[ 3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 постнагрузки 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 Mol 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-миокардиальный медленный инотропный ответ (intra-myocardial SFR, SFRIM), возникающий вследствие механического взаимодействия между неоднородными сократительными элементами миокардиальной ткани [Markhasin et al., Prog Biophys Mol 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 Mol 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 Mol Biol, 2003; Solovyova et al., Int J Bifurcation and Chaos, 2003; Protsenko et При помощи метода дуплетов был открыт новый круг al., Am J Physiol, 2005].
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 1.
неоднородных мышечных элементов, соединенных в последовательный мышечный дуплет или в одномерную цепочку.
Оценить влияние механической и электрической асинхронности мышц 2.
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 молекулярноклеточных 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 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 физиологических экспериментах, протоколы которых были сформулированы на основе модельных результатов.
последовательности активации миокарда может приводить к резкому ухудшению его электрической и сократительной функции. Полученные результаты важны для 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 физиологических экспериментах на гибридных мышечных дуплетах.
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.
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.
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 III 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 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 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.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражена актуальность темы исследования, поставлены цели и сформулированы задачи, дан краткий обзор содержания диссертации.В главе 1 дан аналитический обзор литературы, рассмотрены имеющиеся экспериментальные и клинико-физиологические данные, показывающие, что миокард существенно неоднороден по механическим, электрическим и биохимическим свойствам на всех уровнях организации: от молекулярного до тканевого. На основе экспериментальных данных показано, что неоднородность миокарда существенно изменяется при патологии. Предоставлен обзор известных видов феномена медленного инотропного ответа. При помощи математической модели сокращения одиночного кардиомиоцита проанализированы внутриклеточные процессы, лежащие в основе таких медленных инотропных ответов.
В главе 2 описаны объекты и методы исследования. Основные результаты, представленные в диссертации, были получены при помощи математического моделирования. В основе моделей неоднородного миокарда использовалась математическая модель электрической и механической активности сердечной мышцы, разработанная в лаборатории математической физиологии ИИФ УрО РАН совместно с Оксфордским университетом [Solovyova et al., Int J Bifurcation and Chaos, 2003]. Эта модель в литературе известна под названием «ЕкатеринбургОксфорд» (ЕО-модель) [Trayanova and Rice, Frontiers in Physiology, 2011]. Далее эта модель называется виртуальной мышцей.
ЕО-модель представляет собой систему из 28 дифференциальных уравнений, которые описывают электрическую и механическую активность кардиомиоцитов и связывающую их кинетику внутриклеточного кальция. ЕО-модель адекватно описывает широкий круг явлений в сердечной мышце [Solovyova et al., Int J Bifurcation and Chaos, 2003; Solovyova et al., Russ J Numer Anal Math Modelling, 2004], поэтому она была использована в данной работе в новых условиях для изучения явлений, происходящих в неоднородном миокарде.
Простейшей моделью неоднородного миокарда является мышечный дуплет [Мархасин и др., Екатеринбург: УрО РАН, 1999; Markhasin et al., Prog Biophys Mol Biol, 2003; Solovyova et al., Int J Bifurcation and Chaos, 2003; Protsenko et al., Am J Physiol, 2005] взаимодействующих друг с другом во время сократительного цикла. В данном исследовании рассмотрены последовательно соединенные мышечные пары. При последовательном соединении мышц генерируемые ими силы одинаковы, а длина дуплета равна сумме длин его элементов. В изометрическом режиме сокращения дуплета при постоянной длине пары каждая из мышц дуплета сокращается ауксотонически, а деформации мышц противоположно-направлены и определяются асинхронностью механической активности мышц. Такое взаимодействие элементов дуплета позволяет, например, исследовать процессы, протекающие при взаимодействии дистантных сегментов стенки интактного желудочка в изоволюмическую фазу его сокращения и расслабления, когда происходит существенная реконфигурация желудочка при его неизменном объеме [Katz, Lippincott Williams & Wilkins, 2011].
Основные результаты, представленные в диссертации, были получены в рамках математической модели мышечного дуплета – виртуального дуплета [Solovyova et al., Int J Bifurcation and Chaos, 2003; Мархасин и др., РФЖ им. И.М.
Сеченова, 2004]. В нем поведение каждой из мышц описывается ЕО-моделью.
