Гетерогенность реполяризации желудочков сердца животных

24

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

03.00.13 - Физиология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Тема:

Гетерогенность реполяризации желудочков сердца животных

Азаров Ян Эрнестович

Сыктывкар - 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физиологии Коми научного центра Уральского отделения РАН.

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Шмаков Дмитрий Николаевич

Официальные оппоненты:

Доктор медицинских наук, профессор Кобрин Владимир Исаакович,

Доктор биологических наук, профессор Кукушкин Николай Ильич,

Доктор биологических наук, старший научный сотрудник Прошева Валентина Ивановна

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института физиологии Коми научного центра Уральского отделения РАН.

Ученый секретарь диссертационного совета Варламова Н.Г.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

К настоящему времени получены убедительные данные об электрической гетерогенности миокарда предсердий и желудочков [Гоффман, Крейнфилд, 1962; Cohen et al., 1976; Antzelevitch et al., 1999; Nerbonne, Kass, 2005]. Неоднородность реполяризации миокарда обусловлена, во-первых, неодинаковой экспрессией в разных областях сердца белков, образующих б- и в-субъединицы ионных каналов кардиомиоцитов, что порождает региональные различия в плотности реполяризующих токов [Nerbonne, Kass, 2005], и, во-вторых, неодновременной активацией, которая определяет момент начала деполяризации и, следовательно, реполяризации этих областей [Christian, Scher, 1967]. Проявления такой функциональной гетерогенности реполяризации заключаются, в частности, в специфическом распределении локальных длительностей реполяризации и последовательности реполяризации (восстановления возбудимости) миокарда.

На протяжении более чем вековой истории электрокардиологии было предложено несколько концепций для объяснения генезиса Т волны электрокардиограммы [Wilson et al., 1934; Harumi et al., 1966; Kootsey, Johnson, 1980; Yan, Antzelevitch, 1998; Van Oosterom, 2001; Ritsema van Eck et al., 2006]. Тем не менее хронотопография реполяризации желудочков и генезис электрического поля в этот период исследованы значительно меньше по сравнению с периодом деполяризации из-за методических трудностей, обусловленных высокой чувствительностью процесса реполяризации кардиомиоцитов к действию самых различных факторов; отсутствием четко локализованных источников тока, генерирующих в этот период электрическое поле; сглаженной формой внеклеточных потенциалов реполяризационного комплекса электрограммы [Kootsey, Johnson, 1980; Van Dam, Durrer, 1964]. Установлено, что электрокардиографическая Т волна формируется за счет одного или нескольких желудочковых градиентов реполяризации: трансмурального [Higuchi, Nakaya, 1984; Yan, Antzelevitch, 1998], апикобазального [Noble, Cohen, 1978] и межжелудочкового [Nishimura et al., 1984], однако какой из этих градиентов вносит наибольший вклад в распределение потенциалов на поверхности тела, не выяснено. Относительно полно определена электрофизиологическая природа трансмурального градиента [Antzelevitch et al., 1999], сведения о двух других остаются крайне противоречивыми. Подробно изучены влияния на продолжительность потенциала действия кардиомиоцитов со стороны таких факторов, как температура [Kiyosue et al., 1993], ишемия [Carmeliet, 1999], электролитный баланс, кислотно-щелочное состояние [Cascio et al., 1995] и ряд других. В то же время фрагментарно исследован вопрос о том, насколько однородно изменяются длительности реполяризации в различных областях миокарда при приложении данных воздействий на целое сердце, и соответственно насколько стабильными остаются в этих условиях апикобазальный и межжелудочковый градиенты реполяризации.

Время окончания реполяризации в какой-либо области миокарда определяется двумя факторами: временем прихода в эту область волны деполяризации и локальной длительностью реполяризации, однако какой из этих двух факторов больше влияет на последовательность реполяризации, не выяснено. Данные литературы о последовательности реполяризации эпикарда желудочков и соотношении последовательностей деполяризации и реполяризации миокарда противоречивы. Имеются точки зрения о том, что последовательность реполяризации желудочков сердца не зависит от последовательности деполяризации [Noble, Cohen, 1978; Kanai, Salama, 1995], и, напротив, о том, что последовательность реполяризации миокарда определяется траекторией движения волны возбуждения [Van Dam, Durrer, 1961; Gepstein et al., 1997; Yuan et al., 2001].

Одной из характеристик процесса реполяризации желудочков является ее дисперсия, обычно определяемая как разность между самым ранним и самым поздним временем окончания реполяризации на исследуемой области миокарда [Burton, Cobbe, 2001]. Дисперсия реполяризации тесно коррелирует с дисперсией рефрактерности, увеличение которой повышает вероятность возникновения желудочковых аритмий [Han, Moe, 1964; Kuo, Munakata et al., 1983]. Определение закономерностей изменений дисперсии реполяризации позволит предсказывать появление аритмогенных субстратов в миокарде, а также разработать методы их неинвазивной диагностики.

Установлены фундаментальные принципы структурно-функциональной организации возбуждения интрамуральных слоев сердца у млекопитающих, птиц, рептилий, амфибий и рыб [Durrer, Van der Tweel, 1957; Durrer et al., 1970; Рощевский, 1972; Шмаков, Рощевский, 1997].

Экспериментально доказано, что в процессе филогенетического развития у позвоночных животных сформировались несколько способов охвата возбуждением миокарда [Рощевский, 1958; Рощевский, 1972; Шмаков, Рощевский, 1997], определяющие распределение потенциалов кардиоэлектрического поля на поверхности туловища в период деполяризации желудочков [Шмаков, Рощевский, 1995; Рощевская, 2008]. Механизмы формирования электрического поля сердца в период его реполяризации изучены значительно меньше.

