Оглавление
- Основание ИИФ УрО РАН
- Лаборатории Института
- Научное направление «Иммунные механизмы регуляции физиологических функций»
- Научное направление «Молекулярные механизмы мышечных сокращений и биомеханика неоднородного миокарда»
- Центр коллективного пользования ИИФ УрО РАН
- Диссертационный совет
- Образовательная деятельность института: аспирантура
Направление «Молекулярные механизмы мышечных сокращений и биомеханика неоднородного миокарда»
Становление уральской научной школы «Физиология и биофизика миокарда»
Первым структурным подразделением, на базе которого создавался ИИФ УрО РАН, был Екатеринбургский отдел молекулярной и клеточной биомеханики Института физиологии Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар, директор — академик М. П. Рощевский). Заведовал отделом профессор, д.б.н., заслуженный деятель науки РФ Владимир Семенович Мархасин, который вошел в состав вновь созданной лаборатории биофизики и математического моделирования и стал научным руководителем одного из двух основных направлений исследований в институте — «Молекулярные механизмы мышечного сокращения и биомеханика неоднородного миокарда». В 2003 году В. С. Мархасин был избран членом-корреспондентом РАН. Он проработал в институте главным научным сотрудником до своей кончины в 2015 году.
В момент организации ИИФ УрО РАН в 2003 году были образованы 3 лаборатории: 2 экспериментальные — лаборатория биомеханики (заведующий — д.б.н. Юрий Леонидович Проценко) и лаборатория молекулярных механизмов мышечного сокращения (заведующий — д.б.н. Сергей Юрьевич Бершицкий) — и теоретическая лаборатория биофизики и математического моделирования (заведующая — д.ф.-м.н., профессор Ольга Эдуардовна Соловьёва). Позднее в ходе оптимизации структуры института экспериментальные лаборатории были объединены в одну — лабораторию биологической подвижности (заведующий С. Ю. Бершицкий). Лаборатория биофизики и математического моделирования переименована в лабораторию математической физиологии, и в 2016 году ей было присвоено имя члена-корреспондента РАН В. С. Мархасина.
Костяк сотрудников отдела в составе Ю. Л. Проценко, С. Ю. Бершицкого, Л. Б. Кацнельсона, О. Э. Соловьёвой, Л. В. Никитиной, Г. В. Копыловой, Б. Ю. Бершицкого, Н. А. Балакиной-Викуловой, А. А. Балакина, П. В. Коновалова работает в институте с момента его создания по сегодняшний день. Уже во время работы в институте сотрудниками лабораторий защищено 5 докторских диссертаций и 17 кандидатских диссертаций по биофизике, физиологии. В 2018 году преимущественно из молодых сотрудников лаборатории математической физиологии и биологической подвижности, учеников и аспирантов С. Ю. Бершицкого, Л. В. Никитиной, О. Э. Соловьёвой, была создана молодежная лаборатория трансляционной медицины и биоинформатики (заведующая — к.ф.-м.н. А. Д. Хохлова).
Этапы организационного развития научной школы
|
1973–1977 |
Экспериментальная лаборатория городской клинической больницы № 23 г. Свердловска (заведующий В. Я. Изаков) |
|
1977–1979 |
Лаборатория биофизики миокарда Свердловской областной клинической больницы № 1 (заведующий В. Я. Изаков) |
|
1979–1988 |
Лаборатория биофизики НИИ гигиены труда и профзаболеваний (заведующий В. Я. Изаков) |
|
1988–1991 |
Отдел биофизики Института физиологии Коми научного центра УрО РАН (заведующие В. Я. Изаков, 1988–1990; В. С. Мархасин, 1990–1991)
|
|
1991–1998 |
Екатеринбургский филиал Института физиологии Коми научного центра УрО РАН (директор филиала В. С. Мархасин)
|
|
1998–2000 |
Отдел молекулярно-клеточной биомеханики Института физиологии Коми научного центра УрО РАН (заведующий отделом В. С. Мархасин)
|
|
2000–2003 |
Екатеринбургский филиал института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
|
|
2003–2008 |
Институт иммунологии и физиологии УрО РАН
|
|
2008 — наст. время |
Институт иммунологии и физиологии УрО РАН
|
Основателями научного направления и уральской научной школы физиологии и биофизики сердца, к которой относятся лаборатории биологической подвижности, математической физиологии и трансляционной медицины и биоинформатики, являются профессор Валерий Яковлевич Изаков (1941–1990) и член-корреспондент РАН, профессор Владимир Семенович Мархасин (1941–2015). Более старшее поколение сотрудников лабораторий (доктора наук Ю. Л. Проценко, С. Ю. Бершицкий, Л. Б. Кацнельсон, О. Э. Соловьёва, Л. В. Никитина и кандидаты наук Г. В. Машанов, Н. А. Балакина-Викулова, А. А. Балакин, В. Ю. Гурьев, О. Н. Лукин, Т. В. Чумарная) — их прямые ученики.
