БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 3, с. 574-582

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 612.172

КИНЕТИКА ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО КАЛЬЦИЯ И ПОТЕНЦИАЛ

ДЕЙСТВИЯ В МИОКАРДЕ ЖЕЛУДОЧКОВ СПОНТАННО-

ГИПЕРТЕНЗИВНЫХ КРЫС ЛИНИИ ISIAH

Институт иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН,

Екатеринбург, 620049, ул. Первомайская, 106

E-mail: virus_x@mail.ru

Поступила в редакцию 03.10.2019 г.

После доработки 13.02.2020 г.

Принята к публикации 25.02.2020 г.

На многоклеточных препаратах миокарда правого и левого желудочков здоровых контрольных

крыс и крыс с врожденной артериальной гипертензией показана зависимость кинетики внутрикле-

точного кальция и длительности потенциала действия кардиомиоцитов от возраста животных. В

препаратах миокарда контрольных и гипертензивных крыс кинетика спада свободного внутрикле-

точного кальция с возрастом замедляется, а различия между группами минимизируются. При этом

сглаживается фаза кратковременного замедления спада внутриклеточного кальция, отчетливо вы-

раженная в правом желудочке молодых гипертензивных крыс. С возрастом длительность реполяри-

зации в кардиомиоцитах обоих желудочков у крыс контрольной и спонтанно гипертензивной групп

уменьшается, однако в препаратах правого желудочка контрольных крыс она всегда остается боль-

шей по отношению к миокарду гипертензивных крыс. Таким образом, впервые экспериментально

получены данные о возрастной динамике некоторых характеристик электромеханического со-

пряжения в миокарде крыс с врожденной артериальной гипертензией, которые свидетельствуют о

развитии спонтанной гипертрофии, вероятно, вызванной активацией ренин-ангиотензиновой си-

стемы.

Ключевые слова: миокард; возраст; гипертензия; кинетика свободного внутриклеточного кальция;

потенциал действия.

DOI: 10.31857/S0006302920030187

России линия с генетически обусловленной

Длительное действие гипертензии является

стресс-чувствительной артериальной гипертен-

одной из основных причин развития гипертро-

зией (ISIAH - Inherited Stress-Induced Arterial Hy-

фии сердца и сердечной недостаточности. Суще-

pertension) [1, 2]. Представляет интерес исследо-

ствует несколько экспериментальных моделей

вать изменения биофизических характеристик

развития артериальной гипертензии, и, как пра-

миокарда крыс линии ISIAH в ходе развития ги-

вило, у большинства моделей механизмы иници-

пертензии.

ации гипертензии запускаются практически сра-

зу после воздействия (инъекции активных ве-

Известно, что гипертрофия проявляется ря-

ществ, различные перевязки и т.д.). Отно-

дом изменений в системе электромеханического

сительно недавно появились линии крыс с гене-

сопрìяжения возбуждения с сокращением мио-

тически обусловленной гипертензией, которая

карда и, в частности, в изменении длительности

развивается постепенно. Одна из таких линий -

потенциала действия и кинетики свободного

это широко известная линия спонтанно-гипер-

Ca²⁺ в миоцитах [3]. Также на кинетику Ca²⁺ и

тензивных крыс (SHR), вторая - выведенная в

длительность потенциала действия влияет и воз-

раст [4]. Для того чтобы сопоставить данные из-

Сокращения: SHR - линия спонтанно-гипертензивных

менений кинетики цитозольного Ca²⁺ и длитель-

крыс (Spontaneously Hypertensive Rats), ISIAH - линия

ности потенциала действия от возраста и посте-

крыс с генетически обусловленной стресс-чувствительной

артериальной гипертензией (Inherited Stress-Induced Arte- пенного развития гипертрофии, исследование

rial Hypertension), WAG - линия нормотензивных крыс

проводили на самцах крыс двух возрастов - полу-

Wistar Albino Glaxo, WKY - линия нормотензивных крыс

тора- и семимесячных. В качестве контрольных

Wistar-Kyoto, [Ca²⁺]_i - ионы несвязанного цитозольного

кальция.