Распределение потенциала на эпикарде и поверхности туловища в период Т волны изучено в основном у млекопитающих [Рощевский, 1958; Taccardi, 1966; Spach, Barr, 1975; 1976; Spach et al., 1977; Ramsey et al., 1977]; кроме того, имеются описания кардиоэлектрического поля при ряде сердечно-сосудистых заболеваний [Taccardi et al., 1998; Medvegy et al., 2002], однако до выполненных нами работ [Shmakov et al., 1995; Рощевский и др., 1998; Azarov et al., 1999; Azarov et al., 2008] не было сопоставления распределения потенциала на поверхности туловища и последовательности реполяризации желудочков сердца. Данные о формировании кардиоэлектрического поля в период реполяризации желудочка у холоднокровных животных до проведения наших исследований [Вайкшнорайте и др., 2007 а, б; 2008] в литературе также отсутствовали. Сложность получения и интерпретации параметров поверхностных карт кардиоэлектрического поля ограничивают использование электрокардиотопографического метода в клинической практике. Для адекватной интерпретации данных о процессе реполяризации желудочков сердца, получаемых как путем картографирования распределения потенциала на поверхности туловища, так и путем общепринятых электрокардиографических методик, необходимо определение механизмов генезиса кардиоэлектрического поля в период конечного желудочкового комплекса, ключевую роль в котором играет последовательность реполяризации миокарда.

Таким образом, для выяснения генезиса и раскрытия диагностической информативности электрического поля сердца в период конечной желудочковой активности необходимо установить основные закономерности, определяющие последовательность реполяризации желудочков, в том числе при воздействии факторов, меняющих последовательность активации и длительность реполяризации миокарда.

Настоящая работа выполнена в соответствии с планами НИР Института физиологии Коми НЦ УрО РАН «Проблемы генезиса и физиологической информативности электромагнитных полей функциональных систем организма», «Механизмы формирования кардиоэлектрического поля у позвоночных животных и человека», «Формирование кардиоэлектрического поля на поверхности тела в зависимости от структурно-функциональной организации сердца» (№№ГР 01.9.10.03162; 01.9.60 001210; 01.2.00 107402; рук. - акад. М.П. Рощевский), «Функциональная гетерогенность реполяризации интрамуральных слоев миокарда у позвоночных животных» (№ГР 0120.0 602857; рук. - д.б.н. проф. Д.Н. Шмаков).

Цель работы - исследование закономерностей формирования последовательности реполяризации желудочков сердца и ее роли в генезисе распределения потенциалов на поверхности туловища животных.

Задачи работы:

1. Определить закономерности формирования последовательности реполяризации желудочков сердца на эпикардиальной поверхности и на отдельном ее фрагменте при синусно-предсердном ритме у животных с разными типами и продолжительностью активации миокарда.

2. Изучить влияние увеличения длительности реполяризации миокарда при снижении температуры на последовательность реполяризации эпикарда желудочков.

3. Изучить влияние уменьшения длительности реполяризации при гипоксии миокарда на формирование последовательности реполяризации желудочков.

4. Исследовать формирование последовательности реполяризации при изменении последовательности деполяризации миокарда в условиях эктопического возбуждения желудочков.

5. Изучить влияние сочетанного увеличения длительности охвата возбуждением и уменьшения длительности реполяризации миокарда при гиперкалиемии на последовательность реполяризации эпикарда желудочков.

6. Исследовать качественную корреляцию между последовательностью реполяризации эпикарда желудочков и распределением потенциала кардиоэлектрического поля на поверхности туловища при синусно-предсердном ритме у животных с разными типами и продолжительностью активации миокарда.

7. Определить зависимость формирования распределения потенциалов на поверхности туловища от направления последовательности реполяризации эпикарда желудочков при изменении длительности реполяризации в условиях гипоксии и гипотермии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Последовательность реполяризации эпикарда желудочков позвоночных животных при синусно-предсердном ритме характеризуется выраженным апикобазальным градиентом реполяризации, определяется распределением локальных длительностей реполяризации и не зависит от последовательности охвата миокарда возбуждением.

2. Инверсия апикобазального (межжелудочкового) градиента реполяризации при охлаждении и гипоксии обусловлена более выраженными изменениями локальных длительностей реполяризации на верхушке сердца по сравнению с основанием (в левом желудочке по сравнению с правым).

3. Краниокаудальное пространственное распределение потенциала на поверхности туловища в период реполяризации желудочков с каудальной положительной и краниальной отрицательной областями является отображением апикобазального градиента реполяризации. Смена последовательности реполяризации эпикарда желудочков с апикобазальной на базоапикальную вызывает инверсию распределения потенциала с образованием краниальной положительной и каудальной отрицательной зон. Межжелудочковая последовательность реполяризации отображается в виде трансверсального градиента потенциала на поверхности туловища.

4. Роль последовательности деполяризации в формировании последовательности реполяризации в разных условиях неодинакова, она тем больше, чем дольше проводится возбуждение и чем меньше между собой различаются длительности реполяризации в разных участках исследуемой области эпикарда:

1) При синусно-предсердном ритме последовательность реполяризации на целом эпикарде желудочка не зависит от последовательности деполяризации, в то время как в отдельных локальных зонах эпикардиальной поверхности охват возбуждением влияет на последовательность реполяризации;

2) При гиперкалиемии последовательности деполяризации и реполяризации на целом эпикарде совпадают из-за увеличения продолжительности возбуждения и уменьшения дисперсии локальных длительностей реполяризации;

3) При электростимуляции желудочков распространение волны деполяризации влияет на последовательность реполяризации, меняя ее продолжительность и время возникновения возбуждения; в наибольшей степени этот эффект выражен в сердце щук из-за более длительного охвата волной активации.

5. Укорочение или удлинение реполяризации изменяет ее общую последовательность и пространственное распределение потенциала на поверхности туловища только в случае уменьшения или инверсии градиентов длительности реполяризации на эпикарде желудочков.