Валерий Яковлевич Изаков и Владимир Семенович Мархасин учились в одной группе в Свердловском медицинском институте и окончили его в 1964 году. В числе первых в СССР они начали регистрировать электрическую активность в препаратах миокарда, эти результаты вошли в их кандидатские диссертации, которые они защитили в один день в 1968 году.
В. С. Мархасин и В. Я. Изаков, 1964
Началом становления школы физиологии и биофизики миокарда в Екатеринбурге (тогда Свердловске) можно считать небольшую группу, созданную Изаковым и Мархасиным в 1974 году на базе 23-й городской клинической больницы при поддержке руководителя отделения кардиохирургии, выдающегося кардиохирурга, профессора Милослава Станиславовича Савичевского. Тогда же в группу вошли Сергей Юрьевич Бершицкий, Юрий Леонидович Проценко, Павел Борисович Цывьян, которые затем выросли в маститых исследователей, стали докторами наук и до сегодняшнего дня образуют костяк уральской школы.
Первое время работа велась на чистом энтузиазме, но сегодня тогдашние волонтеры вспоминают о подвале 23-й больницы с теплотой и ностальгией. Финансовая поддержка исследований появилась благодаря академику Валерию Ивановичу Шумакову, директору федерального НИИ трансплантологии и искусственных органов, когда группа получила официальный статус лаборатории биофизики миокарда и штатные ставки в рамках советско-американской программы «Искусственное сердце». Задачей, поставленной перед лабораторией, была разработка искусственного водителя ритма сердца. В. Я. Изаков выдвинул идею — использовать для запуска стимулятора сокращение предсердия, которое оставалось у реципиента при трансплантации. При постоянной ритмической стимуляции скелетную мышцу кролика пытались трансформировать в мышцу, подобную миокарду. Сотрудники изучали механизмы электрогенеза в кардиомиоцитах, связь между возбуждением и сокращением, механизмы расслабления сердечной мышцы, а также природу вязкоупругого поведения миокарда животных.
В. С. Мархасин одним из первых в стране начал исследовать биоптаты сердца больных в клинике М. С. Савичевского на базе свердловской ГКБ № 23. Там В. С. Мархасин и его ученики изучали механизмы нарушений сократительной функции миокарда при врожденных и приобретенных пороках сердца. Обнаружив существенную неоднородность электрической и механической активности в препаратах сердечной мышцы, Владимир Семенович впервые задумался о физиологической и патофизиологической роли неоднородности миокарда в сердечной деятельности. Впоследствии этот феномен стал одним из основных направлений исследований и «визитной карточкой» научной школы, представители которой с самого начала стремились найти практическое применение своим фундаментальным результатам. Пионерские работы уральских кардиофизиологов в 1980-е годы намного опередили «бум неоднородности», охвативший мировую физиологию сердца десятилетием позже. Новизна и глубина исследований постепенно превратили лабораторию в уникальную научную школу по изучению биомеханики и биофизики мышечного сокращения.
После 23-й горбольницы лаборатория биофизики миокаpда под руководством В. Я. Изакова еще несколько лет работала сначала в областной клинической больнице № 1, затем почти 10 лет в НИИ гигиены труда и профзаболеваний. И наконец в 1988 году коллектив приобрел статус академического, войдя в качестве отдела биофизики в Институт физиологии Коми НЦ УрО РАН, что стало возможным благодаря доброй воле и значительным усилиям директора этого института — академика Михаила Павловича Рощевского. К сожалению, Валерию Яковлевичу Изакову недолго пришлось руководить отделом, который после его ухода из жизни в 1990 году возглавил Владимир Семенович Мархасин. Сейчас уже трудно представить, какие организационные и материальные трудности преодолевал коллектив, чтобы сохраниться и продолжать развиваться в те сложные времена. Существенную поддержку ему обеспечивали гранты Российского фонда фундаментальных исследований, а также международные исследовательские гранты Фонда Сороса, Национального института здоровья США, НАТО, Фонда Александра Гумбольдта, Института Говарда Хьюза, фондов CRDF и Wellcome Trust.
