Научный микроблог

Gusev E, Sarapultsev A. Atherosclerosis and Inflammation: Insights from the Theory of General Pathological Processes. Int J Mol Sci. 2023 Apr 26;24(9):7910. doi: 10.3390/ijms24097910. PMID: 37175617.

Недавние достижения значительно улучшили наше понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе патогенеза атеросклероза. Однако все еще существует необходимость систематизировать эти данные с точки зрения общей патологии, особенно в отношении шаблонов атерогенеза в контексте как канонических, так и не классических типов воспаления. В данном обзоре мы анализируем различные типичные явления и результаты клеточного провоспалительного стресса при атеросклерозе, а также роль эндотелиальной дисфункции в локальных и системных проявлениях хронического воспаления.

Мы также представляем особенности иммунных механизмов в развитии продуктивного воспаления в стабильных и нестабильных бляшках, их сходства и различия по сравнению с каноническим воспалением. Существует множество факторов, которые действуют как индукторы воспалительного процесса при атеросклерозе, включая старение сосудистого эндотелия, метаболические дисфункции, аутоиммунные и, в некоторых случаях, инфекционные факторы повреждения. Жизненно важные осложнения атеросклероза, такие как кардиогенный шок и тяжелые инсульты, связаны с развитием острой системной гипервоспаления. Кроме того, критическая атеросклеротическая ишемия нижних конечностей вызывает паракоагуляцию и развитие хронического системного воспаления. Напротив, сепсис, другие критические состояния и тяжелые хронические системные заболевания способствуют атерогенезу. В итоге, атеросклероз может быть характеризован как независимая форма воспаления, имеющая сходства, но также и фундаментальные отличия от хронического воспаления и различных вариантов канонического воспаления (классический васкулит).

Рис. 1. Взаимосвязь основных общепатологических процессов на основе общих механизмов клеточного и тканевого противовоспалительного стресса.

Brazhnikov, A., Zotova, N., Solomatina, L., Sarapultsev, A., Spirin, A., & Gusev, E. (2023). Shock-Associated Systemic Inflammation in Amniotic Fluid Embolism, Complicated by Clinical Death. Pathophysiology, 30(1), 48-62.

https://doi.org/10.3390/pathophysiology30010006

История вопроса: Эмболия амниотической жидкостью (ЭАЖ) является одной из основных причин материнской смертности в развитых странах. Наиболее критические варианты ЭАЖ могут быть рассмотрены с точки зрения системного воспаления (СВ) - общего патологического процесса, включающего высокий уровень системного воспалительного ответа, нарушение нейроэндокринной системы, микротромбоз и синдром полиорганной недостаточности (СПОН). Целью данной работы было охарактеризовать динамику сверхострого СВ на примере четырех клинических случаев пациентов с критической ЭАЖ.

Методы: Во всех случаях мы исследовали параметры свертывания крови, уровень кортизола, тропонина I, миоглобина, С-реактивного белка, IL-6, IL-8, IL-10 и TNF-α в плазме крови и рассчитывали интегральные показатели.

Результаты: У всех четырех пациентов были выявлены характерные признаки СВ, включая повышение уровня цитокинов, миоглобина и тропонина I, изменения кортизола крови, клинические проявления коагулопатии и СПОН. При этом уровень цитокинов в плазме крови можно охарактеризовать не только как гиперцитокинемию, и даже не как "цитокиновый шторм", а скорее как "цитокиновую катастрофу" (повышение в тысячи и десятки тысяч раз уровня провоспалительных цитокинов). Патогенез ЭАЖ включает в себя быстрый переход от гиперэргической фазы шока с высоким уровнем системного воспалительного ответа к гипоэргической фазе шока, характеризующейся несоответствием между низкими значениями системного воспалительного ответа и критическим состоянием пациента. В отличие от септического шока, при ЭАЖ наблюдается гораздо более быстрая смена фаз СВ.

Заключение: ЭАЖ является одним из наиболее убедительных примеров для изучения динамики сверхострого СВ.

Типовые патогенетические изменения исследуемых случаев представлены на рисунках ниже.

