Функциональные межклеточные взаимодействия в сердечной ткани и особенности их влияния на возникновение волн реентри тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Низамиева Айгуль Альфредовна

• Низамиева Айгуль Альфредовна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Низамиева Айгуль Альфредовна

Введение

Актуальность темы исследования

Цели и задачи работы

Научная новизна исследования

Практическая значимость работы

Положения, выносимые на защиту

Публикации

Структура и объем работы

1. Обзор литературы

1.1 Строение сердца и морфология сердечной ткани. Механическое сокращение сердца. Проводящая система сердца

1.2 Потенциал действия. Волна возбуждения. Электромеханическое сопряжение

1.3 Особенности распространения волны возбуждения по сердечной ткани. Роль фибробластов в электрофизиологических свойствах сердечной ткани

1.4 Волны реентри. Однонаправленный блок. Разрыв фронта волны

1.5 Тканевая инженерия сердца. Подходы к формированию различной геометрии и различных свойств сердечной ткани

1.6 Фотоконтроль: подходы изменению проводимости ткани

1.6.1 Оптогенетические подходы к изменению параметров возбуждения ткани

1.6.2 Использование веществ класса азобензенов для влияния на степень возбуждимости ткани под действием фотоконтроля

1.7 Математические модели, применяемые для моделирования динамики распространения волн возбуждения в сердечной ткани

1.7.1 Модель Алиева-Панфилова распространения волн в

сердечной культуре

1.7.2 Клеточная модель Поттса для моделирования самоорганизации сердечной ткани

2. Материалы и методы

2.1 Выделение и ведение культуры неонатальных кардиомиоцитов крысы44

2.1.1 Используемые реагенты:

2.1.2 Приготовление сред

2.1.3 Подготовка реагентов для энзимного расщепления материала из сердец новорожденных крысят

2.1.4 Протокол выделения кардиомиоцитов из сердец новорожденных крыс

2.2 Подготовка образцов для посадки клеток

2.2.1 Протокол подготовки подложек -стекол

2.2.2 Подготовка клеток

2.2.3 Посадка клеток на образцы

2.3 Ведение клеточной линии НЬ-1 СИЯ2

2.3. 1...................................................................................................................Одиночные

клетки

2.3. 2.............................................................................................................................Малые

кластеры

2.4 Культивирование индуцированных плюрипотентных стволовых

клеток и их направленная дифференцировка в кардиомиоциты

2.4.1 Создание подложек с различной степенью жёсткости

2.4.2 Создание подложек с различной степенью анизотропии

2.5 Оптическое картирование

2.5.1 Установка для оптического картирования

2.5.2 Модификация установки оптического картирования для

экспериментов с оптической стимуляцией

2.5.3 Модификация установки оптического картирования для экспериментов с фотоконтролем возбудимости

2.6 Оптическое картирование - стандартный протокол

2.6.1 Проверка наличия механического сокращения

2.6.2 Регистрация волн возбуждения

2.6.3 Оптическое картирование кардиомиоцитов, полученных из ИПСК

2.6.4 Оптическое картирование с оптической стимуляцией

2.6.5 Оптическое картирование с АзоТАБ

2.7 Анализ структуры монослоя

2.7.1 Конфокальная микроскопия

2.7.2 Цитофлуориметрия

2.8 Методы обработки изображений

2.8.1 Повышение контрастности изображений и снижение влияния шумов

2.8.2 Формирование пространственно-временных разверток по выделенным направлениям

2.8.3 Создание карт активации

3. Результаты

3.1 Формирование проводящих путей в культуре неонатальных кардиомиоцитов

3.2 Исследование эффективности модельного биопейсмекера, полученного имплантацией светочувствительных клеток Н1-1 в монослой культуры неонатальных крысиных кардиомиоцитов

3.3 Изучение дрейфа волн реентри в контролируемом градиенте возбудимости сердечной ткани

3.4 Влияние жесткости и степени анизотропии матрикса на фенотипические особенности кардиомиоцитов, дифференцированных из ИПСК

3.4.2 Сравнение жёстких подложек

3.4.2 Сравнение анизотропии

4. Выводы и обсуждение

Заключение

Благодарности

Список использованной литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Функциональные межклеточные взаимодействия в сердечной ткани и особенности их влияния на возникновение волн реентри»

Актуальность темы исследования

Нормальная работа сердца является неотъемлемой составляющей для поддержания жизнедеятельности организма человека: оно выступает в качестве мощного насоса крови и через систему сосудов обеспечивает снабжение всех тканей организма кислородом, питательными веществами и сигнальными молекулами, а также обеспечивает доставку метаболитов клеток к органам их выделения. По данным статистики ВОЗ и метаанализа «Глобальное бремя болезней» [1,2], сердечно-сосудистые заболевания остаются лидирующей причиной смертности во всем мире, 85% летальных случаев приходится на ишемический инсульт головного мозга и инфаркта миокарда, и динамика летальности с 2000 по 2015 год от данных заболеваний только растет. Развитие заболеваний сердечно-сосудистой системы зависит от многих факторов (образа жизни, генетических предрасположенностей, особенности организма и других), которые не всегда могут быть вовремя продиагностированы или скомпенсированы.

Одной из наиболее распространенных форм аритмий являются пароксизмальные (внезапно возникающие) нарушения ритма сердца. Данные формы аритмий могут протекать обособленно или возникать вследствие осложнения течение заболеваний сердечно-сосудистой системы (или других систем). Пароксизмальные тахиаритмии характеризуются внезапным началом (а также возможно, и окончанием) с развитием приступа учащения сердечных сокращений более 100 уд./мин, возможным развитием острой недостаточности кровообращения и требуют неотложного лечения.

