научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИБРОБЛАСТОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ КЛЕТОК СИНОАТРИАЛЬНОГО УЗЛА Биология

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИБРОБЛАСТОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ КЛЕТОК СИНОАТРИАЛЬНОГО УЗЛА»

БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 2, с. 322-329

= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ =

УДК 577.3

МОДЕЛИР ОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИБРОБЛАСТОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ КЛЕТОК СИНОАТР ИАЛЬНОГО УЗЛА

© 2015 г. А.С. Толстокоров* **, Р.А. Сюняев* ** ***, P.P. Алиев* ** ***

*Московский физико-технический институт (государственный университет), 141700, Долгопрудный Московской области, Институтский пер., 9; **НИИ кардиологии Федерального научно-клинического центра Федерального медико-биологического агентства России, 115682, Москва, Ореховый бульвар, 28; ***Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 142290, Пущино Московской области, ул. Институтская, 3 E-mail: roman.syunyaev@gmail.ru Поступила в p едакцию 23.12.14 г.

При математическом моделировании влияния фибробластов на электрическую активность клеток синоатриального узла обнаружено, что взаимодействие с фибробластами через щелевые контакты увеличивает частоту колебаний водителей ритма. Под влиянием фибробластов амплитуда колебаний истинных водителей р итма уменьшается вплоть до прекращения спонтанной активности. Амплитуда колебаний латентных водителей ритма уменьшается значительно слабее.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, синоатриальный узел, щелевые контакты, фиб-робласты.

Гистологические исследования синоатр иаль-ного узла выявили существенно гетерогенную структуру ткани в синоатриальном узле и прилежащих областях. В частности, показано, что фибробласты и соединительная ткань составляют значительную часть объема синоатр иаль-ного узла [1,2], фракция соединительной ткани растет с возрастом [3].

Фибробласты электрически взаимодействуют с клетками-водителями ритма посредством щелевых контактов (в основном - Сх45) [4]. Однако до настоящего времени модели электрической активности синоатриального узла, как правило, строились без учета влияния фиб-робластов и соединительной ткани. Цель настоящего исследования - выяснить, в какой степени электрическая активность клеток-водителей ритма зависит от их взаимодействия с фибробластами через щелевые контакты.

Известно, что фибр областы обладают собственной электрической активностью. Есть данные об экспрессии фибробластами сердца крысы калиевых каналов изоформ Ку1.6 (токи замедленного выпрямления) и К1г2.1 (токи внутреннего выпрямления) [5,6]. Эти данные позволяют также предположить существование натрий-калиевых насосов и натриевых токов.

УСЛОВИЯ ЧИСЛЕННЫХ ЭК СПЕРИМЕНТОВ

Для описания электрической активности клеток синоатриального узла мы использовали детальную модель, которая включает описание основных ионных токов в клетках синоатри-ального узла, изменения внутриклеточных концентраций калия, натрия и кальция, функцию саркоплазматического ретикулума, буферизацию кальция, различие между истинными и латентными водителями ритма [7-11]. Для модели фибробласта мы использовали работу [12], где учтены калиевые токи задержанного и внутреннего выпрямления (/кУ, /к1), натрий-калиевый насос (/как) и фоновый натриевый ток

(/bgNa).

Изменение трансмембранного потенциала кардиомиоцита описывалось дифференциальным уравнением

^ = - сЦ^^ ' > + - Ц

где У8А - трансмембранный потенциал, /§ар -мембранные ионные токи, £ - проводимость щелевых контактов (3 нСм), - мембранный потенциал фибробласта, С8А - электрическая

Р ис. 1. Т p анcмембp анный потенциал и о шовные токи изолиp ованного латентного водителя p итма (контр оль) и соединенного с одним, двумя и четыр ьмя фибр областами: (а) - тр ансмембр анный потенциал; (б) - кальциевый ток Ь-типа; (в) - кальциевый ток Т-типа; (г) - быстр ая компонента калиевого тока; (д) - медленная компонента калиевого тока; (е) - ток, активируемый при гиперполяризации.

Р ис. 2. Т р ансмембр анный потенциал и о сновные токи изолир ованного истинного водителя р итма (контр оль) и соединенного с одним фибр областом: (а) - тр ансмембр анный потенциал; (б) - кальциевый ток Ь-типа; (в) -кальциевый ток Т-типа; (г) - быстр ая компонента калиевого тока; (д) - медленная компонента калиевого тока; (е) - ток, активируемый при гиперполяризации.

четыр ех фибр областов пер иод изменился лишь на тр и пр оцента. П р и этом относительное изменение длительно сти потенциала действия, ко-тор ое вычислялось, как пр омежуток вр емени, когда трансмембранный потенциал Е8А > -30 мВ, со ставляло 12% (табл. 2, р ис. 3). Таким обр азом, взаимодействие с фибробластами уменьшало длительность потенциала действия и увеличи-вало длину диастолы (р ис. 3)

Влияние фибр областов на амплитуду колебаний истинных и латентных водителей ритма существенно отличалось. На рис. 2 видно, что взаимодействие с фибр областом истинного во -дителя р итма пр иводит к уменьшению амплитуды колебаний с 88 до 61 мВ. Взаимодействие с двумя фибр областами (р ис. 4) полно стью подавляло спонтанную активность истинного во -дителя ритма, пр и этом устанавливался тр ансмембр анный потенциал -43 мВ, несколько выше потенциала покоя фибр областов, р авного -49,6 мВ. Амплитуда колебаний тр ансмембр анного потенциала латентного водителя р итма пр и взаимодействии с одним-четыр ьмя фибр областами менялась незначительно (р ис. 1). Кр оме того, наши расчеты показали, что даже присоединение десяти фибр областов не пр иводит к подавлению спонтанной активности, при этом пер иод колебаний уменьшал ся лишь на 10%, а амплитуда - со 105 до 91 мВ.

