Проект 21-14-00226 «Аритмогенная роль пограничной зоны миокарда при ишемии и реперфузии сердца: in vivo, in vitro, in silico» поддержан Российским научным фондом (РНФ).
(Конкурс Российского научного фонда 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»)
Руководитель проекта: Кацнельсон Л.Б., д.ф.-м.н, ведущий научный сотрудник лаборатории математической физиологии ИИФ УрО РАН.
В проекте участвуют сотрудники Института иммунологии и физиологии УрО РАН, аспиранты ИИФ УрО РАН и УрФУ:
- Балакина-Викулова Н.А., к.ф.-м.н., с.н.с.;
- Курсанов А.Г., к.ф.-м.н., с.н.с.;
- Рокеах Р.О., аспирант, м.н.с.;
- Мангилева Д.В., аспирант, м.н.с.
Проект выполняется совместно с сотрудниками Института физиологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, Республика Коми из группы д.б.н. Азарова Я.Э.:
- Берникова О.Г., к.м.н., с.н.с.;
- Овечкин А.О., к.м.н., с.н.с.;
- Груббэ М.Е., ст. лаб.;
- Комаров И.А., ст. лаб.
Желудочковая тахикардия и фибрилляция желудочков, являясь частым осложнением инфаркта миокарда, вызывают серьёзные, часто жизнеугрожающие нарушения гемодинамики. Прогноз и профилактика таких аритмий составляют важную исследовательскую задачу. При ишемии миокарда создаются сразу несколько условий, предрасполагающих к возникновению желудочковой тахикардии и/или фибрилляции желудочков (невозбудимый участок миокарда, неоднородность реполяризации, замедление проведения), что сильно затрудняет лечение и профилактику аритмий.
При ведении пациентов с инфарктом миокарда отдельную проблему составляет недоступность поражённой области для лекарственных средств, доставляемых с кровотоком, поскольку кровоснабжение этого участка полностью или частично блокировано. В то же время перфузируемый миокард представляет собой вполне достижимую мишень. В пределах перфузируемого миокарда выделяется так называемая пограничная зона, находящаяся между нормальной и ишемизированной областями. Пограничная зона может служить и субстратом, и источником пусковых импульсов для возникновения и поддержания жизнеугрожающих аритмий. В настоящем проекте мы представляем идею, базирующуюся на наших предыдущих экспериментальных, модельных и клинических исследованиях и заключающуюся в том, что воздействия на перфузируемую область могут положительно повлиять на характеристики пограничной зоны и подавить аритмогенные процессы в сердце.
Физиологические изменения в пограничной зоне определяются взаимодействием между нормальной и поражённой областями, а также рядом «внешних» факторов, таких как частота сердечных сокращений, системная гемодинамика, электролитный баланс и др. Взаимодействие многих факторов приводит к изменениям электрофизиологических свойств по нескольким сценариям, часть из которых может быть аритмогенно-опасной. В рамках настоящего проекта мы предполагаем решить три основные задачи: установить механизмы проаритмических изменений в пограничной зоне, выявить данные изменения на ЭКГ и предложить метод компенсации этих изменений для снижения риска аритмий.
Достижение вышеназванных целей требует комбинации экспериментального подхода и математического моделирования и соответственно сотрудничества двух групп исследователей. Реализация данного проекта будет основана на двустороннем обмене данных, получаемых в ходе экспериментов и моделирования. Экспериментально мы будем исследовать электрофизиологические и механические свойства миокарда in vivo на экспериментальных моделях острой ишемии-реперфузии сердца крыс и свиней и in vitro на изолированных кардиомиоцитах. Мы будем прослеживать изменения в пограничной области от электрофизиологических характеристик сердца до их проявлений на ЭКГ от поверхности тела и встречаемости аритмий. Также мы отследим эти изменения в обратном направлении – от сердца до экспрессии белков и ионных токов, порождающих эти изменения в пограничной области.
В математических моделях электромеханического сопряжения в кардиомиоцитах, в многоклеточных препаратах и в желудочках будет проанализирован вклад тех или иных внутриклеточных механизмов и механизмов межклеточного электрического и механического взаимодействия в исследуемые нарушения ритма. Кроме того, с помощью этих моделей будут «разыграны» различные возможные сценарии развития фибрилляции желудочков, подлежащие последующей экспериментальной проверке. В численных экспериментах с этими моделями будут предложены методы коррекции и профилактики фибрилляций желудочков, которые затем также могут быть проверены в экспериментах in vivo и in vitro.
