Исследование механизмов формирования сердечной ткани для развития клеточных технологий и регенеративной медицины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Слотвицкий Михаил Михайлович

• Слотвицкий Михаил Михайлович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Слотвицкий Михаил Михайлович

Введение

Актуальность темы исследования

Степень разработанности темы исследования

Цели и задачи исследования

Научная новизна исследования

Теоретическая и практическая значимость работы

Методология и методы исследования

Положения, выносимые на защиту

Структура и объём работы

1. Обзор литературы

1.1 Сердце и сердечная ткань, структурные особенности и функции

1.2. Качественное представление процессов генерации и проведения возбуждения

1.3. Особенности распространения волны возбуждения по сердечной ткани

1.4. Экспериментальные модели и оптическое картирование

1.5. Тканевая инженерия сердца

2. Материалы и методы

2.1. Получение и ведение клеточных линий плюрипотентных стволовых клеток

2.1.1. Основные среды и факторы для репрограммирования

2.1.2. Выделение мононуклеаров

2.1.3. Протокол репрограммирования в ИПСК

2.1.4. Протокол направленной дифференцировки Gi-Wi

2.2. Процедура оптического картирования и обработка данных

2.3. Статистическая модель эффективности встраивания клеток

2.4. Иммуноцитохимическое окрашивание и конфокальная микроскопия

2.5. Описание установки для оптического картирования

3. Результаты

3.1 Изучение формирования электромеханического сопряжения между дифференцирующимися ИПСК-КМ методом оптического картирования

3.2. Создание тканевоинженерного теста на аритмогенность пациент-специфичной культуры ИПСК-КМ для проверки лекарственных веществ

3.3. Адаптация фундаментальных данных об адгезии и пластичности цитоскелета дифференцирующихся кардиомиоцитов для оптимизации процесса электромеханической интеграции трансплантируемых ИПСК-КМ с тканью-реципиентом

4. Выводы и обсуждение

Заключение

Благодарности

Список использованной литературы

116

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механизмов формирования сердечной ткани для развития клеточных технологий и регенеративной медицины»

Актуальность темы исследования

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной смертности взрослого трудоспособного населения развитых стран, занимая третью часть всех смертей в 2015 году, как следует из исследований Global Burden of Disease [1, 2]. Общее увеличение продолжительности жизни приводит к продолжающемуся увеличению доли смертей от ССЗ, а значительная часть жизнеугрожающих ССЗ приходится на аритмии - нарушение согласованной работы сердца, в особенности рабочего миокарда, зачастую имеющие пароксизмальный характер. Наибольшую угрозу представляют желудочковые тахиаритмии, способные спровоцировать состояние желудочковой фибрилляции, манифестируемой как внезапная сердечная смерть. Фундаментальные механизмы развития аритмий на тканевом уровне представляют большой интерес как для прикладной науки, так и для фундаментальной [3-7].

Корректная работа сердца возможна за счёт координации электрической активности клеток, управляющей сократительными процессами сердечной мышцы. Такая координация происходит благодаря распространению волны возбуждения по всей проводящей системе сердца, включающей в себя иерархию пейсмейкерных узлов, а также рабочие клетки желудочков и предсердий. Автоматизм возникновения волн возбуждения контролируется не центральной нервной системой, а электрофизиологической активностью пейсмейкерных клеток, запускающих распространение возбуждения по всей проводящей системе сердца. Одна из основных гипотез возникновения желудочковых тахиаритмий сводится к разрывам фронта волны возбуждения с образованием циркулирующих волн -реентри [8, 9], лавинообразное увеличение количества спиральных волн приводит к желудочковой фибрилляции. Исследование активности сердца на практике

осложнено сложной трёхмерной структурой проводящей системы, ограничивающей возможность интерпретации и регистрации электрических и связанных с ними оптических сигналов [10], а низкий потенциал сердечной ткани к регенерации [11] не позволяет извлекать образцы тканей для исследований.

Степень разработанности темы исследования

Тканево-инженерные модели сердечной ткани при использовании оптического картирования позволяют интерактивно изучать и наблюдать распространение возбуждения, а работа с человеческими клетками становится возможной благодаря открытию клеточного репрограммирования [12]. Открытие клеточного репрограммирования и получение первых линий индуцированных плюрипотентных стволовых клеток млекопитающих (ИПСК) было опубликовано нобелевским лауреатом Шинья Яманакой в 2006 году [13] и сделало возможным получение стволовых клеток человека с соблюдением этических норм [11, 14]. Следовательно, возможной стала направленная дифференцировка таких клеток в пациент-специфичные кардиомиоциты (ИПСК-КМ).

В совокупности существует неудовлетворенная потребность в более совершенных модельных системах сердечных заболеваний человека. Это особенно заметно в области скрининга и тестирования лекарственных средств [15], где прогностическая способность сильно ограничена невозможностью учёта межклеточных связей, и систем для разработки методов клеточной терапии сердечной ткани [11, 14]. Поэтому поставленные в этой работе цели и задачи являются актуальными для современной науки. Настоящая работа посвящена изучению аспектов фундаментальных механизмов, возникающих на межклеточном уровне и влияющих на режимы распространения волн возбуждения по сердечной ткани, упор делается на применение полученных результатов в задачах по

скринингу лекарственных средств и разработке эффективных методик клеточной терапии на основе ИПСК-КМ.

Цели и задачи исследования

Предметом изучения в рамках данного исследования выступает волна возбуждения - физический процесс, лежащий в основе координации работы сердечной ткани. Целью исследования является фундаментальное понимание биофизических механизмов, лежащих в основе нарушения устойчивости волн возбуждения в искусственно выращенных слоях сердечной ткани человека, работа с которыми является главным направлением в тканевой инженерии сердца и развитии клеточных технологий.

