Pericyten. Der Differenzierungsprozes lauft in beiden Kammern und im Septum interventriculare gleichzeitig und von basal nach apikal fortschreitend ab. Abgeschlossen ist die Entwicklung etwa am Ende der 2. Lebenswoche. — Die Wandauskleidung der intertrabecularen Raume gehort zum Endokard und unterscheidet sich wahrend der ganzen Entwicklung deutlich von der der Capillaren und-anlagen. Im Gegensatz zu der praktisch gleichmasigen Ferritinverteilung in den Endothelzellen wahrend der Pranatalperiode kommt es vom 5.–14. LT zu einer gewissen Ferritinanhaufung in den pinocytotischen Blaschen. — Die Hauptbahn fur die Wanderung der Peroxidase durch die Capillarwand sind die intercellularen Verbindungen, wobei sich die Situation am 21. ET nicht von der erwachsener Tiere unterscheidet.

T. H. Schiebler

Papers

Über die terminale Strombahn in Fischherzen

Development of blood supply in the rat heart

Zur Frühentwicklung der herzeigenen Strombahn. Elektronemikroskopische Untersuchung an der Ratte

Fine structure of the guinea pig placenta during development

The development of the capillaries in the rat heart. An electron microscopic study