Механизм развития аритмий на тканевом уровне уже долго представляет интерес для изучения научным сообществом [3-7]. Сократительная функция сердца возможна благодаря слаженной работе мышечных клеток -кардиомиоцитов. Подобно клеткам мозга, нейронам, кардиомиоциты способны к электрическому возбуждению, в ответ на которое, вследствие

электромеханического сопряжения, происходит сокращение их акто-миозионового комплекса, приводящего сердце в движение. Автоматизм электрического возбуждения обеспечивается проводящей системой сердца, клетки-пейсмейкеры которой способны к регулярной генерации потенциалов действия, вследствие чего возможно нормальное проведение волн возбуждения, и слаженное сокращение ткани сердца. Фронт волны возбуждения при нормальном проведении - прямой, однако было показано, что при встрече препятствия, например, некротического или фиброзного участка сердечной ткани, возникшего вследствие сердечной недостаточности или некроза ткани, волна возбуждения может изменить направление движения в сторону огибания препятствия и вернуться в уже пройденный участок, таким образом закручиваясь в ограниченном контуре. Такие волны получили название реентри (или ревербераторы, также спиральные волны), механизм их распространения исследуется на различных автоколебательных системах [89].

Было показано, что именно возникновение волн реентри является главной причиной возникновения аритмий [4,7]. Различают несколько режимов волн реентри: они могут иметь только один эктопический центр (при этом быть одно-, двухрукавными, и так далее), а также быть мультидоменными (spiral breakup). При возникновении мультидоменного режима в эпикарде (например, вследствие обширного фиброза) может развиться фибрилляция желудочков, когда нагрузка на клетки миокарда увеличивается, сокращение отдельных клеток происходит с большей частотой, но насосная функция страдает. Именно в таких случаях для остановки распространения волн реентри и «перезапуска» нормального ритма сердца используют дефибриллятор, выдающий мощный разряд электрического тока.

В связи с высокой опасностью вышеописанных заболеваний сердечнососудистой системы является важным изучение фундаментальных

механизмов их возникновения, а именно представляет интерес развитие данных состояний на тканевом и клеточном уровне, характер возникновения и роль распространения волн реентри, и анализ факторов, обладающих аритмогенностью.

Для формирования теоретических и экспериментальных подходов исследований патологий сердца развиваются тканево-инженерные методы, которые позволяют в лабораторных условиях моделировать различные функциональные аспекты проводящей и сократительной способностей сердечной ткани и контролируемо воссоздавать факторы, влияющие на нарушение данных функций.

За последние десятилетия был осуществлен значительный прогресс в области тканевой инженерии для исследования проблем кардиологии. Одним из прорывных открытий (за которое в 2012 году была получена Нобелевская премия) было открытие клеточного репрограммирования и возможности индуцирования плюрипотентного состояния у соматических клеток человека [10], что открыло новые перспективы в области регенеративной медицины. С учетом наличия таких инструментов, представляется потенциально возможной разработка методов восстановления проводящей системы сердца с использованием собственных клеток пациента тканево-инженерными методами. Для развития таких методов необходимо детализированное понимание процессов, связанных с проведением волн возбуждения, в нормальных и патологических режимах.

Настоящая работа посвящена изучению аспектов фундаментальных механизмов, возникающих на межклеточном уровне и влияющих на режимы распространения волн возбуждения по сердечной ткани.

Цели и задачи работы

В рамках настоящего исследования главный интерес представляло изучение особенностей проведения волн возбуждения на тканевом уровне в

различных условиях топологии возбудимости сердечной ткани, достигаемой набором тканево-инженерных методов.

Цель исследования заключалась в определении роли межклеточных взаимодействий в сердечной ткани на распространение волн возбуждения, и возникновение волн реентри как частного, но отличительного по значимости случая.

В рамках выполнения исследования были сформулированы следующие задачи:

1) Изучение фундаментальных процессов функционирования сердечной ткани при различном процентном содержании кардиомиоцитов и фибробластов. Исследование механизма самоорганизации неонатальными кардиомиоцитами, в присутствии различного количества фибробластов, в функциональный синцитий, способный как к синхронному механическому сокращению, так и к электрическому проведению.

В рамках этой же темы необходимо определить пороговое значение процентного содержания кардиомиоцитов, при котором возможно проведение волны возбуждения по всему образцу. Исследование возможности возникновения волн реентри и однонаправленного блока в присутствии малого количества кардиомиоцитов.

2) Разработка экспериментальной модели оптического биопейсмейкера, интегрируемого в сердечную ткань. В рамках задачи необходимо произвести поиск оптимального метода интеграции фоточувствительных клеток линии НЬ-1 СИЯ-2 в монослой культуры крысиных неонатальных кардиомиоцитов для возможности слаженного проведения волн возбуждения в полном объеме образца на физиологических частотах.

3) Изучение динамики распространения волн реентри в условиях варьируемой проводимости сердечной ткани. С использованием метода фотоконтроля в присутствии вещества из класса азобензенов АзоТАБ, в транс-конформации блокирующего возникновение волн возбуждения, необходимо создать градиент возбудимости сердечной ткани, отработать протокол контролируемого запуска волн реентри по образцу, охарактеризовать динамику дрейфа волн реентри в созданных условиях.

4) Изучение влияния свойств матрикса, таких как анизотропия и жесткость, на фенотип кардиомиоцитов, дифференцированных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) человека, а также на динамику проведения волн возбуждения.

Научная новизна исследования

В представленной работе приводятся оригинальные результаты научных исследований, раскрывающих новые аспекты межклеточных функциональных взаимодействий в сердечной ткани.

