Механика, электричество и аритмии

Смертность от сердечно-сосудистых заболеваний в мире из года в год занимает печальное первое место. Одним из возможных исходов сердечных недугов является фибрилляция, причины возникновения которой исследуются во многих странах, но пока еще не установлены.

Фибрилляция – это состояние, при котором кардиомиоциты сокращаются несогласованно, асинхронно. В результате, сердце как насос не выполняет своей функции, возникает кислородное голодание, которое особенно опасно для мозга – он живет в таких условиях всего несколько минут.

Предлагаем вашему вниманию результаты экспериментов, полученные группой российских ученых – А.Г. Камкиным, И.С. Киселевой, В.Н. Ярыгиным (РГМУ) относительно механизма этого вида аритмий.

Функция сердца, как известно, заключается в том, чтобы обеспечивать циркуляцию крови по сосудам. Происходит это благодаря последовательному расслаблению предсердий и желудочков (фаза диастолы), а потом их сокращению (фаза систолы). Заканчивается цикл общим расслаблением всех четырех камер. Сокращение сердечной мышцы (миокарда) вызывается электрическим импульсом, который возникает в клетках синусно-предсердного узла, называемого водителем ритма. Далее возбуждение распространяется по предсердиям и достигает предсердно-желудочкового узла, через пучок Гиса доходит до его конечных разветвлений – волокон Пуркинье – и передается желудочкам. Клетки сердечных камер сокращаются и расслабляются согласованно, и тем самым обеспечивается отчетливый ритм в деятельности насоса, перегоняющего кровь.

Невозбужденные клетки миокарда обладают потенциалом покоя (от -70 до -90 мВ), который под действием различных факторов изменяется. Он может стать более отрицательным, тогда мембрана гиперполяризуется, но может и уменьшиться при ее деполяризации. Входящие в клетку катионы (прежде всего Na⁺ и Ca²⁺) всегда деполяризуют мембрану, а выходящие (в основном K⁺) – гиперполяризуют. Быстрый сдвиг потенциала покоя в положительном направлении называют потенциалом действия (ПД), который и побуждает клетки сердца к сокращению.

Прямая зависимость сокращения кардиомиоцита от его возбуждения (возникновения ПД), т.е. электромеханическое сопряжение, уже детально изучена, но существовали клинические данные, свидетельствующие о наличии в миокарде обратной связи – изменении электрических процессов под действием механических факторов: растяжения миокарда и (или) изменения его сократительной активности. Такая зависимость фактически была установлена еще в 1915 г. английским кардиофизиологом Ф.А. Бейнбриджем. Он показал, что растяжение правого предсердия вызывает учащение ритма сердца у крыс. Соотечественники Бейнбриджа О. Франк и Е.Х. Старлинг, растягивая сердечную мышцу до определенной длины, добились увеличения силы ее сокращения. Из этого можно было бы заключить, что механическая стимуляция ткани сердца должна приводить к изменению мембранного потенциала в клетках. Однако до недавнего времени влияние обратной связи не изучалось и не учитывалось. О ее существовании в 1968 г. лондонский физиолог М.Дж. Лаб высказал лишь предположение, но не доказал его изза несовершенства экспериментальных методов.

К настоящему времени накопилось множество подтверждающих эту мысль клинических наблюдений. Хорошо известны, например, предсердные аритмии – фибрилляция, пароксизмальная тахикардия, которые возникают у больных с острым растяжением предсердий или при постепенном увеличении их размеров. Описаны случаи, когда механически индуцированную аритмию регистрировали у пациентов и без этих патологий, при введении катетера в сердце. К различным нарушениям сердечного ритма могут приводить постоянные механические перегрузки, вызванные артериальной гипертензией, застойной сердечной недостаточностью и хроническим растяжением миокарда. Взаимосвязь механики и электрических процессов в миокарде подтверждается и давно принятой в медицине механической стимуляцией сердца. Непрямой массаж успешно применяют, чтобы восстановить сокращения миокарда или вывести его из состояния фибрилляции.

Таким образом, клинические наблюдения иллюстрируют, что растяжение камер сердца, особенно при его патологии, приводит к аритмиям, но механическая стимуляция может и восстанавливать нормальный сердечный ритм, предотвращать развитие фибрилляции. Поэтому чрезвычайно важно понять, благодаря каким процессам осуществляется механоэлектрическая обратная связь.

