Роль ионов натрия, кальция и температуры в генерации потенциалов действия клеток синусно-предсердной области сердца позвоночных Головко, Владимир Александрович

Введение к работе

рт*ЦИЙ|

Актуальность работы определяется тем, что изучение механизмов енерации пейсмекерной активности миокарда составляет фундвмен-альную задачу электрофизиологии сердца (Бабский, 1971; Костюк, азов, 1989), но знания о фундаментальной организации и деятельно-ти клеток, задающих ритм сердечных сокращений, фрагментарны. Ве-оятно, поэтому'электрофизиология клеток водителя ритма слабо от-ажена в крупных монографических сводках (Физиология кровообраще-ия,1980; Руководство по кардиологии, 1982). Значение исследований одителя ритма возрастает е связи с применением фармакологических оздейстЕий при синдромах слабости синусно-предсердного узла (Бре-икис, Букаускас, 1981; ЧазоЕ,1984), частота встречаемости которо₇ о у населения возрастает.

В генерации пейсмекерной активности участвуют несколько ион-ых токов. Сведения о роли ионов натрия и кальция в генерации ПД леток водителя ритма немногочисленны и противоречивы. Известно, то ионы натрия, которые ответственны за фазу быстрой деполяризз-ии мембраны сократительного миокарда и волокон Пуркине, оказывают :лабый эффект на спонтанную диастолическую и быструю деполяризацию :леток истинного водителя ритма. Для понимания механизмов генерали ПД необходимо определить участие ионов натрия и кальция в ге-іврации отдельных фаз ПД. Без знания, например, механизмов генера-дш диастолической деполяризации невозможно разрабатывать проблемы іонного регулирования спонтанной ритмической активности миокарда.

Наиболее полно раскрыть фундаментальное значение той или иной іункции организма позволяют исследования на представителях разных :лассов животных. В основу работы положен сравнительно-эволюцион-шй метод (Северцов, 1949; Орбели, 1961).

Исследования проведены нами на спонтанно сокращающихся препа-

штах сердец позвоночных животных (минога, стерлядь, окунь, шгот-

ш, лягушка, черепаха, голубь и кролик), стоящих на разных этапах

шолюционного развития. Выяснение закономерностей становления фун-

гции водителя ритма в эволюции позволяет подойти к задаче модели-

гавания генерации ПД клеток истинного водителя ритма сердца чело-

шка. Моделирование этого процесса остается важным инструментом

гзучения функционирования клеток истинного водителя ритма челове-

-I-

ка в настоящее время, тбк как применение других методов возможн только в условиях острого эксперимента -

Важнейшим фактором среда, оказывающим постоянное воздействие на живые организмы, является температура. За последние полстолетии в изучении механизмов адаптации позвоночных животных к температур* достигнуты весомые успехи (Sholander et al., 1953; Prosser et al., 1970; Александров, 1975). Однако физиологические возможности температурной адаптации клеток водителя ритма сердца пойкилотермных і гомойотермних животных не ясны. Эти вопросы важны для подбора условий поддержания жизнедеятельности при хирургических вмешательствах и хранении изолированных органов сердечно-сосудистой системы. Изучение воздействий температуры на механизмы генерации ПД клеток синусно-предсердной области различных позвоночных представляв! интерес и в связи с проблемами адаптации сердечно-сосудистой системы к условиям Севера (Рощевский, 1972).

Цель настоящей работы заключается в изучении роли ионов натрия и кальция и температуры е генерации электрической активности клеток Еодителя ритма сердца позвоночных, стоящих на различных ступенях эволюционного развития.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:

1. Измерить и проанализировать основные параметры внутриклеточных потенциалов действия клеток синусно-предсердной области.

2. Разработать быстрый метод для первичной идентификации зоны истішного водителя ритма сердца позвоночных; установить область локализации клеток истинного водителя ритма в сердце круглоротих, земноводных, рептилий и птиц.

3. Установить основные критерии разделения клеток синусно-предсердной области по режиму работы на клетки истинного и скрытого водителей ритма в сердце круглоротих, земноводных, рептилий и птиц.