Впервые:

- показан неслучайный характер процесса самоорганизации сердечной ткани. Выявлены специфические вытянутые структуры из кластеров кардиомиоцитов между окружающими их фибробластами - проводящие пути. Найдено пороговое значение, необходимое для возможности проведения волн возбуждения вдоль всего образца. Экспериментально измерена зависимость скорости проведения волны возбуждения от процентного содержания кардиомиоцитов, а также посредством иммуноцитохимии изучена структура образцов, которая показала наличие проводящих путей во всех проводящих образцах. Выявлены примеры морфологии сердечной ткани при низком

содержании кардиомиоцитов, способствующих возникновению однонаправленного блока и волн реентри;

- создана оптическая экспериментальная модель биопейсмейкера, фоточувствительность которой обусловлена встраиванием канального родопсина-2 в мембраны клеток, выявлены аспекты формирования функциональных межклеточных связей между интегрируемой и реципиентной культурой клеток, подобран оптимальный способ подсадки клеток для возможности регулярного проведения волн возбуждения на физиологически значимых частотах при оптической стимуляции;

- создана экспериментальная модель, в которой возможно методом фотоконтроля обратимо изменять возбудимость сердечной ткани, позволяющей изучение дрейфа волн реентри; экспериментально показан механизм дрейфа волн реентри в градиенте возбудимости и приведены гипотезы для объяснения такой динамики процесса;

- выявлены существенные различия в кальциевой активности кардиомиоцитов, полученных из ИПСК человека, под влиянием такого фактора как степень анизотропии и жесткости подложки; наблюдается прямая корреляция скорости проведения волны возбуждения с увеличением жесткости подложки и повышением степени анизотропии матрикса.

Практическая значимость работы

Результаты, полученные в рамках исследования, неразрывно связаны с изучением механизма развития острых состояний сердца и сердечнососудистых заболеваний.

Полученная экспериментальная модель оптического биопейсмейкера в дальнейшем может помочь в разработке малоинвазивной технологии создания биологического водителя ритма.

Выявленный механизм самоорганизации сердечной ткани позволяет лучше понимать критические режимы функционирования сердечной мышцы, возникающие, например, при постинфарктном состоянии.

Созданная модель для фотоконтроля возбудимости сердечной ткани представляет собой экспериментальную площадку для дальнейшего изучения влияния топологии сердечной ткани на распространение волн реентри, и таким образом может быть использована как система моделирования режимов фибрилляции в сердце.

Результаты работы в целом закладывают основу для развития клинически применимых тканево-инженерных методов для диагностики и терапии заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Положения, выносимые на защиту

1) Процесс самоорганизации сердечной ткани в форму монослоя при внесении суспензии на субстрат не является стохастическим процессом, как это предполагалось ранее, а имеет неслучайный характер. Кардиомиоциты (вероятно, за счет паракринных факторов), мигрируют для образования вытянутых кластеров - проводящих путей. Данная организация морфологии позволяет проведение волны возбуждения по площади образца при парадоксально низком процентном содержании кардиомиоцитов, составляющем всего 18%.

2) В монослоях культуры сердечной ткани с низким содержанием кардиомиоцитов выявлены примеры морфологии проводящих путей, вызывающих появление однонаправленного блока и возникновения реентри. Данные процессы объясняются возникновением несоответствия потенциала, необходимого для изотропного передачи возбуждения на соседние клетки (sink-source miscmatch). Зоны рефрактерности, возникающие также из-за неоднородности проведения сигнала, выступают препятствием, на котором закручиваются волны реентри.

3) Показана возможность интеграции и образования электрических связей светочувствительных клеток HL-1 ChR2 в культуру неонатальных кардиомиоцитов. Наиболее эффективным среди исследованных способов подсадки светочувствительных клеток линии HL-1 ChR2 является кластерный способ подсадки. При таком способе подсадки обеспечивается стабильное проведение волн возбуждения на физиологически значимых частотах, даже в условиях снижения общей возбудимости монослоя.

4) Эффективность кластерной интеграции зависит от времени подсадки клеток и морфологии монослоев неонатальной культуры, что объясняется снижающейся способностью неонатальных кардиомиоцитов к формированию новых щелевых контактов (gap junctions) с соседними клетками с течением времени.

5) Метод подсадки клеток в виде суспензии не может быть признан эффективным для создания оптического водителя ритма. Интеграция изолированных клеток критически чувствительна к условиям подсадки и не является стабильной на физиологических частотах.

6) Показано монотонное увеличение скорости проведения волны возбуждения с ростом интенсивности УФ-засветки (что соответствует увеличению концентрации цис-формы АзоТАБ), т.е. возможность моделирования плавного изменения возбудимости на культуре клеток.

7) Экспериментальные данные свидетельствуют о сдвиге спиральной волны преимущественно в сторону меньшей возбудимости (62%). При этом в рамках проведения краткосрочных экспериментов возможно наблюдение дрейфа центра волны в сторону большей возбудимости, или отсутствие смещения. Этот результат свидетельствует о стохастичности динамической системы и наличии конкурирующих факторов. Значительный вклад в миграцию ядра волны реентри вносит процесс меандринга.

8) Показано, что для объяснения эффекта дрейфа волн реентри в градиенте возбудимости необходимо учитывать не только изменение коэффициентов возбудимости, но и изменение коэффициента диффузии, если градиент был получен путем введения в раствор фоточувствительного агента, такого как АзоТАБ. Этот вывод позволяет предположить, что в присутствии АзоТАБ динамика дрейфа волны реентри в монослое сердечной ткани зависит не только от состояния ионных каналов, как это предполагалось ранее, но и от изменений в межклеточной проводимости (клеточных контактов), что также соотносится с результатами компьютерного моделирования.

