Андрей КАМКИН, заведующий кафедрой фундаментальной и прикладной физиологии.
Российский государственный медицинский университет им. Н.И.Пирогова.
Новые представления о работе сердца в норме и патологии очень важны для клиники
Бич нашего общества - угрожающие жизни аритмии, возраст которых в последнее время значительно помолодел. Одним из видов аритмий, обычно заканчивающихся фибрилляцией, являются так называемые механоиндуцированные аритмии. Этот вид нарушений сердечного ритма и его возможные причины уже хорошо известны зарубежным клиницистам, но мало обсуждаются в России, хотя именно нашим ученым принадлежит приоритет открытия их механизмов.
ВЗГЛЯД В ПРОШЛОЕ
Вернемся в далекое прошлое. Еще в 1915 г. английский физиолог Ф.А.Бейнбридж показал, что растяжение правого предсердия вызывает учащение ритма сердцебиений у крыс. Таким образом, механическая стимуляция сердечной ткани вызывает электрические изменения в клетках. Полученные в дальнейшем экспериментальные и клинические данные косвенно свидетельствовали о том, что, помимо хорошо известного электромеханического сопряжения, в сердце может существовать и механоэлектрическая обратная связь, в результате которой механические воздействия на сердечную мышцу приводят к изменению электрических процессов в миокарде. Тем не менее, как часто бывает в науке, эти данные долгое время не вызывали должного интереса ни у физиологов, ни у клиницистов. Только в 1968 г. английский физиолог М.Дж.Лаб в небольшой статье высказал предположение о наличии в сердце механоэлектрической обратной связи, но из-за несовершенства экспериментальных методов того времени не смог доказать ее наличие. Многие последователи Лаба в Великобритании, Германии, США и других странах пытались доказать этот феномен как механизм, лежащий в основе аритмий и фибрилляции, но дальше единичных весьма спорных данных эти исследования не продвинулись.
Вместе с тем примеры, косвенно подтверждавшие наличие в сердце механоэлектрической обратной связи и ее роли в формировании аритмий, хорошо известны в клинике. Например, у больных с растяжением предсердий или с их гипертрофией нередко наблюдается развитие аритмий. Описаны случаи, когда механически индуцированная аритмия возникала у здоровых людей, если предсердия подвергались механическому раздражению (например, при введении катетера в сердце). Имеется большое количество данных, полученных на пациентах с различными формами нарушения внутрисердечного давления или объемных перегрузок, которые демонстрируют предрасположенность к развитию аритмий. Это, например, пациенты с гипертонией, застойной сердечной недостаточностью и дилатационной кардиомиопатией. Во всех приведенных примерах четко прослеживается связь между механическими явлениями и электрическими процессами в миокарде, явно видна возможность преобразования в сердце механического стимула в электрический сигнал. Вместе с тем прямых доказательств наличия механоэлектрической обратной связи в сердце и ее роли в формировании аритмий и фибрилляций получено не было, как не были известны и механизмы, лежащие в основе этих патологических явлений.
ТЕОРИЯ МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
В 1980 г. коллектив кафедры фундаментальной и прикладной физиологии 2-го МОЛГМИ (ныне
Российский государственный медицинский университет им. Н.И.Пирогова) начал активные исследования в этом направлении. В те далекие времена кафедра обладала мощной материально-технической базой, позволявшей решать широкий круг физиологических задач на клеточном уровне, а также блестяще подготовленным контингентом специалистов. Уже в первые годы работы было положено успешное начало исследованиям: было
В клиниках и лабораториях впервые показано, что в основе работы сердца как органа лежат не только кардиомиоциты, но и сердечные фибробласты, большинство из которых расположены в предсердиях. К сожалению, бедственное положение науки в России в 90-е годы, моральное и реальное старение аппаратуры, отсутствие реактивов и животных вынудили нас продолжить свои исследования за рубежом. В качестве баз были использованы университеты Оксфорда, Лондона, Берлина, Гиссена и Халле. Именно там у кардиомиоцитов нами впервые были описаны ионные токи, протекающие через совершено уникальный тип мембранных каналов - механо-управляемые ионные каналы. Эти каналы воспринимают изменение натяжения мембраны клетки как полноценный физиологический стимул, точно так же, как потенциалуправляемые каналы в качестве стимула воспринимают изменение мембранного потенциала, а для лигандуправляемых каналов стимулом является биологически активное соединение. В сердце механоуправляемые каналы особенно важны, поскольку при сокращении и расслаблении миокарда его клетки испытывают сжатие и растяжение. Роль этих каналов была изучена нами на кардиомиоцитах здоровых и больных животных, а также человека.
