Исследование динамической неоднородности миокарда у гибернирующих и негибернирующих животных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.03.01, кандидат биологических наук Егоров, Юрий Владимирович

• Егоров, Юрий Владимирович
• кандидат биологических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Егоров, Юрий Владимирович

Список сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Электрофизиологические механизмы развития аритмий при гипотермии. Устойчивость гибернирующих животных к Холодовым аритмиям. ^

1.2. Роль длины волны в механизме циркуляции возбуждения. *

1.3. Возникновение блоков проведения. ^

1.3.1. Скорость проведения и анизотропия скорости проведения возбуждения.

1.3.1.1. Ионные механизмы, определяющие скорость проведения.

1.3.1.2. Роль межклеточных контактов в распространении возбуждения и анизотропии проведения.

1.3.1.3 Фактор надежности проведения возбуждения.

1.3.2. Неоднородность миокарда по реполяризации.

1.3.2.1. Роль ионов Са2+ в дисперсии реполяризации. 23 1.3.3 Роль динамической неоднородности миокарда в механизме развития фибрилляции желудочков. ^

1.4. Резюме.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1. Объект исследования и инструментальный протокол.

2.2. Экспериментальный протокол.

2.3. Микроэлектродная техника.

2.4. Система оптического картирования электрической активности сердца.

2.5. Регистрация оптических сигналов, обработка и статистический анализ полученных данных. ^

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Влияние гипотермии на электрофизиологические параметры папиллярной мышцы сердца, измеренные с помощью микроэлектродной техники. (Стационарная неоднородность).

3.2. Исследование влияния высокочастотного ритма на электрофизиологические параметры папиллярной мышцы сердца при гипотермии с помощью микроэлектродной техники. (Динамическая неоднородность).

3.3. Влияние гипотермии на электрофизиологические параметры сердца, измеренные с помощью оптического картирования. (Стационарная неоднородность). ^

3.4 Исследование влияния высокочастотного ритма на электрофизиологические параметры сердца при гипотермии с помощью оптического картирования. (Динамическая неоднородность).

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Возникновение нарушений ритма сердца во время частотной стимуляции при гипотермии.

4.2. Роль скорости проведения в защите от ФЖ.

4.3. Межклеточное взаимодействие.

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование динамической неоднородности миокарда у гибернирующих и негибернирующих животных»

В зависимости от степени гипотермии функциональные системы организма человека и других негибернирующих млекопитающих испытывают различные сдвиги и нарушения. В ряде работ авторы указывают на то, что гипотермия способствует увеличению уязвимости сердца к аритмиям (Перцов A.M. и Фаст В.Г., 1985; Düker G.D. et al., 1983; Mortensen E. et.al., 1993; Ujhelyi M.R. et.al., 2001) и развитию нарушений ритма у негибернирующих млекопитающих (Mortensen Е. et.al., 1993; Bjornstad H., 1994; Johansson B.W., 1996; Ujhelyi M.R. et.al., 2001; Chorro F.J. et.al., 2002). Проведенный анализ температурного порога функционирования сердца человека (Johansson B.W., 1996; Mattu А., 2002) и других негибернирующих млекопитающих (Кобрин В.И., 1991; Жегунов Г.Ф., 1993; Kenyon J.R. and Ludbrook J., 1957; Badeer H., 1958; Mouritzen C.V. and Anderson M.N., 1966; Nielsen K.C. and Owman C., 1968) показывает, что снижение температуры тела сначала увеличивает вероятность возникновения экстрасистолической активности и фибрилляции желудочков (ФЖ), а затем приводит к полному блоку проведения возбуждения по сердцу.

Тем не менее, среди млекопитающих существуют животные, устойчивые к возникновению ФЖ при низких температурах и способные выживать при температурах тела 0-7°С, погружаясь в состояние гибернации. Гибернация - это состояние полного оцепенения (торпора) при понижении температуры тела животного до значений, близких к температуре окружающей среды. Гибернантами являются некоторые млекопитающие, обитающие в зонах с резкими колебаниями погодно-климатических условий.

