Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние неоднородности и нелинейности механических характеристик миокарда на его сократимость

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Проценко, Юрий Леонидович

Актуальность проблемы

Заболевания сердечно-сосудистой системы длительное время занимают первое место среди причин смертности населения. Смертность от них в России увеличилась за последнее десятилетие почти в 1,5 раза, причем люди все чаще уходят из жизни в трудоспособном возрасте. 55,5% общей смертности обусловлено болезнями сердца и сосудов, из которых почти половину случаев занимают ишемическая болезнь сердца и цереброваскулярные заболевания. На 12-ой сессии Общего собрания Российской академии медицинских наук, прошедшей в 2003 году в Москве признано, что раннее выявление и лечение сердечно-сосудистых заболеваний является вопросом национальной безопасности России. Поэтому исследование механизмов, регулирующих сократительную функцию миокарда в норме и их нарушение при патологии, представляет собой одну из самых актуальных проблем физиологии и патофизиологии сердца.

Основная функция сердца - насосная. Она реализуется сложным комплексом контуров регуляции сократимости миокарда, охваченных петлями обратных связей с прямой и перекрестной регуляцией насосной функции. В современной физиологии сердце рассматривается как насос и как мышца. Одним из фундаментальных физиологических свойств мышцы сердца является зависимость её механической и электрической активности от ритма сердцебиений, текущей длины саркомеров, нагрузки, степени кальциевой активации контрактильных белков и от нервных и гуморальных факторов [Sarnof, Mitchel, 1962; Изаков и др., 1982]. Сложная система регуляции сократимости обеспечивает высокую пластичность миокарда при адаптации насосной функции сердца к изменяющимся краткосрочным и длительно существующим условиям внутренней и внешней среды. Наиболее тонкими и уязвимыми, с точки зрения начальных проявлений патологии, являются регуляторные механизмы

Введение Диссертация по биологии, на тему "Влияние неоднородности и нелинейности механических характеристик миокарда на его сократимость"

Состояние проблемы

До недавнего времени выделяли два механизма регуляции сократимости миокарда: гомеометрический, в основе которого лежат явления Са2+ активации и инактивации сократительных белков (хроноинотропная, гуморальная и т.д.) и гетерометрический, в основе которого лежат процессы обусловленные изменением степени перекрытия контрактильных белков при изменении длины саркомера [Sarnoff, Mitchel, 1962]. Однако в конце прошлого века появились убедительные доказательства в пользу третьего важного механизма модуляции сократимости миокарда - неоднородности [Brutsaert, 1985]. Неоднородность проявляется в трансмуральном и продольном, от верхушки к основанию, градиентах морфологических, биохимических, механических и электрофизиологических характеристик клеток миокарда желудочка [Brutsaert, 1985; Bovendeerd et al., 1996; Antzelevitch, Fish, 2001; Bogaert, Rademakers, 2001].

Dirk Brutsaert высказал предположение, что неоднородность механических характеристик кардиомиоцитов является третьим важным детерминантом сократительной функции миокарда [Brutsaert, 1985]. К аналогичному заключению пришли A.M. Katz и Р.В. Katz, которые предложили рассматривать неоднородность как новую парадигму биомеханики сердечной мышцы [A.Katz, P.Katz, 1989]. В свете этой новой концепции было необходимо пересмотреть некоторые установившиеся представления о механизмах регуляции сократимости сердечной мышцы.

Исследование механизмов влияния ритма сердцебиений и начальной длины на сократительную функцию миокарда проводится давно, однако, до настоящего времени эти механизмы недостаточно изучены и до сих пор являются предметом пристального внимания исследователей. Нет данных об их совместном участии в регуляции сократимости миокарда. Практически только в настоящее время и в наших работах начаты исследования механизмов вклада пространственно-временной неоднородности кардиомиоцитов в сократительную функцию миокарда [Мархасин и др., 1999]. Вместе с тем, физиологическая и патофизиологическая значимость механической неоднородности миокарда, эффекты которой реализуются через гетерометрическую систему регуляции миокарда, чрезвычайно важна для сократительной функции сердца. Все три основных детерминанта сократимости миокарда реализуют свое влияние посредством изменения кинетики процессов сопряжения возбуждения с сокращением и механо-элекгрической обратной связи.

В проведенной работе мы осуществили попытку исследовать эти явления, используя новые подходы. В частности мы изучали влияние ритма сердцебиений на сократительную функцию миокарда, используя хорошо верифицированный в технических системах метод «белого шума». Этот метод позволил по одной реализации не только количественно оценить нелинейные ритмоинотропные характеристики миокарда, но и выявить ранее неучтенный фактор регуляции инотропного состояния сердечной мышцы. Была установлена тесная корреляционная связь между дисперсией ритма сердцебиений и сократительной функцией миокарда.

При изучении связи длина-сила мы исследовали не только хорошо изученный феномен этой связи при статическом растяжении мышцы, но и попытались выяснить характер динамического компонента в зависимости от особенностей электромеханического сопряжения в миокарде разных видов животных. Впервые нами был получен ряд важнейших сравнительно-физиологических данных по исследованию динамического компонента связи длина-сила в миокарде холоднокровных и теплокровных животных.

При изучении неоднородности миокарда мы также разработали принципиально новый методический подход. Суть подхода состоит в том, что мы модифицировали метод мышечных дуплетов, разработанный ранее в отделе молекулярной и клеточной биомеханики института физиологии Коми Научного центра УрО РАН, последовательно или параллельно соединив изолированный препарат миокарда с его математической моделью (виртуальной мышцей) в единый объект исследований.

В совокупности эти три подхода позволили получить сведения, существенно углубившие представления о механизмах регуляции сократимости миокарда. Эти данные открывают новое направление в изучении сложной нелинейной, неоднородной, миокардиальной системы.

Роль дисперсии ритма в регуляции механической активности миокарда в серии циклических сокращений изолированного препарата миокарда и дуплета

Ритмоинотропную регуляцию изучали на уровне изолированного кардиомиоцита [Antoons et al., 2002], в многоклеточном препарате изолированного миокарда [Bluhm F.E. et al., 2000,] и в целом сердце [Maier L.S. et al., 1997; Dumitrescu et al., 2002; Vogel M. et al., 2003]. Согласно современным представлениям в основе ритмозависимых феноменов лежат изменения кинетики внутриклеточного кальция при смене частоты стимуляции и возможно, взаимодействие неоднородных фрагментов миокарда.

Стационарная характеристика "частота - сила" существенно нелинейна на всех уровнях организации миокарда. Для нелинейных технических систем показано, что при подаче на ее вход случайного сигнала выходной сигнал системы существенно зависит не только от среднего значения, но и от дисперсии этого входного сигнала [Малахов, 1978].

Однако физиологические эксперименты на изолированных препаратах миокарда по изучению ритмоинотропных явлений проводят при стабильном (детерминированном) ритме и фиксированной длине препаратов миокарда. Такой метод исследования не позволяет изучать роль дисперсии ритма в регуляции сократимости миокарда. Важно, что наличие дисперсии характерно и для нормального миокарда (коэффициент вариации ритма «10%) и ее связывают с изменением тонуса симпатического и парасимпатического отделов нервной системы [Баевский, 1974]. Более того, ригидный ритм - это один из признаков патологии [Goldberger, 1991]. Обычно вариация устраняется усреднением значений того или иного параметра при обработке результатов. Кроме того, стимуляция с постоянным ритмом исключает возможность оценки сократительной функции миокарда у больных с мерцательной аритмией.

В работе впервые дисперсия входных сигналов исследована как:

- еще один, дополнительный к основному (среднему значению частоты стимуляции), регулятор сократимости миокарда;

- тестовый сигнал для идентификации систем хроноинотропной регуляции в естественных условиях.

