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.