При понижении температуры во время зимней спячки сохраняется функционирование наиболее важных органов - сердца, головного мозга, печени. Кровоснабжение этих органов является обязательным условием сохранения жизни гибернантов и обусловлено адекватным функционированием сердечно-сосудистой системы. Несмотря на существование нескольких типов нарушений сердечной деятельности, устойчивые желудочковые тахиаритмии, в том числе фибрилляции желудочков, и блоки проведения возбуждения, не наблюдались у гибернантов (Dave A.R. and Morrison P.R., 1955; Johansson B.W., 1967; Eagles D.A. et.al, 1988) ни при входе в состояние гибернации, ни при выходе из него. Несмотря на многолетнее изучение гибернантов, механизмы работы их сердца во время гибернации до сих пор остаются загадкой для ученых.

Как известно, для возникновения ФЖ необходима повышенная неоднородность среды - анизотропия проведения и дисперсия рефрактерности (Мандел В.Дж., 1996; Wu J. and Zipes D.P., 2004). Увеличенная электрофизиологическая неоднородность миокарда будет создавать условия, необходимые для развития' однонаправленного блока проведения. Даже при "нормальном синусовом ритме в миокарде существует неоднородность (стационарная неоднородность) и пространственный градиент длительности потенциала действия (ДПД) (Laurita K.R. et al., 1996). В ряде работ последних лет (Weiss J.N. et.al., 2000; Cheng Y.J. et.al., 2003; Wilson L.D. et.al., 2009; Dobrovolny H.M. et.al., 2009) показано, что существующая при нормальном синусовом ритме пространственная неоднородность рефрактерности по сердцу может значительно увеличиваться вплоть до блока проведения (Laurita K.R. et al., 1996; Laurita K.R. and Rosenbaum D.S., 2000) при высокочастотной стимуляции или преждевременном стимуле, такую неоднородность принято называть динамической. Однако данные о динамической неоднородности во время гипотермии и ее связи с возникновением ФЖ отсутствуют.

Цель исследования.

Выяснить роль динамической неоднородности миокарда в развитии желудочковых тахиаритмий (ЖТ) во время гипотермии у негибернирующих животных (кроликов) и устойчивости миокарда гибернирующих животных (сусликов - Spermophilus undulatus) к ЖТ.

Задачи исследования.

1. Провести сравнительное исследование влияния гипотермии и высокочастотной стимуляции на электрическую активность клеток изолированного препарата сердца (папиллярная мышца) зимнеспящих сусликов (в различных состояниях активности) и негибернирующих млекопитающих (кролики).

2. Исследовать влияние гипотермии и высокочастотной стимуляции на спонтанный аритмогенез в сердце гибернирующих и негибернирующих млекопитающих.

3. Провести сравнительное исследование влияния гипотермии и высокочастотной стимуляции на пространственно-временные характеристики процессов активации и реполяризации сердца сусликов и кроликов.

4. С помощью метода оптического картирования проанализировать причины развития желудочковых тахиаритмий у негибернантов.

5. Исследовать сезонные изменения устойчивости сердца зимнеспящих сусликов Spermophyllus undulatus к гипотермии.

Научная новизна.

1. В работе впервые проведено детальное исследование обеих компонент хронотопографии реполяризации миокарда (стационарной и динамической) у гибернирующих и негибернирующих животных при гипотермии, а также исследована их роль в холодовом аритмогенезе.

2. Впервые исследовано влияние гипотермии на аритмогенные альтернации параметров активации и реполяризации миокарда гибернирующих и негибернирующих животных.

3. Получены экспериментальные данные о влиянии гипотермии на зависимость анизотропии проведения возбуждения от частоты сердечных сокращений у гибернирующих и негибернирующих животных.

Теоретическая и практическая значимость.

Полученные данные приближают нас к пониманию механизмов, с помощью которых гибернанты защищены от возникновения нарушений ритма в условиях выраженной гипотермии. Исследованная в работе взаимосвязь между ФЖ и стационарной и динамической неоднородностью может указать на дополнительные механизмы, обеспечивающие устойчивость сердца гибернирующих сусликов к развитию тахиаритмий при гипотермии. Изучение этих механизмов представляет большой интерес как теоретический, так и практический: понимание механизмов защиты сердца гибернантов от ФЖ в дальнейшем может привести нас не только к более глубокому пониманию основных механизмов образования наиболее опасных нарушений сердечного ритма, но и к разработке новых способов их предотвращения и купирования.

