Введение к работе
Актуальность исследования. К настоящему времени хорошо известно, что синусно-предсердный узел млекопитающих построен двумя основными типами клеток-водителей ритма – истинными и латентными, отличающимися друг от друга по основным характеристикам их потенциалов действия, однако проблемы морфо-функциональной организации этого образования и, особенно, нейро-гуморальной регуляции сердечного ритма до сих пор исследованы весьма фрагментарно. Кроме того, количество видов млекопитающих, у которых исследованы клетки-водители ритма, невелико. При этом подавляющая масса работ была выполнена на синусно-предсердном узле кролика [Boyett M.R. et al., 2000; Mangoni M. et Nurgeot J., 2008; Opthof T., 1988]. Морфологами за истекший период также исследованы синусно-предсердные узлы ряда видов млекопитающих, описана ультраструктура клеток, входящих в их состав, особенности пространственной организации этих образований, их кровоснабжение, нейро-тканевые взаимоотношения и распределение рецепторных структур внутри них [Павлович Е.Р., 2003; Anderson R.H., 2009; James T.N., 2002]. Методы исследования, основанные на изучении строения и параметров электрической активности ферментативно диссоциированных клеток синусно-предсердных узлов и включающие иммуногистохимические методы, внесли определенные коррективы в наши представления о функциональной значимости, распределении и экспрессии в пределах узла ионных каналов, различных типов коннексинов, рецепторов и прочих белков, обеспечивающих специфическое функционирование клеток-водителей ритма. Изучение распределения в пределах синусно-предсердных узлов кролика и мыши различных типов коннексинов выявило наличие коннексина Сх43 в центральной части. На основании этих данных и данных морфологического исследования ферментативно диссоциированных клеток был сделан вывод о протрузии рабочих атриальных кардиомиоцитов в центральную часть узла и предложена «мозаичная» модель строения синусно-предсердного узла [Verheijck E.E. et al., 1998, Vercheijck E.E. et al., 2001] в противовес сложившейся «градиентной модели» [Boyett M.R. et Dobrzynski H., 2007]. В сложившейся ситуации появилась необходимость детального электронномикроскопического изучения взаимоотношений разных типов кардиомиоцитов в пределах узла.
В процессе жизнедеятельности организма под влиянием факторов внешней и внутренней среды постоянно происходят процессы модуляции частоты сердечных сокращений под воздействием всевозможных гуморальных факторов и импульсов автономной нервной системы. Эти изменения определяются плотностью иннервации синусно-предсердного узла, степенью равномерности (или неравномерности) иннервации разных его отделов, а также характером распределения на цитолеммах кардиомиоцитов разных частей узла рецепторных структур, способных воспринимать эти регуляторные воздействия. Однако на фоне большого числа работ, посвященных особенностям их автономной иннервации (представленности в ткани узла чувствительных, пре- и постганглионарных волокон симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы, плотностям иннервации различных частей узла, количественной и качественной представленности нейротрансмиттеров в этих волокнах) существует незначительное число работ, посвященных количественному распределению основных рецепторных (холино- и адренорецепторных) структур в пределах синусно-предсердного узла [Beau S.L. et al., 1995; Hancock J.C. et al., 1987; Kurogouchi F. et al., 2002; Saito K. et al., 1994; Saito K. et al., 1989]. Количественные данные по распределению в ткани узла дофаминовых рецепторов и рецепторов к котрансмиттерам пептидной природы, выявленных в отростках нейроцитов автономной нервной системы, вообще отсутствуют.
Наличие артерии, проходящей через центральную часть синусно-предсердного узла, накладывает целый ряд особенностей на его архитектонику, функционирование и регуляцию деятельности. В частности, пульсовые толчки, ритмично деформирующие стенку артерии синусно-предсердного узла, оказывают модулирующее действие на работу клеток-водителей ритма [James T.N., 2003]. У наиболее часто используемых физиологами объектов исследования – кролика и морской свинки – такая артерия отсутствует, в то время как у большинства млекопитающих, в том числе человека и крысы синусные узлы организованы вокруг артерии.
Таким образом, в настоящее время проблема пространственной организации синусно-предсердного узла сердца крыс, особенностей взаимоотношений разных типов кардиомиоцитов внутри узла, морфологических основы обеспечения функционирования синусно-предсердного узла как целого и регуляции сердечной хронотропии, а также морфо-функциональных изменений в ткани синусно-предсердного узла, происходящих в процессе старения остается актуальной. Особенно важно изучение структуры и функционирования синусно-предсердного узла в процессе старения, поскольку основной контингент пациентов, обращающихся за медицинской помощью в настоящее время, - это люди пожилого возраста.
Цель исследования состояла в комплексном электрофизиологическом и морфологическом изучении клеток-водителей ритма синусно-предсердного узла сердца крыс для построения пространственной модели узла с указанием топографической локализации клеток-водителей ритма с различными формами потенциалов действия и распределением плотностей рецепторных образований к основным медиаторам автономной нервной системы, а также исследование механизмов регуляции сердечного ритма ацетилхолином и норадреналином и выявление изменений, происходящих в синусно-предсердном узле в процессе старения.