В период развития уральской школы физиологии и биофизики миокарда В. С. Мархасин получил ученую степень доктора биологических наук, защитив в 1983 году диссертацию «Механизмы нарушения сократительной функции миокарда при хронической сердечной недостаточности (экспериментальное исследование биоптатов миокарда больных врожденными и приобретенными пороками сердца)», В. Я. Изаков в 1986 году защитил диссертацию «Исследование клеточныx cиcтем pегуляции меxаничеcкой активноcти (биомеxаничеcкий аспект)» и стал доктором медицинских наук. В 1980–1990-е кандидатами наук стали их ученики: Ю. Л. Проценко, С. М. Руткевич, П. Б. Цывьян, Б. Л. Быков, С. В. Желамский, С. Ю. Бершицкий, О. Н. Бершицкая, Ф. А. Бляхман, Т. Ф. Шкляр, Л. Б. Кацнельсон, Л. В. Никитина, Г. И. Машанов, Т. А. Барабанова. В 1994 году Павел Борисович Цывьян, ученик В. С. Мархасина, уже работая в Уральском НИИ охраны материнства и младенчества, защитил докторскую диссертацию по кардиологии «Регуляторные механизмы регуляции сократительной активности и насосной функции сердца новорожденного». В эти же два десятилетия были изданы ключевые монографии, до сих пор являющиеся настольными книгами для сотрудников института и нескольких поколений исследователей биофизики и биомеханики миокарда[1].
[1] Изаков В. Я., Иткин Г. П., Мархасин B. C. и др. Биомеханика сердечной мышцы. М.: Наука, 1981; Мархасин B. C., Изаков В. Я., Шумаков В. И. Физиологические основы нарушения сократительной функции миокарда. СПб: Наука, 1994; Мархасин B. C., Кацнельсон Л. Б., Никитина Л. B., Проценко Ю. Л., Руткевич С. М., Соловьёва О. Э., Ясников Г. П. Биомеханика неоднородного миокарда. Екатеринбург, 1999; Изаков В. Я., Мархасин В. С., Ясников Г. П., Белоусов B. C., Проценко Ю. Л. Введение в биомеханику пассивного миокарда. М.: Наука, 2000.
Сотрудники группы В. Я. Изакова в 1975 году. Слева направо: П. Б. Цывьян, Ю. Л. Проценко, В. Я. Изаков, В. С. Мархасин и Е. П. Амон
В начале 2000-х отдел В. С. Мархасина послужил основой для создания Института иммунологии и физиологии УрО РАН, который организовал и возглавил академик В. А. Черешнев. В новом институте коллектив обзавелся уникальным оборудованием и продолжил экспериментальные и теоретические исследования в области биомеханики и электромеханического сопряжения в сердечной и скелетной мышцах на современном мировом уровне. Сотрудники этого отдела по сей день работают в лабораториях биологической подвижности и математической физиологии ИИФ. В 2003 году Владимир Семенович был выдвинут институтом и избран членом-корреспондентом РАН Отделения физиологии.
Член-корреспондент В. С. Мархасин, академики Ю. В. Наточин, О. Г. Газенко, В. А. Черешнев на XIX всероссийском съезде физиологов. Екатеринбург, 2004
Отдел проводит эксперименты как на многоклеточных препаратах миокарда, так и на его изолированных клетках и на целом сердце, изучает тонкие механизмы регуляции функции в нормальном миокарде и при его патологии. В лаборатории биологической подвижности под руководством доктора биологических наук С. Ю. Бершицкого, ученика В. Я. Изакова, ведутся эксперименты на молекулярном уровне, в которых изучается взаимодействие сократительных белков сердечной мышцы и их кальциевая регуляция. Группа доктора биологических наук Л. В. Никитиной, ученицы В. С. Мархасина, исследует неоднородность сократительных белков миокарда. Такого рода экспериментами занимаются очень немногие лаборатории мира. В сотрудничестве с еще одним «школьником» с советских времен доктором физико-математических наук Андреем Кимовичем Цатуряном (Институт механики МГУ) и при участии коллег из Лондонского имперского колледжа активно развиваются исследования фундаментальных механизмов функционирования моторных мышечных белков, инициированные в свое время В. Я. Изаковым. Группа доктора биологических наук Ю. Л. Проценко, тоже ученика В. Я. Изакова, изучает биомеханику сердечной мышцы в норме и при патологии: в частности, исследуются нарушения функции миокарда, вызванные гипертензией, которая может приводить к тяжелой гипертрофии сердца. Активно развивается математическое моделирование сердечной мышцы, значение которого так хорошо понимали и поддерживали В. Я. Изаков и В. С. Мархасин. Первые работы по моделированию были выполнены ими еще в 1980-е годы совместно с профессором, д.ф.-м.н. Григорием Нойховичем Мильшейном (УрГУ) и А. К. Цатуряном (МГУ). Позднее развитию этих работ посвятили себя сначала д.ф.-м.н. Леонид Борисович Кацнельсон, ученик В. Я. Изакова и В. С. Мархасина, а потом и д.ф.-м.н. Ольга Эдуардовна Соловьёва, ученица Владимира Семеновича. Сегодня она руководит лабораторией математической физиологии, которую В. С. Мархасин создал в ИИФ и в которой работал до самых последних дней.
