Введение к работе
Актуальность исследования. В ходе морфофункциональной эволюции камерных сердец у позвоночных животных сформировалось несколько способов охвата возбуждением миокарда желудочков [Рощевский, 1972; Шмаков, 1990; Шмаков, Рощевский, 1997]. Поскольку активация миокарда является предшественником его сокращения, очевидно, разная последовательность активации обусловливает разную последовательность сокращения и, следовательно, кардиодинамику, под которой понимается временная организация сердечного цикла и изменение давления и объема полостей сердца в течение сердечного цикла [Парин, Карпман, 1980]. «Вспышечный» способ активации миокарда желудочков является наиболее сложным и, возможно, эволюционно более прогрессивным, чем «вспышечно-последовательный» и «последовательный» способы. Вопросы о происхождении в филогенезе и об эволюционном значении «вспышечного» способа активации миокарда желудочков и о том, можно ли рассматривать его как фактор интенсификации насосной функции сердца и надежности функционирования сердечно-сосудистой системы в условиях максимального напряжения организма, остаются открытыми. Сравнительно-физиологические исследования являются одним из путей выяснения механизмов эволюции сердечной деятельности и выявления причинно-следственных связей в сердце с использованием моделей, предоставляемых природой.
Фазовый анализ сердечной деятельности позволяет определить сократимость желудочков сердца [Карпман, 1965]. Временная организация сердечного цикла изучена наиболее полно лишь у собаки [Сальманович, Кошарская, 1966; Прусс, Новицкий, 1967; Аринчин, Сенью, 1970; Овсянников, Санкин, 1973; Knudson, Amend, 1976] и кролика [Трохименко, 1968; Бабкин, Белов, 1976; Gochetal., 1980; Long etal., 1982]. Данные о структуре сердечного цикла у копытных животных [Sporri, 1965; Ackermann et al., 1976; Pipers et al., 1977, 1978; Berman et al., 1980; Moses, Ross, 1987; du Plooy, Schutte, 1989; Lightowler et al., 2003; Hallowell et al., 2007], грызунов [Schoemaker, Smits, 1990; Moises et al., 2000; Brown et al., 2002] и некоторых других млекопитающих [Pipers et al., 1979; Nelson et al., 2003] фрагментарны, и целостная картина отсутствует. Временная организация сердечного цикла у птиц не изучена.
Птицы по своим физиологическим параметрам [Avian physiology, 1976; Holmes, Ottinger, 2003; McNab, 2009] являются уникальным объектом для сравнительно-физиологических исследований, в том числе и для изучения деятельности сердечно-сосудистой системы, которая характеризуется рядом специфических особенностей в строении клапанного аппарата [Соколов, 1978; Прошева, Рапота, 1989; Luetal., 1993а; Yildiz, Cavusoglu, 2004], архитектонике [Robb, 1965; Bezuidenhout, 1983] и пространственной организации проводящей системы [Клюпшна, 1981а, б; Прошева, 1990; Luetal., 1993а, б] сердца, активации
миокарда желудочков [Шмаков и др., 1979], динамике распределения потенциалов кардиоэлектрического поля на поверхности тела [Харин и др., 2000,2001], гемодинамике [Grabb, 1983; Seymour, Blaylock, 2000]. Вместестем мало изучена механическая деятельность сердца [Цывьян и др., 2001], немногочисленны сведения о кардиодинамике, имеются лишь отрывочные данные об инотропных свойствах и динамике давления в полости левого желудочка сердца [Furnival et al., 1973; Graver et al., 1993]. Отсутствуют сведения об интрамуральной реполяризации миокарда, влиянии электрокардиостимуляции на функцию сердца у птиц.
Эти значительные пробелы в физиологии птиц не позволяют интерпретировать результаты сравнительно-физиологического исследования временной организации сердечного цикла. В отсутствии этих знаний невозможно построить теорию адаптации и эволюции деятельности сердечнососудистой системы и в наиболее полной мере раскрыть принципы функциональной организации сердца.
Значимый вклад в прояснение вопроса о значении и причинах возникновения в процессе филогенеза разных способов активации миокарда желудочков может внести исследование масштабирования биологических процессов в сердце. Такой подход в изучении электрофизиологии сердца применен к настоящему времени лишь для атриовентрикулярной задержки у млекопитающих [Meijler et al., 2002,2005; Noujaim et al., 2004; Meijler, Strackee, 2006a, 6]. Закономерности изменения длительности начальной желудочковой активности у животных с разными способами активации желудочкового миокарда не выяснены, несмотря на наличие большого количества электрокардиографических данных.