Динамический компонент связи длина-сила (феномена Франка - Стерлинга), как проявление сложного характера гетерометрической системы регуляции сократимости миокарда

В основе влияния длины саркомеров на сократимость лежат изменения степени перекрытия контрактильных белков и изменения чувствительности их к ионам кальция при изменении длины и/или нагрузки на кардиомиоциты. Стационарная характеристика связи "длина-сила" существенно нелинейна.

В дополнение к классическому механизму регуляции сократимости целого сердца связи «конечнодиастолический объем - систолическое давление» (феномен Франка-Старлинга) обнаружен и интенсивно исследуется динамический компонент этой связи. Он проявляется в том, что сила сокращения после первого сокращения, обусловленного степенью перекрытия контрактильных белков, при ступенчатом удлинении и на постоянной длине миокарда продолжает медленно нарастать. Модуляции сократимости миокарда при резком изменении длины проявляется не только в изолированных кардиомиоцитах [Calaghan S., 2004], многоклеточных препаратах миокарда [Lakatta et al., 1977], но и в длительно нарастающей активации давления в камере в ответ на ступенчатое изменение увеличение объема полости желудочка собаки [TodakaK., 1998].

Участие предсердий в наполнении желудочков известно давно, однако до сих пор непонятен механизм лежащий в основе этого явления. Систола предсердия происходит в момент фазы наполнения, когда объем желудочка достигает своего максимального значения, т.е. конечно-диастолического объема. Объем впрыснутой во время систолы предсердий крови составляет не более 15% от объема желудочка и поэтому не может напрямую существенно повысить ударный объем желудочка. Однако в экспериментах с изменением степени синхронизации систолы предсердия и фаз сердечного цикла желудочка было показано, что вклад систолы предсердия в ударный объем желудочка составляет не менее 30% [Klautz, 1998]. В уникальной работе, когда в полость предсердия вставляли специальное устройство, позволяющее произвольно исключать или включать его систолу, показано, что при устранении систолы левого предсердия (пассивном заполнении желудочка кровью) остается только 1/4 от ударного объема желудочка, который имел место при сохраненной систоле предсердия [Anderson, chapter 4]. Следовательно, существуют основания предполагать, что помимо собственно дополнительного растяжения волокон миокарда стенки желудочка (феномен Франка-Старлинга), систола предсердий приводит и к дополнительной активации кардиомиоцитов желудочка, включая механизм динамического компонента этого феномена.

Многочисленные наблюдения указывают на важность участия предсердия в регуляции насосной функции сердца, которое приобретает особое значение у больных с гипертрофией желудочков. У этих больных недостаточность систолы предсердия, как это имеет место, например, при фибрилляции предсердий способствует уменьшению конечного диастолического давления и объема желудочков, что приводит, в конечном счете, к снижению сократительной функции миокарда [Braunwald, 1964]. Автор этой работы подчеркивает снижение именно сократительной функции миокарда желудочка, которое наступает при несостоятельности систолы предсердия.

Незначительный объем крови, впрыскиваемый предсердием, должен приводить к дополнительному растяжению волокон миокарда стенки желудочка. Это возможно потому, что систола предсердия создает дополнительное давление, так как развивается на фоне уже растянутых в фазу наполнения волокон желудочка в очень короткий промежуток времени повторного открытия атриовентрикулярных клапанов.

На изолированных препаратах миокарда различных животных показано, что в ответ на ступенчатую деформацию сила, развиваемая полоской миокарда, претерпевает изменения непосредственно после изменения длины и затем, в течение десятка минут, развивается переходный процесс - задержанный ответ [Parmley, Chuck, 1973; Allen, 1977; Lakatta, Jewel, 1977; Chuck, Parmley, 1980; Allen, Kurihara, 1982; Nichols, 1985]. Медленный положительный инотропный ответ на растяжение показан и в интактном сердце [Tucci et al., 1984].

В этом ответе были выделены статический и динамический компоненты феномена Франка-Старлинга [Изаков и др., 1982]. Природа и механизмы динамического компонента оставались непонятыми, хотя исследователи пришли к общему мнению, что быстрые изменения силы связаны собственно с изменением степени перекрытия контрактильных миофиламентов и обусловлены прежде всего увеличением чувствительности миофиламентов к ионам Са2+ [Allen, Kurichara, 1982; Kentish, Wrzosek, 1998]. Медленные изменения силы в течение десятка минут связывали с изменением амплитуды концентрации свободных ионов кальция в клетке [Allen, Kurichara, 1982].

Новая волна интереса к этому феномену возникла в связи с открытием ионных каналов, активируемых растяжением - "stretch activation channels" (SAC) в сарколеммальной мембране различных клеток [Ни, Sachs, 1997; Sachs, Morris, 1998]. В результате интенсивного изучения за последние годы исследователи пришли к мнению, что в медленный ответ вносят вклад несколько процессов [Calaghan, White, 1999]. На изолированных папиллярных мышцах и одиночных кардиомиоцитах крыс с использованием ингибиторов синтазы оксида натрия (L-NAME -ImM), рианодиновых рецепторов саркоплазматического ретикулюма (рианодин -1 мкМ), натрий-водородного обмена (НОЕ 642 - 5 мкМ) и каналов активируемых растяжением (стрептомицин 80 мкМ и 40 мкМ в миоцитах) было установлено, что динамический компонент медленного ответа сопровождается активацией натрий-водородного обмена и открытием каналов активируемых растяжением [Calaghan, White, 2004]. В этих экспериментах помимо механической активности одиночных кардиомиоцитов регистрировали и динамику ионов Са2+ внутри клеток.

Эти данные дают веские основания предполагать, что таким образом во время систолы предсердия в сердце дополнительно активируются механизмы, аналогичные тем, которые ответственны за динамический компонент связи длина-сила т.е. через предсердие осуществляется модуляция выброса желудочка включением дополнительных механизмов регуляции его насосной функции.

В связи с этим представлялось важным оценить участие зависимой от длины кальциевой активации в гетерометрической регуляции сократительной деятельности миокарда помимо перекрытия нитей.

Учитывая выявленные морфологические и функциональные различия аппарата элетромеханического сопряжения в миоцитах и предсердий и желудочков и различия в структурной организации саркомеров в этих отделах сердца одного животного [Morad, Orkand, 1971; Masson-Pevet, 1972; Page, Nidergerke, 1972; Hillman, 1975; Robinson, Winegrad, 1977], и еще более существенные различия у разных животных (кролик, крыса) представлялось целесообразным провести сопоставление динамических компонентов связи длина-сила в этих объектах.

Роль неоднородности характеристик механической активности миокарда в регуляции сократимости миокарда

В настоящее время твердо установлена электрическая, механическая, структурная, функциональная, пространственная и временная неоднородность кардиомиоцитов с выраженным градиентом от эндо- к эпикарду в стенке желуцочка и от верхушки сердца к его основанию [Brutsaert, 1985; Bovendeerd et al., 1996; Antzelevitch, Fish, 2001; Bogaert, Rademakers, 2001]. Специфический характер распространения возбуждения в сердце приводит к физиологическому (по времени и направлению) асинхронизму сокращений разных сегментов миокарда обнаруженному [Wiggers, 1927]. Он предположил, что участки стенки, которые возбуждаются первыми, растягивают остальные. Эту часть фазы изоволюмического сокращения Wiggers назвал вступительной «entrant phase» и приписал ей важную физиологическую роль в увеличении эффективности выброса. Только поняв механизмы взаимодействия сегментов можно объяснить, почему толстостенная камера сердца, состоящая из множества неоднородных элементов, генерирует в сердечном цикле мощное, «функционально гомогенное» сокращение. При патологии неоднородность усиливается и проявляется в еще более выраженном неодинаковом смещении разных сегментов стенки желудочка [Eckardt et al., 2001].