Существо теории механо-электрической обратной связи в сердце, ставшей теперь общепризнанной, сводится к следующему: этот тип обратной связи подразумевает, что механические изменения в миокарде приводят к изменению в нем электрических процессов. Базовым элементом для реализации этого феномена в сердце являются не только кардиомиоциты, но и фибробласты. Оба типа клеток имеют механоуправляемые каналы, открывающиеся при механическом воздействии на ткань. Но для активации каналов кардиомиоцитам и фибробластам необходим разный механический стимул. При растяжении клетки у кардиомиоцитов механоуправляемые каналы открываются, а у фибробластов - закрываются, что является важным условием работы сердца.
Итак, у кардиомиоцитов открытие механоуправляемых каналов происходит при растяжении клетки, например, при заполнении камер сердца кровью или повышении внутрикамерного давления различной этиологии. В основе ионной проводимости лежит поток натрия в клетки и деполяризация мембраны, в результате чего происходит специфическое изменение формы потенциалов действия, которое проявляется в виде механоиндуцированных пиков в фазу поздней реполяризации. Если эта так называемая механоиндуцированная деполяризация достигает пороговых значений, то возникают внеочередные потенциалы действия, что приводит к аритмии, а при стабильной механоиндуцированной деполяризации - к фибрилляции.
В здоровом сердце этот механизм, включающийся при растяжении ткани, запускается только при достижении максимальных физиологических границ растяжения и обратим после снятия воздействия. В патологических условиях, которые приводят, например, к гипертрофии миокарда, возникает экспрессия механоуправляемых каналов, в результате чего увеличивается плотность каналов и, следовательно, амплитуда максимального механоиндуцированного тока. В этих условиях малейшее растяжение приводит к механоиндуцированной деполяризации в результате повышения чувствительности ткани к воздействию и увеличению тока через механоуправляемые каналы.
Например, у пациентов, перенесших инфаркт миокарда, быстрое изменение позы и, следовательно, локальное повышение внутрикамерного давления нередко провоцируют фибрилляцию, вызванную активацией механоуправляемых каналов за счет быстрого растяжения миокарда. По тем же причинам у людей с возрастом повышаются чувствительность кардиомиоцитов к растяжению сердечной ткани и, следовательно, риск возникновения аритмий и фибрилляции.
РОЛЬ ФИБРОБЛАСТОВ В РЕГУЛЯЦИИ РАБОТЫ СЕРДЦА
После рассмотрения этого вопроса у читателя может возникнуть вполне резонный вопрос: почему же пациенты, перенесшие инфаркт миокарда или имеющие гипертрофию миокарда другого генеза, в большинстве случаев продолжают жить? Для ответа на этот вопрос вернемся к роли фибробластов в регуляции работы сердца.
Как отмечалось выше, растяжение кардиомиоцитов открывает механоуправляемые каналы, одновременно закрывая их на фибробластах. Каналы фибробластов активируются при их сжатии, например во время систолы. Работа сердца (систола и диастола) - это механические стимулы для сердечных фибробластов, приводящие к двум реакциям. Первая - деполяризация в виде пиков (механоиндуцированных потенциалов) в результате активации механоуправляемых каналов при сжатии клетки в момент сокращения ткани. Вторая - гиперполяризация в результате инактивации этих каналов при растяжении клеток. В последние годы нам удалось доказать это, регистрируя канальную активность изолированных клеток на фоне их растяжения и сжатия. Выраженная реакция фибробластов на механическое воздействие позволяет говорить об этих клетках как о природных механоэлектрических преобразователях в сердце.
Важно, что при растяжении смещение мембранного потенциала фибробласта в сторону гиперполяризации достигает значительных величин за счет определенных электрофизиологических свойств этих клеток. При патологии сердца чувствительность фибробластов к механическому воздействию резко возрастает за счет значительного увеличения количества каналов; чувствительность фибро-бластов к растяжению сердечной ткани повышается и с возрастом.
Таким образом, и кардиомиоциты и, в большей степени, фибробласты эффективно преобразуют механическую энергию в электрические ответы. В основе механизма преобразования механической энергии лежит работа цитоскелета клеток. Количество фибробластов в сердце достаточно велико. Особенно они распространены в предсердиях и, прежде всего, в зоне синоатриального узла, где они окружают пейсмекерные клетки со всех сторон. Но для совместной работы эти два типа клеток должны иметь друг с другом высокопроницаемые контакты, что позволяет клеткам электрически взаимодействовать. Стандартными методами электронной микроскопии было показано весьма редкое распределение высокопроницаемых контактов между кардиомиоцитами и фибробластами, однако тщательные электрофизиологические исследования показали электрическое взаимодействие этих клеток как в целом сердце, так и в его фрагментах.