НЕИЗВЕСТНЫЙ МИОКАРД: Уральские кардиофизиологи открыли новый тип ауторегуляции сердечной мышцы

Еще не так давно считали, что клетки сердечной мышцы — кардиомиоциты — относительно одинаковы. Когда стали накапливаться данные, свидетельствующие об обратном, ученые заговорили о неоднородности миокарда. Выяснилось, что биомеханические, биоэлектрические и биохимические свойства кардиомиоцитов в различных регионах стенки желудочков (у верхушки или в основании, во внешних или во внутренних слоях) неодинаковы, и при распространении волны возбуждения в сердце активируются они не одновременно, а последовательно. Первоначально явление неоднородности миокарда было обнаружено при изучении патологических процессов, например, ишемической болезни сердца или инфаркта миокарда. Дальнейшие исследования показали, что и здоровый миокард также неоднороден. Более того, именно неоднородность обеспечивает нормальную работу сердечной мышцы и препятствует развитию аритмии. Благодаря неоднородности миокард обладает высокой пластичностью. Так, снижение функции одного региона стенки камеры сердца может компенсироваться активацией других регионов. 

Эффекты неоднородности миокарда стали предметом пристального внимания группы уральских кардиофизиологов. Чтобы понять, какую роль играет неоднородность сердечной мышцы в норме и при патологии, необходима была математическая модель. Такая модель была создана в 1980-е — начале 1990-х годов профессором В.Я. Изаковым, членом-корреспондентом РАН В.С. Мархасиным и докто-ром физико-математических наук Л.Б. Кацнельсоном. К исследованиям вскоре подключилась О.Э. Соловьева, ныне также доктор физико-математических наук. Когда группа В.С. Мархасина получила грант Оксфордского университета, модель была кардинально усовершенствована: помимо механических и химических явлений в нее было включено описание электрических явлений, разработанное Денисом Ноблом — выдающимся британским физиологом, основателем международного проекта «Физиом». Теперь эта модель цитируется в литературе как ЕО (екатеринбургско-оксфордская) модель. Модельная система нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений описывает и объясняет широкий круг экспериментальных данных, полученных на препаратах миокарда при различных режимах сокращения и различных механических воздействиях. Она позволила также предсказать эффекты, подтвержденные позже в экспериментах на физиологических моделях неоднородного миокарда — мышечных дуплетах.

Мышечный дуплет — это две мышцы, соединенные последовательно или параллельно. Дуплеты могут быть биологическими, т.е. состоящими из двух живых мышц, виртуальными (когда элементы дуплета представлены математическими моделями) или гибридными (когда биологическая мышца взаимодействует с виртуальным партнером — математической моделью). При этом виртуальная мышца возбуждается, сокращается, ведет себя под нагрузкой точно так же, как живая. При помощи таких дуплетов ученые исследовали механические и электрические эффекты неоднородности миокарда на всех этапах: в изоляции, когда мышцы работают каждая сама по себе, в их взаимодействии и при разъединении. Существенно, что различные регионы стенок камер сердца возбуждаются в определенной последовательности. Эффекты этой последовательной активации можно исследовать, если каждую из мышц в дуплете возбуждать с искусственной задержкой. По словам В.С. Мархасина, время здесь выступает в качестве креативного фактора.

Как клетки миокарда становятся неоднородными? Объяснить это неспециалисту можно только «на пальцах», т. е. предельно упростив реальный процесс. Что я и попросила сделать Владимира Семеновича Мархасина, а теперь попробую изложить читателю. 

Допустим, цепочка клеток состоит из 10 сегментов. Когда мы их последовательно возбуждаем, они начинают быстро укорачиваться, сокращаться, причем сокращение распространяется по цепочке с очень большой скоростью, соответствующей скорости распространения механической волны — 300 м в секунду. Электрическая волна в рабочем миокарде распространяется гораздо медленнее, со скоростью 0,3 м в секунду, так что когда она доходит до последних сегментов, те уже начинают растягиваться. Таким образом, электрическое возбуждение первых сегментов приходится на их укорочение, а последних — на растяжение. И это сильно меняет характер электрической активности миокарда, что в свою очередь изменяет уровень и кинетику ионов кальция внутри клеток миокарда, от которых зависит сила сокращения мышцы. Так однородная система в результате последовательной активации ее элементов становится неоднородной. То, что функциональное состояние элементов однородной цепочки меняется в результате последовательноой активации, можно проверить в экспериментах на дуплетах.

Именно в исследованиях на дуплетах был обнаружен новый тип так называемого медленного ответа миокарда. Оказалось, что сила сокращения мышц меняется при их объединении в дуплет и при их разъединении после нескольких сотен циклов возбуждения.

