УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2014, том 45, № 1, с. 3-26
ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ РИТМА СЕРДЦА ГИБЕРНИРУЮЩИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
ВО ВРЕМЯ ГИПОТЕРМИИ
© 2014 г. А. В. Глухов, Ю. В. Егоров, Л. В. Розенштраух
Лаборатория электрофизиологии сердца ИЭК ФГУ РКНПК Росмедтехнологий, Россия
Несмотря на многолетние исследования проблемы гибернации, механизмы устойчивости сердца зимнеспящих животных к возникновению нарушений сердечной деятельности во время выраженной гипотермии долгое время оставались неизученными. Исследования последних 10 лет значительно расширили наше понимание адаптационных процессов, происходящих в сердце ги-бернантов во время зимней спячки. В данном обзоре рассмотрены базовые принципы развития нарушений ритма сердца при гипотермии, а также приведен краткий обзор механизмов антиаритмической защиты миокарда гибернирующих животных.
Ключевые слова: гибернация, аритмии, гипотермия.
I. ВВЕДЕНИЕ
Возникновение нарушений ритма сердца при переохлаждении - важная проблема для человека и других негибернирующих млекопитающих [71, 99, 106]. В то же время сердце гибернирующих млекопитающих (гибернантов), напротив, устойчиво к низким температурам и способно адекватно сокращаться при 0-7°С [38, 51]. Во время зимней спячки гибернанты адаптируются к гипотермии, предотвращая негативные эффекты охлаждения. Весьма заманчивой представляется перспектива применения этих физиологических явлений в клинической медицине, однако она ограничивается слабым пониманием механизмов гибернации. Результаты таких исследований могут привести к пониманию основных механизмов образования наиболее опасных нарушений сердечного ритма, к разработке новых способов их предотвращения и купирования. Данный обзор суммирует основные факторы, которые могут обуславливать различную уязвимость гибернирующих и негибернирующих млекопитающих к возникновению нарушений ритма сердца при гипотермии. Представлены новейшие достижения в изучении механизмов устойчивости сердца гибернантов к низким температурам, а также изложены несколько возможных направлений дальнейших исследований.
II. КЛИНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ НАРУШЕНИЙ
РИТМА СЕРДЦА ПРИ ГИПОТЕРМИИ
Среди непосредственных причин смерти организма при замерзании выделяют остановку дыха-
ния или нарушения ритма сердца (фибрилляцию желудочков (ФЖ) или асистолию). Об ограниченной устойчивости сердца к холоду сообщают многие авторы [4, 20, 71, 99, 106]. При исследовании температурного порога функционирования сердца [12, 14, 28, 74, 106] показано, что предельная температура активности сердца при общей гипотермии несколько отличается у различных животных. Так, у собак она находится в диапазоне от 22°С до 13°С (в среднем 17.8°С) [20]. У кошек остановка сердца наступает при 19°С -13°С, а в среднем - при 16°С. Для кроликов соответствующие цифры составляют 18°С - 12°С и 15.2°С. Температура остановки сердца у морских свинок варьируется от 17°С до 10°С, а у крыс - от 13°С до 3°С, а в среднем соответственно 14°С и 8°С. Кроме того, первостепенное значение имеет возраст: новорождённые животные в первые дни своей жизни способны без необратимых последствий переносить охлаждение до температур, близких к нулю [20].
Многие авторы указывают на то, что гипотермия способствует развитию нарушений ритма [4, 35, 43, 71, 105, 135]. Увеличение аритмогенно-сти при гипотермии показано на морских свинках [51], кроликах [19], свиньях [135], собаках [35, 105]. Многими авторами также отмечается значительное увеличение уязвимости сердца к электрически вызванным тахиаритмиям при выраженной гипотермии [19, 35, 51, 105, 135]. В ряде работ в качестве экспериментальной модели ФЖ для тестирования антиаритмических препаратов предлагается использовать холодовые аритмии, так как вероятность их возникновения и воспроизводимость очень высоки [35, 105, 135].
В то же время в ряде работ отмечено, что при гипотермии не происходит увеличения уязвимости сердца к развитию нарушений ритма [45]. Более того, быстрое охлаждение до 27-24°С может приводить к купированию ФЖ [45]. В.И. Кобрин сообщает, что при охлаждении морских свинок наиболее часто наблюдалось значительное замедление ЧСС вплоть до остановки сердца при ректальной температуре 15-16°С без развития ФЖ [14]. В то же время К.С. Нильсен с соавт. при охлаждении кошек наблюдали развитие ФЖ при 18-20°С в 8 случаев из 10 [111]. По-видимому, аритмогенный и антиаритмический эффекты гипотермии обусловлены различными изменениями функциональных характеристик миокарда, зависящих от скорости и продолжительности охлаждения и связанных с различной реакцией внутриклеточных процессов на понижение температуры.