Научная новизна

Установлены механизмы формирования электрического поля сердца на основе апикобазального и межжелудочкового градиентов реполяризации желудочков.

Определены соотношения между последовательностями деполяризации и реполяризации эпикарда желудочков сердца. Непосредственное влияние последовательности деполяризации на последовательность реполяризации возможно при сочетании повышенной дисперсии активации со сниженной дисперсией интервалов активация-восстановление.

1. При синусно-предсердном ритме охват волной возбуждения определяет последовательность реполяризации отдельных фрагментов эпикарда, но не влияет на последовательность реполяризации желудочков в целом.

2. При эктопическом возбуждении нарушение процесса активации миокарда приводит к перераспределению длительностей и изменению последовательности реполяризации эпикарда желудочков.

3. Гиперкалиемия приводит к задержке охвата возбуждением и уменьшению пространственных различий в длительностях реполяризации, в результате чего последовательность реполяризации повторяет последовательность активации эпикарда желудочков.

Обнаружена общность механизмов формирования краниокаудального распределения потенциала на поверхности туловища теплокровных и холоднокровных животных, обусловленных апикобазальной последовательностью реполяризации.

Установлено, что электрокардиотопографические эффекты гипотермии и гипоксии обусловлены преимущественным изменением длительности реполяризации в области верхушки сердца.

1. Охлаждение как теплокровных (кролик, кошка), так и холоднокровных (лягушка) животных приводит к инверсии эпикардиальной последовательности реполяризации и распределения потенциала на поверхности туловища в период конечной желудочковой активности за счет большего удлинения реполяризации на верхушке сердца по сравнению с его основанием.

2. Гипоксия миокарда кошки уменьшает длительность реполяризации преимущественно в верхушечной области левого желудочка, вследствие чего при нормальной температуре повышается дисперсия реполяризации, а при гипотермии инвертируются эпикардиальная последовательность реполяризации и распределение потенциала на поверхности туловища.

Научно-практическая значимость

Данные, полученные в работе, могут быть использованы для интерпретации изменений потенциалов электрического поля сердца в период реполяризации желудочков с целью прогнозирования риска развития аритмий у лиц с сердечно-сосудистой патологией. Установлено, что апикобазальный градиент реполяризации можно оценить по разности потенциалов в период Т волны между краниальными и каудальными участками грудной клетки, а межжелудочковый градиент - по максимальной разности потенциалов в трансверсальной плоскости.

Определены новые электрокардиотопографические маркеры гипотермии и гипоксии миокарда. При гипотермии возникает область поздней реполяризации на верхушке левого желудочка с формированием в ней отрицательного зубца Т, происходит краниокаудальная инверсия потенциалов на поверхности тела в период реполяризации желудочков с образованием отрицательной каудальной и положительной краниальной областей. При гипоксии на верхушке левого желудочка укорачивается реполяризация, возникает или увеличивается по амплитуде положительный зубец Т, увеличивается каудокраниальный градиент потенциала на поверхности туловища в период реполяризации желудочков. На основании мониторирования полярности и амплитуды потенциалов в верхушечной области сердца возможна разработка системы стратификации риска аритмических осложнений в ходе кардиохирургических вмешательств, связанных с раздельным или сочетанным воздействием гипотермии и гипоксии.

Установлено, что при гиперкалиемии последовательность реполяризации желудочков повторяет последовательность деполяризации, что может объяснять изменение ЭКГ, а также служить основой формирования reentry в миокарде, что следует учитывать при терапии острых нарушений ритма сердца при состояниях, сопровождающихся гиперкалиемией.

Показано, что электрокардиотопографический метод позволяет выявить характерные изменения кардиоэлектрического поля, не отражающихся на ЭКГ в виде отдельных зубцов, в период не только деполяризации [Витязев и др., 2001], но и реполяризации желудочков.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Коми филиале Кировской государственной медицинской академии.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на XXIV (г. Братислава, Словакия, 1997 г.), XXV (г. Будапешт, Венгрия, 1998 г.), XXVI (г. Сыктывкар, Россия, 1999 г.) XXXV (г. Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.) международных конгрессах по электрокардиологии; III и VI Всероссийской с международным участием конференции «Механизмы функционирования висцеральных систем» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2003 и 2008 гг.); IV (1997 г.) V (1999 г.) VI (2004 г.) международных симпозиумах по сравнительной электрокардиологии (г. Сыктывкар, Россия), конференции молодых физиологов и биохимиков России "Биохимические и биофизические механизмы физиологических функций" (г. Санкт-Петербург, Россия, 1995 г.); конференции "Физиология и патология сердца", посвященной 75-летию со дня рождения Г.И. Косицкого (г. Москва, Россия, 1995 г.); конференции по терморегуляции и тепломассопереносу кровью (г. Санкт-Петербург, Россия, 1996 г.); XIII Коми республиканской молодежной научной конференции (г. Сыктывкар, Россия, 1997 г.); IV Молодежной научной конференции Института биологии Коми НЦ УрО РАН "Актуальные проблемы биологии" (г. Сыктывкар, Россия, 1996 г.); Материалы работы были также представлены на XXII (г. Наймеген, Нидерланды, 1995 г.), XXIII (г. Кливленд, США, 1996 г.), XXVII (г. Милан, Италия, 2000 г.), XXVIII (г. Сан-Паулу, Бразилия, 2001 г.), XXXIV (г. Стамбул, Турция, 2007 г.) международных конгрессах по электрокардиологии, XVII (г. Ростов-на-Дону, Россия, 1998 г.) и XVIII (г. Казань, Россия, 2000 г.) съездах Всероссийского физиологического общества им. И.П. Павлова, XIII Международном совещании по эволюционной физиологии (г. Санкт-Петербург, Россия, 2006 г.), V Всероссийской с международным участием конференции «Механизмы функционирования висцеральных систем» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2007 г.); V Сибирском физиологическом съезде (г. Томск, Россия, 2005 г.), IV Всероссийской с международным участием школе-конференции по физиологии кровообращения (г. Москва, Россия, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 работ, из них 16 статей в рецензируемых журналах, одна глава в монографии.