В результате выполнения данного проекта мы намерены установить неизвестные в настоящее время механизмы, определяющие роль пограничной зоны в нарушениях ритма при ишемии, и предложить новые способы профилактики аритмий.
Результаты, полученные в рамках проекта в 2023 году
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В 2023 году мы исследовали роль АТФ-зависимого калиевого тока IK(ATP) в формировании электрофизиологических параметров миокарда, приводящих к возникновению фибрилляции желудочков во время ишемии. Нами был показан двухфазный характер изменения тока IK(ATP) во время ишемии: начальная небольшая активность тока сменяется его полной активацией. Эти изменения приводят к изменению баланса входящих и выходящих ионных токов в кардиомиоцитах, что находит отражение в двухфазном характере изменения длительности потенциала действия в ишемический период: в первые минуты ишемии наблюдается удлинение ПД кардиомиоцитов, которое затем сменяется типичным ишемическим его укорочением. Данные изменения длительности потенциалов действия в клетках миокарда желудочков отражаются на ЭКГ в виде раннего ишемического удлинения интервала QTс, ассоциированного с возникновением ранних ишемических фибрилляций желудочков. Блокада тока IK(ATP) устраняет эффект раннего ишемического удлинения реполяризации и снижает вероятность развития ранних желудочковых аритмий.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Продолжена доработка интегративных электромеханических и электро-механо-энергетических математических моделей кардиомиоцитов желудочка сердца человека и крысы и подбор параметров моделей для более корректного описания особенностей изменения электрической и механической активности миокарда в ишемизированной, граничной и нормальной зонах.
В математических моделях был изучено влияние гипокалиемии, которая может возникать в граничной зоне, на электромеханическое поведение кардиомиоцита. При моделировании гипокалиемии в клетках из ишемизированной, нормальной и граничной зон миокарда человека показано, что снижение внеклеточной концентрации калия приводит к гиперполяризации потенциала покоя и увеличению амплитуды и длительности потенциала действия во всех рассматриваемых образцах. Ослабление калиевых токов за счет гипокалиемии не приводит к возникновению аномалий возбуждения, несмотря на некоторую натриевую, а затем и кальциевую перегрузку кардиомиоцитов, провоцируемые пониженным уровнем внеклеточного калия.
При реперфузии перегрузка кардиомиоцита кальцием, которая, в частности, может быть вызвана увеличением плотности кальциевого L-тока в ответ на постепенное повышение интерлейкина 6, приводит к значительному удлинению потенциала действия, что создает условия для триггерной активности в миокарде.
На одномерных моделях сердечной ткани изучено влияние размеров граничных зон вокруг ишемизированного участка в течение острой ишемии на электромеханическое поведение образца. Показано, что размер граничной зоны в ишемических условиях не влияет на амплитуду изометрической силы волокна, однако замедляет ее развитие, что может быть связано с замедлением скорости проведения в поврежденных участках. При этом с ростом размера граничной зоны деполяризуется потенциал покоя, а длительность потенциала действия увеличивается, в том числе и в кардиомиоцитах нормального участка. Это увеличивает риск нарушений ритма.
При моделировании фибрилляций на фоне желудочковой ишемии в 2D модели миокарда человека, содержащей взаимодействующие ишемизированную, нормальную и граничную зоны, с использованием протокола стимуляции S1-S2 удалось получить спиральную волну, возникающую между нормальной и граничной зонами.
Проведена компьютерная обработка видеозаписей экспериментов на открытом сердце свиньи, целью которой было получение полей механических деформаций эпикардиальной поверхности сердца во время экспериментов с коронарной окклюзией, выполненных группой экспериментаторов проекта. Сопоставление полей механической деформации и ЭКГ указывает на то, что нарушение электрической активности миокарда может сопровождаться нарастающим нарушением цикличности изменения значений средних модулей деформации эпикардиальной поверхности сердца в процессе развития острой ишемии.
Данные о механических деформациях эпикардиальной поверхности, полученные на основе обработки кадров видеоизображений экспериментов на открытом сердце свиней, перенесены на поверхности трехмерных геометрических моделей сердца и сопоставлены с участками ишемического повреждения после коронарной окклюзии.