Очевидно, что и в нормальных, и в патологических условиях сокращение мышечных волокон с разными свойствами оказывается под взаимным влиянием. В условиях целого сердца исследовать механизмы такого взаимовлияния представляется крайне сложным. С целью элиминировать влияние множества факторов и установить механизмы механического взаимодействия между сократительными структурами мокарда per se была предложена простая физиологическая модель, состоящая из двух изолированных препаратов миокарда, соединенных последовательно [Tyberg et al., 1969, Wiegner et al., 1978, Shimizu et al., 1996] и параллельно [Руткевич и др., 1997]. Однако выбор таких объектов сопровождается большим и неконтролируемым разбросом свойств, при случайном сочетании которых в эксперименте затрудняется анализ и интерпретация результатов. С этой целью нами разработана методика гибридного дуплета, в которой в реальном масштабе времени в физиологическом эксперименте взаимодействуют изолированный препарат миокарда и компьютерная модель электромеханического сопряжения кардиомиоцита.

Исследование вклада неоднородности характеристик механической активности миоцитов в разных отделах и слоях миокарда в сократимость стенки желудочка - на примере простейшей, неоднородной механической системы из двух изолированных препаратов миокарда - дуплетов представляет собой современную и актуальную проблему кардиологии. Для оценки сократимости целого сердца важно понять, как изменяются: амплитуда сокращений и такие характеристики сократимости как «сила-скорость», «длина-сила», выполняемая работа дуплета и его оставляющих элементов от величины и последовательности задержки возбуждения между партнерами; при этом в рамках гибридного дуплета и в численных экспериментах на виртуальных дуплетах имеется уникальная возможность исследовать возможные механизмы взаимодействия неоднородных мышц.

Полученные результаты имеют важное значение для понимания механизмов функционирования в стенке желудочка кардиомиоцитов с пространственно-временной неоднородностью механических и электрических свойств. Нами высказано предположение, что медленные и более сильные субэндокардиальные слои сокращаясь, вносят основной вклад в развитие давления в полости камер сердца, а затем с некоторой временной задержкой относительно более быстрые, но слабые субэпикардиальные волокна производят выброс крови в сосудистое русло. С этой точки зрения необходимо установить влияние асинхронизма разной степени и направления на глобальные характеристики сократимости неоднородного миокарда.

Цель и задачи исследования

Основной целью работы была разработка новых подходов для анализа гомео- и гетерометрической регуляции сократимости кардиомиоцитов и вклада их пространственно-временной организации в механическую активность сердечной мышцы.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. разработать информативный, экономичный метод исследования и количественного описания ритмоинотропной регуляции сократимости миокарда с использованием стохастической последовательности межимпульсных интервалов;

2. провести оценку связи между гетеро- и гомеометрическим контуром регуляции сократительной функции миокарда;

3. выяснить вклад разных источников ионов кальция в связь длина-сила и оценить динамический компонент связи длина-сила в миокарде разных видов животных;

4. разработать метод гибридных дуплетов, в котором в реальном масштабе времени взаимодействуют реальный препарат миокарда и его виртуальный аналог (математическая модель) и провести экспериментальное исследование эффектов пространственно-временной организации кардиомиоцитов и их вклада в регуляцию сократимости миокарда;

5. исследовать внутриклеточные механизмы взаимодействия неоднородных элементов миокарда методом гибридных дуплетов.

Научная новизна и значимость работы

1. Впервые предложен экспериментально и клинически апробирован подход к количественному описанию нелинейной системы хроноинотропной регуляции сократимости миокарда. Он открывает новое направление в изучении механической активности миокарда как при стимуляции случайной некоррелированной последовательностью импульсов типа «белого шума», так и в условиях естественного функционирования сердца.

2. Впервые метод «белого шума» был использован при анализе хроноинотропных характеристик в сердце больных с мерцательной аритмией. Показано, что собственно дисперсия ритма вносит вклад в регуляцию сократимости миокарда у этой группы больных.

3. Впервые показан переходный процесс по силе сокращений в ответ на ступенчатую деформацию в миокарде животных разных видов (у лягушки, крысы и кролика), имеющих различные аппараты электромеханического сопряжения. Этот результат впервые позволил заключить, что динамический компонент связи длина-сила не обязательно связан со степенью развитости саркоплазматического ретикулюма, как предполагалось раннее.

4. Впервые разработан и введен в практику биомеханического эксперимента метод исследования механизмов взаимодействия неоднородных сегментов миокарда - метод гибридных дуплетов, который позволил существенно расширить представления о механизмах взаимодействия неоднородных сократительных элементов в миокарде.

5. Метод гибридных дуплетов, в сочетании с другими вариантами метода дуплетов, позволил обнаружить новый класс биомеханических явлений, присущих неоднородному миокарду. На базе результатов, полученных методом дуплетов, разработана и внедряется в клиническую практику программа исследования вклада неоднородности миокарда в насосную и сократительную функцию сердца.

Полученные данные расширяют парадигму сократительной функции миокарда, включая в нее новые факторы регуляции его 14 механической активности, такие как дисперсия ритма, динамический компонент связи длина-сила и неоднородность миокарда.

Практическая значимость работы

Разработанный метод исследования ритмозависимых явлений при стохастической последовательности межимпульсных интервалов используется для оценки функционального состояния сердца больных с аритмиями в клинической практике. Выявленные подходы и закономерности легли в основу нового диагностического метода оценки слабости синусного узла и насосной функции сердца у больных с нарушениями ритма.

Обнаружение связи гомео- и гетерометрической систем регуляции сократимости миокарда и понимание механизмов динамического компонента связи длина-сила и механизмов влияния механической неоднородности на сократимость миокарда требует переосмысления индексов сократимости целого сердца, широко применяемые в клинике. Из наших данных следует, что невозможно создание индексов оценки сократимости миокарда, независящих от любого из контуров регуляции сократимости миокарда.

Данные, свидетельствующие о реципрокных отношениях характеристик сократимости неоднородных элементов (локальные изменения), в результате которых достигается относительная стабилизация параметров сократимости дуплета, (глобальные характеристики) могут быть экстраполированы на целое сердце. Они показывают, что для оценки насосной функции сердца необходимо учитывать региональную пространственно-временную неоднородность, поскольку локальные изменения могут носить критический характер, несмотря на относительно нормальные показатели глобальной функции. Такой подход к оценке функции сердца больных разрабатывается в совместной с Областной клинической больницей №1 лаборатории под руководством члена-корреспондента РАН B.C. Мархасина.

Показано, что в рамках имеющейся математической модели саркомера кардиомиоцита, как одного из партнеров гибридного дуплета, имеется уникальная возможность выдвигать правдоподобные гипотезы (с последующей экспериментальной проверкой) об изменении внутриклеточных механизмов регуляции сократимости, в том числе и не поддающихся измерению современными приборами (например, концентрация СаТп комплексов). Принципиально аналогичный метод может применяться в практике физиологических исследований других объектов.

Апробация работы

Материалы диссертации доложены и обсуждены на 37 международных и российских научных конференциях симпозиумах и съездах.

Публикации

Материалы диссертации содержатся в 68 печатных работах, из них: две монографии (в соавторстве), 31 статьи в международных и отечественных журналах и 35 тезисов.

Место проведения работы

Работа проведена: с 1979 г в лаборатории биофизики НИИ гигиены труда и профзаболеваний, с 1988 г в отделе биофизики института физиологии Коми НЦ УрО РАН при консультативном участии профессора В. Я. Изакова, с 2000 г в Екатеринбургском филиале института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН и с 2002 г в институте иммунологии и физиологии УрО РАН при консультативном участии члена-корреспондента РАН, профессора B.C. Мархасина.

Благодарен моему учителю со студенческой скамьи профессору В.Я. Изакову и считаю приятным долгом поблагодарить руководителя дальнейших моих исследований члена-корр. РАН B.C. Мархасина за помощь и поддержку в совместной работе.