4. Изучить влияние гипо- и гиперкальциевых сред на генерацию ПД.

5. Исследовать влияние гипонатриевых растворов на спонтанную электрическую активность клеток синусно-предсердной области.

6. Изучить эффекты ионов Мп и соединения Д 600 - блокаторов

-г-

іедленного, направленного внутрь клеток Na-Ca-тока.

7. Выявить температурные зависимости фаз ПД клеток синусно-іредсердной области в различных ионных средах.

8. С помощью экспериментов на модели оценить вклад токов гонов Na, Са и К в генерацию ПД клеток водителя ритма млекопитаю-щх (кролик).

Настоящая работа выполнена в соответствии с планом НИР лабо-затории сравнительной кардиологии Института биологии Коми филиала Ш СССР и лаборатории физиологической информативности биофизичес-сих полей Института физиологии Коми научного центра УрО АН СССР (N Т 01.87.0. 001950).

Научная новизна. Впервые определена роль ионов натрия и каль-щя в генерации отдельных фаз _ПД клеток водителя ритма синусно-іредсердной области сердца, что позволило обосновать концепцию об гсилении вклада ионов кальция в развитие и становление функции водителя ритма в ряду позвоночных.

Установлено увеличение длительности спайка ПД и снижение пер-зой производной нарастания амплитуда ПД по времени в фазу быстрой деполяризации (V_o ) у клеток водителя ритма в' эволюционном ряду гозвоночных.

Обнаружено, что препараты (полоски) синусно-предсердной обла-зти сердца миноги способны длительно (более 10 ч) сохранять спонтанную активность в растворе Рингера без добавления кальция, тогда сак полоски из сердца кролика в этих условиях проявляют ритмичес-сую спонтанную активность несколько минут.

Выявлено, что клетки истинного водителя ритма синусно-предсердной области лягушки менее устойчивы к гипокальциевому, чем с гипонатриевому раствору. Параметры клеток истинного водителя ритма сердца теплокровных (голубь, кролик) менялись при действии збоих растворов.

Выялена возможность перехода клеток скрытого водителя ритма іа режим работы клеток истинного водителя ритма и, наоборот, показаны условия, при которых такой переход осуществлялся.

Определены величины температурного коэффициента скорости из-иенения фаз ПД в диапазоне температуры, при котором сохраняется жтмическая спонтанная активность препаратов. На примере предста-

вителей трех классов-позвоночных (лягушка, черепаха, голубь) пс казано увеличение температурного коэффициента Q₁₀ длительности фг спайка ПД и производной нарастания фазы быстрой деполяризации I по времени е гипокальциевом растворе. Показано, что у холоднокроі ных (минога, стерлядь, окунь, плотва, лягушка, черепаха) вклг ионов кальция в медленный, направленный внутрь клетки ток увеличі вается в 3-4 раза. Представлена схема, обобщающая полный цикл дві жения ионов Na, Са и К внутрь клетки Еодителя ритма и наружу течение генерации ПД.

В методическом плане впервые обоснованы критерии разделен! клеток водителя ритма на истинный и скрытый в сердце круглоротыз земноводных, рептилий и птиц. Предложен тест для первичной иденти фикации в эксперименте клеток истинного водителя ритма в синусне предсердной области.

Научно-практическое значение проведенного исследования:

новизна работы и ее теоретическая ценность заключаются развитии сравнительно-эволюционного направления в изучении станоЕ ления функции автоматии сердца. Получены ноше данные о генераци ПД пейсмекерных клеток представителей различных классов позвоноч ных;

показана роль ионов кальция и температуры в структурно функциональных перестройках ионных каналов как основного принцип адаптации сердечной функции организмов в ходе эволюции;

для первичной идентификации зоны истинного водителя ритм предложено использовать эффект температуры на электрические и со кратительные свойства синусно-предсердной области, который заклю чается в наличии волновых микросокращений у препаратов теплокров ных при снижении температуры до 1ЭС;

разработаны подходы к изучению эффектов ионного регулирова ния генерации ПД, которые могут быть использоевны в качестве тео ретической базы для практических исследований по скринингу кардио тройных препаратов.