Чешуйки эпидермиса плода в сосудах лёгкого матери.Стрелка указывает на фетальные сквамозные клетки в просвете сосуда (окраска гематоксилином и эозином, увеличение x100).

ДВС-синдром -  фибриновые сгустки в сосудах микроциркуляторного русла лёгких матери.Стрелки указывают на сгустки фибрина в легочных сосудах (окраска гематоксилином и эозином, увеличение x100).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РФФИ №20-31-90106 (рук. Волжанинов Д.А.)

При помощи уникальной экспериментальной методики карбоновых волокон в первый год проекта была исследована длинозависимая регуляция сократимости (закон Франка-Старлинга) кардиомиоцитов свободной стенки левого и правого желудочков и межжелудочковой перегородки взрослых самцов и самок крыс линии Wistar. Обнаружено, что кардиомиоциты правого желудочка демонстрируют больший индекс сократимости по сравнению с кардиомиоцитами межжелудочковой перегородки как в группе самцов, так и в группе самок. Анализ гендерных (половых) отличий механической функции кардиомиоцитов показал, что кардиомиоциты правого желудочка группы самок демонстрируют больший индекс сократимости по сравнению с кардиомиоцитами правого желудочка группы самцов.

При помощи оригинальной математической модели электромеханического сопряжения в желудочковых кардиомиоцитах, ранее разработанной в ИИФ УрО РАН, были воспроизведены основные физиологические феномены, обнаруженные экспериментально в группе самцов крыс линии Wistar.

В рамках задачи по исследованию грузозависимой регуляции механической функции клетки в экспериментальный программно-аппаратный комплекс, использующий методику карбоновых волокон, был внедрен контур обратной связи с использованием приборов, работающих в реальном времени, и реализованы различные режимы сокращения (изометрический, изотонический, ауксотонический) одиночных кардиомиоцитов в физиологическом эксперименте. Была исследована грузозависимая регуляция сократимости кардиомиоцитов свободной стенки левого и правого желудочков и межжелудочковой перегородки взрослых самцов и самок крыс линии Wistar. Обнаружено, что кардиомиоциты левого желудочка демонстрируют большую чувствительность к изменению режима сокращения, чем кардиомиоциты правого желудочка. Для сравнения временных профилей сокращения при различных режимах сокращения была успешна апробирована методика оценки эластанса.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗА 2022 ГОД ПО ПРОЕКТУ РНФ №21-14-00226 (рук. Кацнельсон Л.Б.)

В 2022 году продолжалась работа, направленная на изучение роли пограничной ишемической зоны в аритмогенезе. Исследования были проведены на крысах и свиньях in vivo, а также на изолированных кардиомиоцитах желудочков животных обоих видов. Изучались возможные механизмы изменений в пограничной зоне и электрокардиографическое отображение этих изменений. Проведённая экспериментальная работа показала 1) в формировании пограничной ишемической зоны значительную роль играет внеклеточный калий; 2) механизм электрофизиологических изменений в пограничной области связан с АТФ-зависимым калиевым током; 3) ранние изменения в пограничной области отображаются на ЭКГ в виде изменения длительности интервала QT.

На основании собственных экспериментальных исследований и данных литературы, разработана математическая модель генерации ЭКГ свиньи при развитии ишемии миокарда. На ней проверены сценарии возникновения ранних и задержанных ишемических фибрилляций желудочков и определены электрокардиографические предикторы этих аритмий.

Интегративные электро-механо-метаболические математические модели кардиомиоцитов желудочка сердца человека и крысы использованы для имитации разных факторов проявления ишемии в изометрических сокращениях и при физиологическом режиме нагрузок. Получено характерное укорочение длительности потенциала действия кардиомиоцита, наблюдаемое при развитии гипоксических нарушений и гиперкалиемии, проанализирован вклад эффектов ацидоза, возникающего при ишемии, а также эффектов ишемии, связанных с ослаблением активности кальциевого насоса саркоплазматического ретикулума, натрий-калиевой АТФазы и выходящего калиевого тока.