Выражаю глубокую признательность всем участникам совместных экспериментальных работ: В.Ф. Антюфьеву, А.А. Балакину, О.Н. Бершицкой, В.Ю. Гурьеву и О.Н. Лукину, а также, Л.Б. Кацнельсону и О.Э. Соловьевой за любезно предоставленную возможность и активное участие в использовании их математической модели саркомера кардиомиоцита в численных и гибридных экспериментах. Ни одна из задуманных идей не могла бы осуществиться без технической поддержки моего коллеги и товарища С.М. Ругкевича.

Искренне благодарен руководству института за активную помощь не только в экспериментальной работе, но и в подготовке доклада.

Основные защищаемые положения

1. Количественная оценка нелинейных хроноинотропных характеристик сократимости миокарда возможна с привлечением аппарата теории случайных функций на всех уровнях организации - многоклеточные изолированные препараты, изолированное сердце и сердце больных с мерцательной аритмией.

2. Помимо среднего значения частоты сердцебиений собственно вариация ритма обладает выраженным инотропным эффектом.

3. Гомео- и гетерометрический контуры регуляции сократимости миокарда синергичны, тесно связаны; гетерометрическая регуляция вносит основной вклад при низких частотах сердцебиений, а гомеометрическая - при высоких частотах сердцебиений.

4. Динамический компонент длинозависимой активации сокращений миокарда не обязательно связан с наличием саркоплазматического ретикулюма в кардиомиоцитах, в разной

17 степени выражен в миокарде разных животных и определяется дополнительной активацией разных источников ионов кальция.

5. В практике физиологических исследований сложных систем возможно использование гибридных объектов, представляющих собой соединение реального и виртуального объектов. Метод миокардиальных гибридных дуплетов существенно расширил возможности исследования механизмов взаимодействия кардиомиоцитов в неоднородном миокарде.

6. При физиологической последовательности и величине задержки возбуждения между элементами исходно неоднородная миокардиальная система становится функционально однородной.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материалы и методы исследований

В основу работы положены результаты исследований механизмов регуляции сократимости изолированных препаратов миокарда животных (лягушка, крыса, кролик). Всего проведено более 900 экспериментов. На собаках in situ под наркозом при вскрытой грудной клетке регистрировали напряжение стенки желудочка, внутрижелудочковое давление и объемную скорость кровотока (20 экспериментов). Обращение с животными осуществлялось согласно Нормам по Обращению с Лабораторными животными Национального Общества Медицинских Исследований и Национальных Учреждений Здравоохранения.

Кроме того, были получены клинико-экспериментальные данные у больных с мерцательной аритмией на фоне атеросклеротического кардиосклероза без выраженной сопутствующей патологии. Используя нормированные уравнения регрессии, описывающие связь внутриполостного давления с частотой, для каждого из больных, которые затем подвергались электродеполяризационному методу исправления ритма, рассчитывали ожидаемые изменения сердечного выброса и минутного объема сердца при изменении частоты стимуляции на заданную величину.

Регистрацию механической активности изолированных препаратов миокарда (выходной сигнал) осуществляли методом микромеханографии под управлением персонального компьютера. Классические объекты физиологических исследований -многоклеточные препараты изолированного миокарда (папиллярные мышцы или трабекулы правого желудочка теплокровных животных) были выбраны не только как наиболее удобные для исследования механизмов регуляции сократимости в «чистом виде», но и как объекты, сохраняющие все основные свойства и морфологические структуры миокарда стенки желудочка. Препараты помещали в термостатируемые ванночки с проточным физиологическим раствором (Рис. 1).

Рис.1. Блок измерения силы, укорочения и задания нагрузки и длины изолированных образцов миокарда в микромеханографическон установке.

Электрическую стимуляцию препаратов (входной сигнал) проводили под компьютерным управлением случайной последовательностью из 200 межимпульсных интервалов, среднее значение которых совпадало с исследуемой частотой при постоянном ритме.

Для изучения роли хроноинотропного и гетерометрического контура регуляции механической функции сердца при мерцательной аритмии использовали прямой инвазивный метод внутрисердечного зондирования правых камер сердца, который проводили по диагностическим показаниям и метод импедансной тетраполярной реоплетизмографии с непрерывной записью 200 циклов. В каждой реализации имели, по крайней мере, два ряда значений.

Для каждого ряда строили гистограмму распределения исследуемых параметров, вычисляли их среднее значение, дисперсию, среднеквадратичное отклонение и автокорреляционную функцию. Между рядами входного и выходного сигналов вычисляли нормированную кросскорреляционную функцию

ГчЮ-^Ъх-хХУ-УУ*,*,, (1) где: г - номер сдвига корреляционной функции; X, Y - средние значения параметров разных рядов (таких, как частота, сила и т.д.);

X, Yt - текущие значения этих рядов; охау - среднеквадратичные отклонения; N - количество циклов.

Для оценки нелинейности характеристик контуров регуляции сократимости вычисляли разницу между значениями нормированной кросскорреляционной (гху{т)) и кроссдиспер-сионной (9xy{j)) функциями, которая характеризует степень нелинейности (и(г)) (Райбман, 1970; В.Мармарелис, П.Мармарелис, 1981). п{г) = ^9ху\г)-Гху\т). (2)

В случае линейной зависимости в = г , а при наличии нелинейности > yv\

Нормированную кроссдисперсионную функцию вычисляли по формуле 1,7 (г)

W = ' (3) у где: ^(r, J) = 1>[Л/(-Г | 7)]= м{[м{Г(г)/Х.*}- М{К(г)}]2}. дисперсия условных средних.

В линейной системе дисперсионные отношения совпадают с коэффициентом корреляции, а в нелинейной имеется статистически значимое различие между ними.

Минимальную величину, превышение которой служило основанием для утверждения значимости коэффициентов корреляции, определяли как r ^Jn + At\ - -Jn min

2ts , (4) где: N - объем реализации, ts -критерий Стьюдента (равен 1,96 для N=200 и Р<0,05). Значимость/^(г)оценивали по Z-критерию.

Для управления экспериментами и обработки данных был разработан пакет прикладных компьютерных программ.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Заключение Диссертация по теме "Физиология", Проценко, Юрий Леонидович

выводы

1. Впервые обнаружен инотропный эффект дисперсии ритма сердцебиений в миокарде теплокровных животных. Определены в количественной форме хроноинотропные характеристики миокарда теплокровных и человека.

2. Методом "белого шума" впервые описаны процессы реституции и постэкстрасистолической потенциации сократимости в миокарде лабораторных животных и больных с мерцательной аритмией.

3. Обнаружена активация сокращений миокарда холоднокровных животных на ступенчатое изменение длины препарата, что свидетельствует о возможности развития динамического компонента феномена Франка-Старлинга без участия ионов кальция, высвобождающихся из саркоплазматического ретикулюма.

4. Установлено, что степень выраженности динамического компонента феномена Франка-Старлинга зависит от степени кальциевой активации контрактильных белков.

5. Показано, что изменение длины многоклеточных препаратов миокарда влияет на фазический и тонический компоненты механического ответа, повышая их чувствительность к деполяризации мембраны.

6. Установлено, что выраженность хроноинотропных феноменов снижается при увеличении текущей длины изолированного препарата миокарда.

7. Экспериментально доказано существование связи между гомео и гетерометрической системами регуляции сократимости миокарда, которые находятся в синергичных отношениях, что делает бесперспективной разработку индексов сократимости миокарда, не зависящих от пред- и постнагрузки.

8. На гибридных неоднородных дуплетах обнаружены новые биомеханические явления: стабилизация сократимости неоднородной миокардиальной системы за счет реципрокного взаимодействия ее элементов и оптимизация характеристик сократимости при физиологическом асинхронизме возбуждения.