(нормотензивных) животных использовали крыс

574

КИНЕТИКА ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО КАЛЬЦИЯ

575

линии WAG (Wistar Albino Glaxo), в качестве экс-

KCl

- 4.7, MgSO₄

- 1.2, NaHCO₃

- 14.5,

периментальных (гипертензивных) - крыс линии

KH₂PO₄ - 1.2, CaCl₂ - 2.5, глюкоза - 11.1 при

ISIAH с генетически обусловленной стресс-чув-

pH 7.35 и насыщении смесью 95% O₂ + 5% CO₂. В

ствительной артериальной гипертензией. По-

раствор добавляли 30 мМ 2,3-бутандион моно-

скольку электромеханическое сопряжение в мио-

ксима для предотвращения повреждения препа-

карде крыс линии ISIAH практически не изучено,

ратов миокарда при их иссечении. Из правого же-

учитывая экспериментально подтвержденную со-

лудочка сердца вырезали тонкие папиллярные

дружественность функций желудочков

[5-8],

мышцы и трабекулы, из левого - только папил-

можно ожидать развитие гипертрофии обоих от-

лярные мышцы. Извлеченные препараты мио-

делов сердца. В связи с этим мы исследовали изо-

карда перемещали в экспериментальную ванну с

лированные препараты правого и левого желу-

проточным раствором Кребса при насыщении

дочков сердца животных.

смесью 95% O₂ + 5% CO₂. Измерения выполняли

при длине препаратов миокарда, равной 95% от

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

максимальной, температуре 25°C и частоте элек-

трической стимуляции 0.33 Гц.

Эксперименты были выполнены на самцах

крыс двух возрастных групп - полутора и семи

Для регистрации свечения несвязанного внут-

месяцев. Исследованы сердечные мышцы нормо-

риклеточного кальция ([Ca²⁺]_i) в кардиомиоци-

тензивных крыс линии WAG и гипертензивных

тах сердечной мышцы использовали кальцийсвя-

крыс линии ISIAH; полученные данные сопо-

зывающий флуоресцентный краситель fura-2/AM

ставлены друг с другом, а также с имеющимися

(Sigma-Aldrich, США) в концентрации 4 мкМ и

литературными данными для крыс линии SHR.

специальный агент Pluronic F-127 (Sigma-Aldrich,

Поскольку у генетически модифицированных

США), способствующий проникновению флуо-

крыс гипертензия развивается постепенно, то ис-

рофора сквозь саркоплазматическую мембрану, в

следования проводили на изолированных папил-

концентрации 0.2%. Перфузию этим раствором

лярных мышцах и трабекулах правого (RV) и ле-

проводили в течение 1 ч, после чего омывающий

вого (LV) желудочков сердец крыс линий WAG и

раствор вновь заменяли на стандартный раствор

ISIAH для указанных выше возрастов: ISIAH

Кребса без флуорофора. Измерения начинали че-

1.5 мес. (n = 14), WAG 1.5 мес. (n = 9), ISIAH 7 мес.

рез 30 мин после замены раствора. Оптическую

(n = 8), WAG 7 мес. (n = 14). Для исследования и

регистрацию свечения флуорофора в многокле-

анализа сформированы восемь групп исходя из

точном препарате выполняли с помощью систе-

линии, возраста и отдела сердца: WAG(1.5)-RV,

мы для исследования мышечной активности

ISIAH(1.5)-RV,

WAG(7)-RV, ISIAH(7)-RV,

Muscle Research System (Scientific Instruments

WAG(1.5)-LV,

ISIAH(1.5)-LV,

WAG(7)-LV,

GmbH, Германия) на базе инвертированного

ISIAH(7)-LV.

эпифлуоресцентного микроскопа Axiovert

200

Артериальное давление у крыс регистрировали

(Carl Zeiss, Германия). Для возбуждения флуоро-

плетизмографическим методом. Измерение про-

фора fura-2/AM использовали широкополосную

водили на наркотизированных самцах крыс ли-

ртутную лампу и систему вращающихся узкопо-

ний ISIAH и WAG семимесячного возраста с ис-

лосных светофильтров с длиной волны пропуска-

пользованием аппаратного комплекса PowerLab-

ния 340 и 380 нм (Scientific Instruments GmbH,

30 Series (ADInstruments, США) и программного

Германия). Световой поток эмиссии флуорофора

комплекса LabChart 7 (ADInstruments, США). В

направляли на светоделительный кубик с поло-

группах молодых крыс измерение давления пред-

сой пропускания 510/590 нм (FilterSet #21HE,

ставляет сложности в связи с малыми размерами

Carl Zeiss, Германия).

