МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
СОПРЯЖЕНИЯ В МИОКАРДЕ В НОРМЕ И ПРИ ПАТОЛОГИИ:
ОЦЕНКА РОЛИ МЕХАНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ И
МЕЖКЛЕТОЧНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Актуальность работы. В настоящее время достаточно хорошо известно о влиянии сокращения сердечной мышцы на её электрическую активность, что называют сердечной механо-электрической обратной связью (см. обзор [1]). Механо- электрическая обратная связь является особым, малоизученным контуром регуляции функции сердечной мышцы. Исследование её роли, в том числе в рамках теоретических моделей, является актуальной задачей современной биофизики. Эффекты влияния сердечной механики на процессы возбуждения в миокарде выявлены в изолированных клетках, многоклеточных препаратах и в целом органе (см. обзор [2]). В ряде работ показано, что механическая неоднородность или механическая диссинхрония желудочков сердца сопровождается электрическим ремоделированием и увеличением электрической неоднородности миокарда [2, 3]. Особую роль механо-электрическим обратным связям придают при анализе возникновения и развития сердечных аритмий (см. обзоры [4, 5]). Предполагается, что механо-электрическая связь в контуре
электромеханического сопряжения в кардиомиоцитах лежит в основе макроскопических проявлений влияния механики на электрическую функцию миокарда [1]. Однако технические ограничения экспериментов не позволяют наблюдать за многими динамическими процессами, обусловливающими электромеханическое сопряжение в миокарде. Поэтому наряду с экспериментальными методами для выяснения механизмов сердечной механо-электрической обратной связи используют также математические модели от клеточного до органного уровня (см. обзор [6]).
В подавляющем большинстве работ, посвященным изучению феномена сердечной механо-электрической связи, основное внимание уделяется мембранным механизмам, в частности, активности механочувствительных каналов в кардиомиоцитах [7-9]. В то же время, центральным звеном электромеханического сопряжения в клетках миокарда является кинетика внутриклеточного кальция. Влияние механических условий сокращения миокарда и механических процессов в клетках на кинетику внутриклеточного кальция (механо-кальциевая обратная связь) является одним из ключевых механизмов регуляции сократительной функции миокарда [10]. Однако роль механо-кальциевой обратной связи в механо-электрическом сопряжении в миокардиальной ткани изучена недостаточно и требует дальнейших исследований. Цикл работ, посвящённых изучению этой проблемы, был выполнен в ИИФ УрО РАН под руководством В.С. Мархасина (см. обзоры [11, 12]). Впервые был оценен вклад механо- кальциевой обратной связи в формировании электрической и механической неоднородности миокарда и изучено влияние неоднородности миокардиальной системы на её функцию. В частности, для этого были разработаны теоретические и экспериментальные модели неоднородного миокарда, позволяющие изучать влияние взаимодействия неоднородных сегментов миокарда на функцию системы в целом [11, 12]. Однако эти модели были упрощенными, дискретными и не позволили в полной мере оценить эффекты непрерывного электрического и механического взаимодействия между клетками в ткани.
Данное исследование является развитием предшествующих работ, проводимых в ИИФ УрО РАН, и посвящено разработке усовершенствованной модели электрической и механической функции сердечной ткани как непрерывной одномерной активной среды. Экспериментальные данные [13], полученные на целом сердце, позволяют предположить, что миокардиальная ткань в левом желудочке сердца состоит из мышечных волокон, имеющих сложную спиральную конфигурацию и пролегающих в стенке желудочка от верхушки к основанию и через толщу стенки миокарда от субэндокарда до субэпикарда [14]. Предполагается, что кардиомиоциты в волокне соединены друг с другом преимущественно последовательно. Такая организация ткани формирует анизотропию среды, обеспечивая основные направления распространения электрического и механического сигналов в миокардиальной ткани [14]. В частности, известно, что скорость проведения электрического возбуждения вдоль волокон в 3-4 раза выше, чем поперек волокон [15], а активное напряжение, генерируемое миокардом, можно считать одноосным, направленным только вдоль мышечного волокна. Кроме этого, распространение механического сигнала в ткани происходит практически мгновенно (со скоростью звука) по сравнению с электрическим проведением (0,3¬0,8 м/с), что обусловливает асинхронизм возбуждения, активации и сокращения кардиомиоцитов в ткани. Эти данные позволяют рассматривать одномерную модель мышечного волокна в качестве наиболее простой, но вместе с тем адекватной модели для изучения эффектов механического взаимодействия между клетками в ткани в норме и при патологии.