Зависимость электрической активности кардиомиоцитов от механических воздействий изучается давно. В экспериментах имитировали сокращения этих клеток в зависимости от величины растяжения ткани, для чего растягивали фрагменты ткани миокарда с силой, равной физиологической, а затем превышали эту силу и измеряли мембранный потенциал. В результате выяснилось, что дополнительное растяжение ткани правого предсердия приводит к изменению обычной формы потенциала действия. Если растяжение продолжали, возникал внеочередной потенциал действия. В опытах на ткани предсердий, взятой от животного, перенесшего инфаркт левого желудочка, достаточно было незначительно превысить силу растяжения над физиологическим значением, чтобы вызвать более серьезные изменения вплоть до возникновения фибрилляции предсердия. Сходные результаты дали эксперименты на фрагментах желудочков сердца.

Поскольку эффект растяжения ткани миокарда блокировался ионами гадолиния – ингибиторами механочувствительных каналов мембраны кардиомиоцитов (в научной литературе их называют механосенситивными и обозначают аббревиатурой МСК), напрашивался вывод об их участии в описанных событиях. Но чтобы доказать это, необходимо было исследовать ионные токи и сами МСК не на ткани сердца, а на отдельных жизнеспособных клетках.

Результаты оказались сходными с теми, что были получены на ткани предсердий: чем с большей силой растягивали клетку, тем значительней для нее были последствия; кардиомиоциты больного сердца оказались чувствительнее к растяжению, чем здорового. Прямое растяжение как предсердных, так и желудочковых кардиомиоцитов вызывает деполяризацию их мембраны и увеличение фазы реполяризации. Если оба эти процесса достигают критических величин, возникает дополнительный потенциал действия, что приводит к экстрасистоле – внеочередному сокращению сердечных камер.

Суммарный ток, протекающий через мембрану кардиомиоцита, тоже увеличивается по мере растяжения клетки и исчезает при возвращении ее длины к исходной. Выяснилось, что при растяжении клетки за ток ответственны ионы натрия, входящие в нее через механочувствительные каналы. В опытах по исследованию токов изолированных кардиомиоцитов использовали образцы, взятые от здоровых морских свинок и крыс (молодых и старых), людей с заболеваниями сердца и крыс с гипертензией. И здесь картина была такой же, как в экспериментах по изучению потенциала действия: чувствительность клеток к экспериментальному растяжению увеличивалась с возрастом животных, но еще сильнее была связана с гипертензией. Такое повышение чувствительности можно объяснить увеличением на мембране числа механочувствительных каналов.

Итак, полученные результаты позволяют заключить, что не только электрическое возбуждение приводит к сокращению или расслаблению клеток сердца, т.е. к их механическому изменению, но и наоборот – на механическое воздействие кардиомиоциты отвечают электрической активностью. Однако если прямая связь обеспечивает нормальный сердечный ритм, то обратная сказывается противоположным образом – нарушением ритмики.

Считается, что механические раздражения воспринимаются лишь кардиомиоцитами – электровозбудимыми сократительными клетками. В исследованиях было доказано, что в обратной связи, особенно при заболеваниях сердца, могут участвовать не только они, а еще и фибробласты – немышечные электроневозбудимые клетки.

В нормальном миокарде группа немышечных клеток состоит из разных типов, но преобладают в ней фибробласты, которым приписывается роль опорных структур. Однако, судя по накопившимся сведениям о других сторонах метаболической активности фибробластов, они участвуют и в регуляции работы сердца. Изучение электрофизиологических характеристик фибробластов изолированного сердца и их межклеточных взаимодействий дало основание предположить ученым, что деятельность миокарда обеспечивается не одними кардиомиоцитами, а их совместным функционированием с опорными клетками. В таком случае работа и здорового сердца, и измененного болезнью должна выглядеть иначе, чем принято считать.

