Введение к работе
Актуальность исследования. Исследование регуляции функции сердечной мышцы является актуальной задачей физиологии и патофизиологии. При этом особенно важным представляется обнаружение новых типов регуляции электромеханической активности сердечной мышцы и выяснение их механизмов. Известно, что сократимость сердечной мышцы зависит от условий ее сокращения: частоты, диастолического растяжения и механической нагрузки (т.е. величин пред- и пост-нагрузки на мышцу). Инотропный ответ сердечной мышцы на изменение условий, как правило, имеет две фазы - быструю и медленную. Например, в ответ на увеличение частоты сердцебиений у многих теплокровных животных, включая человека, наблюдается так называемая лестница Боудича [Bowditch, 1871], когда сила сокращений сначала резко падает (эффект «ямы»), а затем медленно растет в течение десятков или сотен сократительных циклов до более высокого уровня, чем при низкой частоте.
Традиционно термин медленный инотропный ответ (Slow Force Response, SFR) ассоциируется в литературе со стретч-индуцируемым феноменом, впервые описанным Пармли и Чаком [Parmley and Chuck, Am J Physiol, 1973]. Они показали, что при 5-6% растяжении сердечной мышцы вслед за моментальным увеличением силы сокращения по закону Франка-Старлинга имеет место вторичный, многоцикловой прирост силы еще на 30-40%. Механизмы стретч-индуцируемого SFR до сих пор исследуются как при помощи экспериментальных методов, так и математического моделирования [Bluhm et al., Am J Physiol, 1998; Tavi et al., Circ Res, 1998; Niederer and Smith, Biophys J, 2007].
Другой тип SFR, также имеющий отношение к гетерометрической регуляции сократимости миокарда, был описан Кауфманном и соавторами [Kaufmann et al., Pflugers Arch, 1971]. Они обнаружили, что уменьшение постнагрузки на миокард при переключении с изометрического на изотонический режим сокращения приводит к медленному поцикловому увеличению максимального укорочения сердечной мышцы. При обратном переходе на изометрический режим сила
сокращений мышцы в течение нескольких первых циклов превышает исходную изометрическую силу, что свидетельствует об увеличении ее сократимости вследствие циклических укорочений. Этот вид SFR позволяет объяснить феномен Анрепа, описывающий адаптацию сердечной мышцы к изменению постнагрузки в интактном сердце. Механизмы грузо-зависимого SFR были ранее проанализированы в рамках математической модели [Solovyova et al., Russ J Numer Anal Math Modelling, 2004].
Общим для медленных инотропных ответов сердечной мышцы является то, что изменение сократимости миокарда связано с постепенным накоплением кальция в кардиомиоцитах [Allen and Kurihara, J Physiol, 1982; Calaghan et al., Prog Biophys Мої Biol, 2003; Noble and Seed, Cambridge University Press, 2011].
Все вышеперечисленные типы SFR являются следствием изменения внешних по отношению к миокарду условий. В данной работе описан и исследован принципиально новый тип SFR, интра-миокардиалъный медленный инотропный ответ (intra-myocardial SFR, SFRim), возникающий вследствие механического взаимодействия между неоднородными сократительными элементами миокардиальной ткани [Markhasin et al, Prog Biophys Мої Biol., 2012].
В последние годы накоплены многочисленные данные, свидетельствующие о том, что миокард даже в норме существенно неоднороден, то есть, состоит из кардиомиоцитов, механические, электрические и биохимические свойства которых существенно различаются в различных регионах стенки желудочков (см. обзор [Мархасин и др., РФЖ им. И.М. Сеченова, 2009]). Также известно, что при возбуждении миокарда стенки желудочка существует характерная задержка активации его регионов [Рощевская И.М., СПб.: Наука, 2008]. При развитии патологического состояния миокарда свойства кардиомиоцитов изменяются и в трансмуральном, и в продольном направлениях от базы к верхушке (см. обзор [Мархасин и др., РФЖ им. И.М. Сеченова, 2009]).
Несмотря на то, что неоднородность миокарда хорошо документирована экспериментально, ее роль в регуляции электрической и механической функции до
сих пор недостаточно изучена. В ИИФ УрО РАН в течение ряда лет ведется изучение феномена неоднородности миокарда. Разработаны простейшие экспериментальные и теоретические модели неоднородного миокарда тканевого уровня - мышечные дуплеты [Мархасин и др., Екатеринбург: УрО РАН, 1999; Markhasin et al, Prog Biophys Мої Biol, 2003], объединяющие последовательно или параллельно соединенные мышечные элементы. В качестве элементов дуплета могут выступать препараты сердечной мышцы (биологические мышцы), математические модели электрической и механической функции миокарда (виртуальные мышцы), или гибридные пары мышцы и модели [Markhasin et al., Prog Biophys Мої Biol, 2003; Solovyova et al, Int J Bifurcation and Chaos, 2003; Protsenko et al., Am J Physiol, 2005]. При помощи метода дуплетов был открыт новый круг явлений, обусловленных механическим взаимодействием между неоднородными элементами миокарда, в частности, феномен тонкой подстройки функции элементов дуплета (tuning effect) [Solovyova et al, Chaos, Solitons & Fractals, 2002], закон сохранения сократимости дуплета [Markhasin et al., Oxford Press, 2011], выявлены связи между последовательностью активации элементов дуплета и его функцией [Мархасин и др., РФЖ им. И.М. Сеченова, 2004; Solovyova et al, Philos Trans A, 2006]. Данное исследование сфокусировано на изучении медленных инотропных ответов, обусловленных неоднородностью миокарда. Оно является естественным продолжением предыдущих исследований, является новым и актуальным.