До последнего времени было известно несколько типов медленного ответа миокарда на внешнее воздействие. Первый — так называемая лестница Боудича — это постепенное достижение максимальной амплитуды сердечных сокращений при увеличении частоты сердцебиений. Второй тип медленного ответа связан с законом Франка — Старлинга: сила сокращения при растяжении мышцы увеличивается мгновенно, а затем в течение многих циклов дополнительно нарастает. Третий тип медленного ответа сердечной мышцы был описан Д. Кауфманом. Сила сокращения миокарда медленно возрастает при переходе от изотонического режима (когда клапаны предсердий желудочков закрыты, а аортальный клапан открыт) к изометрическому (когда все клапаны закрыты). Все описанные медленные ответы объединяет то, что они возникают в результате внешнего воздействия на сердечную мышцу.

Уральские кардиофизиологи отрыли новый тип медленного ответа, связанный не с внешним воздействием, а с неоднородностью миокарда, — интрамиокардиальный ответ на внутреннее взаимодействие между неоднородными сегментами сердечной мышцы. Вначале этот эффект был обнаружен на моделях в лаборатории математической физиологии В.С. Мархасиным, О.Э. Соловьевой, Л.Б. Кацнельсоном и П.В. Коноваловым, а затем при помощи методов дуплетов подтвержден в физиологических экспериментах молодыми учеными А.А. Балакиным и О.Н. Лукиным под руководством доктора биологических наук Ю.Л. Проценко. 

И на моделях, и в эксперименте были открыты не только механические, но и электрические медленные ответы, а также связанные с кинетикой внутриклеточного кальция. Конечно, результаты, полученные при помощи моделей, должны проверяться в эксперименте, и если обнаруживаются расхождения, модель должна быть скорректирована. И в том случае, если математическое моделирование дает новый неожиданный результат, он должен снова перепроверяться экспериментально. Тем не менее математическое моделирование оказалось уникальным инструментом получения новых знаний в физиологии. В биологии до сих пор крайне мало примеров, когда модель предсказывает новый результат. 

Перед экспериментаторами стояла сложная задача — непрерывно проследить изменения электрической активности в неоднородных мышцах на протяжении всего времени их взаимодействия в дуплете. Это было сделано при помощи метода плавающих микроэлектродов. Плавающий микроэлектрод — это крошечный фрагмент микропипетки, заполненной солевым раствором. Диаметр ее кончика 0,5 микрон. Крепится микроэлектрод на тонкой серебряной проволочке в 50 микрон, и в течение взаимодействия между неоднородными мышцами в дуплете он должен оставаться в клетке. Кандидат биологических наук Александр Балакин совершил сотни уколов микроэлектродом, и лишь в трех случаях удалось непрерывно зарегистрировать электрическую активность в неоднородных мышцах на всех трех этапах: когда они были в изолированном состоянии, когда объединялись в дуплет и когда разъединялись. В результате была получена полная картина изменений электрической активности до взаимодействия, во время его и после. Сотрудник лаборатории биологической подвижности ИИФ кандидат биологических наук Олег Лукин исследовал изменения концентрации и кинетики ионов кальция внутри клеток элементов дуплета, когда мышцы изолированы, при их объединении и после разъединения. За эту работу ему была присуждена премия Губернатора Свердловской области для молодых ученых за 2012 год. 

В численных экспериментах на моделях и в физиологических экспериментах было обнаружено, что взаимодействие между неоднородными сегментами сердечной мышцы вызывает их деформацию, что в свою очередь приводит к дерепрессии определенных генов. При этом в миокарде появляются новые типы сократительных белков и белков, которые контролируют электрические явления в клетках сердечной мышцы. Таким образом меняется характер сокращения сердечной мышцы, и ее работа приспосабливается к текущим условиям, что свидетельствует о ее высокой пластичности. 

И в завершение несколько слов о практической значимости этого фундаментального результата. Исследования эффектов неоднородности миокарда актуальны хотя бы потому, что неоднородность возрастает при патологии и существенно снижает насосную функцию сердца. Важно и другое: изменение последовательности активации клеток миокарда может приводить к глубоким нарушениям механической и электрической функций сердца. Известно, что такие нарушения в некоторых случаях может вызвать имплантация кардиостимулятора. Уральские кардиофизиологи сформулировали конкретную рекомендацию: при имплантации кардиостимулятора следует располагать электроды в соответствии с физиологической последовательностью активации миокарда. 

 

 

Медленный инотропный ответ в дуплете, состоящем из двух электрически и механически асинхронных мышечных элементов. Показано изменение от цикла к циклу пиков силы мышц в сократительном цикле до, во время и после объединения мышц в дуплет. Медленное изменение силы дуплета представляет собой его медленный инотропный ответ, а изменение сил каждой из мышц после разъединения по сравнению с их сокращениями до объединения свидетельствует об изменении сократительного потенциала мышц за время их взаимодействия в дуплете.