УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2008, том 39, № 4, с. 66-82
УДК 612.592
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ ПРЕДЕЛЫ ОБРАТИМОСТИ ОСТАНОВКИ СЕРДЦА МЛЕКОПИТАЮЩИХ1 ОТ ХОЛОДА
© 2008 г. Ю. С. Алшхин
Институт физиологии им. И.П. Павлова, РАН, Санкт-Петербург
Большая часть обзора посвящена механизмам холодовой остановки изолированного сердца (быстрое охлаждение), механизмам потери работоспособности при длительной гипотермии и способам восстановления работы изолированного сердца (перфузия согретым и оксигенированным перфуза-том, методам восстановления сердцебиений при низкой температуре сердца (снижение [К+] в пер-фузате, стимуляция норадреналином, электрическими импульсами и др.). Защита сердца от повреждения при длительной гипотермии (с продолжающейся перфузией или без нее) достигается обычно методами химической кардиоплегии (напр., повышенной [K+] в перфузате). Вторая часть обзора посвящена механизмам повреждения сердца при охлаждении ниже 0°C. Необходимым условием защиты сердца от замерзания (образования кристаллов льда) является промывание сердца криопро-текторами (глицерин, диметилсульфоксид и др.), препятствующими кристаллизации льда. Заключительная часть обзора посвящена восстановлению работы сердца, остановившегося in situ (при гипотермии целого организма). Успешными были попытки восстановления путем локального согревания сердца и искусственного дыхания.
Ключевые слова: сердце, гипотермия, кардиоплегия, замораживание, криопротекторы, реанимация.
При быстром охлаждении сердца in vitro остановка сердцебиений происходит вследствие прекращения проводимости возбуждения от пейсме-кера на рабочий миокард. При длительном медленном охлаждении сердце останавливается от перегрузки цитоплазмы ионами Ca2+ вследствие нарушения проницаемости клеточной мембраны и мембран саркоплазматического ретикулума. Эти нарушения - результат дефицита энергии, используемой ионными насосами, и энергии, используемой для синтеза АТФ, вследствие более высокой температурной зависимости этих химических процессов по сравнению с температурной зависимостью физико-химических процессов диффузии ("просачивания" - англ. soakage) ионов в цитоплазму по градиентам концентрации.
Перфузируемое сердце, быстро охлажденное до остановки на короткое время, полностью сохраняет работоспособность и быстро восстанавливает сокращения при согревании. После холодовой остановки сердце (изолированное или остановившееся in situ) сохраняет относительно высокую работоспособность без применения защитных растворов (химической кардиоплегии) в течение 2-2.5 ч. С помощью холодных кардио-плегических растворов, особенно при сохранении их медленной перфузии через миокард, длительность переживания сердца крысы в состоянии
1 Автор ограничивается рассмотрением целого сердца взрослых незимнеспящих млекопитающих.
асистолии (при 11° или ниже) может быть увеличена до 24 ч.
С помощью ряда приемов (понижение концентрации K+ в перфузате, воздействие норадренали-на или ацетилхолина, электростимуляция) можно восстановить деятельность сердца без его отогревания (т.е. при температуре остановки или ниже).
При охлаждении сердца ниже 0° возможны переохлаждение, замерзание или витрификация миокарда. Во втором случае в ткани сердца образуются кристаллы льда, которые, как правило, лишают клетки миокарда работоспособности. При переохлаждении сердца до -2 или -3° работоспособность сердца может сохраниться. Витрификация, т.е. превращение цитоплазмы клеток в твердую стекловидную (некристаллическую) массу на таких относительно массивных объектах, как сердце крысы, с достоверностью не осуществлена (поскольку речь идет о сохранении работоспособности). Для защиты тканей от повреждений при замораживании применяются криопротекторы (глицерин, диметилсульфоксид и др.). С их помощью удалось обратимо охлаждать сердце до -25°. Охлаждение до более низких температур обычно лишает сердце работоспособности. Сообщение об обратимом охлаждении сердца крысы до -196° в течение 7 лет (Sumida) нуждается в проверке. Претензии O. Visser на обратимое замораживание сердца крысы в жидком азоте сомнительны.
Успех восстановления работы сердца, остановившегося in situ, зависит от метода согревания.
Общее наружное согревание тела крысы не позволяет восстановить работоспособность сердца (крыса погибает). При согревании тела от центра к периферии (например, путем экстракорпорального кровообращения) жизнедеятельность сердца и всего организма часто восстанавливается полностью (Andjus, Gollan).
Вопрос об условиях, температурных и временных пределах сохранения жизнеспособности сердца важен, по крайней мере, в двух отношениях: 1) от восстановления работы сердца, остановившегося в условиях акцидентальной гипотермии, зависит успех реанимации всего организма; 2) трансплантация сердца бывает жизненно необходимой для некоторых больных; перед трансплантацией сердце донора должно достаточно долго находиться в условиях консервации, обычно при гипотермических температурах (поскольку немедленно подобрать подходящее сердце донора обычно невозможно). Прежде чем рассматривать вопрос о восстановлении сокращений сердца, остановившегося от холода, полезно ознакомиться, хотя бы вкратце, с существующими представлениями о том
A) почему вообще происходит холодовая остановка сердца in vitro?
Б) почему сердце, сохраняя при гипотермии и после остановки жизнеспособность некоторое время, в конце концов ее утрачивает?