Естественным усложнением мышечного дуплета является модель одномерной ткани – мышечная цепочка, которая позволяет исследовать взаимодействие нескольких последовательно соединенных мышц [Solovyova et al., Philos Transact A, 2006; Соловьева и др., РФЖ им. И.М. Сеченова, 2007] и позволяет моделировать градиенты электрических и механических свойств кардиомиоцитов в ткани.
Совместно с сотрудниками лаборатории биологической подвижности ИИФ УрО РАН под руководством Ю.Л. Проценко были проведены эксперименты с использованием физиологической модели мышечных дуплетов – биологического [Markhasin et al., Prog Biophys Mol Biol, 2003; Мархасин и др., РФЖ им. И.М.
Сеченова, 2004] и гибридного [Protsenko et al., Am J Physiol, 2005] дуплетов. В биологическом дуплете исследуется взаимодействие двух последовательно соединенных изолированных препаратов миокарда – папиллярных мышц либо трабекул правого желудочка сердца теплокровных животных (крыса, кролик, морская свинка). В гибридном дуплете исследуется взаимодействие в реальном времени изолированного препарата миокарда и виртуальной мышцы. В качестве виртуальной мышцы в гибридном дуплете использовалась ЕО-модель.
В данной работе исследовались эффекты механического взаимодействия сегментов миокардиальной ткани в мышечном дуплете, которые обусловлены временнй неоднородностью механической активности мышц, т.е. неодинаковостью временного хода силогенерации мышечными элементами дуплета (раньше-позже, быстрее-медленней, сильнее-слабее, дольше-короче и т.д.). Такая неоднородность возникает вследствие двух факторов:
мышечных элементов дуплета, имитирующая распространение возбуждения в сердечной ткани.
Механическая асинхрония – неоднородность генерации сокращения мышечными элементами. Для моделирования механической асинхронии мышечных сегментов были разработаны быстро и медленно сокращающиеся образцы виртуальных мышц (далее будем называть их быстрой и медленной мышцами), имитирующие экспериментально установленные отличия сократительных свойств кардиомиоцитов от субэндокардиального к субэпикардиальному слою или от верхушки к базе [Solovyova et al., Int J Bifurcation and Chaos, 2003].
Следует отметить, что для исключения фактора неравенства сил, параметры виртуальных мышц подбирались таким образом, чтобы максимальные генерируемые силы при сокращении мышц в изоляции были равны.
Таким образом, эксперименты проводились на виртуальных дуплетах следующих типов:
однородные виртуальные дуплеты с задержкой активации одной из мышц.
2. Для моделирования механической асинхронии – неоднородные дуплеты без задержки активации.
3. Для моделирования сочетанного влияния электрической и механической асинхронии использовались неоднородные дуплеты с задержками активации одной из мышц.
В главе 3 приведены результаты численных экспериментов на виртуальных дуплетах и их анализ. В конце главы представлены результаты физиологических экспериментов на биологических и гибридных дуплетах, подтверждающие предсказания модели. Протокол исследования интра-миокардиального медленного инотропного ответа был следующим (рисунок 1). Перед формированием дуплета, зафиксированной частоте стимуляции и при одинаковой начальной длине (рисунок 1А, фаза 1). Затем мышцы объединяли в последовательный дуплет (рисунок 1А, фаза 2) и регистрировали переходной процесс изменения силы дуплета в изометрическом режиме его сокращения до установления нового стационарного состояния пары (рисунок 1А, фаза 3). После этого мышцы разъединяли, возобновляли исходный изометрический режим сокращения каждой из мышц и фиксировали их инотропный ответ, обусловленный изменившимся сократительным потенциалом мышц вследствие их взаимодействия в дуплете (рисунок 1А, фаза 4).
Рассмотрим пример медленного инотропного ответа, зарегистрированного при объединении двух одинаковых виртуальных мышц в последовательный дуплет с задержкой активации между элементами 80 мс.
Рисунок 1 – Медленный инотропный ответ в однородном виртуальном мышечном дуплете, состоящем из двух медленных виртуальных мышц (ВМ) с задержкой стимуляции одной из мышц (ВМ2) на 80 мс при стимуляции с интервалом 5 с.