Таким образом, в настоящее время нет достаточных сведений для сравнительно-физиологического анализа сократительной функции желудочков сердца у позвоночных животных с разными способами активации миокарда желудочков, который является ключевым подходом в выяснении механизмов эволюции сердечной деятельности, формирования и эволюционного значения способов активации желудочкового миокарда.
Работа выполнена в соответствии с планами НИР Института физиологии Коми НЦ УрО РАН «Механизмы формирования кардиоэлектрического поля у позвоночных животных и человека» (№ ГР 01.9.60 001210), «Формирование кардиоэлектрического поля на поверхности тела в зависимости от структурно-функциональной организации сердца» (№ГР 01.2.00 107402), «Функциональная гетерогенность реполяризации интрамуральных слоев миокарда у позвоночных животных» (№ ГР 01.2.00 602857), «Механизмы формирования функциональной электрической гетерогенности миокарда» (№ ГР 01.2.00 950822).
Исследования поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (проекты № 03-04-48001-а «Сравнительно-физиологическое исследование фазовой структуры сердечного цикла у животных с разными
способами активации миокарда желудочков» и № 06-04-48022-а «Закономерности функционирования желудочков сердца птиц»); Программой Президента Российской Федерации для поддержки молодых ученых - кандидатов наук - и их руководителей (проект № МК-5347.2006.4 «Закономерности функционирования желудочков сердца птиц»); Программой поддержки научных проектов Уральского отделения РАН (проекты «Скрининг кардиотропных препаратов в экспериментальных моделях патологических процессов в сердце» и «Электрическая гетерогенность миокарда и кардиогемодинамика в экспериментальных моделях патологических процессов в сердце и при действии кардиотропных препаратов»); Фондом содействия отечественной науке.
Цель исследования - изучение кардиодинамики и лежащих в её основе электрических процессов у эндотермных животных с разными способами активации миокарда желудочков.
Задачи исследования:
-
Изучить временную организацию систолы сердца у птиц (курица, перепел) и млекопитающих (овца, крыса).
-
Провести сравнительный анализ временной организации систолы сердца у млекопитающих с разными способами активации миокарда желудочков и птиц.
-
Определить аллометрические отношения между массой тела, массой сердца, частотой сердечных сокращений и длительностью электрокардиографического комплекса начальной желудочковой активности у млекопитающих и птиц.
-
Сравнить зависимость длительности электрокардиографического комплекса начальной желудочковой активности от массы тела, массы сердца и частоты сердечных сокращений у млекопитающих с разными способами активации миокарда желудочков и птиц.
-
Изучить последовательность активации и последовательность реполяризации желудочков сердца при синусно-предсердном ритме у курицы.
-
Изучить влияние электрокардиостимуляции на последовательность активации, последовательность реполяризации и инотропное и лузитропное состояния желудочков сердца курицы.
Основные положения, выносимые на защиту: 1) Ведущим фактором, определяющим временную организацию систолы и насосную функцию сердца у эндотермных животных, является частота сердечных сокращений, тогда как способ активации миокарда желудочков и относительная масса сердца не вносят существенный вклад в их формирование. При этом сердца млекопитающих работают в менее напряжённом режиме, чем сердца птиц, а сердца копытных животных по сравнению с сердцами грызунов.
-
Независимо от типа активации миокарда желудочков длительность их деполяризации и в ряду птиц, и в ряду млекопитающих разных видов изменяется как степенная функция массы тела (отрицательная аллометрия) и как обратная степенная функция частоты сердечных сокращений; при этом аллометрическая связь длительности активации миокарда желудочков с массой тела меньше, чем с частотой сердечных сокращений.
-
Закономерности реполяризации интрамуральных слоев и эпикардиальной поверхности желудочков сердца при синусно-преде ер дном ритме и изменения функционального состояния желудочков сердца при электрокардиостимуляции аналогичны у птиц и млекопитающих.