животных, что приводит к высокой вариабельно-

Регистрацию мембранного потенциала в клет-

сти данных. Перед процедурой измерения арте-

ках изолированной сердечной мышцы осуществ-

риального давления крысам внутримышечно

вводили препарат ксилазин в дозе 0.6-0.8 мл/кг,

ляли с помощью плавающих стеклянных микро-

через 10-15 мин внутримышечно вводили золе-

электродов с использованием системы Intracellu-

lar Electrometer IE-210 (Warner Instrument

тил 50 в дозе 0.06 мл/кг внутримышечно. Это поз-

Corporation, США). Микроэлектроды были полу-

воляло ввести животных в состояние поверх-

чены с помощью пуллера KOPF needle/pipette

ностного наркоза и устранить помехи, обуслов-

ленные мышечной активностью, регистрируемые

puller, model 730 (David KOPF Instruments, США),

пульсоксиметрическим датчиком у активных жи-

заполнены 3 М раствором KCl и с помощью

вставленной внутрь хлорсеребряной проволоки

вотных.

прикреплены к выносному блоку согласователя

Затем животных подвергали эвтаназии мето-

измерительной системы.

дом цервикальной дислокации, извлекали сердце

и помещали в препаровальную ванночку с рас-

Измерительные и задающие периферийные

твором Кребса-Хенселейта (в мМ): NaCl - 118,

устройства через АЦП/ЦАП PCI-1716S (AdLink

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

576

БАЛАКИН и др.

Морфометрические показатели сердец нормотензивных (WAG) и гипертензивных (ISIAH) крыс для двух

возрастных групп (полтора и семь месяцев)

Группа

Показатели

ISIAH, 1.5 мес., n = 14

WAG, 1.5 мес., n = 9

ISIAH, 7 мес., n = 8

WAG, 7 мес., n = 14

Масса тела, г

187.5 (170.0; 196.0)

159.0 (154.0; 170.0)

398.0 (374.0; 416.0)

374.5 (358.0; 393.00)

* #

* ##

L_tibia

31.25 (29.30; 31.80)

27.80 (26.95; 28.30)

42.40 (41.45; 43.20)

39.95 (38.70; 41.40)

* #

* ##

** #

** ##

Масса

0.6791 (0.5917; 0.7287)

0.5294 (0.5222; 0.5720)

1.0967 (1.0547; 1.1672)

0.8367 (0.7882; 0.9505)

сердца, г

* #

* ##

** #

** ##

Отношение

массы сердца

0.0037 (0.0033; 0.0040)

0.0034 (0.0033; 0.0034)

0.0028 (0.0027; 0.0029)

0.0023 (0.0022; 0.0024)

к массе тела,

* #

* ##

** #

** ##

г/г

Отношение

0.0213 (0.0189; 0.0241)

0.0192 (0.0187; 0.0194)

0.0254 (0.0250; 0.0274)

0.0212 (0.0208; 0.0233)

массы сердца

** #

** ##

к L_tibia, г/мм

P_сист, мм рт.

169.3 (142.7; 194.3)

114.7 (104.3; 123.0)

ст.

Примечание. Данные представлены в следующем виде: медиана (нижний квартиль, верхний квартиль); L_tibia - длина

берцовой кости, P_сист - систолическое артериальное давление крови в хвостовой артерии. Различия статистически значимы

(U-тест Манна-Уитни, P < 0.05): * - между группами ISIAH 1.5 мес. и WAG 1.5 мес., ** - между группами ISIAH 7 мес. и WAG

7 мес., # - между группами ISIAH 1.5 и 7 мес., ## - между группами WAG 1.5 и 7 мес.

Technology Inc., Тайвань) были связаны с персо-

морфометрические показатели сердец животных.

нальным компьютером для регистрации сигналов

У семимесячных крыс линии ISIAH обнаружено

с временной дискретностью 0.1 мс. Для онлайн-

достоверное превышение артериального давле-

измерения использовали собственный пакет про-

ния приблизительно в полтора раза по сравнению

граммного обеспечения, работа которого была

с крысами группы WAG того же возраста (табли-

реализована в подсистеме реального времени Hy-

ца). Одним из признаков гипертрофии является

perKernel (Arc Systems Ltd., Япония), интегриро-

утолщение стенки желудочков и увеличение их

ванной в ОС Windows XP.