Примечание: А: Переходной процесс поциклового изменения силы ВМ до и после объединения в дуплет, а также после его разъединения. Каждый столбец показывает максимальную силу ВМ в одиночном сократительном цикле. Сила нормирована на максимальную силу, генерируемую ВМ в изоляции (показана пунктирной линией). Б, слева направо: временной ход силы ВМ в течение одиночного сократительного цикла в изометрическом режиме в изоляции (нормирована на максимум силы); силы, генерируемой обеими ВМ в дуплете, и противоположно направленных деформаций каждой из ВМ (в долях от начальной длины) после установления стационарного режима сокращения дуплета (фаза (3) на панели А).
Сразу после объединения мышц сила дуплета резко падает по сравнению с изоляцией (рисунок 1А, фаза 2). После этого наблюдается медленный прирост силы в течение нескольких десятков циклов до нового стационарного уровня, меньшего, чем в изоляции (рисунок 1Б, в центре). Этот медленный прирос силы – медленный инотропный ответ дуплета, – отражает изменение сократимости мышц в процессе их взаимодействия.
Во время каждого цикла сокращения мышц в дуплете наблюдаются противоположно направленные деформации мышц (L, см. рисунок 1Б справа).
Виртуальная мышца (ВМ1), стимулируемая первой, сначала укорачивается, растягивая вторую мышцу (ВМ2), которая активируется позднее и растягивает ВМ большую часть сократительного цикла дуплета. Таким образом, бльшую долю времени взаимодействия мышц L>0 для ВМ1, то есть, она была преимущественно растянута по сравнению с исходной длиной. Напротив, L0 и наоборот. Изменение силы мышцы (прирост или уменьшение) после разъединения дуплета нормировано на силу, генерируемую мышцей в изоляции.
Как и в мышечных дуплетах, в численных экспериментах на виртуальных цепочках после последовательного соединения виртуальных мышц наблюдался переходной процесс изменения силы цепочки, свидетельствующий об изменении функционального статуса ее элементов на фоне их циклических деформаций в цепочке (рисунок 5).
В результате взаимодействия мышц в цепочке, даже в исходно однородных цепочках с заданной электрической асинхронией элементов, устанавливалось неоднородное распределение функциональных характеристик сокращения элементов цепочки (рисунок 6), которое проявлялось в изменении индивидуальной сократимости мышц, демонстрируемом в ответ на разъединение цепочки. В ряде случаев изменение силового потенциала мышц имело монотонный характер, соответствующий последовательности их активации в цепочке. При этом, как правило, наибольшее увеличение сократительного потенциала наблюдалось в мышце, претерпевающей наибольшие циклические укорочения в цепочке в сократительном цикле. Напротив, наибольшее уменьшение силового потенциала наблюдалось в наиболее растягиваемой мышце. В других случаях монотонность изменения силового потенциала мышечных элементов цепочки могла нарушаться вследствие сложного характера их деформаций в цепочке.
Рисунок 5 – Поля деформации мышечных элементов однородной цепочки, состоящей из быстрых виртуальных мышц с задержкой стимуляции между соседними элементами в 3 мс.
Примечание: Стрелками отмечены моменты стимуляции первого (#1) и последнего (#10) элементов цепочки.
Формирование динамических полей деформации элементов цепочки (рисунок 5) сопровождалось установлением градиентов функциональных характеристик элементов (рисунок 6): длительность потенциала действия элементов цепочки растет в направлении распространения волны возбуждения, появляется градиент амплитуды и длительности Ca2+ переходов, и, что самое главное, – возникает градиент концентрации кальция в СР, то есть при взаимодействии в цепочке сократительный потенциал элементов изменяется. Другими словами, исходно однородная система становится функционально неоднородной лишь за счет механического взаимодействия ее элементов.
Численные эксперименты показали, что в однородной цепочке с задержкой стимуляции элементов наряду с падением силы по сравнению с силой, генерируемой мышцами в изоляции, возникает аритмогенно опасная дисперсия реполяризации (рисунок 7А).
Рисунок 6 – Градиенты электромеханических характеристик взаимодействующих элементов в быстрой однородной цепочке.