9) Выявлено существенное влияние физических свойств матрикса (подложки) на формирование функционального электромеханического синцития, полученного путем дифференцировки ИПСК человека, и в частности, на фенотипические особенности кардиомиоцитов и характеристики проведения волн возбуждения в таком биоинженерном конструкте.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов подтверждается использованием общепризнанных методологий исследований, с применением высокоточного оборудования. Все проведенные эксперименты являются воспроизводимыми, для каждого из экспериментальных исследований набрано достаточное количество повторений, результаты обработаны с использованием статистических методов для подсчета погрешностей. Адекватность результатов работы подтверждается тем, что полученные значения скоростей проведения волн возбуждения соотносятся с известными из общедоступных данных в научной литературе. Верификация данных обуславливается высокой корреляцией зависимостей, полученных экспериментально и с использованием компьютерных математических моделей.

Апробация результатов произведена за счет их представления сообществу коллег на профильных научных мероприятиях.

Основные результаты работы были представлены на 8 российских и международных конференциях, на двух из которых доклады были отмечены наградами:

- Диплом за лучший доклад симпозиума: Международный симпозиум «Nanoparticles and nanotechnology for Biomedical engineering, biotechnology and medicine», г. Варшава, Польша. 15-17 октября 2017 г., доклад: Nizamieva А., Slotvitskiy M., Tsvelaya V, Kudryashova N, Agladze K. «Conduction pathways in rat cardiac cell culture».

- Диплом победителя конкурса докладов молодых ученых. Российская конференция с международным участием «Экспериментальная и компьютерная медицина», г. Екатеринбург, 26-28 мая 2021 г., доклад: Nizamieva A. A., Balashov V. A., Tsvelaya V. A., Agladze K. I. «Optical biopacemaker experimental model».

По итогам исследования подготовлено 12 печатных работ. Результаты исследования отражены в 3 публикациях, размещенных в рецензируемых научных изданиях, индексируемых базами Scopus и Web of Science. Подготовлен препринт по результатам исследования, приведенного в главе о дрейфе волн реентри в градиенте возбудимости, который в настоящий момент находится на рассмотрении в научном издании. Помимо публикаций, результаты работ также были опубликованы в 8 сборниках тезисов докладов конференций (индексируются РИНЦ).

Публикации

Результаты исследования также нашли отражение в следующих опубликованных работах:

1. Балашов, В. А., Низамиева, А. А., Цвелая, В. А., & Агладзе, К. И. (2018). Интеграция светочувствительных кардиомиоцитов в сердечные культуры как модель оптического биопейсмейкера. Гены и клетки, 13(4).

2. Kudryashova, N., Nizamieva, A., Tsvelaya, V., Panfilov, A. V., & Agladze, K. I. (2019). Self-organization of conducting pathways explains electrical wave propagation in cardiac tissues with high fraction of non-conducting cells. PLoS computational biology, 15(3), e1006597.

3. Щербина С.А., Шутько А.В., Низамиева А.А., Никитина А.В., Слотвицкий М.М., Цвелая В.А., Агладзе К.И. «Исследование формирования тканево-инженерного конструкта на основе кардиомиоцитов и матрикса различной степени анизотропии и жесткости». (2021) Альманах клинической медицины, 49(6), 365-374.

Помимо публикаций, размещенных в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, результаты работ также были опубликованы в сборниках тезисов докладов конференций, приведенных в предыдущем разделе (индексируются РИНЦ).

Структура и объем работы

Диссертация, общим объемом 129 страниц машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов собственных исследований, выводов, заключения и списка литературы. Работа содержит 36 иллюстраций, 1 таблицу. Список литературы состоит из 86-и источников.

1. Обзор литературы

1.1 Строение сердца и морфология сердечной ткани. Механическое сокращение сердца. Проводящая система сердца.

Нормальная насосная функция сердца обеспечивается за счет упорядоченного и слаженного механического сокращения (систолы) и последующего расслабления (диастолы) составляющих его камер: левого и правого предсердий, и после - желудочков.

С морфологической точки зрения, нормальные сердечные сокращения возможны за счет организации структуры органа. Основной объем стенок сердца сформирован из его средней оболочки - миокарда, состоящего преимущественно из кардиомиоцитов - поперечнополосатых мышечных клеток, подобно скелетным имеющих актин-миозиновый сократительный аппарат (о различиях со скелетными мышечными клетками в работе будет упомянуто позже).

Внутренняя оболочка, обращенная в полость сердца, - эндокард, образована клетками соединительной, гладкомышечной и эпителиальной тканей.

Сердце окружает околосердечная сумка - перикард, состоящая из двух листков: висцерального (внутреннего) и париетального (наружного), между которыми находится небольшое количество серозной жидкости, необходимой для уменьшения трения между лепестками при сокращениях сердца. Висцеральный листок перикарда представляет внешнюю оболочку сердца -эпикард. Эпикард в основном сформирован клетками соединительной ткани -фибробластами, также присутствуют клетки жировой ткани (в большей или меньшей степени) - адипоциты, и кровеносные сосуды.