B) как защитить сердце от повреждения при длительной гипотермии?
1. ПЕРФУЗИРУЕМОЕ СЕРДЦЕ IN VITRO (ИЗОЛИРОВАННОЕ)
1.1. ОХЛАЖДЕНИЕ ДО >0° (ГИПОТЕРМИЯ)
1.1.А. МЕХАНИЗМ ХОЛОДОВОЙ ОСТАНОВКИ ПЕРФУЗИРУЕМОГО СЕРДЦА IN VITRO (БЫСТРОЕ ОХДАЖДЕНИЕ)
В наших опытах на изолированном перфузи-руемом сердце крысы автоматические сокращения прекращались в среднем при 9.3 ± 0.7°, а сокращения, вызывавшиеся электрической стимуляцией сердца, при 5.3 ± 0.6° [8]. Следовательно, после прекращения автоматических сокращений сердце не теряет возбудимости, и не потеря возбудимости является причиной холодовой остановки сердца.
В опытах Angelakos et al. [31] предсердие кролика при охлаждении прекращало автоматические сокращения при 20-18°.
Ранее Marshall [50] при микроэлектродном исследовании изолированного предсердия было показано, что автоматическая электрическая активность синоатриального водителя ритма сохраняется при охлаждении до 13-10°, когда мышца предсердия становится невозбудимой потенциала-
ми синоатриального узла. Следовательно, заключают Ап§е1ако8 с соавт., прекращение сокращений предсердий (асистолия) является результатом не прекращения автоматической импульсации пей-смекера, а результатом блока проведения возбуждения от пейсмекера к мускулатуре предсердий. Таким образом, холодовую остановку сердца можно объяснить Холодовым угнетением проводимости. Это может относиться и к целой мышце сердца и может быть связано с блокадой межклеточных соединений - нексусов. На изолированных миоцитах спонтанные сокращения наблюдались вплоть до -0.1 ± 0.2° [68].
1.1.Б. МЕХАНИЗМ ПОТЕРИ ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ СЕРДЦА ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ГИПОТЕРМИИ
Сердце, только что остановившееся от холода (при продолжающейся его перфузии), вполне жизнеспособно. Достаточно взять его пальцами (т.е. минимально его согреть), как оно возобновляет энергичные сокращения. Однако с течением времени (порядка часов), проведенного в состоянии гипотермической асистолии, сердце утрачивает жизнеспособность.
Первопричиной этого, вообще говоря, является неодинаковая зависимость скорости физических и химических процессов от температуры.
В норме сердце существует в условиях больших ионных градиентов между цитозолем миоци-тов и окружающей клетки сердца жидкой средой. Так, содержание Ка+ [Ка+] внутри клетки в норме составляет 12 мМ, а в интерстициальной жидкости 145 мМ; [К+] внутри клетки 150 мМ, а в интерстициальной жидкости 4.4 мМ (ионный состав плазмы крови и интерстициальной жидкости почти не различается) [14]. Особенно велик концентрационный градиент между цитозолем и плазмой крови по ионизированному Са: в плазме крови [Са2+] 10-3 М, а в саркоплазме покоящейся мышцы 10^-Ю-8 М, т.е. в 10000-100000 раз меньше, чем в плазме крови [20]. Такие различия необходимы для протекания процессов возбуждения и сокращения в сердце. Они существуют благодаря активности №/К+- и Са2+-АТФаз, расположенных: первая на плазматической мембране, вторая (в сердечных миоцитах) главным образом в сарко-плазматическом ретикулуме и в меньшем объеме в саркоплазме. Активность этих АТФаз, направленная на поддержание указанных градиентов ионной концентрации, происходит с затратой энергии АТФ. Это химический процесс, и он, как таковой, сильнее зависит от температуры (имеет большее 210 = 2-4), чем физический процесс диффузии ("просачивания") ионов по градиенту концентрации (010 = 1.1-1.4) [62]: Ка+ и Са2+ - внутрь клетки, К+ - из клетки. Эти процессы происходят
вопреки сопротивлению клеточной мембраны, обладающей избирательной проницаемостью2.
Одним из первых, кто попытался дать целостную картину механизма повреждения клеток, чувствительных к холоду при длительной гипотермии, был НоеИаеЬка [43]. Его гипотеза излагается в упрощенном виде, опуская ряд элементов, не изменяющих общей картины. НоеИаеЬка отметил, что начальным звеном процесса является чисто температурное угнетение метаболизма, в том числе образования АТФ и активности АТФ-зави-симых ионных насосов (АТФ-фаз), что (вследствие относительно высокой проницаемости плазматической мембраны этих клеток) сопровождается усилением "просачивания" ионов (в том числе Ка+) по градиенту концентрации через сарколемму внутрь клетки. Скорость синтеза АТф, а значит и работы Ка+/К+-АТФазы, "не поспевают" за "просачиванием" натрия. Градиент [Ка+] нарушается, Ка+ накапливается внутри клетки, что ведет к отеку клетки. В конечном счете, увеличение цитозольной [Ка+] приводит к деполяризации клеточной мембраны, открытию потенциал-зависимых Са2+ каналов и быстрому входу Са2+ внутрь клетки. Холод не позволяет также и Са2+-АТФазе саркоплазматического ре-тикулума "угнаться" за утечкой Са2+ в цитозоль клетки. В результате
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.