массы [9, 10]. В полуторамесячном возрасте меди-

Экспериментальные данные были проверены

анное значение массы сердца крыс линии ISIAH

на нормальность распределения с использовани-

составляло 0.68 г и к семимесячному возрасту до-

ем тестов Колмогорова-Смирнова и Лиллифор-

стигло 1.1 г, в то время как у крыс линии WAG ме-

са, Шапиро-Уилка и анализа асимметрии и

дианное значение массы сердца составляло 0.53 г

эксцесса. Полученные нами данные не имели

и 0.8 г соответственно (различия достоверны

нормального распределения, поэтому для стати-

между группами для каждого возраста, P < 0.05).

стической оценки результатов были использова-

Мы обнаружили, что индекс отношения массы

ны непараметрические методы оценки статисти-

сердца к массе тела больше у крыс линии ISIAH

ческой значимости различий между группами

по сравнению с крысами линии WAG и с возрас-

животных (U-тест Манна-Уитни и односторон-

том различия стали еще существеннее (0.0037

ний дисперсионный анализ Краскела-Уоллиса

против 0.0034 в полуторамесячном возрасте и

для множественных сравнений), различия счита-

0.0028 против 0.0023 - в семимесячном возрасте,

лись статистически значимыми при p < 0.05.

см. таблицу). Таким образом, возрастной прирост

массы сердца, нормированной на вес тела, в груп-

пе спонтанно-гипертензивных крыс превышает

РЕЗУЛЬТАТЫ

прирост в контрольной группе, что можно объяс-

Артериальное систолическое давление и морфо-

нить развитием гипертрофии сердца в группе

метрия миокарда. Для оценки степени гипертро-

ISIAH. Индекс отношения массы сердца к длине

фии сердца проведены неинвазивные измерения

берцовой кости также больше у крыс линии

систолического артериального давления крови в

ISIAH и с возрастом различия также усилились

хвостовой артерии, а также проанализированы

(0.0213 против 0.0192 в полуторамесячном воз-

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

КИНЕТИКА ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО КАЛЬЦИЯ

577

(а)

(б)

1.00

WAG (1.5) RV

ISIAH (1.5) RV

0.75

AG (1.5)

ISIAH (1.5) LV

0.50

0.25

0.00

300

600

800

1200

300

600

800

1200

Время, мс

Рис. 1. Сопоставление кривых кинетики несвязанного цитозольного кальция ([Ca²⁺]_i) для препаратов миокарда пра-

вого и левого желудочков сердец полуторамесячных нормотензивных (линия WAG) (а) и гипертензивных (линия

ISIAH) (б) крыс. Измерения выполнены при длине мышцы 95% от оптимальной длины. Кривые нормированы на соб-

ственный максимум, диастолический уровень вычтен. Данные приведены как среднее для всех препаратов группы

± ошибка среднего.

расте и 0.0254 против 0.0212 - в семимесячном

[Ca²⁺]_i (замедление фазы спада) более выражено

возрасте), что свидетельствует о прогресси-

в миокарде крыс линии ISIAH. Более того, в от-

ровании гипертрофии сердца спонтанно-ги-

личие от крыс линии WAG, у крыс линии ISIAH

пертензивных крыс наряду с возрастными изме-

хорошо заметно различие характера спада [Ca²⁺]_i

нениями.

между препаратами миокарда левого и правого

Кинетика несвязанного внутриклеточного каль-

желудочков (ср. рис. 1а и 1б). Спад кальциевого

ция. Кинетику несвязанного кальция в цитозоле

перехода в миокарде левого желудочка моното-

регистрировали в стимулируемых изометрически

нен, в то время как в миокарде правого желудочка

сокращающихся изолированных многоклеточ-

имеет выраженную фазу кратковременного за-

ных препаратах миокарда при длине 95% от мак-

медления, формирующую характерный колено-

симальной. Следует отметить, что абсолютные

образный ход спада (так называемая фаза «bump»

величины интенсивности свечения существенно

[11, 12]).