Структура работы. Работа изложена на 278 страницах, состоит из введения, восьми глав (обзор литературы, описание материалов и методов исследования, изложение полученных результатов и их обсуждение), заключения, выводов, списка литературы из 58 русскоязычных и 387 англоязычных источников и приложения.

Материалы и методы исследования

Исследовано формирование кардиоэлектрического поля в период конечного желудочкового комплекса под влиянием факторов, определяющих время окончания реполяризации - последовательности деполяризации и локальных длительностей реполяризации. Для изучения роли последовательности деполяризации мы использовали животных, обладающих разными способами активации миокарда: вспышечно-последовательным (собака, кошка, кролик), последовательным базоапикальным (щука), и последовательным эндоэпикардиальным (лягушка). Для изменения охвата возбуждением миокарда применяли электростимуляцию желудочков и инфузию калия. В качестве воздействия, влияющего на длительность реполяризации миокарда, использовали охлаждение сердца, гипоксию и инфузию калия. Эксперименты проведены в период с 1993 по 2007 гг.

В работе были использованы 47 кроликов породы Шиншилла, 32 беспородные кошки, 16 беспородных собак, 22 лягушки, 12 щук. Все животные были взрослые, обоего пола. При обращении с животными соблюдали международные правила (Guide for the Care and Use of Laboratory Animals - публикация US National Institutes of Health: NIH Publication № 85-23, ред. 1996). Работа одобрена локальным этическим комитетом Института физиологии Коми НЦ УрО РАН.

Кроликов, кошек и собак наркотизировали тиопенталом натрия (100 мг/кг, в/б). При изучении эффектов гиперкалиемии кроликов наркотизировали уретаном (1,5-2,0 г/кг, в/б). При исследовании хронотопографии реполяризации на фрагменте эпикарда у четырех собак использовали анестезию золетилом (25 мг/кг, в/м) в комбинации с ксилазином (3 мг/кг, в/м). Для эпикардиального картографирования производили среднегрудинную торакотомию и вскрывали перикард, который при необходимости подшивали к краям разреза для облегчения доступа к желудочкам сердца. В ходе манипуляций сердце орошали теплым физиологическим раствором для предотвращения высыхания и охлаждения. Ректальную температуру и температуру в средостении поддерживали на уровне 38°С.

Лягушек декапитировали, разрушали спинной мозг. Эксперименты на пяти животных были проведены без разрушения центральной нервной системы под эфирным наркозом. После этого вскрывали грудобрюшную полость и перикард. Щукам разрушали головной мозг, затем фиксировали в заполненном водой лотке. Через жабры непрерывно пропускали речную воду. После регистрации потенциалов с поверхности тела обнажали сердце срединным разрезом. Открытое сердце смачивали физиологическим раствором (NaCl 0.9 и 0.65% для щук и лягушек соответственно).

По окончании экспериментов у животных при глубокой анестезии быстро вырезали сердце для дальнейшего определения локализации отводящих электродов. Результаты, полученные на животных одного вида в одинаковых условиях при разных видах анестезии, значимо не различались, поэтому при дальнейшем анализе животных не делили на группы в зависимости от вида наркотизации и обездвиживания.

Потенциалы на эпикарде и поверхности туловища регистрировали в униполярных отведениях относительно терминали Вильсона. На поверхности грудной клетки собак, кроликов, кошек располагали 64 подкожных игольчатых электрода (8 рядов в краниокаудальном направлении от основания шеи до каудальной границы грудной клетки по 8 электродов в каждом). Кардиоэлектрическое поле на поверхности тела лягушек и щук регистрировали от 32 подкожных игольчатых электродов, равномерно распределенных в четырех равноудаленных друг от друга продольных рядах, от основания черепа до проекции мечевидного отростка на вентральную и дорсальную поверхность тела у лягушек и от жаберных дуг до брюшных плавников у щук. На желудочки сердца кроликов, собак и кошек накладывали 64-электродную эпикардиальную сетку [Витязев, 1997]. На желудочек сердца лягушек и щук накладывали 24 электрода, которые располагались на трех резиновых кольцах: на верхушке, в средней части, и в основании желудочка. У собак и лягушек регистрировали желудочковые электрограммы на фрагменте эпикарда с помощью квадратной электродной пластинки (матрицы) размером 5Ч5 мм, на которой было закреплено 64 электрода. У собак матрицу помещали в бессосудистой области на боковой поверхности левого желудочка, а у лягушек - в середину передней поверхности желудочка.

Регистрацию и обработку получаемых данных проводили при помощи автоматизированной компьютерной установки (АОЗТ СП «Геософт-Истлинк» при участии Института физиологии Коми научного центра УрО РАН и АОЗТ «ВНИИМП-ВИТА»; 128 каналов регистрации; полоса пропускания - 0.05-1000 Гц; разрешающая способность - от 10 до 100 мкВ на один разряд АЦП; входное сопротивление усилителей - 10 МОм; дискретизация сигнала - 0.25 мс)

Температуру в средостении кроликов и кошек контролировали и изменяли путем перфузии ее физиологическим раствором (NaCl 0.9%) различных температур. Электрограммы регистрировали при 38 и 32C после трехминутной инкубации при указанных значениях температуры. Длительность охлаждения средостения от 38 до 32С составляла 30-40 минут. Для исследования распределения потенциала на поверхности грудной клетки при охлаждении сердца кролика вскрывали грудную клетку и подготавливали перфузию средостения. После выполнения подготовительных процедур грудную клетку зашивали и начинали перфузию, в ходе которой меняли температуру сердца в диапазоне от 38 до 32С. Температуру контролировали в средостении с помощью вшитого в средостение датчика электротермометра, а также в прямой кишке. У лягушки сердце омывали физиологическим раствором (NaCl 0.65%) разной температуры. Регистрацию электрограмм проводили при температуре 18 и 12С. Для исследования действия охлаждения на распределение потенциала на поверхности туловища тело животного помещали в холодильную камеру. В этом случае потенциалы регистрировали при температуре тела 18 и 10°С.