Примечание: Показана зависимость длительности ПД (ДПД90, панель А), пика [Ca2+]i (ПCa, панель Б), времени спада [Ca2+]i на 90% от пика (ДCa90, панель В), диастолического уровня Ca2+ в СР ([Ca2+]СР, панель Г) от положения элемента в цепочке. Кружки показывают соответствующие значения характеристик в изоляции. Стрелки показывают направление распространения волны возбуждения.
неоднородными сократительными свойствами, ответ системы существенно зависел от последовательности активации ее элементов. Неоднородная цепочка с распространением волны возбуждения от медленных элементов к быстрым приобретала ряд физиологически важных качеств: в ней исчезала аритмогенноопасная дисперсия реполяризации элементов, волна реполяризации имела противоположное направление по сравнению с волной деполяризации (рисунок 7Б), возникновения очагов внеочередного возбуждения. Максимальная сила такой неоднородной цепочки была наибольшей среди рассмотренных вариантов неоднородных цепочек (рисунок 7). Последовательность активации от быстрых элементов к медленным приводит к резкому падению силы цепочки и существенному увеличению дисперсии реполяризации, что создает субстрат для аритмий (рисунок 7В).
Рисунок 7 – Электрическая и механическая активность одномерной цепочки из последовательно соединенных мышечных сегментов в изометрическом режиме сокращения.
Примечание: А: однородная цепочка, состоящая из 10 быстрых мышц (БМ). Б-В: неоднородная цепочка, составленная из элементов с градуальным изменением индивидуальных сократительных свойств от самой медленной мышцы (ММ) на одном конце цепочки до самой быстрой мышцы (БМ) на другом конце. Сверху вниз показано изменение во времени мембранного потенциала (Е) в кардиомиоцитах элементов цепочки; генерируемой цепочкой силы (F), нормированной на пик силы элементов в изоляции (он совпадает для всех элементов цепочки).
В главе 5 в рамках модели проведен анализ молекулярных механизмов, лежащих в основе интра-миокардиального медленного инотропного ответа.
Показано, что во время динамических деформаций элементов дуплета (или мышечной цепочки) в силу кооперативных механизмов кальциевой активации сократительных белков происходят механо-зависимые изменения кинетики взаимодействия кальция с регуляторным белком тропонином С, которые модулируют временной ход кальциевого перехода в кардиомиоцитах и, как следствие, приводят к перезагрузке кардиомиоцитов кальцием. При этом медленная дополнительная загрузка кальцием кардиомиоцитов в преимущественно сократительный потенциал, компенсирует их частичную инактивацию укорочением в каждом цикле. Напротив, в преимущественно растягиваемых мышечных сегментах происходит некоторое снижение уровня кальция во внутриклеточных накопителях СР, уменьшающее их индивидуальную сократимость, поскольку эти сегменты и так дополнительно активируются за счет циклического динамического растяжения по механизму Франка-Старлинга. Эти тонко сбалансированные внутриклеточные процессы, которые протекают в кардиомиоцитах из различных участков миокардиальной ткани, претерпевающих специфические циклические деформации, зависящие от последовательности их активации, представляют, на наш взгляд, новый контур ауто-регуляции функции миокарда [Markhasin et al., Prog Biophys Mol Biol, 2012]. Известно, что изменение собственно механических условий сокращения кардиомиоцитов и кинетики внутриклеточного кальция может служить триггером для транскрипции генов, кодирующих определенные изоформы белков, участвующих в электро-механическом сопряжении [Bers et al., Ann Rev Physiol, 2008]. В связи с этим, обнаруженные нами механизмы медленной, требующей нескольких сократительных циклов подстройки функциональной активности кардиомиоцитов к условиям их сокращения в неоднородном миокарде могут служить отправной точкой для запуска более продолжительных эпи-генетических программ ремоделирования миокарда в онтогенезе или при патологии.
В заключении обобщены результаты исследования и сформулированы следующие выводы:
1. Математическая модель неоднородной миокардиальной системы, реализованная в рамках программного комплекса для проведения численных экспериментов на виртуальных дуплетах и виртуальных цепочках, адекватно воспроизводит взаимодействие элементов неоднородной миокардиальной системы.