зависят от: 1) геометрических размеров препара-

та, 2) длительности окраски препарата флуоро-

С возрастом у крыс обеих линий кинетика спа-

фором, 3) качества окраски препарата флуорофо-

да [Ca²⁺]_i в препаратах миокарда правого желу-

ром. Для исключения влияния указанных фак-

дочка замедляется (рис. 2). Интересно, что при

торов мы сопоставляли нормированные на

этом характер спада у крыс линии WAG (рис. 2а)

собственный максимум кривые интенсивности

не изменяется. Напротив, у крыс линии ISIAH

свечения флуорофора fura-2/AM при вычтенном

фаза кратковременного замедления спада [Ca²⁺]_i

диастолическом уровне, полученные в каждом

с возрастом становится менее выраженной за счет

препарате. Это позволило выявить особенности в

значительного замедления начальной фазы спада

кинетике [Ca²⁺]_i для препаратов миокарда раз-

(рис. 2б).

личных групп животных.

При сопоставлении изменений кинетики

Было обнаружено, что у крыс линии WAG по-

кальциевого перехода ([Ca²⁺]_i) в препаратах мио-

луторамесячного возраста длительности фазы на-

карда правого желудочка у крыс линий WAG и

растания кальциевых переходов ([Ca²⁺]_i) в препа-

ISIAH полуторамесячного возраста было обнару-

ратах миокарда правого и левого желудочков сов-

жено, что характер этого спада является суще-

падают (рис. 1а). При этом у крыс линии ISIAH

ственно немонотонным только у крыс линии

фаза нарастания [Ca²⁺]_i в миокарде левого желу-

ISIAH, так что в начальную фазу спад происходит

дочка более чем в два раза длиннее по сравнению

быстрее, чем у нормотензивных крыс, но замед-

с миокардом правого желудочка. У обеих линий

ляется в более позднюю фазу и происходит позд-

животных полуторамесячного возраста время

нее, чем у нормотензивных крыс (рис. 3а). Это

обуславливает и то, что общая длительность каль-

спада [Ca²⁺]_i от пика до уровня <5% амплитуды

циевого перехода в миокарде правого желудочка у

[Ca²⁺]_i в миокарде левого желудочка было суще-

полуторамесячных крыс линии ISIAH на ~25%

ственно больше, чем в миокарде правого желу-

больше, чем у контрольных крыс того же возрас-

дочка. При этом такое увеличение времени спада

та. Для препаратов миокарда левого желудочка у

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

578

БАЛАКИН и др.

(а)

(б)

1.00

WAG (1.5) RV

ISIAH (1.5) RV

0.75

AG (7)

0.75

ISIAH (7) RV

0.50

0.25

0.00

300

600

800

1200

300

600

800

1200

Время, мс

Рис. 2. Сопоставление кривых кинетики несвязанного цитозольного кальция ([Ca²⁺]_i) для препаратов миокарда

правого желудочка сердец полутора- и семимесячных нормотензивных (линия WAG) (а) и гипертензивных (линия

ISIAH) (б) крыс. Измерения выполнены при длине мышцы 95% от оптимальной длины. Кривые нормированы на

собственный максимум, диастолический уровень вычтен. Данные приведены как среднее для всех препаратов группы

± ошибка среднего.

крыс линий WAG и ISIAH полуторамесячного

рата спад [Ca²⁺]_i при расслаблении сердечной

возраста показано, что при врожденной артери-

мышцы в стационарных условиях имеет харак-

альной гипертензии спад [Ca²⁺]_i происходит мед-

терную фазу кратковременного замедления, при-

леннее независимо от уровня этого спада (на-

чем эта фаза более выражена в миокарде крыс с

чальный или более поздний, см. рис. 3б). Инте-

врожденной артериальной гипертензией. Важно

ресно, что у семимесячных крыс линий WAG и

отметить, что в миокарде левого желудочка этот

ISIAH не оказалось различий в кинетике роста

эффект отсутствует.

или спада [Ca²⁺]_i в препаратах миокарда правого

Потенциал действия. Потенциалы действия

желудочка (данные не приведены).