9. С использованием математической модели кардиомиоцита показано, что в основе внутриклеточного механизма взаимодействия неоднородных мышечных элементов в виртуальном элементе гибридного дуплета лежат изменения кинетики и амплитуды укорочения саркомеров, СаТп комплексов и концентрации свободного внутриклеточного кальция.

10. Введение в практику физиологических исследований нового объекта - гибридного дуплета, в котором в реальном масштабе времени взаимодействуют изолированный препарат миокарда и математическая модель кардиомиоцита, открывает новое направление при изучении пространственно-временной неоднородности миокарда.

11. Разработанные подходы к исследованию биомеханики миокарда позволяют в количественной форме оценить системы регуляции сократимости миокарда в эксперименте и клинике, вскрыть механизмы взаимодействия неоднородных кардиомиоцитов, что открывает новое направление в физиологии сердца.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Монографии

1. Биомеханика неоднородного миокарда / B.C. Мархасин, Л.Б. Каинельсон, JI.B. Никитина, Ю.Л. Проценко, С.М. Руткевич, О.Э. Соловьева, Г.П. Ясников. - Екатеринбург: НИСО УрО РАН, 1999. -253 с.

2. Введение в биомеханику пассивного миокарда / В.Я. Изаков, B.C. Мархасин, Ю.Л. Проценко и др. - М.: Наука, 2000. - 207 с.

Изобретение

1. Устройство для исследования насосной функции изолированного сердца / Ю.Л. Проценко, Л.С. Рубан, В.Я. Изаков и др.; А.С. 1785701 СССР, МКИ5 А 61 М 1/10. - № 4861219/14; Заявл. 20.08.90; Опубл. 10.01.93; Бюл. № 1.

Статьи

1. Влияние адреналина на сократимость различных отделов миокарда теплокровных / В.М. Егоров, Г.П. Икиткин, В.Я. Изаков, Ю.Л. Проценко и др. // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова, 1977. - Т. 63, № 5. - С. 697-705.

2. Осипенко А.В., Проценко Ю.Л., Изаков В.Я. Активация изометрических сокращений при изменении длины полосок желудочков лягушки // Структурные основы и регуляция биологической подвижности. - М.: Наука, 1980. - С. 291-295.

3. Бершицкая О.Н., Проценко Ю.Л., Изаков В.Я. Взаимоотношение гомеометрическсй и гетерометрической систем регуляции сократимости миокарда // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова, 1981. - Т. 27, № 2. - С. 249-251.

4. Эффекты инотропных воздействий на папиллярную мышцу кролика при изменении ее начальной длины и температуры / O.K. Бершицкая, Ф.А. Бляхман, В.Я. Изаков, О.Н. Казьмин, Ю.Л. Проценко // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова, 1981. - Т. 27, №5.-С. 621-627.

5. Изаков В.Я., Проценко Ю.Л. Взаимосвязь между длиной и силой п сердечной мышце Электромеханическое сопряжение при деформациях миокарда II Биофизика, 1982. - Т. 27, № 5. - С. 880885.

6. Инотропный эффект дисперсии ритма / О.Н. Бершицкая, Ф.А. Бляхман, Б.Л. Быков, В.Я. Изаков, JI.T. Лысенко, B.C. Мархасин, Ю.Л. Проценко и др. // Бюлл. эксп. биол. и мед., 1982. - Т. 94, № 8. -С. 20-22.

7. Клеточные механизмы феномена Франка-Старлинга / В.Я. Изаков, B.C. Мархасин, Ю.Л. Проценко, О.Н. Бершицкая // Успехи физиол. наук, 1982.-Т. 13,№1.-С. 89-108.

8. Проценко ЮЛ., Изаков В.Я., Бершикцая О.Н. Статистический и динамический компоненты гетерометрической регуляции сокращений миокарда предсердий и желудочка // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова, 1982. - Т. 68, № 10. - С. 1392- 1397.

9. Антюфьев В.Ф., Изаков В.Я., Проценко Ю.Л. Ритмоинотропные явления в сердце человека // Физиол. человека, 1983. - Т. 9, № 5. - С. 740-747.

10. Хроноинотропная и гетерометрическая регуляция механической активности в сердце больных с мерцательной аритмией / В.Ф. Антюфьев, Чернышев, Е.Д. Рождественская, В.Я. Изаков, Ю.Л. Проценко // Кадиология, 1983. - Т. 23, № 5. - С. 29-33.

11. Методика оценки ритмозависимых характеристик механической активности миокарда / Б.Л. Быков, С.В. Желамский, В.Я. Изаков, Ю.Л. Проценко, С.М. Руткевич // Физиол. журн. СССР, 1984. - Т. 70, № 10.-С. 97-101.

12. Оценка сократимости миокарда в ауксотоническом режиме сокращений / Ф.А. Бляхман, В.Я. Изаков, B.C. Мархасин, Ю.Л. Проценко // Физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 1986. -Т. 72, № 1. -С. 79-86.

13. Изаков В.Я., Проценко Ю.Л. Исследование физического и тонического компонентов механического напряжения в миокарде предсердий и желудочков лягушки II Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова, 1986. - Т. 72, № 6. - С. 767-774.

14. Бляхман Ф.А., Изаков В.Я., Проценко ЮЛ. Влияние начальной длины на хроноинотропию сердечной мышцы // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова, 1987.-Т. 73,№ 8.-С. 1109-1115.

15. Бляхман Ф.А., Изаков В.Я., Проценко ЮЛ. Детерминанты скорости расслабления миокарда // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова, 1987.-Т. 73,№ 12.-С. 1657-1664.

16. Изаков В.Я., Бляхман Ф.А., Проценко Ю.Л. Сокращение и расслабление миокарда в режиме с физиологической последовательностью нагрузок // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова, 1988. -Т. 74, № 2. - С. 209-216.

17. Изаков В.Я., Проценко Ю.Л. Фазический компонент механической активности миокарда // Успехи физиол. наук, 1989. -Т. 20, № 1.-С. 106-125.

13. Автоматизированная система измерения линейных размеров малых объектов с использованием П.З.С.-фотоприемника / В.А. Абазов, С.М. Руткевич, В.В. Золотушников, Ю.Л. Проценко // Приборы и техника эксперимента, 1991. -№ 1. - С. 212-215.

19. Проценко Ю.Л., Руткевич С.М., Золотушников В.В. Методы исследования неоднородности микродеформаций мышцы // Современные проблемы биомеханики: Сб. науч. тр. - М.: МГУ, 1992. -Т. 7.-С. 37-65.

20. Экспериментальная модель механически неоднородного миокарда (метод дуплетов) / С.М. Руткевич, B.C. Мархасин, Л.В. Никитина, Ю.Л. Проценко //Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 1997.-Т. 83, №4.-С. 131-134.

21. Метод оценки механических характеристик контрактильного элемента в изолированных препаратах миокарда / B.C. Мархасин, С.М Руткевич, Л.В. Никитина, Ю.Л. Проценко //Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 1997.-Т. 83, № 7. - С. 136-139.

22. Метод экспериментального исследования реологических характеристик препарата миокарда / Ю.Л. Проценко, С.М. Руткевич, В.В. Золотушников, В.А. Абазов // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 1998.-Т. 84, № 1-2.-С. 133-138.

23. Роль внутри- и внеклеточных источников Са в ритмоинотропной регуляции изометрических сокращений миокарда эмбриона цыпленка / П.Б. Цывьян, С.М. Руткевич, Ю.Л. Проценко и др. // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 1998. - Т. 84, № 12. - С. 1402-1411.

24. Динамика цикла сокращение-расслабление и механическая реституция в развивающимся миокарде цыпленка/ П.Б. Цывьян, B.C. Мархасин, О.Э. Соловьева, С.М. Руткевич, Ю.Л. Проценко и др. // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 2001. - Т. 87, № 7. - С. 901911.