2. В рамках простейших моделей неоднородного миокарда – мышечных дуплетов, обнаружен новый тип медленного инотропного ответа – интрамиокардиальный медленный инотропный ответ, обусловленный динамическим взаимодействием мышечных элементов неоднородного миокарда. Изменение сократительного потенциала мышц при сокращении в дуплете зависит от характера их деформации в процессе взаимодействия.
3. Последовательность активации элементов мышечной цепочки, имитирующая волну возбуждения, значимо влияет на функцию миокардиальной системы. Нарушения последовательности активации в нормальном миокарде могут приводить к дискоординации региональной механической функции, резкому падению силы и увеличению дисперсии реполяризации, создающей субстрат для аритмий.
4. Физиологические эксперименты на биологических и гибридных дуплетах подтвердили предсказания модели, полученные в рамках виртуальных дуплетов.
Знак характеристического индекса динамических деформаций мышечных сегментов миокарда, интеграла циклической деформации, достоверно коррелирует с изменением сократимости мышцы в результате взаимодействия с другими сегментами миокардиальной системы.
5. При взаимодействии мышц меняются не только их механические характеристики, но также и электрическая активность кардиомиоцитов, и кинетика внутриклеточного кальция. Изменение сократимости взаимодействующих мышц обусловлено соответствующими изменениями содержания кальция во внутриклеточных накопителях кальция (саркоплазматическом ретикулуме) кардиомиоцитов.
электрической и механической функции кардиомиоцитов в неоднородном миокарде являются кооперативные механизмы кальциевой активации миофиламентов саркомеров, лежащие в основе обратных связей между механической и электрической активностью кардиомиоцитов, а также внутриклеточной кинетикой кальция.
7. Обнаруженные механизмы ауто-регуляции сократимости миокарда лежат в основе внутриклеточных процессов подстройки функционального состояния кардиомиоцитов к условиям их сокращения в сердечной ткани.
Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Katsnelson L.B. Contribution of mechanical factors to arrhythmogenesis in calcium overloaded cardiomyocytes: model predictions and experiments / L.B. Katsnelson, O. Solovyova, A. Balakin, O. Lookin, P. Konovalov, Y. Protsenko, T. Sulman, V.S. Markhasin // Progress in Biophysics and Molecular Biology. - 2011. – V.107(1). – P.81-89.
2. Konovalov P. Combined mathematical model of electrical and mechanical activity of ventricular cardiomyocytes in rat / P. Konovalov, O. Solovyova, L. Katsnelson and V.S. Markhasin // Journal of General Physiology. – 2009. – Vol. 134, №1. - P.
3. Konovalov P. Local Contractility Matching to Global Demand in Heterogeneous Myocardium: Role of Mechanical Interaction / P. Konovalov, O. Solovyova, V.S. Markhasin, P. Kohl // Biophysical Journal. - 2003. – Vol. 84, № 2. – P. 240a 4. Markhasin V.S. Slow force response and auto-regulation of contractility in heterogeneous myocardium / V.S. Markhasin, A.A. Balakin, L.B. Katsnelson, P.
Konovalov, O.N. Lookin, Y. Protsenko and O. Solovyova // Progress in Biophysics and Molecular Biology. - 2012. – Vol. 110 (2-3). – P. 305-318.
5. Solovyova O. Activation sequence as a key factor in spatio-temporal optimization of myocardial function / O. Solovyova, L.B. Katsnelson, P. Kohl, P. Konovalov, O.
Lookin, A.S. Moskvin, N. Vikulova, Yu.L. Protsenko, V.S. Markhasin // Philosophical Transactions of the Royal Society A. - 2006. – Vol. 364. – P. 1367Solovyova O. Mathematical modelling of mechano-electric feedback in cardiomyocytes / O. Solovyova, N. Vikulova, P. Konovalov, P. Kohl, V.S.
Markhasin // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. Vol. 19, № 4. – P. 331-351.
7. Solovyova O. Slow responses to the mechanical interaction between heterogeneous heart segments / O. Solovyova, P. Kohl, P. Konovalov, V.S. Markhasin // FASEB journal. - 2005. – Vol.19, № 4. – P. A556.
Кацнельсон Л.Б. Моделирование механо-электрического сопряжения в кардиомиоцитах в норме и при патологии / Л.Б. Кацнельсон, О.Э. Соловьева, Т.Б. Сульман, П.В. Коновалов, В.С. Мархасин // Биофизика. 2006. – Т.51, вып. 6. – С. 1044-1054.