кардиомиоцитов крыс линий WAG и ISIAH полу-

тора- и семимесячного возраста имели характер-

В миокарде правого желудочка сердец крыс

ную для миокарда крыс форму, как в препаратах

линий WAG и ISIAH показано существенное вли-

правого, так и левого желудочка (рис. 4). Наибо-

яние степени растяжения мышцы на характер

лее выраженные возрастные отличия зарегистри-

спада [Ca²⁺]_i в ее клетках независимо от возраста

рованы в длительности фазы реполяризации по-

животного. Так, если в нерастянутой мышце спад

тенциалов действия в препаратах правого желу-

кинетики кальция монотонен, то при задании

дочка обеих групп крыс (рис. 4а). В правом

растяжения до 95% от оптимальной длины препа-

желудочке длительность реполяризации была до-

(а)

(б)

1.00

WAG (1.5) RV

WAG (1.5) LV

0.75

ISIAH (1.5) RV

0.75

ISIAH (1.5) LV

0.50

0.25

0.00

300

600

800

1200

300

600

800

1200

Время, мс

Рис. 3. Сопоставление кривых кинетики несвязанного цитозольного кальция ([Ca²⁺]_i) для препаратов миокарда

правого (а) и левого (б) желудочков сердец полуторамесячных нормотензивных (линия WAG) и гипертензивных

(линия ISIAH) крыс (сопоставление между группами). Измерения выполнены при длине мышцы 95% от оптимальной

длины. Кривые нормированы на собственный максимум, диастолический уровень вычтен. Данные приведены как

среднее для всех препаратов группы ± ошибка среднего.

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

КИНЕТИКА ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО КАЛЬЦИЯ

579

(а)

(б)

WAG (1.5) RV,

= 8

WAG (1.5) LV ,

= 8

ISIAH (1.5)

= 7

ISIAH (1.5)

= 8

WAG (7) RV,n

= 9

WAG (7)

LV,n

= 7

ISIAH (7)

RV,n = 7

ISIAH (7)

LV,n

= 7

100

150

200

250

100

150

200

250

Время, мс

Рис. 4. Сопоставление потенциалов действия кардиомиоцитов препаратов миокарда правого (а) и левого (б)

желудочков сердец полутора- и семимесячных нормотензивных (линия WAG) и гипертензивных (линия ISIAH) крыс.

Измерения выполнены при длине мышцы 95% от оптимальной длины. Данные приведены как среднее для всех

препаратов группы ± ошибка среднего.

стоверно больше в миокарде контрольных крыс, в

вых для левого тем, что длительность потенциа-

сравнении со спонтанно-гипертензивными кры-

лов действия на уровне 50% амплитуды у крыс

сами линии ISIAH. С возрастом у животных экс-

линии ISIAH меньше, чем у крыс линии WAG,

периментальной и контрольной групп длитель-

независимо от возраста. В левом желудочке дли-

ность реполяризации уменьшалась. Так, в препа-

тельность потенциалов действия зависит только

ратах миокарда правого желудочка длительность

от возраста крыс нормальной и гипертензивной

реполяризации потенциалов действия на уровне

групп.

50% амплитуды при частоте стимуляции 0.33 Гц

составляла у полуторамесячных крыс линии WAG

56.1 ± 3.8 мс, а у семимесячных крыс этой же ли-

ОБСУЖДЕНИЕ

нии - 43.1 ± 3.7 мс (p = 0.0383, тест Краскела-Уо-

ллиса). В миокарде правого желудочка полутора-

Различия характеристик кинетики кальцие-

месячных крыс линии ISIAH длительность по-

вых переходов ([Ca²⁺]_i), обнаруженных нами в

тенциала действия на уровне 50% амплитуды

изолированных многоклеточных препаратах

составила 30.7 ± 3.1 мс, а у семимесячных крыс

миокарда желудочков сердец крыс линии ISIAH

этой же линии - 20.6 ± 1.1 мс (p = 0.0086, тест

(с наследственной артериальной гипертензией) и

Краскела-Уоллиса). В папиллярных мышцах ле-

в миокарде нормотензивных крыс линии WAG,

вого желудочка значимые отличия обнаружены

не согласуются с литературными данными о раз-

между группами крыс линии ISIAH полутора- и

личиях кинетики несвязанного цитозольного

семимесячного возраста, длительность потенциа-

кальция в миокарде крыс со спонтанной артери-

ла действия на уровне 50% амплитуды составила

альной гипертензией (SHR) и нормотензивных

67.8 ± 3.9 мс и 54.6 ± 4.6 мс соответственно (p =

крыс линии Wistar-Kyoto (WKY). А именно, в на-

0.0489, тест Краскела-Уоллиса). С возрастом в

ших экспериментах у крыс линии ISIAH длитель-

обеих группах длительность потенциалов дей-

ность сигнала свечения [Ca²⁺]_i больше, а ампли-

ствия на уровне 50% амплитуды также уменьша-

ется (рис. 4б).