В сердце млекопитающих не так много фибробластов, примерно 5-10%, но в зоне синусного узла их количество достигает 45-75%. Эти немышечные клетки отличаются от кардиомиоцитов целым рядом электрофизиологических особенностей. К их числу относится низкая величина потенциала покоя (в среднем 25 мВ). В ритме спонтанных или вызванных сокращений миокарда фибробласты генерируют механоиндуцированные потенциалы (МИП), форма которых совершенно не похожа на форму потенциала действия кардиомиоцитов. Амплитуда МИП фибробластов либо соизмерима с величиной потенциала покоя кардиомиоцитов, либо значительно меньше его. Характерно, что МИП никогда не перескакивает через нулевое значение, т.е. в его форме отсутствует овершут. В одинаковых экспериментальных условиях механоиндуцированный потенциал фибробластов генерируется позднее, чем потенциал действия кардиомиоцитов: в сердце лягушки на 90 мс, крысы – на 10, человека – на 40 мс. По длительности МИП фибробластов совпадает со временем сокращения препарата.

В нормальных физиологических условиях МИП фибробластов возникает в ответ на сокращения сердца. В период систолы фаза нарастания этого потенциала связана с активацией неселективных механочувствительных каналов, через которые в клетку поступают различные ионы, в том числе Ca²⁺. Его амплитуда растет до тех пор, пока не начнется расслабление миокарда, ведущее к инактивации этих каналов. Нисходящую фазу МИП обусловливает, видимо, ток, который возникает за счет выхода из клетки K⁺ через калиевые каналы, активируемые кальцием. Но возможно, эта фаза связана с инактивацией МСК.

Фибробласты специфически, иначе, чем кардиомиоциты, реагируют и на растяжение ткани сердца. Дополнительное растяжение ткани спонтанно сокращающегося фрагмента правого предсердия вызывает сдвиг потенциала покоя в сторону гиперполяризации мембраны фибробласта, в то время как кардиомиоциты на растяжение реагируют деполяризацией. Соответственно увеличивается и амплитуда МИП фибробластов, причем ее величина прямо связана со степенью гиперполяризации. Если растяжение устранить, потенциал покоя возвратится к исходной величине. Столь выраженная реакция фибробластов на растяжение свидетельствует об их участии в осуществлении механоэлектрической обратной связи.

Роли стромы (соединительной ткани, в состав которой входят фибробласты) в нормальном и больном сердце уделялось мало внимания. В 1971 г. описаны случаи ишемии и инфаркта миокарда, сопровождавшиеся воспалительным процессом ткани, который привел к частичному или полному повреждению кардиомиоцитов, но работа фибробластов активировалась. Эти клетки превратились в миофибробласты с более крупным ядром, обильным эндоплазматическим ретикулумом и актиновыми филаментами. Наличие последних структур вполне доказывает что такие трансформированные фибробласты способны сокращаться.

При изучении электрических характеристик фибробластов правого предсердия крысы после инфаркта миокарда (его вызывали перевязыванием коронарной артерии) было установлено, что потенциал покоя зависит от размера зоны, охваченной инфарктом. Чем она больше, тем больше сдвигается потенциал покоя фибробластов: -22 мВ у контрольных животных, -25,8 у крыс с мелкоочаговым инфарктом, -46,5 мВ – с обширным.

Как могут сказаться более отрицательный потенциал покоя и повышенная амплитуда МИП фибробластов? По мнению исследователей, первый эффект способен снизить спонтанную активность клеток водителя ритма, а второй – вызвать удлинение потенциала действия соседних кардиомиоцитов.

У животных с разной величиной инфарктной зоны отличалась также и чувствительность фибробластов к механическому фактору. Реакция фибробластов была связана и со временем, прошедшим после инфаркта – чем меньшее количество дней отделяло наступление болезни от начала опыта, тем сильнее сдвигался потенциал покоя фибробластов даже при их незначительном растяжении.

Повышенную чувствительность фенотипически измененных инфарктом фибробластов (миофибробластов) к механическому воздействию можно объяснить увеличением числа МСК в мембране (их участие подтверждается действием ингибитора каналов – ионами гадолиния). Даже небольшое растяжение способно активировать дополнительное количество МСК и тем повысить входящий ток. А поскольку возрастает и концентрация свободного внутриклеточного кальция, открываются зависимые от этого иона калиевые каналы, и мембранный потенциал сильно сдвигается в сторону гиперполяризации.