Кардиоэлектрическое поле на эпикарде желудочков кошки в условиях гипоксии исследовали при температуре в средостении 38 и 32С. Гипоксию (Р_О2 артериальной крови ниже 10 mm Hg) вызывали путем прекращения искусственной вентиляции легких при подавлении самостоятельного дыхания в условиях глубокой анестезии. Параметры газового состава крови определяли на аппарате Chiron Diagnostics 855 (Великобритания) на базе Кардиологического диспансера Республики Коми. Анализировали электрограммы, зарегистрированные через 2.5 минуты после прекращения вентиляции легких при нормотермии и через 4 минуты при гипотермии.

Для того, чтобы изменить последовательность активации миокарда кролика, проводили электрическую стимуляцию в области основания правого и левого желудочка и верхушки сердца. Анодом служила подкожная игла, расположенная в области мечевидного отростка грудины, а в качестве катода использовали электроды мультиполярной эпикардиальной сетки. Форма импульсов была прямоугольная, длительность цикла - 286 мс, длительность стимула - 2 мс, амплитуду варьировали в диапазоне 5-15 В для того, чтобы добиться устойчивого желудочкового ответа. Эктопическое возбуждение желудочка лягушек и щук вызывали путем эпикардиальной биполярной электрической стимуляции (1000 мс, 2 мс, 5 В). Стимулировали вначале верхушку сердца, а затем - основание желудочка в области артериального конуса.

У кроликов повышение внеклеточной концентрации калия моделировали путем капельного внутривенного введения хлорида калия (0.1Н) под контролем электролитного состава артериальной крови, параметры которого определяли на аппарате Chiron Diagnostics 855 (Великобритания) на базе Кардиологического диспансера Республики Коми. Измерения потенциалов проводили до инфузии калия ([K⁺] = 3.02 ± 0.19 ммоль/л) и при гиперкалиемии ([K⁺] = 8.01 ± 0.47 ммоль/л).

Пространственно-временные и амплитудные характеристики кардиоэлектрического поля на эпикарде желудочков и поверхности туловища исследовали при помощи изохронных хронотопографических и изопотенциальных карт. Момент прихода волны возбуждения в область отведения потенциала (время активации, деполяризации) устанавливали по минимуму первой производной потенциала по времени (dV/dt min) в период комплекса QRS, а момент окончания реполяризации (время реполяризации) - по точке максимума первой производной (dV/dt max) в период ST-T комплекса. Интервал активация-восстановление (activation-recovery interval, ARI) определяли как период между моментами деполяризации и окончания реполяризации как показатель локальной длительности реполяризации [Millar et al., 1985; Haws, Lux, 1990]. Рассчитывали временные промежутки между моментами наиболее ранней и наиболее поздней деполяризации (дисперсия активации, или деполяризации). Аналогичные величины, равные разнице между временем самого раннего и самого позднего окончания реполяризации, называли дисперсией времени окончания реполяризации, а различия между самым длительным и самым коротким интервалом ARI - дисперсией локальных длительностей реполяризации (дисперсией ARI).

Для оценки различий количественных характеристик в зависимости от параметров распределения исследуемых выборок и вида сравнений между группами применяли критерий Стьюдента для несвязанных и попарно связанных вариант, непараметрические критерии Манна-Уитни, W-тест Уилкоксона и критерий Фридмана с последующим тестом Ньюмена-Кейлса для множественных сравнений. Отличия качественных параметров (распределение положительных и отрицательных потенциалов в различных областях поверхности туловища) оценивали по критерию хи-квадрат. Различия признавали значимыми при P<0.05. Для оценки связи между хронотопографическими показателями рассчитывали коэффициент корреляции Пирсона. Вычисления производили с помощью программ MS Excel 2002 и McGraw-Hill Primer Biostatistics 4.03 [Гланц, 1999].

Результаты исследований

Последовательности реполяризации эпикарда желудочков сердца у представителей разных систематических групп позвоночных животных при синусно-предсердном ритме

На фрагменте эпикарда желудочка лягушки и левого желудочка собак вследствие малых размеров картируемой области (5Ч5 мм) дисперсии времени активации, длительностей и времени окончания реполяризации значимо меньше, чем на целом эпикарде (P<0.001), кроме того дисперсии всех трех параметров не отличаются друг от друга. Длительность реполяризации в эпикардиальных отведениях обратно пропорциональна времени прихода волны возбуждения. Поскольку и у собак, и у лягушек дисперсии активации и локальных длительностей реполяризации в отдельной области эпикарда сопоставимы по величине друг с другом, формирование последовательности реполяризации определяется балансом влияний со стороны последовательности охвата возбуждением и распределения ARI в картируемой зоне. Количественно, сила влияния этих факторов пропорциональна величинам дисперсий времени прихода волны деполяризации и локальных длительностей реполяризации: существует значимая линейная зависимость между отношением дисперсий активации и ARI, с одной стороны, и величиной коэффициента корреляции между временем прихода волны возбуждения и временем реполяризации, с другой стороны.

Таким образом, при синусно-предсердном ритме последовательность окончания реполяризации фрагмента поверхности сердца зависит от обоих факторов: последовательности активации и распределения ARI, сила влияния которых определяется их дисперсией.