В рамках выполнения исследования были сформулированы следующие задачи:

1. Изучение формирования проводящего синцития из дифференцирующихся желудочковых кардиомиоцитов, в том числе на различных этапах дифференцировки, поиск и анализ закономерностей для получения синхронной передачи волны возбуждения в синцитии

2. Разработка универсального пациент-специфичного теста на аритмогенность с использованием стандартного препятствия с высоким радиусом кривизны, позволяющего формализовать процедуру инициации спиральных волн-реентри в контроле и под действием блокаторов ионных токов

3. Адаптация фундаментальных данных об адгезии и пластичности цитоскелета дифференцирующихся кардиомиоцитов для оптимизации процесса электромеханической интеграции имплантируемых клеток с сердцем-реципиентом.

Научная новизна исследования

В представленной работе приводятся оригинальные результаты научных исследований, раскрывающих новые аспекты межклеточных функциональных взаимодействий в сердечной ткани и их влияния на распространение волн возбуждения, координирующих согласованную работу выращенной сердечной ткани человека. Научная новизна исследований дополняется тем, что на базе проведенных исследований выявлено и объяснено возникновение этапов дифференцировки сердечных клеток, приводящих к резкому переключению характера межклеточного взаимодействия, влияющего на работу всей ткани. Предложен новый метод, позволяющий непосредственное изучение механизма формирования волн реентри на человеческих кардиомиоцитах, полученных путем дифференцировки из пациент-специфичных линий плюрипотентных стволовых клеток человека, а также показана принципиальная возможность доказательного тестирования лекарственных средств на аритмогенность (в случае пароксизмальных аритмий, ассоциированных с возникновением волн-реентри) на выращенных конфлюэнтных слоях кардиомиоцитов. Проверена возможность культивации и доставки дифференцированных кардиомиоцитов человека с промежуточной адгезией на фиброиновые микроносители. Описана возможность формирования быстрого электрофизиологического контакта одиночных клеток с монослоем-реципиентом, показана важность эфаптического механизма передачи возбуждения при взаимодействии одиночных клеток с проводящим синцитием.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая и практическая значимость результатов диссертации заключается в том, что в работе получены новые данные об использовании ранних

этапов дифференцировки кардиомиоцитов для возможного повышения эффективности клеточной терапии и для проведения фундаментальных исследований. Применение этих результатов позволяет расширить возможности трехмерной клеточной печати, управлять не только взаимным расположением клеток, но и инициировать формирование межклеточных контактов, необходимых для полноценного функционирования ткани. Представленные в работе новые методы тестирования лекарственных веществ позволят значительно увеличить прогностическую способность тестов, основывающихся на исследовании одиночных клеток in vivo (patch-clamp) и in silico (математическое моделирование). Новые результаты по синхронизации возбудимых клеток с монослоем-реципиентом позволяют скорректировать временные рамки, необходимые для электрофизиологического сопряжения кардиомиоцитов, а также открывают возможность для создания биологического пейсмейкера на основе клеточной технологии пациент-специфичных стволовых клеток.

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

Методология и методы исследования

Основные экспериментальные методы, использованные в исследовании: оптическое картирование волны возбуждения при помощи кальций-зависимых и потенциал-зависимых быстрых флуоресцентных меток, конфокальная микроскопия. В качестве образцов возбудимой ткани использовались конфлюэнтные монослои кардиомиоцитов, полученных направленной дифференцировкой из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Полученные данные о поведении волны возбуждения обрабатывались при помощи

алгоритмов, формализованных на языке программирования РуШоп3, включая статистическую обработку данных.

Положения, выносимые на защиту

1) Обнаружена зависимость свойств проведения (скорость распространения возбуждения, согласованность передачи импульса, критическая усваиваемая частота) от стадии дифференцировки в момент ферментативной дезагрегации синцития; отвергнута тривиальная гипотеза о связи обнаруженной зависимости с уровнем экспрессии белков, составляющих щелевидные межклеточные каналы; выдвинута и проверена гипотеза о различном характере самоорганизации клеток на разных этапах дифференцировки.

2) Разработан тест на аритмогенность со стандартной неоднородностью, показана связь блокировки калиевых трансмембранных ионных токов с изменением коридора частот, при котором становится возможным возникновение спиральных волн возбуждения.

3) Разработан способ доставки дифференцирующихся кардиомиоцитов с использованием фиброиновых микроносителей, позволяющий восстановить возбудимость клеточной мембраны ко внешнему электрическому стимулу без адгезии на статичную подложку; наличие микроносителей делает возможным эфаптический механизм связи трансплантата (одиночных ИПСК-КМ) и ткани-реципиента (в качестве модели сердечной ткани использованы конфлюэнтные монослои ИПСК-КМ).

Степень достоверности и апробация результатов

Выводы диссертации обоснованы аналитическими расчетами и подтверждены данными лабораторных и научных экспериментов, полученными с помощью разработанных алгоритмов и комплекса программ. Теоретическую и методологическую основу проведенных разработок и исследований составили труды отечественных и зарубежных авторов в области анализа изображений и распознавания образов, а также технические решения, созданные и опубликованные в российских и зарубежных патентах и свидетельствах на изобретения РФ. Для анализа полученных результатов использовались методы статистической обработки данных, опубликованные автором работы в международных изданиях, входящих в Q1. Все представленные в работе результаты и методы их получения прошли стадию peer-review и были опубликованы в международных изданиях, входящих в Q1 и Q2.

Апробация результатов была в том числе произведена за счет их представления сообществу коллег на профильных научных мероприятиях.