Заключение диссертации по теме «Физиология», Егоров, Юрий Владимирович

выводы

1. В работе впервые проведено детальное исследование обеих компонент хронотопографии реполяризации миокарда (стационарной и динамической) у гибернирующих и негибернирующих животных при гипотермии, а также исследована их роль в холодовом аритмогенезе. У сусликов при охлаждении до 17°С показано сохранение функциональной однородности миокарда желудочков, как стационарной, так и динамической, и значительное увеличение неоднородности обоих типов у кроликов при понижении температуры.

2. У сусликов альтернации максимальной дисперсии реполяризации были более устойчивы к повышению частоты стимуляции и достоверно изменялись только во время гипотермии. В то же время у кроликов повышение частоты стимуляции и понижение температуры приводило к нестабильности максимальной реполяризации, что способствовало развитию блоков проведения возбуждения и возникновению желудочковых аритмий по принципу re-entry.

3. Впервые исследовано влияние гипотермии на аритмогенные альтернации параметров активации и реполяризации миокарда гибернирующих и негибернирующих животных. Выявлено, что во всех состояниях сезонной активности гибернанты более толерантны к возникновению аритмогенных альтернаций ДПД и СП по сравнению с негибернирующими кроликами.

4. Получены экспериментальные данные о влиянии гипотермии на зависимость анизотропии проведения возбуждения от частоты сердечных сокращений у гибернирующих и негибернирующих животных. Показано, что максимальная анизотропия проведения у зимних гибернирующих сусликов достоверно не изменяется ни при высоком ритме, ни при гипотермии. В то же время у кроликов и повышение частоты ритма, и гипотермия приводили к росту максимальной анизотропии проведения.

5. У сусликов обнаружены сезонные различия (ДПД? СП, углы наклона кривых восстановления ДПД, анизотропии проведения, альтернации ДПД) в устойчивости сердца к гипотермии и высокочастотной стимуляции, которые, по-видимому, обусловлены наличием в период зимней спячки специализированных адаптационных механизмов, определяющих функциональное состояние миокарда и связанных с изменениями работы Na+, Са2+ и межклеточных каналов и/или уровня экспрессии белков, формирующих эти каналы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные данные приближают нас к пониманию механизмов, с помощью которых гибернанты защищены от возникновения нарушений ритма в условиях выраженной гипотермии. Обнаруженная в работе взаимосвязь между ФЖ и неоднородностью обоих видов может говорить о дополнительных механизмах, обеспечивающих устойчивость сердца гибернирующих сусликов к развитию динамической неоднородности при гипотермии. Изучение этих механизмов представляет огромный интерес как теоретический, так и практический: понимание механизмов защиты сердца гибернантов от ФЖ позволит разработать новые подходы к повышению устойчивости негибернирующих организмов, включая человека, в экстремальных условиях и дальнейшего применения их в медицинской практике. Полученные знания могут выявить новые мишени для фармакологических воздействий и помочь в разработке новых лекарственных препаратов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Егоров, Юрий Владимирович, 2010 год

1. Глухов A.B. Электрофизиологические механизмы устойчивости ритма сердца суслика CITELLUS UNDULATUS во время гибернации. Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук, Москва 2006.

2. Глухов A.B., Егоров Ю.В., Ефимов И.Р., Розенштраух Л.В. Влияние гипотермии на хронотопографию активации сердца гибернирующих и негибернирующих млекопитающих. Кардиология. 2008, Т. 12, с. 34-41.

3. Ефимов И.Р., Сидоров В.Ю. Оптическое картирование электрической активности сердца. Кардиология. 2000, 8, 38-52.

4. Кобрин В.И. Спонтанная дефибрилляция желудочков сердца при гипотермии. Кардиология 1991, 31(1), 19-21.

5. Кушаковский М.С. Аритмии сердца. Санкт-Петербург1998, Фолиант.

6. Манделл В.Дж. Аритмии сердца. Москва 1996, "Медицина".

7. Медведев Л.Н., Елсукова Е.И. Бурая жировая ткань человека. Успехи Физиол. Наук. 2002,33(2), 17-29.

8. Перцов A.M., Фаст В.Г. Исследование холодовых аритмий в изолированном предсердии кролика методом картографирования. Кардиология. 1985,25(5), 93-97.

9. Розенштраух Л.В., Фёдоров В.В., Алиев P.P., Глухов A.B., Михеева Т.В., Резник A.B., Ефимов И.Р. Изучение характера активации изолированного сердца гибернирующего суслика Citellus undulatus. Кардиология. 2005,45(4), 4-10.

