Аритмии являются весьма распространенной причиной смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. В их основе лежит чередование возбужденных и рефрактерных состояний. Электрические волны синхронизируют сокращение сердца, а нарушение ритма может вызвать хаотическую активность, которая десинхронизирует работу всего органа. Одной из причин аритмии являются любые препятствия на пути прохождения волны. Ученые МФТИ проанализировали, как влияет на аритмию сама сердечная ткань, которая неоднородна по составу. Фундаментальная работа приближает нас к пониманию того, как и при каких условиях зарождается аритмия, какие параметры ткани влияют на этот процесс. Результаты исследования опубликованы в журнале JETP Letters.
Важным следствием неоднородностей проводимости сердечной ткани является развитие функциональных блоков с последующим формированием аритмий типа реентри — спиральных волн. Работа сердца — последовательная череда сокращений, которые вызывают волны возбуждения по всей сердечной ткани. Рубцы и неоднородности в ткани препятствуют нормальному прохождению волны и могут частично ее столкнуть с очередной новой волной.
Однако первичный механизм формирования спиральных волн до сих пор не до конца понятен. В большинстве случаев однонаправленные блоки возникают из-за несоответствия стока и истока, когда созданный волновой фронт не может в достаточной степени возбудить расширенный участок ткани перед ним. В этом приближении поведение волны во многом зависит от критического радиуса кривизны волнового фронта, а не от длины фронта.
«Изучая развитие спиральных волн, мы решили остановить свое внимание на влиянии анизотропии самой сердечной ткани на свойства проведения. Клетки сердечной ткани, как правило, вытянуты в какую-то одну выделенную сторону, причем сердце неоднородно и состоит из разных регионов, и в каждом из них клетки могут быть вытянуты в свою сторону. Мы исследовали поведение волны возбуждения и влияние взаиморасположения анизотропии и непроводящего препятствия в ткани на него», — рассказал об исследовании Андрей Бережной, сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.
В ходе своей работы ученые воспроизводили глобальную анизотропию проведения возбуждения путем чередования разнонаправленных доменов на клеточном уровне. Также в лаборатории было проведено морфологическое исследование культивированных кардиомиоцитов для выявления самоорганизации клеток в аналогичные анизотропные домены.
«Мы экспериментально доказали, что в одной и той же in vitro модели в случае стимуляции вдоль волокон спиральная волна, а значит, и аритмия возникает. В случае стимуляции поперек — не возникает. Нам удалось воспроизвести этот результат при математическом моделировании. Именно так мы показали, что это явление связано с тем, как устроена математическая модель ткани сердца. Это показывает, что учет анизотропии ткани, формы и особенностей клеток позволяет воспроизвести экспериментально наблюдаемые явления», — подытожил Андрей Бережной.
Созданная учеными компьютерная модель и ряд экспериментов выявили последовательность и подтвердили выводы ученых.
«С помощью кардиомиоцитов, полученных от новорожденных крысят, высаженных на полимерных волокнах, мы реконструировали анизотропную модель сердечной ткани. С помощью экспериментов по оптическому картированию мы визуализировали связь между биологической структурой и проведением сердечной ткани. Тот факт, что схожие результаты получаются у компьютерной модели, дает нам полное и более комплексное понимание причин возникновения аритмии. В работе используется системный подход на стыке нескольких наук: математики, физики и биологии», — рассказала об экспериментальной работе Алерия Аитова, сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.
Анизотропия монослоя на ориентированной матрице нановолокон. Источник: JETP Letters
Таким образом, ученые экспериментально доказали, что использование изотропных моделей не позволяет воспроизводить экспериментально наблюдаемое возникновение и развитие аритмий. Выявленная тенденция разнородной системы к образованию спиральных волн была формализована в единую концепцию уязвимого частотного коридора, при котором возникают спиральные волны и который можно оценить экспериментально. Кроме того, компьютерное моделирование показало особую роль других возможных механизмов возбуждения, таких как эфаптическая межклеточная связь, которая происходит за счет электрических взаимодействий, а не химических.
Работа выполнена за счет гранта Российского Научного Фонда # 23-74-01028.
