Влияние механической нагрузки на работу изолированного сердца в зависимости от водородного показателя перфузионного раствора

Effect of mechanical stress on the work of the isolated heart in dependence on the hydrogen index of a perfusion solution

Elena Kharkivskaya

assistant, Nizhny Novgorod State University named after N.I. Lobachevsky - UNN, Russia, N. Novgorod

Victor Malkov

student, Nizhny Novgorod State University named after N.I. Lobachevsky - UNN, Russia, N. Novgorod

Anna Kulikova

student, Nizhny Novgorod State University named after N.I. Lobachevsky - UNN, Russia, N. Novgorod

Roman Kataev

student, Nizhny Novgorod State University named after N.I. Lobachevsky - UNN, Russia, N. Novgorod

Olga Drugova

Candidate of Biological Sciences, Nizhny Novgorod State University named after N.I. Lobachevsky - UNN, Russia, N. Novgorod

Gregory Osipov

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Nizhny Novgorod State University named after N.I. Lobachevsky - UNN, Russia, N. Novgorod

Аннотация. В данной статье представлены результаты наблюдений, сделанных на изолированного сердца крысы в условиях с различным значением водородного показателя (pH) перфузионного раствора при механическом воздействии на зону синусового узла. Механическое растяжение зоны синусового узла способно влиять на сократительную активность сердца, в том числе за счет активации механо-чувствительных ионных каналов, работа которых, принимая во внимание их белковую природу, должна зависеть от кислотности среды.

Abstract. This article presents the results of observations made on an experimental preparation of an isolated rat heart under conditions with different pH values of the perfusion solution under mechanical influence on the sinus node zone. Mechanical stretching of the sinus node zone can affect the contractile activity of the heart, including through the activation of mechanically sensitive ion channels, whose work due to their protein nature should depend on the acidity of the medium.

Ключевые слова: изолированное сердце, синусовые узел, механочувствительные каналы, pH. 

Keywords: isolated heart, sinus node, mechanosensitive channels, pH.

В настоящее время активно изучается роль в работе сердца такого явления, как механоэлектрическая обратная связь, в результате которой механические изменения в миокарде приводят к изменению в нем электрических процессов [1]. В процессах данного механизма могут участвовать механо-чувствительные ионные каналы, которые широко распространены во всем организме, и в том числе обнаружены в сердце [2, 3]. Кроме того, на механические воздействия в сердце могут специфически отвечать белки цитоскелета и ферменты экстрацеллюлярного матрикса [4, 5]. Интересной задачей исследования является изучение механического растяжения зоны синусового узла, который является водителем ритма первого порядка и оказывает влияние на характер сокращений всего сердца [6]. Принимая во внимание тот факт, что ионные мембранные каналы имеют белковую природу, кислотность среды (значение pH) будет иметь большое значение для их активности. Препарат изолированного сердца является удобной моделью для изучения его работы вне влияния регуляторных систем всего организма в зависимости от pH раствора.

Материалы и методы. Белые аутбредные крысы массой 300-350 г наркотизировались (изофлуран). После кратковременного помещения в охлажденный раствор Кребса-Хензелейта (КХ, NaCl 118, KCl 4,7, CaCl₂ 2, MgSO₄ 1,2, KH₂PO₄ 1,2, NaHCO₃ 20, глюкоза 10 моль/л) изолированные сердца подвергались гравитационной ретроградной перфузии по методу Лангендорфа раствором КХ. Значение pH раствора КХ  варьировалось в пределах 5,4 - 7,4 путем изменения концентрации NaHCO₃. Механическое растяжение правого предсердия в области синусового узла осуществлялось путем заполнения полости правого предсердия имплантами из мягкого высокомолекулярного полиэтилена, не травмирующими ткани сердца. Протокол эксперимента включал период адаптации сердца к условиям перфузии в изолированном состоянии в течение 10 минут. Затем следовала фаза механического воздействия продолжительностью от 5 минут в зависимости от способности сердца к активным сокращениям. Электрическая активность сердца регистрировалась с помощью системы гибких мультиэлектродных матриц (MEAFlex72, Multichannel systems, Germany).

Результаты. В результате проведенного исследования было установлено, что при пониженных значениях pH (pH=5,7) в отличие от нормы (pH=7,4) частота сердечных сокращений изолированного сердца снижается в среднем на 32,3%. При растяжении области синусового узла в условиях перфузии при пониженном значении pH на протяжении порядка 120-150 секунд наблюдались существенные нарушения нормального ритма сердечных сокращений, что выражалось в нерегулярности длительности R-R интервалов, продолжительных паузах и в отдельных случаях – развитии состояния, близком к фибрилляции.  (рисунок 1). Растяжение зоны синусного узла при нормальных значения pH таких нарушений не вызывало, хотя и оказывало определенное влияние на вариабельность сердечного ритма. 

Рисунок 1. Примеры ритмограмм электрической активности изолированного сердца крысы в условиях механического растяжения синусового узла при различных значения pH перфузионного раствора: А – pH= 7,4, Б - pH=5,7

При пониженном значении pH в отдельных случаях наблюдалась высокая  вариативность  сердечного ритма,  которая со временем перестраивалась на «трехтактный» режим (рисунок 2).

Рисунок 2. вариабельность длительности R-R интервалов изолированного сердца крысы на фоне растяжения зоны синусового узла при пониженном значении pH перфузионного раствора

Выводы.  Ответ изолированного сердца на механическое растяжение области синусового узла находится в зависимости от показателя pH среды. Повышенная кислотность может снижать активность механо-чувствительных каналов, которые, вероятно, участвуют в реакциях приспособления сердца к условиям механического растяжения предсердий. В то же время, повышенная кислотность может отражаться и на работе других белковых молекул и комплексов в сердце. Также сниженное значение частоты сердечных сокращений может отрицательно сказываться на возможности поддержания нормального ритма сокращений в условиях растяжения синусового узла.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований в рамках проекта «Исследование коллективной динамики смешанных сред, состоящих из элементов, обладающих качественно различным поведением и имеющих сложную топологию связей», номер17-02-00467.