III. ФЕНОМЕН ГИБЕРНАЦИИ
В отличие от негибернантов сердце животных, обладающих способностью к зимней спячке (ги-бернации), устойчиво к низким температурам и способно адекватно сокращаться при 0-7оС [38, 51]. Явление гибернации наблюдается у некоторых млекопитающих, обитающих в зоне с резкими колебаниями погодно-климатических условий, и - это одна из форм приспособления к сезонным изменениям окружающей среды [15]. В холодное время года в связи с неблагоприятными условиями среды обитания (низкие температуры и недостаток корма) гибернанты впадают в спячку. Гибернация широко распространена среди млекопитающих: ежи, сурки, бурундуки, суслики, сони, летучие мыши, хомяки и другие животные обладают способностью к зимней спячке [2, 15].
Во время спячки животные стремятся уменьшить потерю энергии. Уровень метаболизма во время гибернации значительно снижается, составляя ~1-4% от величины, наблюдаемой в состоянии активности [2]. При этом температура тела может достигать 0°С, число сердечных сокращений уменьшается от 300-700 до 5-10 уд/мин, число дыхательных движений сокращается от 100-150 в активном состоянии до 2-3 дв/мин; наблюдаются длительные паузы в дыхании [10, 11, 15, 38, 46, 51].
Зимняя спячка длится 6-8 мес. и не является непрерывным процессом, а состоит из циклов (баутов, их продолжительность составляет от 7 до 30 дней), за которыми следуют кратковременные пробуждения [15]. Процесс пробуждения
происходит не более чем за 2-5 ч. За это время температура тела млекопитающих повышается на 30-35°С, увеличивается частота сердечных сокращений и дыхания до нормального уровня [10, 11, 15]. При общем снижении функциональной активности всех физиологических процессов у гибернантов во время зимней спячки сохраняется функционирование наиболее важных органов - сердца, головного мозга и печени. Кровоснабжение этих органов - необходимое условие сохранения жизни гибернантов и обусловлено адекватным функционированием сердечно-сосудистой системы.
Механизм работы сердца в состоянии гибернации - предмет исследования уже более 100 лет. Ещё в 1832 г. Халл предположил, что поддержание сердечного выброса при экстремально низкой температуре во время гибернации обеспечивается гипервозбудимостью сердца [61]. В поздних работах показано, что сократительная функция изолированного сердца гибернантов сохраняется при охлаждении до низких температур и при последующем восстановлении до 37°С [38]. Несмотря на выявление нескольких типов аритмий, устойчивые желудочковые тахиаритмии, включая ФЖ, никогда не наблюдались у гибернирующих животных [46, 52, 71]. Ни при входе в гибернацию (постепенный процесс 12-24 ч), ни при выходе из нее (1-3 ч) блоки проведения и/или ФЖ не возникают, несмотря на то, что температура тела может изменяться более чем на 30° за 1-2 ч [10, 71].
Несмотря на многолетние исследования проблемы гибернации, механизмы устойчивости сердца зимнеспящих животных к возникновению нарушений сердечной деятельности во время гипотермии долгое время оставались неясными. Исследования последних 10 лет значительно расширили наше понимание адаптационных процессов, происходящих в сердце гибернантов во время зимней спячки.
IV. МЕХАНИЗМЫ ФИБРИЛЛЯЦИИ
ЖЕЛУДОЧКОВ ПРИ ГИПОТЕРМИИ
Процессы возникновения, поддержания и прекращения ФЖ определяются различными механизмами. В настоящее время принято считать, что механизм поддержания ФЖ обусловлен циркуляцией одной или нескольких волн возбуждения по желудочкам [135, 146]. Показано, что основным механизмом холодовых аритмий также является циркуляция возбуждения [19, 35, 45, 135]. Однако нет единого мнения о механизмах, которые приводят к возникновению ФЖ [146].
Для возникновения циркуляции необходимо возникновение преждеременного возбуждения (триггера) на фоне повышенной неоднородности миокарда - анизотропии проведения возбуждения и/или дисперсии (пространственного распределения) рефрактерности в миокарде [16, 17]. При достаточной функциональной неоднородности миокарда возможно развитие блоков проведения и последующее возникновение re-entry. Электрофизиологический субстрат для развития блоков проведения определяется пространственно-временными характеристиками процессов активации и реполяризации миокарда. Механизм преждевременных желудочковых возбуждений, по-видимому, связан с кальций-зависимой триг-герной активностью, которая будет рассмотрена в следующих разделах.
Основным параметром, определяющим возможность поддержания циркуляции возбуждения в ткани сердца, является длина волны возбуждения, предложенная Винер и А. Розенблют и вычисляемая как произведение рефрактерного периода и скорости проведении (СП) (рис. 1) [19, 130]. Величина длины волны определяет физические размеры ткани, необходимые для поддержания циркуляции возбуждения. Чем короче длина волны, тем больше вероятность возникновения re-entry [39, 130]. Считается, что аритмогенное действие гипотермии состоит в уменьшении длины путей (контура) для циркуляции возбуждения и, как следствие, увеличении вероятности возникновения re-entry. Понижение температуры сердца приводит к замедлению СП [6, 45, 55, 130] и увеличению рефрактерного периода миокарда (рис. 1) [9, 54, 65, 126]. Замедление СП возбуждения происходит сильнее, чем увеличение рефрактерного периода. Как следствие, длина волны при охлаждении укорачивается [7, 45, 54]. Укорочение длины волны во время гипотермии показано во многих работах на негибернантах [19, 45,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.