Влияние фибр областов на о сновные ионные токи латентного водителя ритма пр иведено на рис. 1, 5 и в табл. 3. При взаимодействии с четыр ьмя фибр областами амплитуда натр иево -го тока уменьшилась с 3,5 до 2,7 нА, однако это компенсировалось двадцатипроцентным (с 1,0 до 1,2 нА) р о стом кальциевого тока Ь-типа. По этой пр ичине пр и взаимодействии с боль-

Таблица 1. Пер иод колебаний (Т), длительность потенциала действия (ДПД) и длительно сть диа столы (ДД) истинного водителя р итма в зависимо сти от числа фибр областов

Количество фибр областов Пер иод, с А Т, % ДПД, с ДД, с А ДПД, % А ДД, %

0 0,391 0,0 0,137 0,254 0,0 0,0

1 0,271 -30,7 0,083 0,188 -39,4 -26,0

Таблица 2. Пер иод колебаний (Т), длительно сть потенциала действия (ДПД) и длительно сть диа столы

(ДД) латентного водителя р итма в зависимости от числа фибр областов

Количество фибр областов Пер иод, с А Т, % ДПД, с ДД, с А ДПД, % А ДД, %

0 0,263 0,0 0,102 0,161 0,0 0,0

1 0,262 -0,4 0,099 0,163 -2,9 1,2

2 0,26 -1,1 0,095 0,165 -6,9 2,5

3 0,256 -2,7 0,091 0,165 -10,8 2,5

4 0,256 -2,7 0,089 0,167 -12,7 3,7

Р ис. 3. Изменение пер иода колебаний (1), длительности потенциала действия (2) и диастолы (5) латентного водителя ритма в зависимости от числа фибр областов.

емко сть мембр аны кардиомиоцита. Полный список уравнений и констант, использованный для модели фибр областа, пр иведен в пр иложе-нии.

Р ЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 и 2 изображено взаимодействие истинного и латентного водителей ритма с одним или несколькими фиб р областами. В обоих случаях мы наблюдали уменьшение периода спонтанной активности клеток. Эффект был более выраженный при взаимодействии с истинным водителем р итма: пер иод колебаний уменьшился на тридцать процентов (табл. 1). Пер иод колебаний латентного водителя менялся значительно слабее, даже пр и нагрузке из

Р ис. 4. Потенциал действия истинного и латентного водителей ритма пр и взаимодействии с одним или двумя фибр областами. Два фибр областа подавляют спонтанную активность истинного водителя ритма. (а) - Латентный водитель ритма, соединенный с одним фибробластом; (б) - латентный водитель ритма, соединенный с двумя фибр областами; (в) - истинный водитель ритма, соединенный с одним фибр областом; (г) - истинный водитель р итма, соединенный с двумя фибр областами.

шим количеством фибробластов отсутствовал овер шут, но максимум тр ансмембр анного потенциала оставался фактически неизменным. Отметим также уменьшение амплитуды 1Кг с 0,30 до 0,28 нА, что связано с более ранней реполяризацией за счет тока через щелевые контакты.

Влияние фибр областов на токи истинного водителя ритма пр иведены на рис. 2 и табл. 4. В отличие от латентных водителей ритма, пр и взаимодействии с одним фибр областом амплитуда кальциевых токов Ь-типа уменьшила сь с 0,1 до 0,07 нА. Отметим также значительное уменьшение калиевых токов: напр имер, амплитуда быстр ой компоненты калиевого тока (1Кг) уменьшилась с 0,026 до 0,015 нА.

Соответствующие рис. 1 и 2 ионные токи в фибр областах пр иведены на р ис. 6 и 7. О с-новным ионным током в этих клетках является калиевый ток задер жанного выпр ямления (/Ку). Отметим, что при взаимодействии с латентным водителем ритма во время фазы деполяризации эти токи относительно малы, не превышают 13 пА, но сильно возрастают во время фазы р еполяр изации кардиомиоцита, до стигая пр и этом 50 пА. В данном случае фибробласты играют роль пассивной нагрузки во время фазы деполяр изации кар диомиоцитов и активной нагрузки во вр емя р еполяр изации.

ОБ С УЖДЕНИЕ

Фибр областы в синоатр иальном узле элек -тр ически связаны с кар диомиоцитами щелевыми контактами, образованными в основном коннексинами Сх45 [4]. Таким обр азом, фиб-робласты могут влиять на генерацию ритма синоатр иальным узлом. В пер вую очер едь стоит отметить, что влияние фибр областов на клетки синоатр иального узла существенно зависит от типа клеток-водителей ритма (рис. 1-3). Мы обнар ужили, что в отличие от истинных водителей ритма амплитуда латентных водителей р итма меняла сь незначительно. С понтанная активность истинных водителей ритма полностью подавлялась при наличии контакта с двумя фибр областами. В пер вую очер едь, это связано с большей емко стью мембр аны латентных во -дителей ритма (65 пФ пр отив 20 пФ у и стинных водителей р итма [7,13]) и экспр ессией натр иевых каналов в латентных водителях р итма.

X ар актер влияния фибр областов на кар дио -миоциты обусловлен в пер вую очер едь калиевыми токами задержанного выпрямления. Во время фазы быстрой деполяризации латентных водителей р итма ток /Ку фибр областов до сти-гает только значения пор ядка 13 пА (см. р ис. 6), что значительно меньше натриевых токов и кальциевых токов Ь-типа (более 2,5 и 1 нА

я сняет

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.

Показать целиком