Мархасин В.С. Математическое моделирование в физиологии и патофизиологии сердца / В.С. Мархасин, Н.А. Викулова, В.Ю. Гурьев, Л.Б.
Кацнельсон, П.В. Коновалов, О.Э. Соловьева, Т.Б. Сульман // Вестник уральской медицинской академической науки. - 2004. – T. 3. – С. 31-37.
Мархасин В.С. Электромеханическая неоднородность миокарда / В.С.
10.
Мархасин, А.А. Балакин, В.Ю. Гурьев, О.Н. Лукин, П.В. Коновалов, Ю.Л.
Проценко, О.Э. Соловьева // Российский физиологический журнал им. И.М.
Сеченова. - 2004. – Т. 90, № 8. – С. 1060-1076.
Соловьева О.Э. Исследование электромеханического и механо-электрического 11.
сопряжения в миокарде при помощи математических моделей / О.Э.
Соловьева, П.В. Коновалов, Н.А. Викулова, Л.Б. Кацнельсон, В.С. Мархасин // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. - 2007. – T. 93, вып. 9. – С. 945-968.
Публикации в других изданиях:
12. Balakin A. Contribution of mechanical factors to arrhythmogenesis in calcium overloaded cardiomyocytes: model predictions and experiments. / A. Balakin, L.B. Katsnelson, P. Konovalov, O. Lookin, Y. Protsenko, O. Solovyova, T.
Sulman, V.S. Markhasin // 5th International workshop on Cardiac Mechano-Electric Coupling and Arrhythmias, Proceedings. – Oxford, England, 2010. – P. 72.
13. Guriev V. Effects of mechanical interaction between serial virtual muscles in a duplex model of inhomogeneous myocardium / V. Guriev, P. Konovalov, V.
Markhasin, O. Solovyova // Proceedings of the Physiological Society of New Zealand. – Christchurch, New Zealand, 2001. – Vol. 20. Suppl. 1. – P. 46.
14. Guriev V. Tuning-effect in inhomogeneous myocardium caused by interaction between contractile elements: experiments and models / V. Guriev, P. Konovalov, V. Markhasin, L. Nikitina, S. Rutkevich, O. Solovyova // Proceedings of the Physiological Society of New Zealand. – Christchurch, New Zealand, 2001. – Vol.
Гурьев В.Ю. Биомеханические эффекты при взаимодействии неоднородных 15.
сократительных элементов миокарда / В.Ю. Гурьев, П.В. Коновалов, О.Э. Соловьева // XVIII Съезд физиологического общества имени И.П.
Павлова: тез. докл. – Казань, 2001. – С. 428.
Гурьев В.Ю. Математическое моделирование сократительной регуляции в 16.
неоднородном миокарде (на примере двух последовательно соединенных мышц) / В.Ю. Гурьев, П.В. Коновалов // XVIII Съезд физиологического общества имени И.П. Павлова: тез. докл. – Казань, 2001. – С. 330.
Мархасин В.С. Последовательность активации как ключевой механизм 17.
пространственно-временной оптимизации функции миокарда / В.С. Мархасин, О.Э. Соловьева, П.В. Коновалов // Научные труды I Съезда физиологов СНГ.
Соловьева О.Э. Биомеханические эффекты при взаимодействии неоднородных 18.
сократительных элементов миокарда / О.Э. Соловьева, В.Ю. Гурьев, П.В. Коновалов, Л.В. Никитина, С.М. Руткевич, В.С. Мархасин // XVIII Съезд физиологического общества имени И.П. Павлова: тез. докл. – Казань, 2001. – Соловьева О.Э. Математическое моделирование электрических и 19.
механических явлений в миокарде / О.Э. Соловьева, Л.Б. Кацнельсон, П.В.
Коновалов, В.С. Мархасин // Современные проблемы биомеханики: сб. тр. – М., 2006. – № 12. – С.131-151.
Соловьева О.Э. Роль последовательности активации в формировании 20.
пространственно-временной структуры и функции миокарда / О.Э. Соловьева, П.В. Коновалов, В.С. Мархасин // Тезисы докладов XX съезда физиологического общества им. Павлова. – М., 2007. – С. 67.
«