Проведены эксперименты на 1D моделях сердечной ткани крысы и человека, учитывающих участки ишемизированной ткани разного объёма и разное направление волны возбуждения. Показано, с увеличением размера ишемизированного участка образца миокарда не только сильнее падает генерируемая сила, но и увеличивается дисперсия реполяризации клеток образца. В 1D модели миокарда человека найдены условия возникновения спонтанной электрической активности и блока проведения волны возбуждения в ишемизированном миокарде.

Построены 2D модели для дальнейшего изучения взаимодействия ишемизированных и неишемизированных участков миокарда и сравнения с экспериментальными данными, получаемыми в проекте, после обработки методами визуализации изображений.

Разработаны геометрические трёхмерные модели целого сердца свиньи, включающие ишемизированную и пограничную зону, положение которых соответствует их положению в сердцах свиней, используемых в экспериментах.

Разработана схема неконтролируемой глубокой нейронной сети преобразования пиксельной текстуры изображения для получения качественных паттернов поля деформаций миокарда с помощью кросс-корреляционного анализа. Были обработаны кадры видеозаписей, полученные в экспериментах на открытом сердце свиньи (Рис. 1А, Б). Получены паттерны деформации нескольких участков эпикарда на разных этапах эксперимента, предшествующих возникновению фибрилляций: до окклюзии коронарной артерии и на нескольких временных интервалах после. Визуализирована динамика механических спиральных волн на протяжении нескольких миллисекунд (Рис. 1Е).Рис. 1. Анализ механоэлектрического взаимодействия в ишемизированном миокарде. А, Б: Кадры, показывающие эпикардиальные отведения, расположенные в узлах резиновой сетки (пронумерованы). В их окрестностях (круги) проводился анализ векторов деформаций (В), для которых затем определяли модуль (Vector modulus) и угол (COD angle) (Г). Последние были сопоставлены с электрофизиологическими показателями, определёнными в эпикардиальных отведениях – время активации (АТ); длительность (ARI) и время окончания (RT) реполяризации (Д). Как электрофизиологические, так и механические параметры проявляют характерную динамику на протяжении первых 20 минут окклюзии, однако ассоциаций между изученными параметрами выявлено не было. Е: Стримлайновые графики для полей деформации эпикарда во время фибрилляции, демонстрирующие динамику механической спиральной волны, показанные с применением разработанного метода улучшения кросс-корреляционного анализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РФФИ №21-54-15001-НЦНИ_а рук. Лукин О.Н.

Сердце – орган с отчетливой структурно-функциональной неоднородностью составляющих его кардиомиоцитов. Характеристики и свойства миоцитов зависят от их пространственной локализации: например, миоциты внутреннего (субэндокардиального) слоя стенки сердца возбуждаются раньше, а сокращаются медленнее и сильнее, чем миоциты внешнего (субэпикардиального) слоя. Согласованное в пространстве и во времени сокращение миллионов неодинаковых по своим свойствам кардиомиоцитов обеспечивает функционально однородное сокращение целого сердца. Поэтому феномен неоднородности миокарда считается одним из важнейших в регуляции работы сердца.

Феномен неоднородности имеет иерархическую структуру: межкамерная неоднородность (предсердия тоньше и слабее, чем желудочки), на уровне стенки камеры (трансмуральная неоднородность), на уровне одного мышечного слоя (неоднородность свойств миоцитов вдоль хода мышечного волокна), на уровне субмиллиметровых сегментов сердечной ткани (межклеточная неоднородность). Логически вытекающий внутриклеточный уровень неоднородности (внутри одного миоцита) изучен наименее всего; пока этот уровень не рассматривается в иерархии феномена неоднородности.