Фибробласты не способны к механическому сокращению, они формируют жесткую, плотную структуру. Перикард играет роль каркаса, отделяющего сердце от остальных органов и оберегающего его от смещения

или перерастяжения при нагрузке. Фибробласты являются ключевым элементом к восстановлению работы сердца в патологических состояниях, связанных с травмами сердечной ткани, и как следствие, с ее некрозом (например, при ишемической болезни сердца). Дело в том, что кардиомиоциты являются высокодифференцированным типом клеток, во взрослом возрасте организма не способным к делению. Фибробласты же быстро пролиферируют (либо образуются из предшественников) и дифференцируются в активный фенотип, способный к выработке достаточного количества белков внеклеточного матрикса, таким образом предотвращая перерастяжение или разрыв сердечной ткани. [11] Тем не менее, помогая нормализации работы сердца с механической точки зрения, увеличенное количество фибробластов дает свой вклад в развитие аритмогенных состояний. [12]

Кардиомиоциты в сердце расположены упорядоченно: во-первых, они имеют вытянутую форму (длину порядка 100-150 мкм, при ширине 15-20 мкм и поперечном диаметре порядка 5 мкм [13]). Во-вторых, они организовываются в анизотропные лентовидные структуры, или волокна. Интересная также пространственная организация миокарда. Так, миокард желудочков делится на три слоя: поверхностный, средний и глубокий. Направления вытянутости волокон глубокого и поверхностного слоя образуют угол 90° (направление меняется за счет «разворота» направления внешнего слоя у завитка сердца и его перехода на внутренний слой). Средний слой образован циркулярными пучками волокон. Данное анатомическое строение желудочков обеспечивает необходимое давление в момент систолы для нагнетания крови.

Координация слаженных механических сердечных сокращений возможна благодаря работе проводящей системы сердца. Дело в том, что в миокарде можно выделить рабочие кардиомиоциты, они выполняют непосредственно сократительную функцию и составляют практически 99% клеток миокарда, а также клетки-пейсмейкеры (или водители ритма) и клетки

Пуркинье - клетки проводящей системы сердца, которые отвечают за регулярный ритм его биений. (В миокарде также выделяют иные виды кардиомиоцитов, однако данная классификация выходит за рамки настоящей работы и не влияет на ее результаты, поэтому данные типы будут опущены).

Проводящая система сердца включает в себя три порядка водителей ритма, за счет которых обеспечивается автоматия работы сердца:

- синоатриальный узел, задает ритм порядка 60-80 имп./мин;

- атриовентрикулярный узел, задает ритм порядка 40-60 имп./мин;

- пучок Гиса и волокна Пуркинье, задают ритм порядка 20-40 имп./мин.

Распределение частоты активности водителя ритма в зависимости от его порядка, «закон градиента автоматии», был сформулирован В. Гаскеллом в 1887 году: чем ближе пейсмейкер анатомически расположен к синоатриальному узлу, тем выше степень его автоматии. Сердце в норме обладает синусовым ритмом, частота импульсов синоатриального узла выше частоты нижележащих пейсмейкеров, в связи с чем их спонтанная активность подавляется. В случае, если синусовый ритм оказывается нарушен, сердце приводится в движение от импульсов атриовентрикулярного узла и так далее.

1.2 Потенциал действия. Волна возбуждения. Электромеханическое сопряжение

Распространение импульса от водителя ритма по сердечной ткани происходит за счет продвижения волны возбуждения. Сердечная ткань является примером так называемых возбудимых сред. Подобно нейронам, кардиомиоциты способны к проведению электрического сигнала и генерации потенциала действия в ответ на внешнее возбуждение.

Сердечную ткань определяют следующие свойства:

- возбудимость — способность клеток отвечать возбуждением, то есть генерацией потенциала действия, при воздействии раздражителей, главным образом электрических стимулов;

- проводимость — способность без затухания, за счет накопленной в клетках энергии, к передаче электрического импульса от одной клетки к соседним (как в клетках-пейсмейкерах, так и в клетках рабочего миокарда);

- автоматия (автоматизм) — способность к генерации (в клетках проводящей системы сердца) электрических сигналов без необходимости воздействия внешних факторов (в том числе участия нервной системы), которая обеспечивается за счет периодичного характера динамики трансмембранных ионных токов, идущих в обоих направлениях (внутрь и из клетки-пейсмейкера);

- рефрактерность — отсутствие возможности вторичного проведения волны возбуждения в клетке в течение одного цикла потенциала действия и наличие критической частоты стимуляции кардиомиоцитов, что в нормальном режиме обеспечивает однонаправленность распространения волны возбуждения и отсутствие интерференции волн возбуждения, необходимых для оптимального сокращения камер сердца для перекачивания крови (в противоположность тетаническому сокращению, возникающему в скелетных мышцах при увеличении частоты стимуляции электрическими импульсами от нервных волокон).

Потенциалом действия называется проведение волны возбуждения по мембране клетки, в виде изменения мембранного потенциала за счет работы ионных каналов (рис. 1).

Рисунок 1 - Фазы потенциала действия кардиомиоцита рабочего миокарда. 0. Фаза быстрой деполяризации 1. Фаза быстрой начальной реполяризации 2.

Фаза плато (медленная реполяризация) 3. Фаза быстрой конечной реполяризации 4. Мембранный потенциал покоя. Рис. адаптирован из [16]

В состоянии покоя мембранный потенциал кардиомиоцита рабочего миокарда составляет -90 мВ. При возбуждении клетки электрическим стимулом клеточная мембрана быстро деполяризуется таким образом, что разность между внутриклеточным потенциалом и потенциалом окружающей среды становится равной примерно 20 мВ, что обусловлено открытием быстрых потенциал-зависимых натриевых каналов [14]. За фазой быстрой деполяризации следует фаза ранней или быстрой начальной реполяризации, которая происходит за счет активации быстрых калиевых каналов, и затем следует плато, во время которого открываются медленные калиевые и кальциевые каналы L-типа. Затем мембрана посредством работы медленных калиевых каналов полностью реполяризуется до достижения потенциала покоя. [15,16]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Низамиева Айгуль Альфредовна, 2022 год

Список использованной литературы

1. Электронный ресурс: информационный бюллетень «Сердечнососудистые заболевания» Всемирной организации здравоохранения, дата обращения: 22.04.2022

https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/cardiovascular-diseases-(cvds)

2. Wang et al., (2016). Global, regional, and national life expectancy, all-cause mortality, and cause-specific mortality for 249 causes of death, 1980-2015: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2015. The Lancet, том 388, 10053, c. 1459-1544

3. Hoffman, B. F., & Rosen, M. R. (1981). Cellular mechanisms for cardiac arrhythmias. Circulation research, 49(1), 1-15.

