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.