Сердце выполняет механическую (насосную) функцию, поэтому его эффективная работа зависит от сократимости миоцитов. Сокращение миоцита инициируется электрическим возбуждением, высвобождением ионов кальция из внутриклеточных депо (саркоплазматический ретикулум) в цитозоль клетки и взаимодействием этого кальция с белками элементарных сократительных структур – саркомеров. Последовательность этих событий и внутриклеточные механизмы, обеспечивающие эти события, называются электромеханическим сопряжением. Ключевые компоненты электромеханического сопряжения – длина саркомера, внутриклеточный кальциевый цикл, тубулярная система саркоплазматической мембраны (Рисунок 1). В нашем проекте мы изучаем неоднородность характеристик этих компонентов на уровне одиночного кардиомиоцита (внутриклеточная неоднородность) в аспекте роли этой неоднородности в проявлении иерархически более высокого уровня трансмуральной неоднородности (от субэпи- к субэндокардиальному слою стенки сердца).

Рисунок 1. Компоненты электро-механического сопряжения в кардиомиоцитах, исследуемые в рамках проекта.

В отчетном периоде мы оценивали характер неоднородности длин саркомеров (Рисунок 2) в изолированных кардиомиоцитах субэпи- и субэндокардиальных слоев стенки левого желудочка морских свинок. Мы впервые оценили вариабельность длин саркомеров в двух принципиально различных сократительных состояниях миоцита – невозбужденном («диастола») и при максимальном его сокращении («систола»). По сравнению с «диастолой», в «систолу» распределение длин саркомеров в значительно меньшей степени подчиняется нормальному (гауссовому) закону, а степень вариабельности растет (Рисунок 2). Эти изменения в вариабельности длин саркомеров при переходе миоцита из «диастолы» в «систолу» не имели трансмуральных различий (между субэндо- и субэпикардиальными миоцитами) или различий между двумя регионами в пределах одного и того же миоцита (центральным и периферическим). Для определения длин саркомеров и оценки их вариабельности был разработан оригинальный алгоритм с возможностью настройки его параметров в рамках уникального программного обеспечения. В контексте задач, требующих знания о степени вариабельности длин саркомеров, полученных для изображений миоцитов в проходящем свете или для флюоресцентно окрашенных миоцитов, это программное обеспечение предоставляет широкие возможности.

Рисунок 2. Для получения данных о неоднородности длин саркомеров использовались изолированные кардиомиоциты; измерения выполнялись в двух принципиально различных состояниях активации миоцита – невозбужденном («диастола») и при его максимальном сокращении («систола»).

Полученные в ходе первого этапа результаты указывают на физиологическое значение внутриклеточной неоднородности длин саркомеров и на ее непосредственную связь с функциональным состоянием миоцита. Это подтверждает предположение, что неоднородность на внутриклеточном уровне играет важную роль в обеспечении интегральной сократительной функции миоцита и является минимальным уровнем в иерархии неоднородности миокарда. Для выявления механизмов этого феномена и его возможного вклада в неоднородность сократительных свойств кардиомиоцитов на более высоком уровне (межклеточном, тканевом, трансмуральном) требуется проведение дальнейших экспериментов. На втором этапе проекта будет изучаться взаимосвязь между вариабельностью длин саркомеров и неоднородностями локальных кальциевых циклов в этих саркомерах, в том числе в условиях физиологически релевантной механической нагрузки на изолированный кардиомиоцит.

Nesterova, T., Rokeakh, R., Solovyova, O., & Panfilov, A. (2023). Mathematical Modelling of Leptin-Induced Effects on Electrophysiological Properties of Rat Cardiomyocytes and Cardiac Arrhythmias. Mathematics, 11(4), 874.https://doi.org/10.3390/math11040874