Основные результаты работы были представлены на 7 российских и международных конференциях, на двух из которых доклады были отмечены наградами:

1. «Биомедицина-2016» (Новосибирск, 2016)

2. «Наука будущего - наука молодых» (Нижний Новгород, 2017), диплом победителя III степени.

3. «StemCellBio-2018: Фундаментальная наука как основа трансляционной медицины» (Санкт-Петербург, 2018)

4. 62-ая всероссийская научная конференция МФТИ (Долгопрудный, 2019), диплом победителя I степени.

5. Научно-практическая конференция учёных России и Хорватии в Дубровнике (Москва, 2020)

6. VIII Международная научно-практическая конференция молодых ученых: биофизиков, биотехнологов, молекулярных биологов и вирусологов (Новосибирск, 2021)

7. IEEE Ural-Siberian Conference on Computational Technologies in Cognitive Science, Genomics and Biomedicine (Екатеринбург, 2021).

Структура и объем работы

Диссертация, общим объемом 130 страниц машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов собственных исследований, выводов, заключения и списка литературы. Работа содержит 47 иллюстраций. Список литературы состоит из 107 источников.

1. Обзор литературы 1.1 Сердце и сердечная ткань, структурные особенности и функции

Механическая функция желудочков сердца (насосная) реализуется за счёт последовательного расположения сердечных камер, наполняющихся кровью во время систолы, и выталкивающих её во время диастолы далее в сосудистую систему. Это обеспечивается согласованной работой мышечной ткани и сердечных клапанов, работа которых создаёт необходимое давление (разницу давлений) для эффективного выброса крови во время систолы. Основной сократительной силой обладает миокард желудочков, длительность потенциала действия которых близка к 300 мс (у человека), что регулирует возникновение последовательных фаз возбуждения, рефрактерности и релаксации [16], именно электрофизиологическое сопряжение клеток миокарда делает возможным однонаправленную эффективную прокачку крови. Большую роль в стабильной прокачке крови играет сосудистая система (включая и коронарный кровоток, питающий толщу миокарда), накапливая и высвобождая энергию за счёт механического растяжения стенок, тем самым компенсируя прерывистый поток крови (этот процесс можно описать по аналогии с колебательной Я-С цепочкой) после выброса из сердечных камер, устанавливая ламинарный поток (турбулентные вихри могут наблюдаться, например, в окрестности сердечных клапанов) [16].

Ритмические сокращения сердца не регулируются напрямую центральной нервной системой (автоматия). Генерация потенциала действия производится кардиомиоцитами отдельного типа - пейсмейкерного, чей потенциал покоя нестабилен (за счёт потенциал-зависимых токов, работающих при значениях потенциала покоя, например Шпду-ток Н) постоянно стремясь от потенциала покоя к надпороговому значению потенциала, активирующему быстрые натриевые каналы и активный ответ клетки. Устойчивость такой автоматии в сердце

достигается иерархией пейсмейкерных узлов, имеющих различную частоту генерации возбуждения и различные периоды рефрактерности: генерация возбуждения распределена между несколькими отделами проводящей системы сердца, при повреждении синоатриального узла (SA-узел, имеет наибольшую частоту возбуждения) возбуждения будет задаваться другим участком, обладающим наибольшей частотой спонтанного возбуждения среди оставшихся. Все последующие за SA-узлом структуры обладают меньшей частотой спонтанного возбуждения вплоть до желудочковых клеток, не имеющих спонтанной активности [16-18]. Как правило, возбуждение генерируется в тех клетках узла, в которых минимально содержание миофибрилл, импульс от них распространяется радиально по остальным клеткам узла, скорость распространения может достигать 100 см/с. Помимо различных частот спонтанного сокращения, роль в устойчивости автоматии играет и структура проводящей системы (Рисунок 1). В бороздке между соединением верхней половой вены и правового предсердия находится SA-узел, он имеет вытянутую форму (порядка 8 мм в длину и 2 мм в толщину). Размеры следующего узла [16], атриовентрикулярного, (AV-узел) значительно больше (22 мм и 3 мм). Расположение этого узла - на правой стороне межпредсердной перегородки, сзади. Клеточный состав обоих узлов практически идентичен, однако доля пейсмейкерных клеток выше в SA-узле, что увеличивает вероятность и частоту генерации возбуждения, а также общий размер угла влияет на пороговое количество клеток, необходимое для распространения волны по всему узлу. Далее можно выделить участок nodus-His (Рисунок 1), соединяющий AV-узел с пучками Гиса, а также являющийся частью проводящей системы желудочков [16, 19]. Стоит отметить, что электрофизиологические клетки этих разделов отличаются более значительно, что регулирует задержки в распространении возбуждения, играющие роль в эффективном наполнении сердечных камер кровью, происходящую во время фазы сокращения предсердий (например, задержка между atrium-nodus и nodus, входящими в AV-узел). Пучки Гиса разветвляются возле межжелудочковой

перегородки, открывая путь волне возбуждения к ткани желудочков. На рисунках 1 и 2 показана сеть волокон Пуркинье, образованная слиянием правой ножки пучка Гиса и двух ветвей левой ножки. Иерархия пейсмейкеров по частотам спонтанного возбуждения позволяет блокировать слишком частые импульсы, модулируя интервал между волнами, попадающими в волокна Пуркинье (имеющие достаточно длительные потенциал действия по сравнению с пейсмейкерными клетками БЛ-узла). Помимо этого, морфология потенциала действия этих клеток схожа с таковой для желудочковых кардиомиоцитов, а период рефрактерности значительно увеличивается вместе с частотой возбуждения [20].