Цель работы - оценить влияние механической неоднородности миокарда на его сократительную функцию и выявить молекулярно-клеточные механизмы, лежащие в основе такого влияния.
Задачи исследования:
-
Разработать программный комплекс для моделирования взаимодействия неоднородных мышечных элементов, соединенных в последовательный мышечный дуплет или в одномерную цепочку.
-
Оценить влияние механической и электрической асинхронности мышц на биомеханическую активность простейших моделей неоднородных
миокардиальных систем - виртуальных дуплетов, и их элементов.
-
При помощи математических моделей однородной и неоднородной мышечных цепочек выяснить влияние механического взаимодействия между элементами цепочек на их электро-механическую функцию.
-
Сопоставить эффекты, обнаруженные в рамках математических моделей с результатами физиологических экспериментов.
-
Проанализировать в рамках математической модели электромеханических явлений в кардиомиоцитах молекулярно-клеточные механизмы, лежащие в основе феноменов механического взаимодействия неоднородных элементов дуплета и цепочки.
Научная новизна
При помощи математической модели открыт новый тип медленного инотропного ответа в миокарде - интра-миокардиальный медленный ответ, вызванный механическим взаимодействием его неоднородных мышечных элементов. Предсказания модели подтверждены в физиологических экспериментах на биологических и гибридных мышечных дуплетах.
Предложена характеристика динамических деформаций мышечных сегментов миокарда в течение сократительного цикла в виде интегралов циклических деформаций, позволяющая оценить влияние механического взаимодействия мышц на их сократительный потенциал.
При помощи одномерных математических моделей неоднородного миокарда -цепочек из механически взаимодействующих мышечных сегментов, - впервые показано, что последовательность активации играет ключевую роль в регуляции его электромеханической функции.
В рамках математических моделей впервые проведен анализ молекулярно-клеточных процессов в кардиомиоцитах во время взаимодействия неоднородных мышечных элементов. Установлен новый механизм ауто-регуляции электрической и механической функции кардиомиоцитов, связанный с их динамическими деформациями в течение сократительного цикла миокарда.
Научная и практическая значимость
Использование математического моделирования в данной работе демонстрирует, что модели могут служить самостоятельным источником новых знаний и важным инструментом исследования физиологических явлений. Именно в численных экспериментах на математических моделях неоднородного миокарда был открыт новый тип медленного инотропного ответа в сердечной мышце, и лишь затем предсказания модели были подтверждены в целенаправленных физиологических экспериментах, протоколы которых были сформулированы на основе модельных результатов.
При помощи виртуальных цепочек было показано, что нарушение последовательности активации миокарда может приводить к резкому ухудшению его электрической и сократительной функции. Полученные результаты важны для понимания молекулярно-клеточных механизмов, лежащих в основе терапевтического эффекта ресинхронизации желудочков, широко используемой в настоящее время при лечении аритмий и сердечной недостаточности.
Разработан программный комплекс, который позволяет проводить численные эксперименты как на простейших моделях неоднородного миокарда - виртуальных дуплетах, так и на моделях с более сложной структурой неоднородности при разных режимах сокращения.
Разработано программное обеспечение для расчета математической модели в реальном времени и использования ее в качестве виртуальной мышцы, взаимодействующей с реальным биологическим препаратом миокарда в физиологических экспериментах на гибридных мышечных дуплетах.
Внедрение
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре экспериментальной физики Физико-технического института Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина; на кафедре нормальной физиологии ГБОУ ВПО УГМА Минздрава России.
Положения, выносимые на защиту
-
В результате динамического механического взаимодействия мышечных сегментов в течение сократительного цикла неоднородного миокарда (в последовательном мышечном дуплете или цепочке) возникают медленные инотропные ответы каждого элемента и системы в целом.
-
Изменение сократимости мышечных сегментов зависит от преимущественного направления циклических деформаций, укорочения или удлинения мышц, во время их взаимодействия.
-
Механическое взаимодействие мышечных сегментов в неоднородном миокарде (последовательном мышечном дуплете или цепочке) сопровождается изменением электрической активности кардиомиоцитов и кинетики внутриклеточного кальция в каждом из сегментов.
-
Последовательность активации мышечных сегментов миокарда, связанная с распространением волны возбуждения, приводит к закономерному изменению их функционального состояния.
-
Механо-кальциевые и механо-электрические обратные связи играют ключевую роль в формировании медленных инотропных ответах в неоднородном миокарде.
Апробация работы и публикации. Результаты работы были представлены на международных конференциях: на XVIII и XX Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Казань, 2001; Москва, 2007); на XXXIV Международном конгрессе физиологических наук (Окленд, Новая Зеландия, 2001); I и Ш Съезде физиологов СНГ (Сочи, 2005; Ялта 2010); на 5-ом Международном симпозиуме по механо-электрическому сопряжению в сердце и аритмиям (Оксфорд, Великобритания, 2010).
По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 11 публикаций в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, который включает в себя 130 источников
(9 отчественных и 121 зарубежный) и приложения. Диссертация изложена на 150 страницах, содержит 36 рисунков и 3 таблицы.
Работа была выполнена при поддержке грантов РФФИ, Программы фундаментальных исследований Президиума РАН, гранта Президента РФ для государственной поддержки ведущей научной школы РФ.
Автор благодарит сотрудников лаборатории математической физиологии и лаборатории биологической подвижности ИИФ УрО РАН Н.А. Викулову, В.Ю. Гурьева, Л.Б. Кацнельсона, Ю.Л. Проценко, А.А. Балакина и О.Н. Лукина за проведение совместных исследований.