Как известно, повышенный уровень лептина в плазме крови — гиперлептинемия — коррелирует с маркерами метаболического синдрома, в том числе ожирением, и может быть независимым фактором риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. В данной статьей с использованием математических моделей одиночных кардиомиоцитов и сердечной ткани изучалось возможное влияние гиперлептинемии на электрофизиологические свойства кардиомиоцитов и сердечные аритмии. Для воспроизведения экспериментальных данных по влиянию лептина на ионные токи в четырех обновленных вариантах модели желудочковых кардиомиоцитов крысы Gattoni2016 были модифицированы параметры проводимости каналов кратковременного выходящего калиевого тока и натрий-кальциевого обменника. Было обнаружено, что во всех моделях лептин удлиняет потенциал действия, а в некоторых случаях приводит к значительному изменению формы потенциала действия с треугольной, характерной для кардиомиоцитов крысы, на конфигурацию “зубец-и-купол”, что указывает на предрасположенность к аритмиям. Во всех двумерных моделях ткани лептин увеличивал период сердечной аритмии, вызванной спиральной волной, и усиливал динамическую нестабильность, проявляющуюся в более выраженной, по сравнению с контролем, нестационарности вращения спиральной волны и иногда ее распаде. Данные результаты свидетельствуют о том, что гиперлептинемия может увеличивать уязвимость миокарда к возникновению аритмий. В дальнейшем представленные в статье модели кардиомиоцитов при действии лептина могут быть использованы в исследованиях на анатомических моделях сердца крысы.

Рис. 1. Кривые реституции длительности потенциала действия на уровне 90% реполяризации (ДПД90) в моделях 1 -- 4 в контроле (К, синий) и под воздействием лептина (Л, красный). ДПД90 > 200 мс в моделях 1Л и 2Л указывает на устойчивую форму потенциала действия “зубец-и-купол”, а большой разброс в ДПД90, на чередование треугольной и “зубец-и-купол” форм потенциала действия или единичные случаи появления последней.

 

Рис. 2. Динамика спиральных волн в двумерных моделях ткани, построенных из клеточных моделей 1—4 в контроле (K) и под действием лептина (Л). Показаны положения волны в различные моменты времени. На правых панелях показаны траектории ядра спиральной волны, вычисленные по алгоритму Фентона и Карма на временном интервале между 0.5 и 1.5 с после инициации спиральной волны. Названия моделей даны на левых панелях. Цветовая шкала для трансмембранного потенциала приведена внизу.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РНФ №19-14-00134 (рук. Соловьева О.Э.)

1. На основе сегментации данных МРТ с отсроченным контрастированием построены 26 детализированных моделей миокардиального фиброза и интегрированы в персонифицированные геометрические модели желудочков. Показано, что точность детализации фиброза влияет на его объемные характеристики и частоту встречаемости сегментов желудочка с фиброзными включениями. Вместе с тем средние электрофизиологические характеристики диссинхронии активации миокарда значимо не отличаются в моделях с различной точностью описания фиброза и при собственный ритме с БЛНПГ, и при бивентрикулярной (БиВ) стимуляции желудочков. Результаты говорят в пользу возможности использования относительно грубых оценок положения и размеров фиброза для прогнозирования эффектов стимуляции желудочков.

2. Разработана усовершенствованная модель проводящей системы Гиса-Пуркинье. Для каждой из построенных нами 57 анатомических моделей желудочков протестировано несколько конфигураций левой и правой ножек пучка Гиса (ЛНПГ и ПНПГ): 10 моделей ПНПГ; 10 -- ЛНПГ с удаленной передней ветвью; 10 -- ЛНПГ с удаленной задней ветвью; 10 -- ЛНПГ без обеих ветвей; 10 моделей с несколькими уровнями блокады проводящей системы от дистального до проксимального блокада ЛНПГ. На основе результатов моделирования построена прогностическая модель, предсказывающая уровень БЛНПГ на основе значений индексов диссинхронии активации. Наиболее значимыми предикторами уровня блокады оказались полное время активации желудочков, ширина QRS комплекса.

3. Разработано 19 интегративных моделей, включающих данные о фиброзе, анатомии вен коронарного синуса и желудочков. С помощью разработанного нами ранее классификатора ответа на СРТ, обученного на клинических данных и результатах персонифицированного моделирования, протестирована зависимость оценки вероятности ответа на СРТ от выбора положения ЛЖ стимулирующего электрода в доступных венах коронарного синуса. Показано, что ML балл классификатора, дающий оценку вероятности успеха СРТ, может существенно изменяться при варьировании позиции электрода в целевых венах.

