1.9 Моделирование активности клеток водителей сердечного ритма

Автоматизм сердца, то есть способность сердечной мышцы к периодическому сокращению без внешней стимуляции за счёт собственных внутренних механизмов, играет одну из ключевых ролей в обеспечении непрерывной циркуляции крови, поддержании постоянства артериального давления и функционирования сердечно-сосудистой системы в целом.

Единый ритм сокращения сердца формируется в так называемом синоатриальном узле (САУ) (Sinoatrial Node) сердца, находящемся в стенке правого предсердия, откуда волна возбуждения распространяется по всему миокарду [67]. Единый ритм возможен вследствие взаимной синхронизации огромного количества (десятков тысяч) [3] автоколебательных пейсмейкеров, клеток САУ.

Вопрос о природе автоколебательной динамики клеток водителей сердечного ритма является открытым многие годы, и по поводу причин возникновения автоосцилляционного режима этого рода клеток до сих пор нет единого мнения [68-70].

Способностью к спонтанной генерации потенциала действия в той или иной степени обладают кардиомиоциты всех отделов проводящей системы, однако, их собственная ритмическая активность подавлена возбуждением, зарождающимся в синоатриальном узле, и снижается по мере пространственной удалённости от САУ, что позволяет говорить о явлении «градиента автоматии» [71]. Такие кардиомиоциты получили название латентных водителей ритма, поскольку роль пейсмейкеров они приобретают только в случае повреждения ритмогенных структур синоатриального узла, либо утраты связи с ними.

Клетки САУ существенно отличаются от клеток рабочего миокарда видом потенциала действия. В состоянии покоя сердечной мышцы (в диастолу) значения мембранного потенциала рабочего миокарда приближаются к значениям потенциала покоя (- 80 мВ). Кардиомиоциты САУ, напротив, отличаются наличием особой фазы потенциала действия – «медленной диастолической деполяризацией» (ДД) (рис. 1.19). После окончания потенциала действия мембранный потенциал не стабилизируется на уровне максимального диастолического (-60/-70 мВ), а медленно снижается с почти постоянной скоростью до тех пор, пока он не достигнет критического значения, после чего возникает очередной потенциал действия.

Фаза (ДД) [72] считается одной из важнейших причин, обусловливающих периодически повторяющуюся активность миокарда, и, соответственно, определяющих сердечный ритм. По этим причинам она закономерно стала объектом множества исследований, целью которых стало выяснение тонких клеточных механизмов, лежащих в основе её генерации.

1.9.1 Современные представления об авторитмической активности пейсмейкеров

На протяжении долгого времени многие исследователи [67, 69] при моделировании клеток водителей сердечного ритма основывались на предположении, что единственной причиной наличия фазы ДД служат внешние мембранные ионные токи. Действительно, существуют экспериментальные доказательства существования в пейсмейкерах специфических мембранных токов, названных “funny” (от англ. «забавный», «необычный»), [5, 73, 74].

Также экспериментально продемонстрировано участие тока в запуске процесса ДД и в регуляции скорости протекания этого процесса под влиянием химических агентов [74]. Показано, что снижение величины тока снижает скорость ДД и увеличивает время достижения пороговых значений мембранного потенциала, что обусловливает снижение частоты сердечных сокращений.

В работах [73, 75] был предложен следующий механизм возникновения ДД. Ток инактивируется во время начала ПД и активируется во время реполяризации, когда напряжение достигает порогового значения (-40мВ). Медленная активация заставляет потенциал мембраны медленно деполяризоваться до порогового уровня с последующей активацией входящего кальциевого тока и генерацией нового ПД [73].

Следует отметить, что до недавнего времени представление о формировании ПД в пейсмейкерных клетках посредством мебранных токов было главенствующим и в теориях, и в математических моделях [67, 76].

1.9.2 Концепция внутренних Са²⁺-«часов»

Еще в 1943 г. Бозлер [77] предсказал существование внутренних химических осцилляторов в клетках ритмоводителей, однако их природа до сих пор остается предметом дискуссий [78-81].

Недавние эксперименты по изучению кальциевой динамики в клетках водителей ритма [79, 82-84] показали, что даже при отсутствии стимуляции со стороны внешних мембранных токов наблюдаются спонтанные периодические высвобождения из терминальных цистерн СР. Данный факт напрямую подтверждает существование внутренних кальциевых осцилляторов, так называемых кальциевых «часов». Роль Са²⁺-«часов» выполняет система Са²⁺- высвобождающих единиц. События высвобождения Са²⁺ из СР являются периодическими и запускают Na²⁺-Ca²⁺ обменный ток, играющий триггерную роль в формировании ПД в клетках САУ.