В настоящее время в рамках направления работают следующие лаборатории:
- лаборатория биологической подвижности;
- лаборатория математической физиологии;
- лаборатория трансляционной медицины и биоинформатики.
Лаборатория биологической подвижности
Лаборатория биологической подвижности была создана в 2008-м, в год реструктуризации института, и объединила лаборатории биомеханики и молекулярных механизмов мышечного сокращения, как было изложено выше. Сегодня исследования в этой лаборатории ведутся двумя научными группами: группой молекулярных механизмов мышечного сокращения д.б.н. С. Ю. Бершицкого и группой биомеханики мышц д.б.н. Ю. Л. Проценко.
Научная группа молекулярных механизмов мышечного сокращения д.б.н. С. Ю. Бершицкого
В 2003 году филиал Института экологии и генетики микроорганизмов был преобразован в самостоятельный Институт иммунологии и физиологии УрО РАН во главе с академиком В. А. Черешневым. Лабораторию биологической подвижности (под руководством С.Ю. Бершицкого) объединили с лабораторией биомеханики (под руководством Ю.Л. Проценко), и она стала называться лабораторией биологической подвижности. Галина Васильевна Копылова занималась в ней экспериментами на in vitro подвижной системе, к ней присоединилась Лариса Валерьевна Никитина. С помощью Бориса Юрьевича Бершицкого и Дениса Александровича Овсянникова мы изготовили две новые установки для волоконных экспериментов: одну для использования на синхротроне, вторую — в лаборатории. Сделали новые моторы для быстрых деформаций волокна, дистанционно управляемый блок ячеек с растворами, который позволял держать мышечное волокно в рентгеновских экспериментах в вертикальном положении, что улучшало пространственное разрешение в меридиональном направлении рентгенограммы.
В 2005 году С. Ю. Бершицкий защитил докторскую диссертацию на кафедре биофизики биологического факультета МГУ на тему «Исследование механизма генерации силы в мышце».
В 2006 году в лабораторию пришёл Салават Рафаилович Набиев — выпускник кафедры экспериментальной физики УПИ, сначала в качестве магистранта, а потом сотрудника. Вместе с ним, Денисом и Борисом мы занялись строительством установки двухлучевой оптической ловушки. Был получен грант РФФИ на приобретение флуоресцентного микроскопа, из средств гранта HHMI мы купили оптические компоненты, лазеры, противовибрационные столы и прочее. К 2009 году единственная в стране установка для исследования механизма мышечного сокращения на уровне взаимодействия одиночных молекул белков была готова. Это, конечно же, расширило экспериментальные возможности лаборатории.
В 2008 году у нас появился ещё один молодой сотрудник — Даниил Владимирович Щепкин, окончивший биологический факультет УрГУ, с его приходом тематика лаборатории расширилась: к изучению молекулярных механизмов сокращения мышц добавились молекулярные механизмы его регуляции. Эти исследования идут в тесной кооперации с лабораторией структурной биохимии белка в московском Институте биохимии имени А. Н. Баха и с Институтом механики МГУ.
Заведующий лабораторией — Сергей Юрьевич Бершицкий поделился своими воспоминаниями о истроии создания лаборатории и деятельности своей научной группы в лирико-документальном очерке.
Научная группа биомеханики мышц д.б.н. Ю. Л. Проценко
Ключевыми сотрудниками группы биомеханики мышц в лаборатории биологической подвижности являются ее руководитель г.н.с., д.б.н. Юрий Леонидович Проценко (научная карьера с 1971 года), с.н.с., к.б.н. Сергей Михайлович Руткевич (научная карьера с 1970 года), с.н.с., к.б.н. Олег Николаевич Лукин (научная карьера с 1998 года), с.н.с., к.б.н. Александр Александрович Балакин (научная карьера с 1998 года), с.н.с., к.б.н. Леонид Тимофеевич Смолюк (научная карьера с 2008 года), м.н.с., к.б.н. Алексей Тимофеевич Смолюк (научная карьера с 2015 года), м.н.с. Руслан Владимирович Лисин (научная карьера с 2009 года), н.с. Даниил Андреевич Кузнецов (научная карьера с 2009 года).