Результаты, полученные в данной работе, использованы при чте нии курсов физиологии в Коми государственном педагогическом инсти туте, на кафедрах физиологии человека и животных Сыктывкарского Уральского госуниверситетов и 2-го МОЛШИ им.Пирогова и лекций п

іволюции клетки в Институте усовершенствования учителей Коми ССР.

Критерии классификации Щ клеток истиного и скрытого водите-гей ритма пойкилотермных животных применяются в Кубанском медин-ітитуте при анализе влияния блуждающих нервов на формирование рит-га сердца. Параметры ПД клеток синусно-предсердной области исполь-іуют в Рижском политехническом университете для моделирования провесов генерации ПД клеток водителя ритма,

Полученные нами экспериментальные данные могут представлять штерес для эмбриологов и биохимиков, изучающих строение мембран.

Основные положения, выносимые на защиту, следующие:

1. Вклад тока ионов Са в генерации ПД клеток Еодителя ритма ;ердца возрастает в эволюционном ряду позвоночных от круглоротих цо млекопитающих. Усиление роли ионов Са в инициации электрической зктиености сердца гомойотермних состоит в том, что медленные кальциевые токи определяют уровень порогового потенциала.

2. Длительность спайка ПД, от которой зависит продолжительность сокращения миофибрилл, на порядок выше у млекопитающих и рептилий по сравнению с круглоротими.

3. Клетки Еодителя ритма сердца пойкилотермных менее гетеро-генны по своей устойчивости к изменениям наружной концентрации ионов натрия и кальция, чем клетки Еодителя ритма сердца млекопитающих. .

4. Под воздействием наружной концентрации ионов кальция или температуры в сердце пойкилотермных клетки типа скрытого водителя ритма способны менять режим работы на истинно пейсмекерный. В нормальном растворе режим работы клеток типа скрытого водителя ритма восстанавливается.

5. Разработан и использован в эксперименте тест для обнаружения зоны истинного водителя ритма в препаратах синусно-предсердной области сердца позвоночных.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на I и II Всесоюзных симпозиумах по сравнительной электрокардиоло-гии (Сыктывкар, 1979, 1985); II, TV, VII, VIII Международных конгрессах по электрокардиологии (Варна, 1975, Балатонфюред, 1977, Глазго, 1978, Лиссабон, 1980, Будапешт, 1981); III Всесоюзном со-вещангаї "Теория и практика автоматизации электрокардиологичесих

исследований" (Пущино, 1976); VII научном совещании по эволюцион ной физиологии, посвященном памяти аквд.Л.А.Орбели (Ленинград 1978); ПІ с*езде Всесоюзного физиологического общества им И.П.Па влова (Алма-Ата, 1979); IX симпозиуме "Биологические проблемы Се вера" (Сыктывкар, 1981); совещании "Теория и практика автоматиза ции электрокардиологических и клинических исследований "(Каунас 1981); VI Всесоюзной конференции по экологической физиологии (Сык тывкар, 1982); научном семинаре ПНИЛ при Каунасском мединститут (1984); заседании Сыктывкарского отделения Всесоюзного обществ физиологов, биохимиков и фармакологов им.И.П.Павлова (Сыктывкар 1975, 1986); нейрофизиологическом семинаре Института физиологии А УССР (Киев, 1987); на Всесоюзном симпозиуме "Физиология и пвтофи зиология сердца" (Киев, 1987).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, в и: числе монографии - 2, научные статьи - 14, информационные материалы - 17.

Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, обзора литературы, методики, основной части (результаты и их обсуждение), заключения и выводов. Основная часть включает шесть глав, в которых приводятся результаты электрофизиологических исследований синусно-предсердной области представителей шести классов позвоночных. Работа изложена на 300 страницах машинописи, иллюстрирована 59 рисунками, 3G таблицами.. Библиография включает 360 наименований.