25. Цывьян П.Б., БашмаковаН.А., Проценко ЮЛ. Сократительная активность сердца плода при синдроме задержки развития: связь между региональной неоднородностью, расслаблением и постнагрузкой // Физиология человека, 2004. - Т. 30, № 3. - С. 8994.

26. Электромеханическая неоднородность миокарда / B.C. Мархасин, А.А. Балакин, В.Ю. Гурьев, О.Н. Лукин, П. Коновалов, Ю.Л. Проценко, О.Э. Соловьева // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова, 2004.-Т. 90, № 8.-е. 1060-1077.

27. Certain characteristics of myocardial contractility of isovolumic dog heart at randomly variably heart rhythm / O.N. Bershitskaya, V.J. Isakov, L.T. Lysenko, Yu. L. Protsenko, A. V. Trubetskoy //Basic Res. Cardiol., 1985.-Vol. 80,№2.-P. 156-164.

28. Isakov V.Y., Protsenko Yu.L. Rhythm and mechanical activity of myocardium // Sov. Med. Rev. Adv. Cardiol., 1989. - Vol. 10, № 4. - P. 117-162.

29. Mathematical modeling of the contribution of mechanical inhomogenity in the myocardium to contractile function / V.S. Markhasin, L.B. Katsnelson, L.V. Nikitina, Y.L. Protsenko // Gen. Physiol. & Biophys., 1997.-Vol. 16, №2. -P. 101-137.

30. Mechanical inhomogenity of myocardium studied in parallel and serial muscle duplexes: experiments and models / O.E. Solovyova, L.B. Katsnelson, V.Yu. Guriev, L.V. Nikitina, Yu.L. Protsenko et al. // J. Chaos, Solution and Fractals, 2002. -Vol. 13. - P. 1685-1711.

31. Mechano-electric interactions in Heterogeneous myocardium: development of fundamental experimental and theoretical models /V.S. Markhasin, O.E. Solovyova, L.B. Katsnelson, Yu.L. Protsenko et al. // Prog. Biophys. Mol. Biol., 2003. - Vol. 82, № 1-32. - P. 207-220.

Тезисы докладов

1. Проценко Ю.Л. Механическая активность миокарда в безнатриевых растворах // Тез. докл. VII Уральской науч. конф. по физиологии, биохимии и фармации с участием практикующих врачей.- Свердловск, 1973.-С. 146-147.

2. Проценко Ю.Л. Статистическая модель гомойометрической системы авторегуляции отделов сердца лягушки озерной // Информационные материалы института экологии растений животных УНЦ АН СССР. - Свердловск, 1975. - С. 35-36.

3. Проценко Ю.Л. Влияние адреналина и пропранолола на сокращение миокарда при постоянной и случайно варьирующей частоте стимуляции // Материалы IV Всесоюз. конф. по вегетативной нервной системе. - Ереван, 1976. - С. 249.

4. Проценко Ю.Л., Осипенко А.В., Изаков В.Я. Влияние деформации на кальциевую активацию в миокарде предсердий и желудочка (к вопросу о возможном существовании механокальциевого звена регуляции сокращений) // Тез. докл. II Всесоюз. конф. по проблемам биомеханики. - Рига: "Зинатне", 1979. -Т. 1. - С. 192-195.

5. Проценко ЮЛ., Бершицкий С.Ю., Бершицкая О.Н. Влияние адреналина и ацетилхолина на динамические и статические характеристики связи длина-сила (феномен Франка-Старлинга) в сердечной мышце // Физиология и биохимия медиаторных процессов: Тез. докл. III Всесоюз. конф. - М., 1980. - С. 162.

6. Проценко Ю.Л., Изаков В.Я., Ткаченко Б.Г. Адренергическая и холинэргическая регуляция фазического и тонического ответа в миокарде предсердий и желудочков теплокровных и холоднокровных животных // Физиология и биохимия медиаторных процессов: Тез. докл. III Всесоюз. конф. - М., 1980. - С. 87.

7. Проценко Ю.Л., Антюфьев В.Ф. Оценка сократительной функции сердца при мерцательной тахиаритмии под влиянием обзидана // Клиника и лечение заболеваний сердечно-сосудистой системы: Тез. докл. - Челябинск, 1981.-С. 11.

8. Проценко Ю.Л., Изаков В.Я. Реккурентные модели для описания ритмоинотропных явлений в миокарде // Математическое моделирование в медицине и биологии: Сб. докл. - Свердловск, 1981. -С. 12-13.

9. Проценко Ю.Л., Изаков В.Я. Феномен влияния дисперсии ритма сердцебиений на сократимость миокарда // Математическое моделирование в медицине и биологии: Сб. докл. - Свердловск, 1981. -С. 14-15.

10. Проценко Ю.Л., Изаков В.Я., Бершикцая О.Н. Взаимоотношения хроноинотропной м гетерометрической систем регуляции сократимости миокарда // Исследование соотношений между сократительной активностью сердца, его энергетическим обменом, кровоснабжением и ультраструктурой: Материалы итогов конф.-М., 1981.-С. 39-40.

11. Стохастические модели ритмоинотропной связи в миокарде предсердий и желудочков / Ю.Л. Проценко, О.Н. Бершицкая, В.Я. Изаков, В.А. Шидловский // Тез. I Всесоюз. конф. по физиологической кибернетике.-М., 1981.-С. 164-166.

12. Проценко Ю.Л. Может ли рециркуляционная модель описать ритмоинотропные явления в миокарде // Биофизика и биохимия мышечного сокращения: Сб. тр. Всесоюз. симпоз. —Тбилиси, 1983, -С. 102-103.

13. Проценко Ю.Л., Бляхман Ф.А. Анализ связи длина-сила в изолированных полосках миокарда при задании случайных деформаций // Тез. докл. III Всесоюз. конф. по проблемам биомеханики. - Рига, 1983.-Т. 1. —С. 44-46.

14. Проценко Ю.Л., Бляхман Ф.А. Проблемы дисперсии преднагрузки миокарда связанные с нелинейностью характеристики длина-сила И Метаболическая структура и функция сердечной клетки: Тез докл. II Всесоюз. симпоз. - Ташкент, 1983. - С. 67.

15. Электромеханическое сопряжение в миокарде предсердий и желудочков в норме и при сердечной недостаточности / Ю.Л. Проценко, В.Я. Изаков, B.C. Мархасин, П.Б. Цывьян // Сб. докл. XIV съезда Всесоюз. физиол. общества им. И.П. Павлова. - Л.: Наука, 1983.-С. 60-61.

16. Проценко Ю.Л. Кумулятивная модель хроноинотропии миокарда теплокровных // Сб. тез. докл. I Республ. конф. по биофизике. - Кишинев, 1984. - С. 65-66.

17. Проценко Ю.Л., Изаков В.Я. Реккурентная модель хроноинотропии миокарда теплокровных // Сб. тез. докл. I Республ. конф. по биофизике. — Кишинев, 1984. - С. 63-64.

18. Бляхман Ф.А., Проценко ЮЛ., Изаков В.Я. Можно ли сравнить сократимость миокарда разных видов животных? // Достижения сравнительной электрокардиологии: Тез. второго симпоз. по сравнительной электрокардиологии. - Сыктывкар, 1985.-С. 17.

19. Проценко ЮЛ. От хроноинотропии полоски миокарда к оценке динамики кальциевой активации интактного сердца // Тез. докл. Ш симпоз. Сов. секции Между нар. общества по изучению сердца (5-8 окт. 1986, Баку). - Баку, 1986. - С. 166.