4. Moe, G. K. (1975). Evidence for reentry as a mechanism of cardiac arrhythmias. Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology, Volume 72, 55-81.

5. Wit, A. L. (1990). Cellular electrophysiologic mechanisms of cardiac arrhythmias. Cardiology Clinics, 8(3), 393-410.

6. Agladze, K., Kay, M. W., Krinsky, V., & Sarvazyan, N. (2007). Interaction between spiral and paced waves in cardiac tissue. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 293(1), H503-H513.

7. Kadota, S., Minami, I., Morone, N., Heuser, J. E., Agladze, K., & Nakatsuji, N. (2013). Development of a reentrant arrhythmia model in human pluripotent stem cell-derived cardiac cell sheets. European heart journal, 34(15), 11471156.

8. Krinsky, V. I., & Agladze, K. I. (1983). Interaction of rotating waves in an active chemical medium. Physica D: Nonlinear Phenomena, 8(1-2), 50-56.

9. Fenton, F. H., Cherry, E. M., & Glass, L. (2008). Cardiac arrhythmia. Scholarpedia, 3(7), 1665.

10.Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita, M., Ichisaka, T., Tomoda, K., & Yamanaka, S. (2007). Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. cell, 131(5), 861-872.

11.Fomovsky G. M., Thomopoulos S., Holmes J. W. Contribution of extracellular matrix to the mechanical properties of the heart //Journal of molecular and cellular cardiology. - 2010. - Т. 48. - №. 3. - С. 490-496.

12.Nag A. C. Study of non-muscle cells of the adult mammalian heart: a fine structural analysis and distribution //Cytobios. - 1979. - Т. 28. - №. 109. - С. 41-61.

13.Li R. K., Weisel R. D. (ed.). Cardiac regeneration and repair: Biomaterials and tissue engineering. - Elsevier, 2014.

14.Удельнов М. Г. Физиология сердца //М.: изд-во МГУ. - 1975. - Т. 9.

15.Иваницкий Г.Р., Кринский В.И., Сельков Е.Е. Математическая

биофизика клетки. - Москва, Наука. - 1978. - C.141.

16.Badke F. R., Boinay P., Covell J. W. Effects of ventricular pacing on regional left ventricular performance in the dog //American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 1980. - Т. 238. - №. 6. - С. H858-H867.

17.Kaab S. et al. Ionic mechanism of action potential prolongation in ventricular myocytes from dogs with pacing-induced heart failure //Circulation research. - 1996. - Т. 78. - №. 2. - С. 262-273.

18.Li G. R. et al. Transmural action potential and ionic current remodeling in ventricles of failing canine hearts //American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 2002. - Т. 283. - №. 3. - С. H1031-H1041.

19.Hille B. Ionic channels in excitable membranes. Current problems and biophysical approaches //Biophysical Journal. - 1978. - Т. 22. - №. 2. - С. 283-294.

20.Prinzen F. W. et al. The time sequence of electrical and mechanical activation during spontaneous beating and ectopic stimulation //European Heart Journal. - 1992. - Т. 13. - №. 4. - С. 535-543.

21.Fast V.G., Darrow B.J., Saffitz J.E., and Kle'ber A.G. Anisotropic Activation Spread in Heart Cell Monolayers Assessed by High-Resolution Optical Mapping. // Circulation research.- 79, 115-127, - 1996.

22.Kleber A. G., Janse M. J., Fast V. G. Normal and abnormal conduction in the heart //Comprehensive Physiology. - 2011.

23.Kudryashova N. N. et al. Arrhythmogenic role of the border between two areas of cardiac cell alignment //Journal of molecular and cellular cardiology. - 2014. - Т. 76. - С. 227-234.

24.Kleber A. G., Rudy Y. Basic mechanisms of cardiac impulse propagation and associated arrhythmias //Physiological reviews. - 2004. - Т. 84. - №. 2.

- С. 431-488.

25.Sperelakis N. Propagation mechanisms in heart //Annual review of physiology. - 1979. - Т. 41. - №. 1. - С. 441-457.

26.Marban E. Cardiac channelopathies //Nature. - 2002. - Т. 415. - №. 6868. -С. 213-218.

27.Pedrotty D. M. et al. Structural coupling of cardiomyocytes and noncardiomyocytes: quantitative comparisons using a novel micropatterned cell pair assay //American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 2008. - Т. 295. - №. 1. - С. H390-H400.

28.Ongstad E., Kohl P. Fibroblast-myocyte coupling in the heart: potential relevance for therapeutic interventions //Journal of molecular and cellular cardiology. - 2016. - Т. 91. - С. 238-246.

29.Kamkin A. et al. A possible role for atrial fibroblasts in postinfarction bradycardia //American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 2002. - Т. 282. - №. 3. - С. H842-H849.

30.Jacquemet V. Pacemaker activity resulting from the coupling with nonexcitable cells //Physical Review E. - 2006. - Т. 74. - №. 1. - С. 011908.

31.Gaudesius G. et al. Coupling of cardiac electrical activity over extended distances by fibroblasts of cardiac origin //Circulation research. - 2003. - Т. 93. - №. 5. - С. 421-428.