Верхняя полая венг

Синоатриальный уз

Атриовентрикулярн узел

Правое предсердие

Пуркинье

Рисунок 1. Проводящая система сердца. Иерархическая система проведения возбуждения по сердечным волокнам от БЛ-узла до волокон

Пуркинье [16].

Рисунок 2. Атриовентрикулярная и вентрикулярная проводящие системы

сердца теленка [21].

1.2 Качественное представление процессов генерации и проведения

возбуждения

На рисунке 3 представлена простейшая качественная модель проведения волны возбуждения с рефрактерным периодом - модель Винера-Розенблюта [22]. Схема описывает последовательные состояния одной ячейки возбудимой среды -состояние покоя (белый), возбуждение элемента среды (чёрный) и рефрактерный период, после которого заново становится возможным изначальное состояние покоя и, следовательно, повторное возбуждение.

Рисунок 3. Последовательная смена состояний единичного элемента возбудимой среды; белый цвет - покой, черный - возбуждение и серый -

рефрактерность [22].

Покой элемента среды является стабильным (стационарным) и может поддерживаться до тех пор, пока не случается триггер, запускающий возбуждения. Два остальных состояния являются нестационарными и для простоты каждое из них занимает единичный шаг по времени. Расширяя размерность одной ячейки (элемента среды) до, например, одномерной цепочки, можно создать условия для распространения волны, если возбуждение одной ячейки через конечный промежуток времени будет запускать возбуждение доступных (покоящихся) соседних ячеек (в возбуждённые ячейки и ячейки в состоянии рефрактерности возбуждение не передаётся. Амплитуда и скорость распространения такого импульса (автоволны) зависят от свойств среды (например длительность состояний и временная задержка передачи) [16, 23]. Замыкание цепочки клеток (достаточной длины) позволит волне циркулировать по замкнутой траектории (Рисунок 4А). Это простейшая иллюстрация циркулирующей волны возбуждения, волна с фиксированной частотой возбуждает одни и те же ячейки среды, тем самым волна не останавливается на границе проводящей среды, как это было бы с незамкнутой цепочкой или цепочкой недостаточной длины. В двумерном случае возможна аналогичная ситуация, когда одна и та же волна повторно проходит через одни и те же элементы среды. Наиболее простая иллюстрация для такого случая -циркуляция волны вокруг круглого непроводящего участка (Рисунок 4Б). В этом случае, как и с цепочкой клеток, период циркуляции волны зависит от свойств

возбудимой среды и от диаметра непроводящего участка (с уменьшением диаметра частота повторного возбуждения растёт, пока не достигнет суммарной длительности периода возбуждения и рефрактерности, после чего циркуляция по такой траектории станет невозможной и приведёт к отрыву спиральной волны и смене траектории - но не обязательно приведёт к остановке циркуляции, что отличает двумерный случай от цепочки клеток.

Рисунок 4. Вид циркуляции волны возбуждения А) циркуляция одиночной волны возбуждения по кольцу Б) спиральная волна, вращающаяся вокруг непроводящего участка в двумерной среде [22].

Как было описано в предыдущем разделе, автоматия сердца достигается за счёт разветвлённой многоуровневой системы пейсмейкерных клеток, а сами желудочковые клетки не имеют пейсмейкерной активности, оставаясь в состоянии покоя сколь угодно долгое время - в такой системе устойчивыми источниками возбуждения могут стать спиральные волны, качественный механизм циркуляции которых описан выше. В роли непроводящего участка в этом случае могут выступать, например, фиброзные зоны или инфарктные рубцы, чей размер будет модулировать частоту генерации волны таким эктопическом источником возбуждения. Если частота возбуждения эктопического источника превысит синусовый ритм, то работа сердца будет окончательно нарушена, поскольку сердце не имеет механизмов «обратной связи», позволяющих вернуть его в исходное состояние [24]. Неоднородности среды (в том числе возбудимых свойств среды), описание которых возможно в простейших качественных системах/клеточных автоматах [7], может привести к росту количества спиральных волн. Размножение

спиральных волн (со скоростью, превышающей их терминацию о границы среды и при аннигиляции встречных автоволн) в реальном сердце приводит к фибрилляции и установлению динамического хаоса [25].

Стоит отметить, что в двумерном и трехмерном случае спиральная волна может устойчиво циркулировать в однородном участке среды (т.е. наличие непроводящего участка в центре спирали не обязательно), в таком случае спираль будет циркулировать с максимально возможной частотой. На рисунке 5 показано возникновение спиральных волн из цуга сферических волн в реакции Белоусова-Жаботинского за счёт разрыва волнового фронта при его замедлении на остром геометрическом препятствии [26].

Рисунок 5. Формирование спиральной волны на остром препятствии в реакции Белоусова-Жаботинского [26].

1.3 Особенности распространения волны возбуждения по сердечной

ткани

Автоволны представляют собой разновидность волн, характерных для сильно нелинейных активных сред [27]. К ним относятся автономные сигналы, вызывающие локальное высвобождение запасенной энергии в активной среде, которая расходуется на запуск того же процесса в соседних областях. Примерами могут служить: волны горения, фазовые переходы, концентрационные волны в химических реакциях, а также многие биологические автоволновые процессы (распространение нервных импульсов, волны возбуждения в сердечной мышце, эпидемические волны в экологических сообществах, волны распространения в коре головного мозга). Биологические примеры особенно подчеркивают важность автоволновых явлений. Синхронизация сокращений клеток сердца происходит за счет распространения электромеханических волн возбуждения. Такая волна представляет собой кратковременное (0,2 с) изменение потенциала между внутренней и внешней частью клетки. Это изменение в одной клетке называется потенциалом действия и выглядит различно для различных видов клеток. Само распространение потенциала действия от кардиомиоцита, как проводящей клетки сердца, к другому кардиомиоциту и далее называется волной возбуждения.