туда - меньше, в сравнении с таковыми в миокар-

де нормотензивной группы WAG. Большинство

Для более наглядного представления приведе-

исследований на одиночных вентрикулярных

на сводная диаграмма величин длительности по-

кардиомиоцитах крыс линий SHR и WKY в воз-

тенциалов действия в сердечных мышцах всех ис-

расте от одного до шести месяцев показывают,

следованных групп (рис. 5). Видно, что в сердеч-

что амплитуда [Ca²⁺]_i выше у гипертензивных

ных мышцах правого и левого желудочка

животных [3, 13, 14]. При этом длительность

спонтанно-гипертензивных (ISIAH) и нормотен-

зивных (WAG) крыс длительность потенциалов

[Ca²⁺]_i в миокарде гипертензивных крыс не изме-

действия с возрастом уменьшается. Препараты

няется [13] или же возрастает [15], как это показа-

миокарда правого желудочка отличаются от тако-

ли мы в нашем исследовании. По другим данным,

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

580

БАЛАКИН и др.

(а)

(б)

n=8

n=7

n=9

n=7

Рис. 5. Усредненные значения длительности потенциала действия на уровне 50% амплитуды потенциала действия

(ДПД₅₀) в кардиомиоцитах папиллярных мышц правого (а) и левого (б) желудочков сердец самцов полутора- и

семимесячных нормотензивных (линия WAG) и гипертензивных (линия ISIAH) крыс. Измерения выполнены при

длине мышцы 95% от оптимальной длины. Данные приведены как среднее для всех препаратов группы ± ошибка

среднего. Различия статистически значимы (тест Краскела-Уоллиса, p < 0.05): * - WAG 1.5 мес. по сравнению с WAG

7 мес. (правый желудочек), ^ - ISIAH 1.5 мес. по сравнению с ISIAH 7 мес. (правый желудочек), # - WAG 1.5 мес. по

сравнению с ISIAH 1.5 (правый желудочек), ° - WAG 7 мес. по сравнению с ISIAH 7 мес. (правый желудочек), ^^ -

ISIAH 1.5 мес. по сравнению с ISIAH 7 мес. (левый желудочек).

крысы [19]. При этом показано, что плотность

ни амплитуда, ни длительность [Ca²⁺]_i у крыс со

медленного кальциевого тока (I_СаL) была незна-

спонтанной гипертензией не изменяются [16].

чительно изменена в гипертрофированных мио-

Обратное соотношение длительности потен-

цитах крыс линии SHR, по сравнению с кон-

циалов действия в миокарде нормотензивных и

трольными крысами. Поскольку удлинение по-

гипертензивных крыс, показанное в нашей рабо-

тенциалов действия показано на одиночных

те, также противоречит большинству литератур-

кардиомиоцитах, авторы приходят к выводу, что

ных данных о соотношении длительности потен-

это может быть связано только с изменением

циалов действия в нормальном и гипертрофиро-

свойств мембраны [18].

ванном миокарде. Как и в большинстве моделей

гипертрофии сердца животных, миокард крыс

Кроме этого, нами впервые получены данные

линии SHR характеризуется увеличением дли-

о кинетике внутриклеточного кальция ([Ca²⁺]_i),

тельности потенциалов действия [14]. Этот фено-

потенциалах действия и морфометрических ха-

мен был впервые описан в работах на многокле-

рактеристиках препаратов миокарда левого и

точных препаратах [17]. Показано значительное

правого желудочков сердец крыс линии ISIAH в

увеличение длительности потенциалов действия

ходе развития возрастных изменений.

в миокарде крыс линии SHR по сравнению с кры-

сами линии WKY: на уровне 50% амплитуды он

Обнаружено полуторакратное превышение

был равен 39.8 ± 18.9 мс у крыс линии SHR и

артериального давления у семимесячных крыс

10.0 ± 2.7 мс - у крыс линии WKY [3]. Также по-

линии ISIAH в сравнении с WAG того же возрас-

казано удлинение потенциалов действия в кар-

та, что свидетельствует о развитии выраженной

диомиоцитах левого желудочка двух- и семнадца-

артериальной гипертензии. Превышения показа-

тимесячных самцов спонтанно-гипертензивных

телей массы сердца, а также индексов отношения

крыс (SHR) по сравнению с нормотензивными

массы сердца к массе тела, либо к длине берцовой

крысами (WKY) при частоте стимуляции 0.2 Гц и

кости для крыс линии ISIAH в сравнении с WAG,

температуре 35°С [18].