В задачи исследования входило:
- получить количественные показатели электрической активности клеток-водителей ритма синусно-предсердного узла сердца крыс;
- картировать распределение клеток-водителей ритма вдоль артерии синусно-предсердного узла и определить топографические ориентиры местоположения доминантного пейсмекерного региона;
- установить пространственное взаиморасположение разных типов клеток-водителей ритма и рабочих атриальных кардиомиоцитов в области синусно-предсердного узла;
- исследовать и количественно оценить эффект передвижения доминантного пейсмекерного региона in vitro в ответ на введение возрастающих концентраций норадреналина;
- исследовать влияние in vitro возрастающих концентраций ацетилхолина на эффект передвижения доминантного пейсмекерного региона;
- авторадиографически исследовать распределение плотностей рецепторных структур, ответственных за связывание ацетилхолина, норадреналина, дофамина и энкефалинов в ткани центральной части синусно-предсердного узла;
- построить пространственную морфо-функциональную схему синусно-предсердного узла сердца крысы с указанием локализации клеток-водителей ритма с разными формами потенциалов действия и распределением плотностей рецепторных структур;
- установить характер морфо-функциональных изменений, происходящих в синусно-предсердном узле в процессе старения.
Научную новизну работы определяют следующие результаты проведенных исследований:
- показана топография распределения разных типов клеток-водителей ритма вдоль артерии синусно-предсердного узла;
- установлены закономерности пространственного взаиморасположения различных типов клеток-водителей ритма и рабочих атриальных кардиомиоцитов в области синусно-предсердного узла;
- уточнены характеристики электрической активности клеток-водителей ритма синусно-предсердного узла сердца крыс;
- выявлены морфологические ориентиры местоположения доминантного пейсмекерного региона (местоположения истинных клеток-водителей ритма);
- определены параметры передвижения доминантного пейсмекерного региона в ответ на введение возрастающих концентраций норадреналина;
- определены параметры передвижения доминантного пейсмекерного региона в ответ на введение возрастающих концентраций ацетилхолина;
- показано распределение плотностей М-холинорецепторов, -адренорецепторов, дофаминовых и опиоидных рецепторов в центральной части синусно-предсердного узла;
- установлена связь между передвижением доминантного пейсмекерного региона в ответ на введение норадреналина и ацетилхолина и распределением плотностей рецепторов к этим медиаторам;
- построена пространственная схема организации синусно-предсердного узла крыс, впервые включающая как особенности взаиморасположения различных морфо-функциональных типов клеток-водителей ритма и рабочих атриальных кардиомиоцитов, так и закономерности распределения рецепторных структур к основным медиаторам автономной нервной системы в топографически определенной области, занятой этим образованием проводящей системы сердца;
- выявлены ранее неизвестные закономерности морфо-функциональных изменений, происходящих в синусно-предсердном узле в процессе старения.
Научно-практическую значимость исследования составляют уточненные количественные характеристики потенциалов действия клеток-водителей ритма синусно-предсердного узла сердца крыс, топография распределения клеток-водителей ритма с различными типами потенциалов действия в пределах узла, наличие точного морфологического ориентира доминантного пейсмекерного региона, характеристики распределения рецепторных структур в пределах узла и морфо-функциональные механизмы, лежащие в основе регуляции сердечного ритма. Наличие морфо-функциональной модели синусно-предсердного узла сердца крыс в совокупности с количественными характеристиками элементов ее составляющих, в том числе и в стареющем организме, создает научно-практическую базу для работы с препаратами синусно-предсердного узла сердца крыс в иммуногистохимических исследованиях, фармакологических испытаниях кардиотропных препаратов и дальнейших исследованиях в области механизмов пейсмекинга и возникновения аритмий. Ряд результатов работы – цитофизиологические характеристики клеток-водителей ритма, нейро-тканевые взаимоотношения и межклеточные взаимодействия в пределах синусно-предсердного узла – существенно дополняют представления об устройстве и функционировании синусно-предсердного узла.
Положения, выносимые на защиту:
1. Синусно-предсердный узел сердца крыс состоит из истинных и латентных клеток-водителей ритма с присущими им характеристиками электрической активности, топографией распределения вдоль артерии синусного узла и особенностями их взаиморасположения, как в ткани самого узла, так и относительно окружающих узел рабочих атриальных кардиомиоцитов.
2. В пределах синусно-предсердного узла сердца крыс можно выделить центральную и периферическую части. Центральная часть синусно-предсердного узла сердца крыс состоит из двух областей, отделенных друг от друга артерией синусно-предсердного узла, - латеральной и медиальной, отличающихся друг от друга функциональными и морфологическими показателями. Периферическая часть построена латентными клетками-водителями ритма с формами потенциалов действия, представляющими собой разнообразные переходные формы между потенциалами действия истинных клеток-водителей ритма и рядом расположенными рабочими атриальными кардиомиоцитами.