Каждому сокращению предшествует электрическая волна возбуждения, которая проходит определенный маршрут по клеткам сердца, запуская тем самым их биохимический сократительный аппарат и обеспечивая необходимую последовательность сокращений. Электрический ток, возникающий при распространении волны, вызывает изменение потенциала на поверхности тела, которое регистрируется в виде ЭКГ и используется в медицинской диагностике.

Последовательное возбуждение клеток происходит за счет локальных токов на границе возбужденных и невозбужденных клеток, имеющих разные

потенциалы. Энергия, необходимая для генерации импульсов, запасается в клетках сердца в виде градиентов концентрации ионов Na+, K+ и Ca2+ через клеточную мембрану. В состоянии покоя внутренняя часть клетки отрицательна по отношению к внешней из-за избирательной проницаемости мембраны для ионов К+. Результирующая разность потенциалов примерно равна потенциалу Нернста для ионов К+:

_ RT [К+]0

Ee«'K+-lF]n~\K+Ti

Где Eeq,K - равновесный трансмембранный потенциал для ионов калия (Вольты), R - универсальная газовая постоянная, T - температура в градусах Кельвина, z - количество элементарных зарядов рассматриваемого иона, F -постоянная Фарадея (96 485 кулоновмоль-1 или ДжВ-1моль-1). [K+]o и [K+]i это внеклеточная и внутриклеточная концентрация ионов калия соответственно (мольм-3 или ммольл-1).

При распространении волны происходит кратковременное увеличение проницаемости мембраны для ионов Na+ и Ca+ (деполяризующие ионные токи), градиенты концентрации которых противоположны градиенту концентрации ионов K+. Это приводит к резкому увеличению мембранного потенциала (фаза быстрой деполяризации или upstroke) [28].

Обобщая сказанное выше, в основе генерации потенциала действия лежит динамическая работа трансмембранных ионных токов, которые можно классифицировать на потенциал-зависимые, идущие по градиенту концентрации ионов, и ионные обменники, осуществляющие обмен ионами против градиента возбудимости за счёт энергии АТФ [16], работа этих токов описывается существенно нелинейными уравнениями, как правило соответствующими формализму Ходжкина-Хаксли. В самом общем случае эти уравнения выглядят следующим образом:

1Х = Схп(У — Ех)

Где Ix - ток через ионные каналы определённого типа (для ионов Х), Еx -потенциал Нернста для данного типа ионов, либо потенциал Гольдмана-Ходжкина-Каца (для нескольких типов ионов), Gx - полная (максимальная) проницаемость мембраны для ионов данного типа, V - трансмембранный потенциал, п - воротная переменная (или произведение нескольких таких переменных), обозначающая вероятность найти канал данного типа в открытом состоянии. Функция п в свою очередь задаётся в виде:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Слотвицкий Михаил Михайлович, 2023 год

Список использованной литературы

1. Wang H. et al. 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. - 2016. - T. 388. - №. 10053. - C. 1459-1544

2. Roth, Gregory A., et al. "Global and regional patterns in cardiovascular mortality from 1990 to 2013." Circulation 132.17 (2015): 1667-1678

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. 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.

7. Rabinovitch A. et al. A possible new cardiac heterogeneity as an arrhythmogenic driver //Scientific Reports. - 2023. - T. 13. - №2. 1. - C. 7571.

8. Cabo C. et al. Wave-front curvature as a cause of slow conduction and block in isolated cardiac muscle //Circulation research. - 1994. - T. 75. - №2. 6. - C. 1014-1028.

9. Gray R. A., Pertsov A. M., Jalife J. Spatial and temporal organization during cardiac fibrillation //Nature. - 1998. - T. 392. - №. 6671. - C. 75.

10. Efimov I. R., Nikolski V. P., Salama G. Optical imaging of the heart //Circulation research. - 2004. - T. 95. - №. 1. - C. 21-33.

11. Kadota S., Shiba Y. Pluripotent stem cell-derived cardiomyocyte transplantation for heart disease treatment //Current cardiology reports. -2019. - Т. 21. - С. 1-7.

12. Kadota S. et al. Development of a reentrant arrhythmia model in human pluripotent stem cell-derived cardiac cell sheets //European heart journal. -2013. - Т. 34. - №. 15. - С. 1147-1156.

13. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors //Cell. - 2006. - Т. 126. - №. 4. - С. 663-676.

14. Agladze K. I. Cell technologies in the regenerative medicine of the heart: main problems and ways of development //Almanac of Clinical Medicine. - 2019. - Т. 47. - №. 7. - С. 623-629.

15. Passini E. et al. Human in silico drug trials demonstrate higher accuracy than animal models in predicting clinical pro-arrhythmic cardiotoxicity //Frontiers in physiology. - 2017. - Т. 8. - С. 668.

16. Камкин А. Г., Каменский А. А. Фундаментальная и клиническая физиология //М.: Академия. - 2004. - С. 521-551.

17. Noble D., Noble S. J. A model of sino-atrial node electrical activity based on a modification of the DiFrancesco-Noble (1984) equations //Proc. R. Soc. Lond. B. - 1984. - Т. 222. - №. 1228. - С. 295-304.

18. Torrent-Guasp F. et al. Towards new understanding of the heart structure and function //European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. - 2005. - С. 191201.

19. Ten Tusscher K., Panfilov A. V. Modelling of the ventricular conduction system //Progress in biophysics and molecular biology. - 2008. - Т. 96. - №. 1-3. - С. 152-170

20. George S. A. et al. At the Atrioventricular Crossroads: Dual Pathway Electrophysiology in the Atrioventricular Node and its Underlying

Heterogeneities //Arrhythmia & electrophysiology review. - 2017. - Т. 6. -№. 4. - С. 179.