32.Kaneko T., Nomura F., Yasuda K. On-chip constructive cell-Network study (I): Contribution of cardiac fibroblasts to cardiomyocyte beating synchronization and community effect //Journal of nanobiotechnology. -2011. - Т. 9. - №. 1. - С. 21.

33.Кринский В. И., Михайлов А. С. Автоволны. - Знание, 1984.

34.Agladze K. et al. Rotating spiral waves created by geometry //Science. - 1994.

- Т. 264. - №. 5166. - С. 1746-1748.

35.Woo S. J. et al. Spiral wave drift and complex-oscillatory spiral waves caused by heterogeneities in two-dimensional in vitro cardiac tissues //New Journal of Physics. - 2008. - T. 10. - №. 1. - C. 015005.

36.Feng X. et al. Unpinning of rotating spiral waves in cardiac tissues by circularly polarized electric fields //Scientific reports. - 2014. - T. 4. - №. 1.

- C. 1-5.

37.Roth B. J. Meandering of spiral waves in anisotropic cardiac tissue //Physica D: Nonlinear Phenomena. - 2001. - T. 150. - №. 1-2. - C. 127-136.

38.Qu Z. et al. Origins of spiral wave meander and breakup in a two-dimensional cardiac tissue model //Annals of biomedical engineering. - 2000. - T. 28. -№. 7. - C. 755-771.

39.Panfilov A. V., Keldermann R. H., Nash M. P. Drift and breakup of spiral waves in reaction-diffusion-mechanics systems //Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2007. - T. 104. - №. 19. - C. 7922-7926.

40.Moe G. K. Evidence for reentry as a mechanism of cardiac arrhythmias //Reviews of Physiology, Biochemistry and Pharmacology, Volume 72. -1975. - C. 55-81.

41.Caceres J. et al. Sustained bundle branch reentry as a mechanism of clinical tachycardia //Circulation. - 1989. - T. 79. - №. 2. - C. 256-270.

42.Gaztañaga L., Marchlinski F. E., Betensky B. P. Mechanisms of cardiac arrhythmias //Revista Española de Cardiología (English Edition). - 2012. - T. 65. - №. 2. - C. 174-185.

43.Waks J. W., Josephson M. E. Mechanisms of atrial fibrillation-reentry, rotors and reality //Arrhythmia & electrophysiology review. - 2014. - T. 3. - №. 2.

- C. 90.

44.Fenton F. H. et al. Multiple mechanisms of spiral wave breakup in a model of cardiac electrical activity //Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. - 2002. - T. 12. - №. 3. - C. 852-892.

45.Panfilov A. V. Spiral breakup as a model of ventricular fibrillation //Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. - 1998. - T. 8. - №. 1. -C. 57-64.

46.Qu Z. et al. Origins of spiral wave meander and breakup in a two-dimensional cardiac tissue model //Annals of biomedical engineering. - 2000. - T. 28. -№. 7. - C. 755-771.

47.Yamazaki M. et al. Regional cooling facilitates termination of spiral-wave reentry through unpinning of rotors in rabbit hearts //Heart rhythm. - 2012. -T. 9. - №. 1. - C. 107-114.

48.Bingen B. O. et al. Light-induced termination of spiral wave arrhythmias by optogenetic engineering of atrial cardiomyocytes //Cardiovascular research. -2014. - T. 104. - №. 1. - C. 194-205.

49.Vandersickel N. et al. Global alternans instability and its effect on non-linear wave propagation: dynamical Wenckebach block and self terminating spiral waves //Scientific reports. - 2016. - T. 6. - №. 1. - C. 1-11.

50.Prinzen F. W. et al. The time sequence of electrical and mechanical activation during spontaneous beating and ectopic stimulation //European Heart Journal. - 1992. - T. 13. - №. 4. - C. 535-543.

51.Pfeiffer E. R. et al. Biomechanics of cardiac electromechanical coupling and mechanoelectric feedback //Journal of biomechanical engineering. - 2014. -T. 136. - №. 2. - C. 021007.

52.Nédélec F., Surrey T., Karsenti E. Self-organisation and forces in the microtubule cytoskeleton //Current opinion in cell biology. - 2003. - T. 15. -№. 1. - C. 118-124.

53.Elowitz M. B. et al. Stochastic gene expression in a single cell //Science. -2002. - T. 297. - №. 5584. - C. 1183-1186.

54.23. Zhao, Y.; Zhao, X.T.; Chen, D.Y.; Luo, Y.N.; Jiang, M.; Wei, C.; Long, R.; Yue, W.T.; Wang, J.B.; Chen, J. Tumor cell characterization and classification based on cellular specific membrane capacitance and cytoplasm conductivity.// Biosens. Bioelectron. - 2014. - 57, 245-253.

55.E. M. C. Hillman, O. Bernus, E. Pease et al. «Depth-resolved optical imaging of transmural electrical propagation in perfused heart». // Optics Express - 2007. Dec. Vol. 15, no. 26 - p. 17827. 56.Shapira-Schweitzer K., Seliktar D. Matrix stiffness affects spontaneous

contraction of cardiomyocytes cultured within a PEGylated fibrinogen

biomaterial //Acta biomaterialia. - 2007. - T. 3. - №. 1. - C. 33-41.

57.Balashov V. et al. High resolution 3D microscopy study of cardiomyocytes on polymer scaffold nanofibers reveals formation of unusual sheathed structure //Acta biomaterialia. - 2018. - T. 68. - C. 214-222.

58.Balashov V. et al. Use of Polylactic nanofibrous scaffolds as a substrate for cardiomyocytes cultivation //AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC, 2018. - T. 2051. - №. 1. - C. 020024.