Как же передаются потенциалы между фибробластами и кардиомиоцитами? В сердце фибробласты взаимодействуют между собой преимущественно через высокопроницаемые контактные зоны мембран, содержащие кластеры специфических межклеточных каналов. Они резко снижают сопротивление мембраны соседствующих клеток и делают возможным их электрическое взаимодействие. Такие же каналы, но распределенные диффузно, существуют и в зоне контакта фибробластов с кардиомиоцитами. Изменение мембранного потенциала первых клеток может вызвать такой же отклик в соседних с ними кардиомиоцитах. Вокруг клеток водителя ритма в сердце образованы кольца из фибробластов. Именно их мембранный потенциал увеличивается по абсолютной величине и сдвигает потенциал покоя кардиомиацитов. В результате такого смещения у клеток водителя ритма уменьшается частота возникновения потенциала действия, а значит, и частота сердечных сокращений. Как раз такое явление наблюдается и после инфаркта.

Результаты, полученные на изолированных фибробластах и на многоклеточных препаратах, совпадают. Этим было доказано исходное предположение о том, что фибробласты сердца отвечают на механическую стимуляцию изменением ионных токов. Обусловлено это, предположительно, неселективной катионной проводимостью. Поскольку механочувствительные каналы фибробластов реагируют на направление приложенной силы (инактивируются растяжением и активируются сдавливанием), можно полагать, что сокращающиеся в систоле кардиомиоциты действуют на лежащие между ними фибробласты как биологическое сдавливающее устройство.

Итак, кардиомиоциты, а в еще большей степени фибробласты, эффективно преобразуют механическое раздражение в электрические ответы, причем работа первых клеток модулируется вторыми. В здоровом сердце растяжение кардиомиоцитов, приводящее к деполяризации их мембраны, и растяжение фибробластов, вызывающее гиперполяризацию, находятся в равновесии. При патологии же реакция на такое механическое раздражение выражена особенно сильно, но по-разному в тех и других клетках. Если величина гиперполяризации фибробластов больше, чем деполяризации кардиомиоцитов, сердечный ритм становится реже и даже может прекратиться. И наоборот, если преобладает последняя, начинается аритмия и может развиться фибрилляция. Математическое моделирование полностью подтверждает такие выводы из экспериментальных данных.

Выявленное взаимодействие этих двух типов клеток и его влияние на работу сердца важно не только для фундаментальной науки, но и для практической медицины. Если учесть, что медленное хроническое растяжение миокарда за счет внутрисердечного давления вызывает сдвиги потенциалов и как результат – нарушение ритма, то можно понять, что даже изменение позы больного, перенесшего инфаркт, может привести к драматическим последствиям. Ученые близки к тому, чтобы перенести исследования в клинику, но до этого предстоит изучить электрофизиологические характеристики кардиомиоцитов и фибробластов человеческих сердец – здоровых и с разными патологическими изменениями. Исходя из представлений об участии в механоэлектрической обратной связи специфических ионных каналов, необходимо найти для них селективный блокатор, который прерывал бы эту связь и тем самым восстанавливал нормальную работу сердца. Пока такого блокатора не существует, но им могли бы стать антитела к механочувствительным каналам, правда, сначала их нужно «клонировать». Можно блокировать одно из звеньев цепочки, которая приводит к экспрессии МСК, однако эту цепочку прежде необходимо выявить. Поиском блокаторов ученые уже занимаются, и когда эксперименты дадут результат, возможно, не понадобятся ни электрический разряд, ни прямой механический массаж, чтобы вывести пациента из состояния фибрилляции, она просто не возникнет.

Литература

1. Камкин А.Г., Киселева И.С., Ярыгин В.Н. // Природа, 2002, №3, с.13-20.
2. Kamkin A., Kiseleva I., Wagner K.D. et al. // J. Mol. Cell. Cardiol. 2000. V.32. P.465-477.
3. Kiseleva I., Kamkin A., Wagner K.D. et al. // Cardiovasc. Res. 2000. V.45. P.370-378.
4. Камкин А.Г., Киселева И.С. // Успехи физиол. наук, 2000, Т.31, с.51-78.
5. Kamkin A., Kiseleva I., Isenberg G. // Cardiovasc. Res. 2000. V.48. P.409-420.
6. Камкин А.Г., Киселева И.С., Ярыгин В.Н. // Успехи физиол. наук, 2001, т.32, с.75-104.
7. Камкин А.Г., Киселева И.С. // Успехи физиол. наук, 1998, Т.29, с.72-102.
8. Kamkin A., Kiseleva I., Husse B., Isenberg G. // Europ. J. Physiol. 2001. V.441. P.15-4, R191.