3. Латеральная область центральной части синусно-предсердного узла состоит из морфологически однотипных клеток, электрофизиологически представляющих собой истинные клетки-водители ритма, формирующие доминантный пейсмекерный регион (функциональное ядро синусно-предсердного узла) и латентные клетки-водители ритма, строящие функциональный хвост синусно-предсердного узла, формы потенциалов действия которых однотипны по форме и различаются только степенью плавности перехода из фазы медленной диастолической деполяризации в фазу начального быстрого подъема потенциала и крутизной нарастания потенциала в фазе начального быстрого подъема потенциала.
4. Медиальная область центральной части синусно-предсердного узла сердца крыс, состоящая преимущественно из латентных клеток-водителей ритма, характеризуется мощным скоплением дофаминовых рецепторов в зоне напротив доминантного пейсмекерного региона, указывающем, соответственно, на скопление в этом месте автономных постганглионарных волокон и место отхождения ветви артерии синусно-предсердного узла. Высокое ветвление артерии синусно-предсердного узла всегда определяет локализацию доминантного пейсмекерного региона.
5. Процессы регуляции сердечного ритма медиаторами автономной нервной системы осуществляются в пределах латеральной области центральной части синусно-предсердного узла и сопровождаются сменой лидирующей группы клеток-водителей ритма (передвижением доминантного пейсмекерного региона) на новую, клетки которой обладают иными характеристиками электрической активности.
6. Распределение плотностей М-холинорецепторов, -адренорецепторов, дофаминовых и опиоидных рецепторов в латеральной зоне центральной части синусно-предсердного узла носит общий характер. Указанный характер распределения плотностей рецепторов определяет направление и степень передвижения доминантного пейсмекерного региона.
7. Процессы старения в организме крыс приводят к увеличению линейных размеров синусно-предсердного узла, миграции доминантного пейсмекерного региона вниз по артерии синусно-предсердного узла, увеличению диаметров, как клеток-водителей ритма, так и окружающих рабочих атриальных кардиомиоцитов, урежению собственной частоты генерации потенциалов действия истинными клетками-водителями ритма и увеличению ширины пика потенциалов действия истинных и латентных клеток-водителей ритма.
Апробация работы. Материалы работы были представлены на: Юбилейной научной конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты современной морфологии» (Санкт-Петербург, 1997); Всероссийской научной конференции по патологической анатомии памяти И.К. Есиповой и В.Н. Галанкина (Москва, 2001); Научно- практической конференции «Медико-биологические науки для теоретической и клинической медицины» (Москва, 2003); IV конгрессе Международной ассоциации морфологов (Уфа, 2002); Научно- практической конференции «Медико-биологические науки для теоретической и клинической медицины» (Москва, 2003); . III российской научной конференции « Роль природных факторов и туризма в формировании здоровья населения» (Уфа, 2005); VI Общероссийской научной конференции с международным участием «Успехи современного естествознания» (Сочи, 2005); IV научной конференции «Проблемы морфологии. Теоретические и клинические аспекты» (Астрахань, 2005); Международной конференции «Структурные преобразования органов и тканей на этапах онтогенеза в норме и при воздействии антропогенных факторов. Экология и здоровье человека» (Астрахань, 2007); Научно-практической конференции с международным участием, посвященная 85-летию со дня рождения доктора медицинских наук, профессора Степанова Петра Федоровича (Смоленск, 2009); совместная научно-практической конференции коллективов кафедр морфологии МБФ, фундаментальной и прикладной физиологии МБФ, гистологии и эмбриологии лечебного факультета РГМУ и кафедры гистологии ММА им. И.М. Сеченова (Москва, 14 апреля 2010).
Внедрение результатов исследования. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедрах: физиологии человека и животных биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, фундаментальной и прикладной физиологии медико-биологического факультета ГОУ ВПО РГМУ Росздрава, гистологии, цитологии и эмбриологии ГОУ ВПО «Мордовский государственный университет» и морфологии медико-биологического факультета ГОУ ВПО РГМУ Росздрава.
По теме диссертации получено авторское свидетельство: «Устройство для исследования образца переживаемой ткани. (Патент RU 2063704, выдан 20. 07. 1996, Бюл. №20). Автор участвовал с указанным устройством в выставке «Научные разработки и медицинская техника вчера и сегодня» и удостоен нагрудного знака «УЧАСТНИК ВВЦ» (Свидетельство № 18, постановление от 7.04.2000 № 24). Камера использовалась в 2007 году в совместных исследованиях с сотрудниками “Division of Cardiovascular and Endocrine Sciences. University of Manchester” (руководитель - prof. M.R. Boyett).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из одного тома и содержит следующие разделы: «Введение», «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты исследования и их обсуждение», «Заключение», «Выводы», «Практические рекомендации» и «Список литературы». Работа изложена на 362 страницах и включает в себя 4 таблицы и 91 иллюстрацию. Список литературы состоит из 607 источников, из которых 43 – отечественных и 564 – иностранных.