Рис. 1 Примеры построенных по клиническим данным интегративных моделей желудочков сердца, коронарного синуса и реалистичного фиброза. Зелеными точками отмечены стимулирующие ЛЖ и ПЖ электроды, установленные в клинике при имплантации устройств СРТ. Цветными красно-синими точками обозначены доступные положения для установки ЛЖ электрода  в венах коронарного синуса. Бордовым цветом отмечен фиброз, построенный на основе сегментации МРТ изображений. Черными точками отмечены доступные для стимуляции точки вен коронарного синуса, у которых ML балл больше 0.8, красным отмечены точки с максимальным ML баллом.

 

4. Собраны и проанализированы клинические данные стандартного протокола ЭХОКГ и видео-записей изображений сердца в течение сердечного цикла у пациентов контрольной группы без сердечно-сосудистой патологии (n=34) и группы пациентов с ХСН, кандидатов на СРТ до (n=30) и после  (n=23) имплантации устройств СРТ. Разработан новый метод морфометрического анализа динамики изменения формы ЛЖ в течение сердечного цикла в пространстве форм и пространстве траекторий. Показано, что морфометрические параметры значимо отличаются в контрольной группе и у пациентов с ХСН, ряд характеристик обладают прогностической значимостью и входят в классификаторы, со 100% точностью разделяющие норму и патологию. С помощью логистической регрессии на параметрах морфометрического анализа построен классификатор острого ответа на СРТ, определяемого по > 10% снижению конечно-систолического объема ЛЖ. Точность классификатора составила 87% (чувствительность 86% и специфичность 89%).

5. Новые результаты моделирования, полученные в рамках усовершенствованных моделей желудочков с детализированным описанием зон фиброза (п.1), были использованы для построения усовершенствованных классификаторов ответа на СРТ, прогнозирующих вероятность улучшения фракции выброса ЛЖ на 10% и более. Мы выяснили, что хотя расстояние от ЛЖ электрода до зоны фиброза (зависит от точности представления фиброза) является одним из наиболее значимых признаков в предсказательной модели, точность классификатора ответа на СРТ и его результаты практически не изменяются при обучении на данных с сегментированной зоной фиброза по сравнению с классификатором, обученном на результатах упрощенных моделей. Разница в точности классификаторов составляет всего 0.5%. Этот результат поддерживает гипотезу о возможности использовать упрощенные модели фиброза для надежного предсказания эффективности СРТ при отборе пациентов и планировании процедуры.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РФФИ № 20-44-660003 р_а (рук. Проценко Ю.Л.)

Одной из важных и интересных проблем современной науки является поиск и разработка новых лекарств. В нашей работе мы исследовали действие препарата, первоначально носившего индекс СК1827452, а затем, название Omecamtiv mecarbil (ОМ). Он позиционировался как селективный активатор сердечного миозина, т.е. препарат для инотропной поддержки при систолической сердечной недостаточности и непосредственно нацеленный на увеличение силы сокращений в сердечных клетках без влияния на кинетику кальция в кардиомиоцитах. Дело в том, что сердечная недостаточность является ведущей причиной смертности с прогрессивно растущей распространенностью. Ее современная терапия основана на комбинации блокаторов β-рецепторов, ингибиторов АПФ и диуретиков. Этот ограниченный терапевтический подход в основном обусловлен известными побочными эффектами доступных в настоящее время инотропных агентов, включая агонисты β-рецепторов и ингибиторы фосфодиэстеразы. В этих случаях существует два основных источника побочных эффектов: повышенная цитозольная концентрация Ca2+ и повышенная потребность сердца в кислороде - оба, как известно, сильно проаритмичны [Nánási et al. 2017].

Современные достижения в области кристаллографии, спектроскопии и вычислительной биофизики позволяют создавать огромные базы данных различных структур химических соединений. Одним из методов поиска новых лекарственных соединений является метод высокопроизводительного скрининга, или перебора. Суть этого метода заключается в том, что с использованием суперкомпьютеров происходит перебор большого количества соединений из баз данных и отбор тех, которые наилучшим образом соединяются с нужным белком-мишенью клетки. Поскольку биохимические процессы в живых тканях находятся в сложных взаимосвязанных отношениях между собой, то очень сложно предсказать ответную реакцию на новое вещество и его поведение в организме. Для этого используют комбинированный вычислительно-экспериментальный подход,  который служит платформой для установления различий в клеточной активности кандидатов со схожими функциональными профилями, тем самым, упрощая идентификацию кандидатов, подобных лекарствам, сначала на животных.