21. DeWitt L. M. Observations on the sino-ventricular connecting system of the mammalian heart //The anatomical record. - 1909. - Т. 3. - №. 9. - С. 475497.

22. Михайлов А. Волны в сердце //Квант. - 1987. - №. 9.

23. А. Т. Winfree «When time breaks down: The three-dimensional dynamics of electrochemical waves and cardiac arrhythmias». //Princeton University Press. - 1987

24. Majumder R. et al. Self-restoration of cardiac excitation rhythm by antiarrhythmic ion channel gating //Elife. - 2020. - Т. 9. - С. e55921.

25. Weiss J. N. et al. Chaos and the transition to ventricular fibrillation: a new approach to antiarrhythmic drug evaluation //Circulation. - 1999. - Т. 99. -№. 21. - С. 2819-2826.

26. Agladze K. et al. Rotating spiral waves created by geometry //Science. - 1994. - Т. 264. - №. 5166. - С. 1746-1748.

27. Krinsky V. I. Autowaves: results, problems, outlooks //Self-Organization Autowaves and Structures Far from Equilibrium: Proceedings of an International Sympusium Pushchino, USSR, July 18-23, 1983. - Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 1984. - С. 9-19.

28. Pertsov A. M., Grenadier A. K. The autowave nature of cardiac arrhythmias //Self-Organization Autowaves and Structures Far from Equilibrium: Proceedings of an International Sympusium Pushchino, USSR, July 18-23, 1983. - Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 1984. - С. 184-190.

29. Brandt B. L. et al. «Action potentials in the rat chromaffin cell and effects of acetylcholine» //The Journal of physiology. - 1976. - Т. 263. - №. 3. - С. 417.

30. Linda G. Griffith, Gail Naughton «Tissue Engineering-Current Challenges and Expanding Opportunities» // Science - 08 Feb 2002 - Vol. 295, Issue 5557 - pp. 1009-1014

31. Rohr S., Scholly D. M., Kleber A. G. «Patterned growth of neonatal rat heart cells in culture. Morphological and electrophysiological characterization» // Circulation Research. - 1991 - Jan. Vol. 68, no. 1 - P. 114-130.

32. Mansor M. A., Ahmad M. R. «Single Cell Electrical Characterization Techniques» //International journal of molecular sciences. - 2015. - T. 16. -№. 6. - C. 12686-12712

33. Kernik D. C. et al. A computational model of induced pluripotent stem-cell derived cardiomyocytes incorporating experimental variability from multiple data sources //The Journal of physiology. - 2019. - T. 597. - №. 17. - C. 4533-4564.

34. Kleber A. G., Rudy Y. Basic mechanisms of cardiac impulse propagation and associated arrhythmias //Physiological reviews. - 2004. - T. 84. - №. 2. - C. 431-488.

35. Dutta S. et al. Early afterdepolarizations promote transmural reentry in ischemic human ventricles with reduced repolarization reserve //Progress in biophysics and molecular biology. - 2016. - T. 120. - №. 1-3. - C. 236-248.

36. Pikunov A. V. et al. Personalization of mathematical models of human atrial action potential //Smart Modelling For Engineering Systems: Proceedings of the International Conference on Computational Methods in Continuum Mechanics (CMCM 2021), Volume 1. - Singapore : Springer Singapore, 2021. - C. 223-236.

37. Rolf Bunger, Francis J. Haddy, Axel Querengasser [h gp.] «An isolated guinea pig heart preparation with in vivo like features». // Pflugers Archiv European Journal of Physiology - 1975. T. 353, № 4 - C. 317-326.

38. Xu L. et al. 3D multifunctional integumentary membranes for spatiotemporal cardiac measurements and stimulation across the entire epicardium //Nature communications. - 2014. - Т. 5. - №. 1. - С. 3329.

39. Lou Q. et al. Transmural heterogeneity and remodeling of ventricular excitation-contraction coupling in human heart failure //Circulation. - 2011. - Т. 123. - №. 17. - С. 1881-1890.

40. Kang C. et al. Human organotypic cultured cardiac slices: new platform for high throughput preclinical human trials //Scientific reports. - 2016. - Т. 6. -С. 28798.

41. 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.

42. Matiukas, B. G. Mitrea, M. Qin et al. «Near-infrared voltage-sensitive fluorescent dyes optimized for optical mapping in blood-perfused myocardium». // Heart rhythm : the official journal of the Heart Rhythm Society - 2007. - Nov. Vol. 4

43. Hillman EM1, Bernus O, Pease E, Bouchard MB, Pertsov A.« Depth-resolved optical imaging of transmural electrical propagation in perfused heart» // Optics Express - 2007 - Vol. 15,Issue 26 - pp. 17827-17841

44. Winfree A. T. The geometry of biological time. - Springer Science & Business Media, 2001. - Т. 12.

45. Рубин А. Б. Биофизика. В 2 т. - Издательство Московского университета, 2004. - С. 464-464.

46. Pertsov A. M. et al. Spiral waves of excitation underlie reentrant activity in isolated cardiac muscle //Circulation research. - 1993. - Т. 72. - №. 3. - С. 631-650.

47. George S. A., Lin Z., Efimov I. R. Simultaneous triple-parametric optical mapping of transmembrane potential, intracellular calcium and NADH for

cardiac physiology assessment //Communications Biology. - 2022. - T. 5. -№. 1. - C. 319.

48. Franke J. M. et al. BODIPY fluorophores for membrane potential imaging //Journal of the American Chemical Society. - 2019. - T. 141. - №. 32. - C. 12824-12831.