Коллектив группы Ю. Л. Проценко имеет длительный опыт работы в области биомеханики и физиологии нормального и патологически измененного миокарда. Основной объект ее экспериментальных исследований — изолированные многоклеточные препараты сердечной мышцы (папиллярные мышцы, трабекулы) и изолированные кардиомиоциты желудочков и предсердий сердца теплокровных животных. Экспериментальные методы включают в себя прямые биомеханические измерения и оптическую регистрацию свечения флуоресцентных красителей. Одним из направлений исследований коллектива является изучение длинозависимой (ин)активации механической активности и кальциевой регуляции в кардиомиоцитах нормального и патологически измененного миокарда. В его рамках исследуется феноменология быстрых, в течение нескольких циклов сокращения, изменений сократимости и кинетики несвязанного цитозольного кальция (кальциевого перехода) в ответ на деформацию (феномен Франка — Старлинга) и более длительных, в течение минут, изменений сократимости и кальциевого перехода (феномен Анрепа).
Новое направление, сформированное под научным руководством В. С. Мархасина (биомеханика неоднородного миокарда), позволило сотрудникам группы создать уникальный метод экспериментального исследования механической и электрической активности неоднородного миокарда — метод мышечных дуплетов. В его основе лежит разработанный С. М. Руткевичем алгоритм программного управления в реальном масштабе времени механической связью двух отдельно расположенных мышц. Этот метод активно применяется в лаборатории для изучения роли пространственно-временной неоднородности сердечной ткани в регуляции ее сократительной функции. В частности, проводится исследование непрерывного механического взаимодействия сердечной мышцы с последовательно или параллельно соединенным мышечным или виртуальным (математическая модель) партнером. Такое взаимодействие характерно для сокращения мышечных волокон в целом сердце, в процессе чего происходит взаимная автоподстройка их сократительной активности.
Под руководством Ю. Л. Проценко разработана и верифицирована уникальная математическая модель вязкоупругих свойств и геометрических размеров морфофункционального элемента миокарда — фасцикулы (пластины), которая защищена двумя кандидатскими диссертациями (Л. Т. Смолюк и А. Т. Смолюк).
В тесном сотрудничестве с Екатеринбургским медицинским научным центром профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий Роспотребнадзора лаборатория токсикологии изучает эффекты острого и хронического отравления солями и наночастицами тяжелых металлов (свинец, кадмий) на сократимость миокарда желудочка крыс. В частности, выполняются исследования влияния острого и субхронического токсического действия солей свинца и кадмия in vitro на фундаментальные механизмы регуляции сократимости миокарда при регистрации механических и электрических характеристик и кинетики кальция в кардиомиоцитах, многоклеточных препаратах миокарда и на уровне изолированного интактного сердца здоровых крыс и крыс с экспериментальной моделью легочно-сердечной недостаточности. Это направление является перспективным ввиду его очевидной актуальности.
С 2006 года группа проводит исследования по нескольким грантам Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), Российского научного фонда (РНФ), программ Президиума Российской академии наук и УрО РАН.
Сотрудниками группы защищены диссертации:
- Проценко Ю. Л. «Влияние неоднородности и нелинейности механических характеристик миокарда на его сократимость». Специальность: 03.00.13 — физиология. Сыктывкар, Институт физиологии Коми НЦ УрО РАН, 2005. Научный консультант д.м.н. Мархасин В. С.
- Балакин А. А. «Биомеханические эффекты взаимодействия элементов неоднородного миокарда в последовательном и параллельном дуплетах». Специальность: 03.00.13 — физиология. Сыктывкар, Институт физиологии Коми НЦ УрО РАН, 2009. Руководитель д.б.н. Проценко Ю. Л., научный консультант д.м.н. Мархасин В. С.
- Лукин О. Н. «Исследование влияния механической неоднородности миокарда на его сократимость методом параллельного гибридного дуплета». Специальность: 03.00.13 — физиология. Екатеринбург, Институт иммунологии и физиологии УрО РАН, 2006. Руководитель д.б.н. Проценко Ю. Л., научный консультант д.м.н., член-корр. РАН Мархасин В. С.
- Смолюк Л. Т. «Экспериментальное и теоретическое исследование вязкоупругих свойств папиллярной мышцы». Специальность: 03.01.02 — биофизика. Пущино, 2011. Руководители д.б.н. Проценко Ю. Л., к.ф-м.н. Кобелев А. В.
- Смолюк А. Т. «Неоднородность вязкоупругих свойств миокарда. Модель и эксперимент». Специальность: 03.01.02 — биофизика. Санкт-Петербург, ФГАОУ ВО «СПбПУ», 2018. Руководитель д.б.н. Проценко Ю. Л.