Научная новизна. На основе фазового анализа сердечной деятельности выявлено, что напряжённость режима функционирования сердца в ряду «копытные животные - грызуны - птицы» увеличивается. Показано, что способ активации миокарда желудочков не играет первостепенной роли в определении напряжённости насосной функции желудочков сердца. Установлены принципы изменения длительности начальной желудочковой активности у птиц и млекопитающих. Определены закономерности реполяризации желудочков сердца при синусно-предсердном ритме у птиц: наличие трансмуральной, апикобазальной и межжелудочковой гетерогенности реполяризационных свойств миокарда; неодинаковая выраженность трансмуральных различий реполяризационных свойств миокарда в разных областях стенки желудочков и апикобазальных различий в разных слоях желудочков; детерминированность последовательности реполяризации локальными реполяризационными свойствами миокарда. Выявлены закономерности изменения функционального состояния желудочков сердца птиц в ответ на электрокардиостимуляцию: уменьшение гетерогенности и увеличение длительности активации миокарда обоих желудочков вследствие преобладания миогенного распространения волны возбуждения; неоднородное увеличение длительностей локальной реполяризации миокарда; большая уязвимость лузитропного состояния желудочков по сравнению с инотропным, а насосной функции правого желудочка по сравнению с насосной функцией левого желудочка; наибольшее снижение насосной функции сердца при эктопическом возбуждении правого желудочка. Сформулирована концепция о детерминирующем влиянии гемодинамики на формирование разных типов активации миокарда желудочков в процессе филогенетического развития эндотермных позвоночных.
Научно-практическая значимость. Результаты исследования вносят вклад в сравнительную физиологию кровообращения и в выяснение механизмов адаптации и эволюции сердца. Полученные данные расширяют представления о функциональном состоянии сердца у позвоночных животных с разными способами активации желудочкового миокарда. Результаты исследования свидетельствуют о единых механизмах ответа желудочков сердца на электрокардиостимуляцию у птиц и млекопитающих, что важно для разработки
общебиологических теорий, в частности теорий адаптации и эволюции. Выведены аллометрические уравнения, позволяющие оценить длительность процесса активации миокарда желудочков у млекопитающих и птиц. Разработан способ уменьшения просвета мелких кровеносных сосудов (патент № 2213 3 77) для ограничения кровотока на любом заданном участке и дозированной ишемизации органов. Результаты исследования могут представлять интерес для специалистов, занимающихся созданием и тестированием физиологически активных соединений. Полученные данные могут быть использованы при разработке математических моделей сердца, необходимых для поиска высокоинформативных диагностических критериев функционального состояния сердца.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены лично в виде устных и стендовых докладов на XXXII (г. Гданьск, Польша, 2005 г.), XXXIV (г. Стамбул, Турция, 2007 г.), XXXV (г. Санкт-Петербург, 2008 г.) и XXXVI (г. Вроцлав, Польша, 2009 г.) Международных конгрессах по электрокардиологии; на Пекинской объединенной научной конференции по физиологическим наукам 2008 (г. Пекин, Китай, 2008 г.); на I (г. Сочи, Россия, 2005 г.) и II (г. Кишинёв, Молдова, 2008 г.) съездах физиологов СНГ; на XVIII (г. Казань, 2001 г.), XIX (г. Екатеринбург, 2004 г.) и XX (г. Москва, 2004 г.) съездах Всероссийского физиологического общества имени И.П. Павлова; на XIII Международном совещании и VI школе по эволюционной физиологии (г. Санкт-Петербург, 2006 г.); на IVВсероссийской с международным участием школе-конференции по физиологии кровообращения (г. Москва, 2008 г.); на III Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 175-летию со дня рождения Ф.В. Овсянникова (г. Санкт-Петербург, 2003 г.); на V Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения академика В.Н. Черниговского, «Механизмы функционирования висцеральных систем» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.); на IV съезде физиологов Урала (г. Екатеринбург, 2009 г.); на III конференции молодых ученых России с международным участием, посвященной 60-летию РАМН «Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины» (г. Москва, 2004 г.); на VI симпозиуме по сравнительной электрокардиологии (г. Сыктывкар, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 научных работ, в том числе патент Российской Федерации, 10 статей в зарубежных и 10 статей в Российских рецензируемых журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание учёной степени доктора наук.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав (обзор литературы, материал и методы исследования, результаты исследования, обсуждение результатов), выводов и списка литературы. Работа изложена
