РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РФФИ №18-01-00059 (А)рук. д.б.н. Кацнельсон Л.Б.
- Использование мультимасштабных 3D моделей сердца человека повышает эффективность медицинской практики в кардиологии.
- Для таких моделей необходимы модели кардиомиоцитов человека для учета внутриклеточныхмеханизмов, лежащих в основе связи между возбудимостью сердца и его насосной функцией.
- Важно: Экспериментальные данные о процессах возбуждения-сокращения в здоровом и патологическом миокарде человека являются немногочисленными и разрозненными.
Новая объединенная модель электромеханического сопряжения в кардиомиоците человека TP+M:
- Моделирует прямую и обратную связь электрических и механических явлений в миокарде человека;
- Может быть использована как основа мультимасштабных моделей миокарда от уровня ткани до уровня целого желудочка.
Электрофизиологический компонент: модель кардиомиоцита человека ТР06 [1]
Модель TP+M использует описание ионных токов через каналы на мембране клетки, описание динамики Ca2+ в диадном пространстве (SS) и саркоплазматическом ретикулуме (SR), взятое из модели TP06. Красным пунктиром выделено описание кинетики кальций-тропониновых комплексов (Ca-TnC) и описание кинетики поперечных мостиков [2].
Кальций-тропониновые комплексы и прикрепление поперечных мостиков
Кооперативное механозависимое формирование Ca-TnC комплексов – ключевой механизм механо-кальциевых обратных связей, и следовательно, механо-электрических обратных связей в кардиомиоците [2].
Механический компонент модели
Для описания деформации и развития силы используется реологическая схема [2]. Сократительный элемент (Contractile element) моделирует саркомер. Упругие элементы (elastic elements), моделируют пассивные свойства структур мышцы или кардиомиоцита. Вязкие элементы (Viscous elements) моделируют вязкие свойства ряда внутриклеточных структур.
Примеры работы модели
Грузозависимость (постнагрузочные сокращения)
Красными линиями показаны сигналы сокращений при постоянной длине (изометрических сокращений). Оттенками серого показаны сокращения под разными постоянными постнагрузками (изотонические). Сила нормирована на максимум изометрической силы.
Длинозависимость (изометрические сокращения)
Красными линиями показан сократительный цикл модели кардиомиоцита на большей длине, синей – на меньшей. На меньшей длине максимальная изометрическая сила была меньше. Это сопровождалось меньшей концентрацией Ca-TnC и большей длительностью кальциевого перехода и потенциала действия.
Быстрые деформации
Быстрое уменьшение длины. Черной линией показано стационарное изометрическое сокращение. Клетка, сокращающаяся на контрольной длине Linit, быстро отпускается до новой длины в разные моменты времени и с разной скоростью, демонстрируя инактивацию силы и увеличение длительности потенциала действия.
Ссылки
[1] ten Tusscher KH, Panfilov AV. (2006) Am J Physiol Heart Circ Physiol291(3):H1088-H1100.
[2] Katsnelson LB et al. (2011) Theor Biol. 272(1): 83-95.
[3] Xu A and Narayanan N. (1998) Am J Physiol 275(6Pt2):H2087-2094.