- Клинова С. В. «Научное обоснование принципов биологической профилактики кардиовазотоксического действия свинца и кадмия». Специальность: 14.02.01 — гигиена. Москва, 2021. Научные руководители д.б.н. Минигалиева И. А., д.б.н. Проценко Ю. Л.
Получен ряд патентов на изобретения: патент № 2636768 «Устройство для фиксации изолированных мышечных препаратов» (Лисин Р. В., Проценко Ю. Л., Балакин А. А., 2018), патент №189320 «Устройство для фиксации мелких и средних лабораторных животных при проведении хирургических вмешательств под ингаляционной анестезией» (Кузнецов Д. А., Проценко Ю. Л., Балакин А. А., 2019), патент № 2712954 «Способ повышения устойчивости организма к комбинированному вредному действию свинца и кадмия» (Привалова Л. И., Клинова С. В., Минигалиева И. А., Сутункова М. П., Валамина И.Е ., Макеев О. Г., Проценко Ю. Л., Никитина Л. В., Герцен О. П., Гурвич В. Б., Кацнельсон Б. А., 2020).
Ю. Л. Проценко и О. Н. Лукин вели исследовательскую и преподавательскую деятельность в Уральском государственном университете и Уральском медицинском университете, под их руководством защищено несколько кандидатских, магистерских и бакалаврских работ.
Сотрудники группы становились лауреатами Премии губернатора Свердловской области для молодых ученых за лучшую работу в области физиологии: Леонид Тимофеевич Смолюк (2011), Олег Николаевич Лукин (2012), Алексей Тимофеевич Смолюк (2015), Даниил Андреевич Кузнецов (2017).
Коллектив лаборатории плодотворно сотрудничает с рядом зарубежных научных групп под руководством д-ра Питера Коля (ранее Университет Оксфорда, Великобритания, ныне Университет Фрайбурга, Германия), д-ра Гэнтаро Ирибэ (Университет Окаямы, Япония), д-ра Питера де Тумба и д-ра Оливье Казорлу (Университет Монпелье, Франция). Ряд сотрудников (О. Н. Лукин, Л. Т. Смолюк) проводили длительные исследования и стажировки за рубежом.
Исследования группы регулярно представляются на российских и зарубежных научных мероприятиях, включая ежегодные конгрессы Biophysical Society (США), European Society of Cardiology (Германия), European Muscle Conference (Польша, Чехия), Mechano-Electric Feedback (Англия, Германия), Российского кардиологического общества (Москва, Екатеринбург, Санкт-Петербург).
Ключевые научные и научно-технические достижения группы Проценко
В рамках исследований группы на изолированных трабекулах и папиллярных мышцах желудочка сердца теплокровных животных было установлено, что в стационарном изометрическом режиме сокращения характеристики спада кальциевого перехода в фазу расслабления существенно зависят от величины степени растяжения мышцы. Впервые было показано, что существуют видовые отличия в проявлении такой зависимости — конкретно в миокарде предсердий и желудочков крысы и морской свинки. Установлены особенности изменения длинозависимого поведения характеристик изометрического сокращения и кальциевого перехода в миокарде крыс при гипертрофии и терминальной стадии легочно-сердечной недостаточности. Помимо краткосрочного феномена регуляции сократимости миокарда (феномен Франка — Старлинга) активно исследуется феномен среднесрочной регуляции сократительной активности миокарда — медленный ответ силы сокращения на резкое изменение длины мышцы (феномен Анрепа). Было показано, что этот весьма выраженный в здоровом миокарде феномен практически полностью подавлен в миокарде крыс с экспериментальной моделью легочно-сердечной недостаточности[1] (Lookin & Protsenko, Eur. Heart J., 2018; Lookin, Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 2020).
С помощью метода мышечных дуплетов был открыт и подробно описан новый тип медленных изменений сократительной активности в мышце, возникающих в ходе ее непрерывного механического взаимодействия с последовательно соединенным мышечным партнером; при таком взаимодействии мышца подвержена циклическим динамическим деформациям, характерным для сокращения волокна в целом сердце[2]. Установлено, что в основе этого феномена лежат изменения в кинетике образования и распада кальций-тропониновых комплексов, а также натрий-регулирующие внутриклеточные механизмы[3]. Феномен пространственно-временной морфофункциональной неоднородности кардиомиоцитов в стенке желудочка определяет новый класс процессов внутренней оптимизации сократительной функции сердечной мышцы[4].