10. Allesie М.А., Lammers W.J., Bonke F.I., Hollen J. Experimental evaluation of Moe's multiple wavelet hypothesis of atrial fibrillation. In Zapes and Jalife. 1985,265-276.

11. Arnsdorf M.F. Кабельные свойства и проведение потенциала действия. Возбудимость, источники и стоки. В книге: Физиология и патофизиология сердца. Под ред. Сперелакиса Н. Москва: Медицина. 1988, стр. 166-213.

12. Badeer Н. Ventricular fibrillation in hypothermia; a review of factors favoring fibrillation in hypothermia with and without cardiac surgery. J Thoracic Surg 1958, 35(2), 265-273.

13. Banville I., Gray R.A. Effect of action potential duration and conduction velocity restitution and their spatial dispersion on alternans and the stabiliyu of arrhythmias. J Cardiovasc Electrophysiol. 2002, 13, 141-1149.

14. Bers D.M. Calcium fluxes involved in control of cardiac myocyte contraction. Circ. Res. 2000, 87, 275-281.

15. Betsuyaku Т., Nnebe N.S., Sundset R., Patibandla S., Krueger C.M., Yamada K.A.

16. Overexpression of cardiac connexin 45 increases susceptibility to ventricular tachyarrhythmias in vivo. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2006, 290(1), HI 63-71.

17. Bjornstad H., Mortensen E., Sager G., Refsum H. Effect of bretylium tosylate on ventricular fibrillation threshold during hypothermia in dogs. Am. J. Emerg. Med. 1994, 12(4), 407-12.

18. Boutilier R.G. Mechanisms of cell survival in hypoxia and hypothermia. J Exp Biol. 2001, 204,3171-3181.

19. Boyett M.R., Jewell B.R. A study of the factors responsible for rate-dependent shortening of the action potential in mammanial ventricular muscle. J. Physiol. (Lond.) 1978,285, 359-380.

20. Bukauskas F.F., Weingart R. Temperature dependence of gap junction properties in neonatal rat heart cells. Pflugers Arch 1993,423, 133-139

21. Burlington R.F., Milsom W.K. The cardiovascular system in hibernating mammals: recent advances. In: Living in the cold, edited by Malan A and Comguihem B. Jon Libbey Eurotext Ltd 1989,235 243.

22. Carmeliet E. Repolarization and frequency in cardiac cells. J. Physiol. Paris 1977, 73, 903-923.

23. Cherry E.M., Fenton F.H. Suppression of alternans and conduction blocks despite steep APD restitution: electrotonic, memory, and conduction velocity restitution effects. Am J Physiol. 2004, 286,2332-2341.

24. Chudin E., Goldhaber J., Garfinkel A., Weiss J., Kogan B. Intracellular Ca2+ dynamics and the stability of ventricular tachycardia. Biophys J. 1999, 77, 2930-2941.

25. Covino B.G., D'Amato H.E. Mechanism of ventricular fibrillation in hypothermia. Circ. Res. 1962, 10, 148-55.

26. Cranefield P.F. Action potentials, afterpotentials, and arrhythmias. Circ Res. 1977,41(4), 415-23.

27. Cranefield P.F., Hoffman B.F. Reentry: slow conduction, summation and inhibition.

28. Circulation. 1971,44, 309.t ?40,41.4445,46,47,48,49,50,51,52,53,

29. Danik S.B., Liu F., Zhang J., Suk H.J., Morley G.E., Fishman G.I., Gutstein D.E.

30. Modulation of cardiac gap junction expression and arrhythmic susceptibility. Circ Res. 2004, 95(10), 1035-1041.

31. Dave A.R., Morrison P.R. Characteristics of the hibernating heart. Am Heart J 1955, 124, 367-384.

32. Conduction slowing by the gap junctional uncoupler carbenoxolone. Cardiovasc Res. 2003, 60(2), 288-297.

33. Dobrovolny H.M., Berger C.M., Brown N.H., Neu W.K., Gauthier D.J. Spatial heterogeneity of restitution properties and the onset of alternans. Conf Proc IEEEEng Med Biol Soc. 2009,4186-4189.

34. Dudel J., Rudel R. Voltage and time dependence of excitatory sodium current in cooled sheep Purkinje fibres. Pflugers Arch. 1970, 315(2), 136-58.