Наша работа выполнена на многоклеточных препаратах миокарда изолированных из сердца крыс. Преимущество такого подхода состоит в том, что с одной стороны, препарат сохраняет все основные морфологические структуры миокарда, с другой, исключается влияние различных гуморальных и нервных факторов целого организма. Кроме того, в эксперименте для установления механизма действия вещества можно использовать широкий диапазон дозировки нового фармакологического соединения и в большом спектре внешних условий (температура, частота сердцебиений и т.д.). Целью работы было экспериментально установить дозо-зависимые эффекты ОМ при разных концентрациях ионов кальция в растворе на основные механизмы регуляции сократимости миокарда здоровых животных и животных с монокроталиновой моделью легочно-сердечной недостаточностью. Регистрировали механическую активность изолированных биоптатов миокарда правого желудочка сердца в изометрическом режиме и кинетику ионов кальция в кардиомиоцитах (внутриклеточные кальциевые переходы). Температура растворов 30 — 35º С, частота стимуляции 2 Гц.

Рис. 1. Суперпозиции нормированных на свою амплитуду сокращений (A) и кальциевых переходов (B) трабекул крыс из группы с легочно-сердечной недостаточностью без OM и при действии омекамтива 1.0 мкМоль/л в растворе К-Х с концентрацией кальция 2.0 мМоль/л на длине растяжения 0.95 Lmax. Частота стимуляции 2 Гц и температура раствора 30°C.

В изометрическом режиме впервые показано, что положительный инотропный эффект ОМ сильнее проявляется в препаратах миокарда больных крыс, чем здоровых и на малых длинах растяжения миокарда, чем на больших. В соответствие с известным феноменом Франка-Старлинга, это соответствует меньшим величинам конечно-диастолического объема. Вопреки анонсированному невмешательству ОМ в кинетику кальция в кардиомиоцитах, он существенным образом замедлял скорость спада кальциевого перехода и скорость механического расслабления (Рис. 1). Впервые показана зависимость влияния ОМ на сократимость миокарда от разных концентраций кальция в растворе омывающим препарат миокарда. Впервые показано влияние ОМ на степень выраженности, так называемого, медленного ответа силы (SFR) на ступенчатое удлинение миокарда, как аналога феномена Анрепа. В зависимости от концентрации кальция проявлялся как положительный, так и отрицательный инотропный эффект ОМ в здоровых и недостаточных сердцах. Наиболее ярким был отрицательный лузитропный эффект ОМ, в виде существенного замедления процесса расслабления изометрического сокращения (Рис. 1), что укорачивает длительность диастолического интервала, что ограничивает применение ОМ в клинической практике. Известно, что скорость процесса расслабления определяется, в значительной степени, скоростью секвестрации кальция саркоплазматическим ретикулюмом (внутриклеточная структура кардиомиоцита). Высказано предположение, что ускорение секвестрации сможет устранить этот недостаток ОМ и расширит применение его в клинической практике.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РНФ №22-24-00729 (руководитель Копылова Г.В.)

Корректная сократительная функция миокарда требует строго упорядоченной и стабильной структуры саркомера миофибриллы. Белки семейства тропомодулинов/лейомодинов (Tmod и Lmod) участвуют в стабилизации саркомера и миофибриллогенезе. Недавно полученные данные свидетельствуют о том, что Tmod и Lmod активируют тонкие нити и таким образом принимают участие в регуляции актин-миозинового взаимодействия (Ochala et al., FASEB, 2014). Целью Проекта является исследование Tmod и Lmod в качестве новых факторов регуляции актин-миозинового взаимодействия в поперечно-полосатых мышцах. В 2022 г. исследовано участие изоформ Tmod1 и Tmod4 в активации тонких филаментов и регуляции актин-миозинового взаимодействия в миокарде.