Проведена серия работ по исследованию кардиотоксического действия солей и наночастиц тяжелых металлов (свинца и кадмия), установлены различия в степени и направлении модификации сократительной активности препаратов папиллярных мышц и трабекул при хроническом воздействии этими металлами[5] (Protsenko et al., Food Chem. Toxicol., 2020; ).
С помощью одновременного измерения механической активности и кальциевой кинетики в изолированных кардиомиоцитах и многоклеточных препаратах миокарда установлены новые взаимоотношения между степенью нагружения миоцита и его сократительным ответом, а также роли кальциевой активации миофиламентов в механизмах Франка — Старлинга и среднесрочной регуляции сократимости[6] (Lookin, Clin. Exp. Pharmacol. Physiol., 2020; Lookin et al., Front. Physiol., 2022).
Феноменология электро-кальций-механического сопряжения и механо-электрических обратных связей в нормальном/патологическом миокарде желудочка и предсердия исследуется с применением методов прецизионного измерения силы сокращения и задания деформации кардиомиоцита или сердечной мышцы в сочетании с оптическими методами измерения кальциевой активности с использованием эпифлуоресцентной и лазерной сканирующей конфокальной микроскопии и методом измерения трансмембранного потенциала плавающими электродами.
Группа постоянно публикует результаты своих исследований в ведущих зарубежных высокорейтинговых журналах (первого и второго квартилей): «Frontiers in Physiology», «Progress in Biophysics and Molecular Biology», «European Heart Journal», «American Journal of Physiology (Heart Physiology)», «European Journal of Physiology» (ранее «Pflugers Archiv»), «International Journal of Molecular Sciences», «Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology», «Journal of Physiological Science», «Toxicology Reports», «Food and Chemical Toxicology» и других. Сотрудники группы выступили в качестве (со)авторов нескольких монографий[7].
Сотрудники группы получили несколько патентов: № 2636768 (2017), № 189320 (2019), № 2712954 (2020).
Работа группы постоянно поддерживается (финансируется) российскими и зарубежными фондами научных исследований, такими как РФФИ (включая конкурсы совместных исследований с зарубежными научными группами), РНФ, Программы Президиума РАН и УрО РАН, Wellcome Trust (Великобритания), National Institutes of Health (США), а также коммерческими компаниями (ОПТЭК, официальный представитель Carl Zeiss в России).
Данные об уникальном оборудовании и приборной базе
Биомеханические измерения сократимости и оптическая регистрация свечения флуоресцентного красителя в изолированной сердечной мышце выполняются с помощью систем для исследования мышечной активности (Muscle Research System, Scientific Instruments GmbH, Гейдельберг, Германия), а также самостоятельно разработанных комплексов для проведения одновременного измерения на двух изолированных сердечных мышцах, в том числе с применением микроэлектродной техники для измерения трансмембранного мембранного потенциала (IE-210 Intracellular Electrometer) и для онлайн-измерений (в псевдореальном масштабе времени) сократительного ответа изолированных сердечных мышц и управления режимами их сокращения в физиологическом эксперименте, что позволяет имитировать изометрический, изотонический, физиологический режимы сокращения сердечной мышцы (Protsenko et al., Food Chem. Toxicol., 2020). Для обработки, анализа и документирования получаемых данных разработан программный комплекс EqapAll6.
На уровне изолированного целого сердца животных проводятся исследования сократимости камер сердца для оценки насосной функции методом построения петли «давление-объем» и электрической функции при регистрации ЭКГ комплексом приборов (Radnoti Working Heart System с набором датчиков и обрабатывающим комплексом Power Lab 30 (ADinstruments, USA) с датчиком MPVS-Ultra Pressure-Volume Unit (ADinstruments, USA)) при измерении внутриполостного давления и внутриполостного объема крови в сердечном цикле.
Комплекс приборов для одновременного измерения механической активности и кальциевой кинетики в изолированных кардиомиоцитах и многоклеточных препаратах миокарда
Первый комплекс приборов для проведения одновременного измерения мышечной активности на двух изолированных сердечных мышцах (параллельный дуплет)
Для получения одиночных кардиомиоцитов применяется стандартная методика ретроградной (по Лангендорфу) перфузии изолированного сердца раствором с добавлением ферментативного агента с использованием системы перфузии целого сердца (Radnoti, AD Instruments, Австралия). Эта же система позволяет проводить исследования на изолированном интактном сердце при ретроградной и прямой перфузии. Регистрация механической активности, потенциала действия, кальциевого перехода в изолированном кардиомиоците выполняется с помощью системы лазерной конфокальной микроскопии (LSM-710, Carl Zeiss, Германия) и программного обеспечения Zen 2010 (Carl Zeiss, Германия); частота сканирования изображения клетки может составлять до 500 кадров/сек. Метод карбоновых волокон, который используется для проведения прямых биомеханических измерений и манипуляций с изолированными кардиомиоцитами, был впервые применен в ИИФ (в конфигурации двух волокон) сотрудниками группы Ю. Л. Проценко.