35. Duker G.D., Olsson S.O., Hecht N.H. et al. Ventricular fibrillation in hibernators and nonhibernators. Cryobiology. 1983,20,407 420.

36. Efimov I.R., Nikolski V.P., Salama G. Optical imaging of the heart. Circ Res. 2004, 95(1), 21-33.

37. Fox J. J., McHarg J.L., Gilmour R.F. Ionic mechanism of electrical alternans. Am J Physiol. 2002,282, 516-530.

38. Fozzard H.A. Afterdepolarizations and triggered activity. Basic Res Cardiol. 1992, 87 Suppl 2,105-113.

39. Gaborit N., Le Bouter S., Szuts V., Varro A., Escande D., Nattel S., Demolombe S.

40. Regional and tissue specific transcript signatures of ion channel genes in the non-diseased human heart. J Physiol. 2007, 582(Pt 2), 473.

41. Geiser F., Baudinette R.V., McMurchie E.J. The effect of temperature on isolated perfused hearts of heterothermic marsupials. Comp. Biochem. Physiol. A. 1989, 93, 331335.

42. Gilmour R.F., Otani N.F., Watanabe M.A. Memory and complex dynamics in cardiac Purkinje fibers. Am J Physiol 1997,272(41), 782-792.

43. Glitsch H:G., Pusch H. On the temperature dependence of Na pump in sheep Purkinje fibers. Pflugers Arch. 1984,402,109-115.

44. Goldhaber J.I., Xie L.H., Duong T., Motter C., Khuu K., Weiss J.N. Action potential duration restitution and alternans in rabbit ventricular myocytes: the key role of intracellular calcium cycling. Circ Res. 2005, 96(4), 459-466.

45. Gotoh M., Uchida T., Fan W., Fishbein M.C., Karagueuzian H.S., Chen P.-S. Anisotropic repolarization in ventricular tissue. Am. J. Physiol. 1997,272, 107-113.

46. Han J., Garcia de Jalon, Moe G.K. Adrenergic effects on ventricular vulnerability. Circ. Res. 1964, 14,516-525.

47. Herve J.C., Yamaoka K., Twist V.W., Powell T., Ellory J.C., Wang L.C. Temperature dependence of electrophysiological properties of guinea pig and ground squirrel myocytes. Am J Physiology 1992, 263, 177-184.

48. Hirayama Y., Saitoh H., Atarashi H., Hayakawa H. Electrical and mechanical alternans in canine myocardium in vivo: dependence on intracellular calcium cycling. Circulation. 1993, 88, 2894-2902.

49. Hochachka P.W. Defense strategies against hypoxia and hypothermia. Science. 1986, 231(4735), 234-241.

50. Huser J., Wang Y.G., Sheehan K.A., Cifuentes F., Lipsius S.L., Blatter L.A. Functional coupling between glycolysis and excitation-contraction coupling underlies alternans in cat heart cells. J Physiol. 2000, 524(pt 3), 795-806.

51. Ivanov K.P. Physiological blocking of the mechanisms of cold death: theoretical and experimental considerations. J Therm Biol. 2000,25,467-479.

52. Jacobs H.K., South F.E. Effects of temperature on cardiac transmembrane potentials in hibernation. Am J Physiol. 1976, 230, 403-409.

53. Johansson B.W. Heart and circulation in hibernators. In: Fisher K. C., Dawe A. R., Lyman C. P., Schonbaum E., South F. E. Mammalian Hibernation III. New York, Oliver & Boyd, Ltd and American Elsevier. 1967, 200-218.

54. Johansson B.W. The hibernator heart-nature's model of resistance to ventricular fibrillation. Cardiovasc Res 1996, 31, 826 832.

55. Josephson M.E., Spielman S.R., Greenspan A.M., Horowitz L.N. Mechanism of ventricular fibrillation in man. Observations based on electrode catheter recordings. Am J Cardiol. 1979,44(4), 623-631

56. Kenyon J.R., Ludbrook J. Hypothermia below 10 degrees C in dogs with cardiac recovery onrewarming. Lancet. 1957,273(6987), 171-173.

57. Kleber A.G. and Rudy Yo. Basic mechanisms of cardiac impulse propagation and associated arrhythmias. Physiol Rev. 2004, 84,431-488.79