49. Treger J. S. et al. Real-time imaging of electrical signals with an infrared FDA-approved dye //Biophysical journal. - 2014. - T. 107. - №. 6. - C. L09-L12.

50. J. P. Kucera, A. G. Kleber, and S. Rohr, «Slow conduction in cardiac tissue: Insights from optical mapping at the cellular level» //Journal of Electrocardiology - Oct. 2001 - vol. 34 - pp. 57-64.

51. N. Bursac, F. Aguel, and L. Tung, «Multiarm spirals in a two-dimensional cardiac substrate».// Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America - Oct. 2004- vol. 101-- pp. 15530-4.

52. E. Entcheva, S. N. Lu, R. H. Troppman, V. Sharma, and L. Tung «Contact fluorescence imaging of reentry in monolayers of cultured neonatal rat ventricular myocytes».// Journal of cardiovascular electrophysiology - June 2000. - vol. 11 - pp. 665-76

53. E. Entcheva, S. N. Lu, R. H. Troppman, V. Sharma, and L. Tung «Contact fluorescence imaging of reentry in monolayers of cultured neonatal rat ventricular myocytes». //Journal of cardiovascular electrophysiology. - June 2000. - vol. 11. - pp. 665-76.

54. N. Bursac, F. Aguel, and L. Tung, «Multiarm spirals in a two-dimensional cardiac substrate».// Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America - Oct. 2004 - vol. 101 - pp. 15530-4.

55. K. Agladze, M. W. Kay, V. Krinskv, and N. Sarvazvan «Interaction between spiral and paced waves in cardiac tissue».// American journal of physiology. Heart and circulatory physiology. - July 2007. - vol. 293. - pp. H503-13.

56. Feola I. et al. Localized optogenetic targeting of rotors in atrial cardiomyocyte monolayers //Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology. - 2017. - Т. 10. - №. 11. - С. e005591.

57. Boyer L. A. et al. Core transcriptional regulatory circuitry in human embryonic stem cells //cell. - 2005. - Т. 122. - №. 6. - С. 947-956.

58. Loh Y. H. et al. The Oct4 and Nanog transcription network regulates pluripotency in mouse embryonic stem cells //Nature genetics. - 2006. - Т. 38. - №. 4. - С. 431.

59. Evans M. J., Kaufman M. H. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos //nature. - 1981. - Т. 292. - №. 5819. - С. 154.

60. Fishel S. B., Edwards R. G., Evans C. J. Human chorionic gonadotropin secreted by preimplantation embryos cultured in vitro //Science. - 1984. - Т. 223. - №. 4638. - С. 816-818.

61. Thomson J. A. et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts //science. - 1998. - Т. 282. - №. 5391. - С. 1145-1147.

62. Медведев С. П. ШевченкоА //И., СухихГ. Т., Закиян СМ Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Новосибирск: Изд. Сибирского отделения РАН. - 2014.

63. Liu J. et al. Generation, characterization, and potential therapeutic applications of cardiomyocytes from various stem cells //Stem cells and development. - 2012. - Т. 21. - №. 12. - С. 2095-2110.

64. Tan S. H., Ye L. Maturation of pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: a critical step for drug development and cell therapy //Journal of cardiovascular translational research. - 2018. - Т. 11. - №. 5. - С. 375-392.

65. Karakikes I. et al. Human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: insights into molecular, cellular, and functional phenotypes //Circulation research. - 2015. - Т. 117. - №. 1. - С. 80-88.

66. Slotvitsky M. et al. Arrhythmogenicity test based on a human-induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cardiomyocyte layer //Toxicological Sciences. - 2019. - T. 168. - №. 1. - C. 70-77.

67. Slotvitsky M. M. et al. Formation of an electrical coupling between differentiating cardiomyocytes //Scientific reports. - 2020. - T. 10. - №. 1. -C. 7774.

68. Chen G. et al. Chemically defined conditions for human iPSC derivation and culture //Nature methods. - 2011. - T. 8. - №. 5. - C. 424.

69. Park I. H. et al. Generation of human-induced pluripotent stem cells //Nature protocols. - 2008. - T. 3. - №. 7. - C. 1180.

70. Yu J. et al. Efficient feeder-free episomal reprogramming with small molecules //PloS one. - 2011. - T. 6. - №. 3. - C. e17557.

71. Burridge P. W. et al. Chemically defined generation of human cardiomyocytes //Nature methods. - 2014. - T. 11. - №. 8. - C. 855.

72. Davidenko J. M. et al. Stationary and drifting spiral waves of excitation in isolated cardiac muscle //Nature. - 1992. - T. 355. - №. 6358. - C. 349-351.

73. Aitova A. et al. Novel Molecular Vehicle-Based Approach for Cardiac Cell Transplantation Leads to Rapid Electromechanical Graft-Host Coupling //International Journal of Molecular Sciences. - 2023. - T. 24. - №. 12. - C. 10406.

74. Cabo, Candido, et al. "Vortex shedding as a precursor of turbulent electrical activity in cardiac muscle." Biophysical journal 70.3 (1996): 1105-1111

75. Funakoshi S. et al. Enhanced engraftment, proliferation and therapeutic potential in heart using optimized human iPSC-derived cardiomyocytes //Scientific reports. - 2016. - T. 6. - №. 1. - C. 19111.

76. Feder J. The perimeter-area relation //Fractals. - Boston, MA : Springer US, 1988. - C. 200-211.

77. Pearson K. LIII. On lines and planes of closest fit to systems of points in space //The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. - 1901. - T. 2. - №. 11. - C. 559-572.