Таблица 1

Длительность (ARI) и время окончания (RT) реполяризации в апикальных и базальных областях эпикарда желудочка щук и лягушек при синусно-предсердном ритме (медиана и интерквартильный интервал)

Примечание: ^*P < 0.05, ^***P < 0.001 по сравнению с верхушкой

Общее распределение длительностей реполяризации на эпикарде желудочков. На поверхности желудочка сердца щук и лягушек локальные длительности реполяризации увеличиваются в направлении от верхушки к основанию (Р<0.05; табл. 1). Наблюдается обратная зависимость между значениями интервала ARI и времени прихода волны возбуждения в область отведения потенциала (r = -0.45 и -0.60 для щук и лягушек соответственно). Дисперсия ARI значимо выше дисперсии деполяризации (P<0.05).

У кроликов не обнаружено связи между временем прихода волны возбуждения и локальной длительностью реполяризации (r = 0.06). Самые короткие ARI наблюдаются на верхушке сердца и на латеральной поверхности левого желудочка, более длительные - в основании левого желудочка и на латеральной поверхности правого желудочка, а самая большая локальная длительность реполяризации характерна для основания правого желудочка (Р<0.01; табл. 2). Дисперсия локальных длительностей реполяризации на эпикарде кролика намного больше дисперсии активации (Р<0.001).

На эпикарде желудочков кошки распределение локальных длительностей реполяризации сходно с соответствующим распределением у кроликов (табл. 2). В верхушечных областях длительность реполяризации меньше, чем в базальных, и на левом желудочке меньше, чем на правом. В то же время между распределениями ARI у кошек и кроликов имеется ряд отличий. Во-первых, на эпикарде желудочков кошек наиболее короткие длительности ARI наблюдаются не на верхушке сердца, а в смежной с ней области латеральной поверхности левого желудочка. Наиболее длительные ARI обнаруживаются в основании не правого, а левого желудочка. Во-вторых, распределение ARI по эпикарду кошек более однородно, что выражается в меньшей дисперсии локальных длительностей реполяризации, которая тем не менее более, чем в 2,5 раза, превышает дисперсию активации (Р<0.001).

Таблица 2

Длительность (ARI) и время окончания (RT) реполяризации в различных областях эпикарда желудочков кроликов и кошек при синусно-предсердном ритме (медиана и интерквартильный интервал)

Примечание: ^***P < 0.001 по сравнению с верхушкой сердца; ^†P < 0.05, ^††P < 0.01 по сравнению с боковой стенкой ЛЖ; ЛЖ - левый желудочек; ПЖ - правый желудочек

Общая последовательность реполяризации. На эпикарде желудочка щук наблюдаются две независимые зоны ранней реполяризации, одна из которых расположена на верхушке сердца, а другая - в области прорыва волны возбуждения в основании желудочка. В большинстве случаев верхушечная область реполяризуется несколько раньше, в силу чего время реполяризации верхушки в целом меньше, чем основания, хотя различия не достигают уровня статистической значимости (P<0.07; табл. 1). Зона поздней реполяризации расположена в основании желудочка и, как правило, совпадает с одной из зон поздней активации. Последовательность реполяризации не повторяет последовательность активации (r = -0.10), хотя в базальных отделах между ними имеется сходство. Дисперсия реполяризации более, чем в два раза, выше дисперсии активации (P<0.05) и незначимо меньше дисперсии локальных длительностей реполяризации.

У лягушек вначале реполяризуется эпикард на верхушке сердца, затем в средней части желудочка по оси основание-верхушка, а в последнюю очередь - в основании (P<0.001; табл. 1). Таким образом, в последовательности реполяризации прослеживается четкое направление от верхушки к основанию. Эпикардиальная дисперсия реполяризации значительно больше дисперсии активации (P<0.001) и меньше дисперсии ARI (Р<0.01). Последовательность реполяризации соответствует распределению локальных длительностей реполяризации (r = 0.96) и не совпадает с последовательностью деполяризации (r = -0.39).

У кроликов наиболее ранняя реполяризация наблюдается на верхушке левого желудочка, которая незначительно опережает реполяризацию латеральной поверхности левого желудочка. Вслед за этими зонами реполяризуется основание левого и незначительно позднее - латеральная поверхность правого желудочка. Самая поздняя реполяризация наблюдается в основании правого желудочка (Р<0.01; табл. 2). Эпикардиальная дисперсия реполяризации существенно больше, чем дисперсия активации (P<0.001), и не отличается от дисперсии длительностей ARI. Также как и у лягушек, на эпикарде желудочков кролика последовательность реполяризации соответствует распределению локальных длительностей реполяризации (r = 0.99) и не коррелирует с последовательностью деполяризации (r = 0.17). Последовательность реполяризации эпикарда желудочков кошки близка к последовательности реполяризации эпикарда желудочков кролика за исключением того, что у кошки зона наиболее поздней реполяризации чаще располагается в основании левого желудочка, в то время как у кролика - в основании правого (табл. 2).

Рис. 1. Репрезентативные хронотопографические карты последовательности реполяризации эпикарда желудочков (А) и изопотенциальные карты распределения потенциала на поверхности туловища (Б) щуки, лягушки и кролика в период пика T волны

На шкалах хронотопографических карт числа показывают время окончания реполяризации в миллисекундах. На изопотенциальных картах заштрихована область положительного потенциала. Под каждой картой на ЭКГ в контрольном отведении маркером показан момент, которому соответствует распределение потенциала. В скобках указан шаг изолиний для каждой карты. Положение максимума и минимума обозначено знаками «+» и «-» соответственно.