 

Рис. 1. Влияние 500 нМ Tmod1 (А) и Tmod4 (Б) на кальциевую зависимость скорости скольжения тонких филаментов по миозину в in vitro подвижной системе. Кружками и квадратами обозначены экспериментальные значения, представленные как среднее ± стандартное отклонение. Кальциевая зависимость аппроксимирована уравнением Хилла.

 

Обнаружено, что характеристики полимеризации актина зависят как от изоформ тропомиозина, так и Tmod. Tmod дозо-зависимо снижал скорость скольжения филаментов по миозину в in vitro подвижной системе и усиливал мостик-мостиковую кооперативность взаимодействия F-актин–тропомиозиновых филаментов с миозином. Tmod1 и Tmod4 по-разному влияли на характеристики кальциевой регуляции актин-миозинового взаимодействия (рис. 1). Результаты экспериментов позволяют предположить, что тропомодулин влияет на подвижность тропомиозинового тяжа на актиновом филаменте. Таким образом, Tmod оказывает прямое влияние на актин-миозиновое взаимодействие и является одним из белков, участвующих в его регуляции в миокарде.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РФФИ №20-315-70006 (Мол-А) рук. Хохлова А.Д.

Целью проекта является исследование влияния локальной продукции эстрадиола на электрофизиологическую и сократительную функцию миокарда предсердий и желудочков на молекулярном и клеточном уровнях его организации. В первый год проекта использовалась модель гипоэстрогении, вызванной билатеральной овариэктомией (OVX) у самок крыс.

После OVX уменьшилась концентрация 17 β - эстрадиола в плазме крови крыс и увеличилась его локальная продукция по сравнению с ложнооперированной (Sham) группой. При помощи иммуногистохимического анализа показано повышение содержания ароматазы, фермента при помощи которого происходит внегонадная продукция 17 β - эстрадиола в OVX группе по сравнению с контролем.

Экспрессия ароматазы в ЛП и ПЖТ у Sham (А, В) и OVX (Б, Г) самок крыс, увеличение объектива 20х. Участки, содержащие ароматазу, окрашены бурым цветом.

В OVX группе амплитуда ауксотонического напряжения увеличилась в кардиомиоцитах ЛП, но уменьшилась в миоцитах ЛЖ.

В ЛЖ и ЛП по-разному изменилась степень фосфорилирования белков толстой и тонкой нитей, что может объяснять изменение характеристик сокращения одиночных кардиомиоцитов предсердий и желудочков.

Исследовано прямое действие эстрадиола на электромеханическое сопряжение и актин-миозиновое взаимодействие в одиночных кардиомиоцитах предсердий и желудочков интактных самок крыс. Уменьшение амплитуды сокращений кардиомиоцитов желудочков может быть связано с уменьшением степени фосфорилирования сердечного миозин-связывающего белка С.

 

Во второй год проекта использовалась модель легочной гипертензии, вызванной инъекцией монокроталина (MCT) у самок крыс. Отношение массы ПЖТ к массе тела уменьшалось у MCT животных. Степень выраженности реактивных изменений в миокарде значительно неоднородна в группе MCT с выраженной клеточной реакцией и гипертрофией правых отделов сердца. Содержание эстрадиола в гомогенатах миокарда, ПЖТ и плазме крови не различалось между группами. Иммуногистохимический анализ показал, что в группе MCT содержание ароматазы уменьшилось в перикардиальных белых адипоцитах по сравнению с контролем.

Экспрессия ароматазы в белых адипоцитах перикардиальной жировой ткани интактных самок (А) и при легочной гипертензии (Б). Участки, содержащие ароматазу, окрашены бурым цветом, увеличение объектива 100х.

В MCT группе уменьшается амплитуда напряжения и ухудшается длинозависимая активация миофиламентов кардиомиоцитов ПЖ. У MCT животных изменились характеристики кальциевой регуляции актин-миозинового взаимодействия в ПЖ, ПП и МжП, что может объясняться изменением степени фосфорилирования белков саркомера.