20. Проценко Ю.Л., Изаков В.Я., Бляхман Ф.А. Механические детерминанты скорости расслабления сердечной мышцы // Тез. докл. Ш симпоз. Сов. секции Междунар. общества по изучению сердца (5-8 окт. 1986, Баку). - Баку, 1986. - С. 110.

21. Проценко ЮЛ., Бляхман Ф.А., Изаков В.Я. На пути к пониманию механизмов расслабления сердечной мышцы // Физиология и патофизиология сердечного и коронарного кровообращения: Тез. II Всесоюз. симпоз. - Киев, 1987. - С. 61-62.

22. Абазов В.А., Золотушников В.В., Проценко Ю.Л. Автоматизированная оптико-электронная система на базе ВУМС 28025 с использованием линейного ПЗС 1200 ЦЛ-2 для прецизионного измерения продольных микродеформаций // Достижения науки — производству. Ученые УрО АН СССР - медицине: Информ. материалы. - Свердловск, 1989.-№2.-С. 11-12.

23. Устройство измерения линейных размеров биологических объектов / В.А. Абазов, В.В. Золотушников, С.М. Руткевич, Ю.Л. Проценко // Ускорение социально-экономического развития Урала. Блок 4. (здравоохранение): Тез. докл. Всесоюз. науч.-практ. конф. (16-19 нояб. 1989 г., Свердловск). - Свердловск, 1989.-Ч. 1,- С. 40-42.

24. Бляхман Ф.А., Проценко ЮЛ., Изаков В.Я. Можно ли сравнить сократимость миокарда разных видов животных? // Сравнительная электрокардиология: Материалы второго симпоз. - Сыктывкар: Коми НЦ УрО АН СССР, 1990. - С. 50-54.

25. Проценко ЮЛ., Золотушников В.В. Компьютерная система "Кардион-1" // Новые приложения морфометрии и математического моделирования в медико-биологическом исследовании: Тез. докл. науч.-практ. конф. - Харьков, 1990. - С. 84.

26. Влияние ионов магния на параметры изометрического сокращения изолированного препарата миокарда кроликов / Ю.Л. Проценко, Б.А. Галишев, В.Ф. Антюфьев, М.В. Архипов // Физиология и патофизиология сердца и коронарного кровообращения: Тез. докл. III симпоз. стран СНГ. - Киев, 1992. -С. 36-37.

27. Проценко Ю.Л., Золотушников В.В., Галишев Б.А. Исследования локальных реологических характеристик миокарда // Физиология и патофизиология сердца и коронарного кровообращения: Тез. докл. III симпоз. стран СНГ. - Киев, 1992. -С. 158.

28. Проценко Ю.Л., Руткевич С.М., Золотушников В.В. Характер неоднородности микродеформаций сегментов папиллярной мышцы при исследовании связи длина-сила // Физиология и патофизиология сердца и коронарного кровообращения: Тез. докл. III симпоз. стран СНГ.-Киев, 1992.-С. 141-142.

29. Проценко ЮЛ., Толмачев Е.В., Толмачев Д.Е. Нелинейная реологическая модель препарата миокарда // Математическое моделирование и компьютерные технологии: Тез. докл. - КИЭР, 1997. -С. 67.

30. Проценко Ю.Л., Балакин А.А., Лукин О.Н. Разработка управляющей программы для задания физиологического режима сокращения изолированного препарата миокарда // Тез. докл. XVIII съезда физиол. общества им. И.П. Павлова. - Казань, 2001. - С. 305306.

31. Проценко Ю.Л., Руткевич С.М., Лукин О.Н. Исследование механической неоднородности миокарда методом гибридного дуплета// Тез. докл. XVIII съезда физиол. общества им. И.П. Павлова. -Казань, 2001.-С. 411.

32. Переходный процесс по конечно-систолической длине в параллельном гибридном и реальном дуплетах / Ю.Л. Проценко, О.Н. Лукин, С.М. Руткевич, А.А. Балакин // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова: Тез. докл. XIX съезда физиол. об-ва им. И.П. Павлова, 2004.-Т. 90,№8.-С. 448.

33. Стабилизация параметров связи "сила-скорость" в параллельно объединенных препаратах миокарда—дуплете / А.А. Балакин, Ю.Л. Проценко, С.М. Руткевич, О.Н. Лукин // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова: Тез. докл. XIX съезда физиол. об-ва им. И.П. Павлова, 2004.-Т. 90, №8.с. 422.

34. Protsenko Y.L. From force-frequency relationship of myocardial strips to the assessment of calcium activation of the heart // Abstr. Ill Symp. Sov. Section Intern Soc. for heart res. - Baku, 1986. - P. 167.

35. Protsenko Y.L., Isakov V.Ya., Blyakhman F.A. Mechanical determinants of relaxation rate in heart muscle // Abstr. Ill Symp. Sov. Section Intern Soc. for heart res. - Baku, 1986. - P. Ill.

36. Protsenko Yu. L., Zolotushnikov V. Nonuniformity rheological performances of papillary muscle segments // Abstr. XXIV Europ. Muscle Conf. (13-16 sept. 1995., Firenze). - Firenze, 1995. - P. 138.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нами представлены результаты многолетних исследований грех фундаментальных контуров управления сократительной функции миокарда. Эти контуры включают: хроноинотропную гомемометрическую и гетерометрическую регуляции, а также специфическую пространственно-временную организацию кардиомиоцитов, порождающую неоднородность миокарда и оптимизирующую его функцию.

Первые два контура управления исследовали давно и многими авторами, и хотя механизмы гомео- и гетерометрической регуляции до сих пор являются предметом оживленных дискуссий, их физиологическая значимость более ясна и за исключением феномена медленного ответа не вызывает сомнений. С неоднородностью миокарда дело обстоит совершенно иначе. Неоднородность миокарда - твердо установленный феномен, причем на разных уровнях организации миокарда: от молекулярного до тканевого. Однако физиологическая и патофизиологическая значимость этого явления только начинает проясняться. Мы полагаем, что в этом отношении существенный вклад вносит наша работа.

В целом особенностью нашей работы является разработка подходов к количественному описанию и анализу классических контуров управления сократительной функцией миокарда, т.е. гомео- и гетерометрической регуляции и разработка принципиально новых методов исследования феномена неоднородности. Кроме того, для первых двух контуров управления мы использовали и сравнительно-физиологический подход, изучая их в препаратах миокарда разных видов животных.

На наш взгляд, принципиальным было установление связи между гомео- и гетерометрическим контуром управления. Это имеет решающее значение для обоснования или опровержения практической значимости существующих и поныне индексов сократимости миокарда.

При изучении хроноинотропных явлений в миокарде мы использовали новый для физиологии подход: исследование сократимости при стимуляции препаратов частотой не с постоянным ритмом, как это делали до нас, а при случайной последовательности межимпульсных интервалов с задаваемым средним значением частоты и дисперсии ритма. Этот метод широко используется для анализа сложных нелинейных технических систем. Показано, что подавая на вход нелинейных систем сигналы типа «белого шума» можно получить много важных, выраженных в количественной форме сведений о состоянии систем. Использование этого метода для изучения хроноинотропных явлений в миокарде показало, что он информативен и позволяет описывать эти явления в количественной форме.

Информативность данного метода состоит в том, что уже по одной реализации в 200-250 циклов сокращений, вызванных случайной последовательностью стимулирующих импульсов, можно получить сведения о стационарной связи частота-сила в миокарде, воспроизвести кривые реституции и постэкстрасистолической потенциации.

Этот метод экономичен, поскольку даже при низких частотах стимуляции одну реализацию случайной последовательности можно осуществить за 10-15 минут. Стандартные методы получения всей совокупности хроноинотропных характеристик миокарда требуют нескольких часов.

Наконец, предложенный нами метод - прост в использовании. Такой вывод может вызвать недоумение в связи с большим объемом математической обработки, которую он требует. Однако современный уровень вычислительной техники и наличие программного обеспечения делают такую обработку практически мгновенной и практически без участия экспериментатора.