78. Slotvitsky M. et al. Polymer Kernels as Compact Carriers for Suspended Cardiomyocytes //Micromachines. - 2022. - T. 14. - №. 1. - C. 51.

79. Tan S. H., Ye L. Maturation of pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes: a critical step for drug development and cell therapy //Journal of cardiovascular translational research. - 2018. - T. 11. - C. 375-392.

80. Kannan S., Kwon C. Regulation of cardiomyocyte maturation during critical perinatal window //The Journal of physiology. - 2020. - T. 598. - №. 14. -C. 2941-2956.

81. Tveito, A. et al. Inversion and computational maturation of drug response using human stem cell derived cardiomyocytes in microphysiological systems. Scientific reports 8(1), 17626 (2018).

82. MacQueen L. A. et al. A tissue-engineered scale model of the heart ventricle //Nature biomedical engineering. - 2018. - T. 2. - №. 12. - C. 930-941.

83. Kawatou M. et al. Modelling Torsade de Pointes arrhythmias in vitro in 3D human iPS cell-engineered heart tissue //Nature communications. - 2017. -T. 8. - №. 1. - C. 1078.

84. Zhu R. et al. Physical developmental cues for the maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes //Stem cell research & therapy. - 2014. - T. 5. - C. 1-18.

85. Shaheen N. et al. Human induced pluripotent stem cell-derived cardiac cell sheets expressing genetically encoded voltage indicator for pharmacological and arrhythmia studies //Stem cell reports. - 2018. - T. 10. - №. 6. - C. 18791894.

86. Holzem K. M. et al. Reduced response to IKr blockade and altered hERG1a/1b stoichiometry in human heart failure //Journal of molecular and cellular cardiology. - 2016. - T. 96. - C. 82-92.

87. Szentandrassy N. et al. Role of action potential configuration and the contribution of Ca2+ and K+ currents to isoprenaline-induced changes in canine ventricular cells //British journal of pharmacology. - 2012. - T. 167. -№. 3. - C. 599-611.

88. Yue, L. et al. Transient outward and delayed rectifier currents in canine atrium: properties and role of isolation methods. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology

89. Peng Q. et al. Connexin 43 is involved in early differentiation of human embryonic stem cells //Differentiation. - 2019. - T. 105. - C. 33-44.

90. Ahir B. K., Pratten M. K. Structure and function of gap junction proteins: role of gap junction proteins in embryonic heart development //Int J Dev Biol. -2014. - T. 58. - C. 649-662.

91. 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. - T. 15. - №. 3. - C. e1006597.

92. Ten Tusscher K. H. W. J., Panfilov A. V. Alternans and spiral breakup in a human ventricular tissue model //American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 2006. - T. 291. - №. 3. - C. H1088-H1100.

93. Majumder R., Pandit R., Panfilov A. V. Turbulent electrical activity at sharp-edged inexcitable obstacles in a model for human cardiac tissue //American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. - 2014. - T. 307. -№. 7. - C. H1024-H1035.

94. Mummery C. L. et al. Differentiation of human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells to cardiomyocytes: a methods overview //Circulation research. - 2012. - T. 111. - №. 3. - C. 344-358.

95. Smith A. S. T. et al. Human iPSC-derived cardiomyocytes and tissue engineering strategies for disease modeling and drug screening //Biotechnology advances. - 2017. - T. 35. - №. 1. - C. 77-94.

96. Hörning M. et al. Utilizing the eikonal relationship in strategies for reentrant wave termination in excitable media //Physical Review E. - 2010. - T. 81. -№. 5. - C. 056202.

97. Kadota S. et al. Curvature-dependent excitation propagation in cultured cardiac tissue //JETP letters. - 2012. - T. 94. - C. 824-830.

98. Shiba Y. et al. Allogeneic transplantation of iPS cell-derived cardiomyocytes regenerates primate hearts //Nature. - 2016. - T. 538. - №. 7625. - C. 388391.

99. Romagnuolo R. et al. Human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes regenerate the infarcted pig heart but induce ventricular tachyarrhythmias //Stem Cell Reports. - 2019. - T. 12. - №. 5. - C. 967-981.

100. Joseph K. Y. et al. Computational modeling of aberrant electrical activity following remuscularization with intramyocardially injected pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes //Journal of Molecular and Cellular Cardiology.

- 2022. - T. 162. - C. 97-109.

101. Ong C. S. et al. Biomaterial-free three-dimensional bioprinting of cardiac tissue using human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes //Scientific reports. - 2017. - T. 7. - №. 1. - C. 4566.

102. Agladze N. N. et al. Synchronization of excitable cardiac cultures of different origin //Biomaterials science. - 2017. - T. 5. - №. 9. - C. 1777-1785.

103. Wei N., Tolkacheva E. G. Interplay between ephaptic coupling and complex geometry of border zone during acute myocardial ischemia: Effect on arrhythmogeneity //Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science.

- 2020. - T. 30. - №. 3.

104. Lin J. et al. Ephaptic Coupling Is a Mechanism of Conduction Reserve During Reduced Gap Junction Coupling //Frontiers in Physiology. - 2022. - T. 13. -C. 848019.

105. Abrasheva V. O. et al. Human sodium current voltage-dependence at physiological temperature measured by coupling patch-clamp experiment to a mathematical model //bioRxiv. - 2023. - C. 2023.06. 06.543894.

106. Tomek J. et al. Development, calibration, and validation of a novel human ventricular myocyte model in health, disease, and drug block //Elife. - 2019. - T. 8. - C. e48890.

107. Kleber A. G., Jin Q. Coupling between cardiac cells—An important determinant of electrical impulse propagation and arrhythmogenesis //Biophysics Reviews. - 2021. - T. 2. - №. 3.