59.Kudryashova N. N. et al. Arrhythmogenic role of the border between two areas of cardiac cell alignment //Journal of Molecular and Cellular Cardiology. - 2014. - T. 76. - C. 227-234.

60. Claycomb W. C. et al. HL-1 cells: a cardiac muscle cell line that contracts and retains phenotypic characteristics of the adult cardiomyocyte //Proceedings of the National Academy of Sciences. - 1998. - T. 95. - №. 6.

- C. 2979-2984.

61.Nagel G. et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel //Proceedings of the National Academy of Sciences. -2003. - T. 100. - №. 24. - C. 13940-13945.

62.Magome N., Agladze K. Patterning and excitability control in cardiomyocyte tissue culture //Physica D: Nonlinear Phenomena. - 2010. - T. 239. - №. 16.

- C. 1560-1566.

63. Magome N. et al. Photo-control of excitation waves in cardiomyocyte tissue culture //Tissue Engineering Part A. - 2011. - T. 17. - №. 21-22. - C. 27032711.

64. Magome N., Agladze K. Patterning and excitability control in cardiomyocyte tissue culture //Physica D: Nonlinear Phenomena. - 2010. - T. 239. - №. 16.

- C. 1560-1566.

65. Frolova S. R. et al. Study of azobenzene trimethylammonium bromide interaction with voltage-gated ion channels of adult rat cardiomyocytes //Instabilities and Control of Excitable Networks. Focus on: Cardiac Biophysics and General Aspects of Excitable Media Self-organization/Moscow: DPS, 2014, 76 p. - 2014. - С. 15.

66.Hodgkin A. L., Huxley A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve //The Journal of physiology. - 1952. - Т. 117. - №. 4. - С. 500.

67.FitzHugh R. Impulses and physiological states in theoretical models of nerve membrane //Biophysical journal. - 1961. - Т. 1. - №. 6. - С. 445-466.

68.Nagumo J., Arimoto S., Yoshizawa S. An active pulse transmission line simulating nerve axon //Proceedings of the IRE. - 1962. - Т. 50. - №. 10. -С. 2061-2070.

69.Zhabotinsky A. M., Zaikin A. N. Autowave processes in a distributed chemical system //Journal of theoretical biology. - 1973. - Т. 40. - №. 1. - С. 45IN157-56IN361.

70.Aliev R. R., Panfilov A. V. A simple two-variable model of cardiac excitation //Chaos, Solitons & Fractals. - 1996. - Т. 7. - №. 3. - С. 293-301.

71.Alonso S., Kapral R., Bär M. Effective medium theory for reaction rates and diffusion coefficients of heterogeneous systems //Physical review letters. -2009. - Т. 102. - №. 23. - С. 238302.

72.Fenton F., Karma A. Vortex dynamics in three-dimensional continuous myocardium with fiber rotation: filament instability and fibrillation //Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. - 1998. - Т. 8. - №. 1. -С. 20-47.

73.Xia W., Thorpe M. F. Percolation properties of random ellipses //Physical Review A. - 1988. - Т. 38. - №. 5. - С. 2650.

74. Mertens S., Moore C. Continuum percolation thresholds in two dimensions //Physical Review E. - 2012. - Т. 86. - №. 6. - С. 061109.

75.Steinberg M. S. Reconstruction of tissues by dissociated cells //Science. -1963. - Т. 141. - №. 3579. - С. 401-408.

76.Cell culture basics handbook. - Thermo Fisher Scientific Inc. - 2015.

77.Ehler E., Moore-Morris T., Lange S. Isolation and culture of neonatal mouse cardiomyocytes //JoVE (Journal of Visualized Experiments). - 2013. - №. 79. - С. e50154-e50154.

78. Электронный ресурс. Сайт ThermoFisher, протокол репрограммирования индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/A15960

79.Lian X. et al. Directed cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells by modulating Wnt/p-catenin signaling under fully defined conditions //Nature protocols. - 2013. - Т. 8. - №. 1. - С. 162.

80.Burridge P. W. еt al. ^ет^Пу defined generation of human cardiomyocytes //Nature methods. - 2014. - Т. 11. - №. 8. - С. 855.

81.Chen G, Gulbranson DR, Hou Zet al. (2011) Chemically defined conditions for human iPSC derivation and culture. Nat Methods 8(5):424-429.

82. Walker R. The metabolism of azo compounds: a review of the literature. // Food and cosmetics toxicology. 1970. Jan.. T. 8, № 6 C. 659-676.

83.Molecular Probes Handbook, A Guide to Fluorescent Probes and Labeling Technologies, 11th Edition / Ed. by Jonson I., Spence M.T.Z.-London:Paperback, 2010.-623 p

84.Ten Tusscher, K. H., & Panfilov, A. V. (2007). Influence of diffuse fibrosis

on wave propagation in human ventricular tissue. Europace, 9(suppl_6), vi38-vi45.

85.Frolova S. R. et al. Photocontrol of Voltage-Gated Ion Channel Activity by Azobenzene Trimethylammonium Bromide in Neonatal Rat Cardiomyocytes //PLoS One. - 2016. - Т. 11. - №. 3. - С. e0152018

86.N. Magome, G. Kanaporis, N. Moisan et al. Photo-control of excitation waves in cardiomyocyte tissue culture. / // Tissue engineering. Part A. 2011. Nov.. Vol. 17, no. 21-22. P. 2703-11.

87.Kudryashova N. et al. Self-organization of conducting pathways explains electrical wave propagation in cardiac tissues with high fraction of nonconducting cells //PLoS computational biology. - 2019. - Т. 15. - №. 3. - С. e1006597.