Таким образом, при спонтанном синусно-предсердном ритме в последовательностях реполяризации эпикарда желудочков кроликов, кошек и лягушек (рис. 1А) преобладает апикобазальное направление, несмотря на то, что последовательности и длительности активации у представителей разных классов позвоночных отличаются. Последовательности деполяризации и реполяризации эпикарда желудочков у исследованных видов животных не совпадают. При синусно-предсердном ритме главный фактор, определяющий последовательность реполяризации, - распределение локальных длительностей реполяризации. Последовательность активации влияет на последовательность реполяризации только в сердце щук, формируя область относительно ранней реполяризации в основании желудочка, что объясняется наиболее продолжительным проведением возбуждения в миокарде этих животных.

Формирование последовательности реполяризации эпикарда желудочков при изменении длительности реполяризации в условиях гипотермии и гипоксии

Реполяризация эпикарда желудочков при охлаждении сердца. У кроликов и кошек при гипотермии величины ARI возрастают, однако их удлинение неодинаково в различных областях желудочков. Наибольшее увеличение наблюдается на верхушке левого, а наименьшее - в основании правого желудочка. В результате этих неоднородных изменений при гипотермии формируется новое распределение локальных длительностей реполяризации, при котором интервалы активация-восстановление возрастают от основания к верхушке и от правого желудочка к левому (рис. 2). Наименьшие величины ARI регистрируются в основании правого желудочка, а наибольшие - на верхушке левого (P<0.001). Таким образом, охлаждение сердца приводит к инверсии в распределении локальных длительностей реполяризации. Удлинение реполяризации обратимо и не зависит от длительности сердечного цикла. В соответствии с перераспределением ARI последовательность реполяризации эпикарда желудочков также инвертируется. В охлажденном сердце последовательность реполяризации направлена от основания правого и левого желудочка к боковой поверхности и верхушке левого желудочка (P<0.001), - происходит инверсия межжелудочкового и апикобазального градиентов реполяризации. При охлаждении сердца дисперсия реполяризации значимо возрастает (P<0.05).

диагностический реполяризация желудочек сердце

Рис. 2. Длительности реполяризации эпикарда желудочков кролика при охлаждении сердца от 38 до 32С. А: Неравномерное удлинение интервалов активация-восстановление (ARI) в разных областях желудочков. Б и В: Репрезентативные хронотопографические карты распределения величин ARI на эпикарде при нормо- и гипотермии соответственно

Числа на шкалах показывают длительность ARI в миллисекундах. ЛЖ - левый желудочек, ПЖ - правый желудочек. Из: Azarov et al., 2008 с изменениями.

При охлаждении сердца лягушки до 12С продолжительность интервалов активация-восстановление увеличивается неодинаково в различных участках эпикарда. Наиболее выраженное увеличение наблюдается на верхушке сердца, а наименьшее - в основании (Р<0.05). Вследствие этого при 12С локальные длительности реполяризации становятся более однородными. Наиболее короткие ARI наблюдаются в основании, наиболее длительные - в средней части желудочка, а интервалы активация-восстановление промежуточной величины - на верхушке сердца. Различия между средними длительностями реполяризации в указанных трех эпикардиальных областях статистически не значимы (Р>0.05). Вследствие перераспределения ARI апикобазальная последовательность реполяризации меняется на базоапикальную, хотя различия между временем окончания реполяризации в основании и на верхушке не достигают уровня статистической значимости. Между временем активации и окончания реполяризации в данном отведении появляется прямая зависимость (r=0.51), которая обусловлена двумя факторами: перераспределением локальных длительностей реполяризации и возросшей ролью последовательности деполяризации в формировании последовательности реполяризации вследствие выравнивания региональных значений ARI.

Таким образом, изменения хронотопографических характеристик реполяризации эпикарда желудочков сходны при снижении температуры сердца и тела млекопитающих (кроликов и кошек) от 38 до 32C и лягушек от 18 до 10°С. Охлаждение сердца вызывает неодинаковые эффекты в разных областях желудочков: увеличение ARI более выражено на верхушке в сравнении с основанием и (у кроликов и кошек) в левом желудочке в сравнении с правым. Неоднородное увеличение локальных длительностей реполяризации приводят к смене апикобазальной последовательности реполяризации эпикарда желудочков на базоапикальную. Эти результаты дают вероятное объяснение противоречивости данных литературы о длительностях реполяризации в разных областях сердца; в работе продемонстрировано, что относительно небольшие изменения температуры в ходе эксперимента могут привести к получению прямо противоположных данных о характере реполяризации эпикардиальной поверхности желудочков.

Реполяризация эпикарда желудочков кошек при гипоксии. Длительность интервалов активация-восстановление под влиянием снижения P_O2 уменьшается. При нормальной температуре тела (38С) статистической значимости эффект достигает только на латеральной поверхности левого желудочка (P<0.05), причем наибольшие изменения отмечаются в области, непосредственно примыкающей к верхушке сердца. Поскольку наибольшее укорочение длительностей реполяризации наблюдается в области, где исходно их величина наименьшая, то «гипоксическое» пространственное распределение ARI на эпикарде желудочков не отличается от контрольного: наиболее короткие интервалы активация-восстановление наблюдаются на верхушке и прилегающей к ней латеральной области левого желудочка, а наиболее длительные - в основании обоих желудочков и на латеральной поверхности правого желудочка. Апикобазальная последовательность реполяризации эпикарда желудочков в условиях гипоксии при 38С не меняется по сравнению с исходным состоянием, хотя дисперсия времени окончания реполяризации увеличивается (P<0.05) за счет того, что минимальные значения интервалов активация-восстановление уменьшаются (P<0.05), а максимальные - значимо не меняются.