Комплекс приборов для исследования изолированного целого сердца животных при регистрации насосной и электрической функции (Radnoti Working Heart System с набором датчиков и обрабатывающим комплексом Power Lab 30 ( ADinstruments, USA) с датчиком MPVS-Ultra Pressure-Volume Unit (ADinstruments, USA)) измерения внутриполостного давления и внутриполостного объема крови в сердечном цикле
В группе также успешно реализованы методики выделения изолированных кардиомиоцитов при перфузии целого сердца крысы (морской свинки) ферментативным раствором, окрашивания изолированных сердечных мышц и одиночных кардиомиоцитов кальций-связывающими флуоресцентными красителями, задания растяжения изолированного кардиомиоцита с помощью техники карбоновых волокон, задания физиологического режима сокращений предсердия и желудочка (аналогично P-V петле целого сердца).
Визит профессора Гэнтаро Ирибэ (Университет Окаямы, Япония) в ИИФ УрО РАН.
Внизу: Г. Ирибе, О.Н. Лукин. Вверху: А.А. Балакин, Ю.Л. Проценко, Д.А. Кузнецов.
В.С. Мархасин и С.М Руткевич
Акад. О. Г. Газенко с женой, С. М. Руткевич и Ю. Л. Проценко на фоне комплекса приборов для измерения механической активности двух изолированных сердечных мышц в изоляции и взаимодействующих в дуплете в реальном масштабе времени
[1] Lookin O., Protsenko Y. The lack of slow force response in failing rat myocardium: role of stretch-induced modulation of Ca-TnC kinetics // J. Physiol. Sci. 2019. Vol. 69(2). P. 345–357.
[2] Protsenko Yu. L. et al. Hybrid duplex — a novel method to study the contractile function of heterogeneous myocardium // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2005. Vol. 289. P. H2733–2746; Markhasin V. S. et al. Slow force response and auto-regulation of contractility in heterogeneous myocardium // Prog. Biophys. Mol. Biol. 2012. Vol. 110. P. 305–318.
[3] Katsnelson L. B. et al. Contribution of mechanical factors to arrhythmogenesis in calcium overloaded cardiomyocytes: model predictions and experiments // Prog. Biophys. Mol. Biol. 2011. Vol. 107. Is. 1. P. 81–89.
[4] Balakin A. et al. The phenomena of mechanical interaction of segments of hypertrophied myocardium // Prog. Biophys. Mol. Biol. 2018. Vol. 133. P. 20–26.
[5] Protsenko Yu. L. et al. Effects of subchronic lead intoxication of rats on the myocardium contractility // Food Chem. Toxicol. 2018. Vol. 120. P. 378–389; Protsenko Yu. L. et al. Further analysis of rat myocardium contractility changes associated with a subchronic lead intoxication // Food Chem. Toxicol. 2019. Vol. 125. P. 233–241; Protsenko Y. L. et al. Changes in rat myocardium contractility under subchronic intoxication with lead and cadmium salts administered alone or in combination // Toxicol. Rep. 2020. Vol. 7. P. 433–442; Klinova S. V. et al. Cardioinotropic Effects in Subchronic Intoxication of Rats with Lead and/or Cadmium Oxide Nanoparticles // Int. J. Mol. Sci. 2021. Vol. 22(7). Art. 3466.
[6] Lookin O., Protsenko Yu. Length-dependent activation of contractility and Ca-transient kinetics in auxotonically contracting isolated rat ventricular cardiomyocytes // Frontiers in Physiology. 2019. Vol. 10. Art. 1473; Lookin O. et al. The role of pacing rate in the modulation of mechano-induced immediate and delayed changes in the force and Ca-transient of cardiac muscle // Prog. Biophys. Mol. Biol. 2021. Vol. 159. P. 34–45;
[7] Мархасин В. С. и др. Биомеханика неоднородного миокарда. Екатеринбург, 1999; Мархасин В. С. и др. Введение в основы биомеханики пассивного миокарда. Москва, 2000; Кобелев А. В. и др. Нелинейные вязкоупругие свойства биологических тканей. Екатеринбург, 2012; Markhasin et al. Activation sequence of cardiac muscle in simplified experimental models: relevance for cardiac mechano electric coupling // Cardiac Mechano-Electric Coupling & Arrhythmias / ed. P. Kohl et al. 2nd edition. Oxford University Press, 2011.