Метод случайной вариации входного сигнала позволил нам сделать важное наблюдение - было открыто инотропное влияние дисперсии ритма. Выяснилось, что характер зависимости силы сокращений от дисперсии ритма видоспецифичен. Нам удалось показать, что это связано с особенностями аппарата электромеханического сопряжения, т.е. сопряжением возбуждения с сокращением в миокарде данного вида животных. Например, в миокарде желудочка кролика в ответ на увеличение частоты стимуляции сила сокращений растет. Зависимость среднего значения силы сокращений в этом объекте при росте дисперсии ритма имеет экстремальный характер, а в миокарде желудочка крысы при тех же средних частотах сердцебиений среднее значение силы монотонно падает с ростом дисперсии ритма. Отметим, что в миокарде желудочка крысы в отличие от миокарда кролика с ростом частоты сердцебиений сила сокращений падает.

Падение средней величины систолического давления в левом желудочке изолированного сердца собаки при росте дисперсии не вполне понятно. В миокарде желудочка собак с увеличением частоты сердцебиений наблюдается слабая положительная лестница силы сокращений. Возможно, однако, что в наших экспериментах навязанная средняя частота сердцебиений была слишком высока. Поэтому связь давление- дисперсия ритма в сердце собаки требует дальнейшего изучения. Тем не менее, наличие отрицательного инотропного эффекта дисперсии ритма б изоволюмическом сердце собаки имеет важное практическое значение. Этот факт показывает, что при мерцательной аритмии, при которой ритм сердцебиений представляет собой случайную последовательность, насосная функция сердца может падать, как следствие дисперсии ритма, а не собственно нарушения сократимости миокарда.

Информативность и особенно экономичность метода случайной последовательности стимуляции, как мы показали, имеют решающее значение для изучения хроноинотропных явлений у больных с патологией сердца.

Исследование хроноинотропных явлений при разных начальных длинах ясно показало тесную связь между гетеро- и гомеометрическими контурами управления. В настоящее время такая связь в значительной мере расшифрована на молекулярно-клеточном уровне. В частности, показано, что при изменении начальной длины сложным кооперативным образом изменяется сродство регуляторного белка тонкой нити Тг.С к кальцию [Allen, Kurichara, 1982]. От начальной длины саркомеров зависит количество замкнутых силогенерирующих мостиков, а от этого количест ва, в свою, очередь, также зависит сродство тропонина С к кальцию. Кроме того, от начальной длины саркомеров зависит длительность потенциала действия кардиомиоцитов и амплитуда и длительность в них кальциевого перехода (механоэлектрическая обратная связь). От кинетических характеристик концентрации кальция внутри клетки существенно зависит доля кальция, поглощаемого саркоплазматическим ретикулюмом. Этот параметр является основным в количественном определении хроноинотропных явлений.

В итоге, гомео- и гетерометрические контуры управления сократительной функцией миокарда оказываются тесно связанными. Напомним, что основное требование, предъявляемое к индексам сократимости сердца, состоит в их независимости от пред- и постнагрузки. Установленные нами факты и последующее распознавание молекулярно-клеточных механизмов, лежащих в основе этих фактов, т.е. тесной связи между двумя контурами управления сократимостью миокарда, ясно показывают, что разработка индексов инотропного состояния миокарда, независящих от пред- и постнагрузок - утопия. Для разработки эффективных индексов сократимости требуются принципиально иные подходы.

Исследование динамического компонента связи длина-сила в миокарде было осуществлено нами почти одновременно с авторами, открывшими этот феномен. Однако, насколько нам известно, мы впервые исследовали это явление в миокарде различных видов животных. Мы, по-видимому, были также первыми, использовавшими метод фиксации тока в сахарозном мостике, для исследования связи длина-сила.

Основной итог нашей работы состоит в следующем: возникновение динамического компонента связи длина-сила в ответ на быструю деформацию не связан напрямую с саркоплазматическим ретикулюмом. Он возникает в препаратах миокарда желудочка лягушки, в препаратах миокарда предсердий млекопитающих. Во всех этих препаратах саркоплазматический ретикулюм развит крайне слабо.

Второй основной результат в исследовании связи длина-сила состоит в том, что используя сахарозный мостик, мы выявили различную чувствительность компонентов механического ответа миокарда па длительный деполяризующий толчок тока от его начальной длины. Важно, что в соответствии с нашими данными, современными методами показано, что в формировании динамического компонента принимают участие несколько источников кальция. Один из них, например, реализуется через каналы, активируемые растяжением, другой через Na-H электрогенный механизм и третий через Na-Ca обменную диффузию.

В последнее время мы детально изучали вклад механической неоднородности миокарда в его сократительную функцию. Вместе с коллегами из лаборатории математической физиологии нашего института под руководством члена-корреспондента РАН B.C. Мархасина мы разработали простейшие экспериментальные и теоретические модели - виртуальные, гибридные и мышечные дуплеты, которые в наиболее конденсированной форме отражают неоднородность миокарда.

Методом гибридного дуплета в сочетании с реальными и виртуальными дуплетами нами был обнаружен новый, неизвестный ранее, класс биомеханических явлений, присущих неоднородному миокарду. Особенно важными нам представляются результаты, которые показывают, что неоднородность миокарда реализует взаимодействие между неоднородными элементами через гомеометрический контур регуляции сократимости. Молекулярной основой такой связи является механозависимая кооперативная чувствительность ТпС к деформациям и скоростям деформации кардиомиоцитов.

Второй важный результат, полученный этим методом, состоит в том, что последовательность активации кардиомиоцитов в неоднородной миокардиальной системе имеет решающее значение в механическом ответе всей системы в целом. Более того, механическое взаимодействие между неоднородными кардиомиоцитами в сочетании со специфической последовательностью их активации влияет на их свойства, изменяя загрузку Са2+ их саркоплазматического ретикулюма.

Все это в совокупности показывает, что пространственно-временная неоднородность миокарда - его важное динамическое

103 свойство, позволяющее оптимизировать функцию его кардиомиоцитов в зависимости от локальных механических напряжений в стенке сердца и от задержек времени их возбуждения.

Наконец, заметим, что гомео- и гетерометрические контуры регуляции и эффекты пространственно-временной неоднородности миокарда существенно нелинейны. В конечном итоге эта нелинейность, обусловленная множеством положительных и отрицательных обратных связей, присущих каждому из контуров управления сократимостью, обеспечивает миокарду высокую чувствительность к управляющим факторам, высокую его адаптивность к внешним нагрузкам и высокую устойчивость, т.е. способность быстро менять свои свойства в зависимости от внешних условий в широком диапазоне воздействий, сохраняя сократимость миокарда.

Анализируя совокупность наших результатов можно предположить, что гомео и гетерометрическая системы регуляции сократимости синергичны, но работают в разных диапазонах нагрузок на миокард в зависимости от частоты сердцебиений и конечно-диастолического давления. Так, в регуляции сократимости миокарда в области низких частот сердцебиений, при низком уровне кальциевой активации, доминирует гетерометрическая система, которая особенно чувствительна к изменениям конечно-диастолического давления. При высоких частотах стимуляции, когда уровень кальциевой активации контрактильных белков достаточно высок, чувствительность гетерометрической системы падает, и доминирующее значение в регуляции сократимости играет хроноинотропная регуляция. Гомео- и гетерометрические системы различаются в кардиомиоцитах разных участков миокарда, эти различия обеспечивают приспособления свойств миоцитов к условиям локальных нагрузок. В неоднородных по механическим характеристикам кардиомиоцитах, взаимодействующих через гетерометрическую систему регуляции, происходит тонкая подстройка к величине и времени задания нагрузки, что обеспечивает однородную функцию всего ансамбля.