После охлаждения сердца и тела кошек до 32С эффекты гипоксии развиваются медленнее, и период, по истечении которого возникают частые желудочковые экстрасистолы и/или эпизоды желудочковых тахикардий, составляет 4 минуты (по сравнению с 2.5 минутами при нормальной температуре). Наибольшее укорочение реполяризации наблюдается на верхушке сердца, а наименьшее - в основании правого желудочка (P<0.05). Длительные интервалы активация-восстановление уменьшаются в большей степени, а короткие - в меньшей степени (r = 0.85), в связи с этим длительности реполяризации на эпикарде перераспределяются. До прекращения вентиляции наименьшие интервалы активация-восстановление наблюдаются в базальных частях правого и левого желудочка, а наибольшие - на верхушке сердца, а при гипоксии эпикардиальное распределение ARI практически инвертируется: наименьшие их величины наблюдаются на левом желудочке, а наибольшие - в основании правого желудочка. В соответствии с инверсией распределения интервалов активация-восстановление последовательность реполяризации эпикарда желудочков меняет направление. Вместе с тем, несмотря на инверсию последовательности реполяризации, ее дисперсия значимых изменений не претерпевает, поскольку в условиях гипоксии и максимальные, и минимальные локальные длительности реполяризации уменьшаются приблизительно одинаково.

Рис. 3. Последовательности реполяризации эпикарда желудочков кролика при их эктопическом возбуждении. А и Б

Репрезентативные хронотопографические карты последовательности реполяризации при электростимуляции основания левого и правого желудочка соответственно. Числа на шкалах показывают время окончания реполяризации. Прямоугольным символом показано место нанесения стимула. В: Различия длительности реполяризации (ARI) в основании левого желудочка (показано стрелками) при различном положении эктопического очага возбуждения.

Данные картографирования эпикарда желудочков кошки в условиях гипоксии свидетельствуют о том, что при снижении P_O2 в артериальной крови длительность реполяризации уменьшается в наибольшей степени в левом желудочке - на верхушке сердца или на латеральной поверхности, прилегающей к верхушке. Гипоксическое воздействие, приложенное при нормальной температуре, увеличивает дисперсию, но не меняет последовательность реполяризации, в то время как при гипотермии - наоборот: меняет последовательность реполяризации практически на противоположную, но не изменяет дисперсии реполяризации.

Формирование последовательности реполяризации эпикарда желудочков при изменении последовательности активации в условиях эктопического возбуждения

При эктопическом возбуждении желудочка сердца щук длительность (дисперсия) активации эпикарда при верхушечной и базальной стимуляции значительно возрастает по отношению к синусно-предсердному ритму (P<0.05) и становится неотличимой от дисперсий локальных длительностей и времени окончания реполяризации. Распределение ARI становится более однородным: в нем отсутствуют значимые различия между областями эпикарда. Последовательности реполяризации при разных видах электростимуляции желудочка существенно различаются и повторяют соответствующие последовательности деполяризации (r = 0.81 и r = 0.45 при стимуляции верхушки и основания соответственно), поскольку длительность охвата возбуждением поверхности желудочка существенно выше, чем при синусно-предсердном ритме, а различия между областями эпикарда в величинах ARI относительно невелики. При стимуляции верхушки сердца последовательность реполяризации апикобазальная, а при нанесении стимула в основание - базоапикальная. В отличие от синусно-предсердного ритма дисперсия окончания реполяризации независимо от области нанесения стимула не отличается от дисперсий локальных длительностей реполяризации и активации.

При эктопическом возбуждении желудочка сердца лягушек дисперсия активации значительно возрастает по сравнению с синусно-предсердным ритмом, но остается меньше дисперсий локальных длительностей и времени окончания реполяризации. При стимуляции основания желудочка локальные длительности реполяризации уменьшаются (P<0.001) в основании и в средней зоне, в то время как на верхушке длительность ARI значимо не меняется. При нанесении стимула на верхушку сердца во всех эпикардиальных областях интервалы активация-восстановление укорачиваются (P<0.01), причем в области верхушки их укорочение наибольшее по сравнению с другими зонами (P<0.05). В апикальной области длительность реполяризации уменьшается при ранней активации данной зоны и увеличивается в случае ее поздней активации (P<0.024). При базальной стимуляции у лягушек обнаруживаются две зоны раннего окончания реполяризации: одна на верхушке сердца, в области, где регистрируются наиболее короткие ARI, а другая в основании, в зоне наиболее ранней активации. Положение области поздней реполяризации вариабельно, но в большинстве случаев она находится в средней части желудочка. При стимуляции верхушки зона раннего окончания реполяризации находится в месте нанесения стимула, в котором обнаруживаются наиболее короткие длительности реполяризации. Позднее окончание реполяризации наблюдается в основании желудочка, в области наиболее длительных ARI. Таким образом, при апикальной стимуляции последовательность реполяризации близка к последовательности активации и одновременно соответствует распределению интервалов активация-восстановление.

Имеется значимая корреляция между временем прихода волны возбуждения и временем реполяризации в одном и том же эпикардиальном отведении (r = 0.31 и r = 0.46 при стимуляции верхушки и основания соответственно); однако наиболее мощным фактором, определяющим время окончания реполяризации, является ее длительность (r = 0.99 и r = 0.97 при стимуляции верхушки и основания соответственно). Дисперсия реполяризации при эктопическом возбуждении не меняется по сравнению с суправентрикулярным ритмом. Она остается выше дисперсии активации и не отличается от дисперсии ARI.

При эктопическом возбуждении желудочков кролика время охвата волной возбуждения эпикарда существенно больше, чем при синусно-предсердном ритме. В условиях нормотермии (38?С) при разных способах стимуляции длительные ARI имеют тенденцию укорачиваться, а короткие - удлиняться, вследствие чего дисперсия ARI уменьшается по сравнению с синусно-предсердным ритмом, но при этом остается больше дисперсии активации. В месте, где располагается эктопический очаг, длительность ARI мала, а в зоне поздней активации она больше (P<0.05; рис. 3). Дисперсия времени окончания реполяризации значимо не меняется. Она остается выше дисперсии активации, однако становится значимо больше дисперсии интервалов активация-восстановление при стимуляции.