усиливающиеся с возрастом, указывают на разви-

В гипертрофированных сердцах крыс удлине-

тие прогрессирующей гипертрофии сердца. По-

ние потенциалов действия обусловлено падением

казаны существенные отличия не только в дли-

плотности реполяризующего калиевого тока I_to.

тельности фаз нарастания и спада концентрации

Этот феномен прямо связан с длительностью ги-

Ca²⁺, но и в характере спада кальциевого перехо-

пертензии. Ток I_to играет ведущую роль в фазе ре-

да в препаратах миокарда правого желудочка

поляризации потенциала действия в миокарде

крыс линии ISIAH относительно препаратов из

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

КИНЕТИКА ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО КАЛЬЦИЯ

581

левого желудочка сердец крыс той же линии, а

сибирск) за предоставление лабораторных жи-

также относительно нормотензивных животных.

вотных для проведения экспериментов.

Существенные изменения длительности по-

тенциалов действия найдены нами в препаратах

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

правого отдела. Длительность потенциалов дей-

ствия на уровне 50% амплитуды у препаратов

Работа выполнена в рамках госзадания ИИФ

правого желудочка крыс линии ISIAH меньше,

УрО РАН (регистрационный номер НИОКТР

чем у крыс линии WAG, независимо от возраста.

№АААА-А18-118020590031-8).

В левом желудочке длительность потенциалов

действия зависит только от возраста животных,

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

как для нормотензивной, так и для гипертензив-

ной групп. Представленные результаты также

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

подтверждают развитие гипертрофии сердца у

интересов.

крыс линии ISIAH, так как укорочение потенци-

алов действия, наблюдаемое при ишемии или по-

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

давлении метаболизма, в большей степени выра-

жено в клетках гипертрофированных желудоч-

Все манипуляции с подопытными животными

ков, по сравнению со здоровыми сердцами [20].

соответствовали международным правилам обра-

По современным данным запуск одного из ос-

щения с лабораторными животными и были

новных механизмов развития гипертрофии про-

одобрены комиссией Института иммунологии и

исходит через высвобождение и активацию ан-

физиологии УрО РАН по контролю за лаборатор-

гиотензина II [22]. Можно предположить, что ме-

ными животными.

ханизм развития гипертензии у крыс линии

ISIAH опосредует активацию ангиотензина II.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Это проявляется в укорочении длительности по-

тенциалов действия по сравнению с контрольны-

1. A. L. Markel, Genetic Hypertension 218, 405 (1992).

ми препаратами миокарда, как показано при ак-

2. Л. Смолюк, Д. Кузнецов, Р. Лисин и др., Рос.

тивации AT₁-рецепторов ангиотензина II [23].

физиол. журн. им. И. М. Сеченова 101 (5), 559

(2015).

3. Y. Chen-Izu, L. Chen, T. Banyasz, et al., Am. J.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Physiol. Heart Circ. Physiol. 293 (6), H3301 (2007).

Таким образом, совокупность представленных

4. J. Weisser-Thomas, Q. Nguyen, M. Schuettel, et al.,

морфометрических, биомеханических, электро-

Age (Dordr.) 29 (4), 205 (2007).

физиологических и кальциевых характеристик

5. L. La Vecchia, L. Zanolla, L. Varotto, et al., Am. Heart

позволяет предположить, что развитие гипертро-

J. 142 (1), 181 (2001).

фии в миокарде правого и левого желудочков сер-

дец самцов спонтанно-гипертензивных крыс ли-

6. S. Mital, Arch. Mal. Coeur Vaiss. 99 (12), 1244 (2006).

нии ISIAH хотя и отличается от таковой в мио-

7. M. M. Tumuklu, U. Erkorkmaz, and A. Ocal, Echocar-

карде крыс линии SHR, но имеются и общие

diography 24 (4), 374 (2007).

черты. Необходимо заметить, что корректно со-

8. F. Haddad, R. Doyle, D. J. Murphy, et al., Circulation

поставлять характеристики сократимости каждой

117 (13), 1717 (2008).

из двух линий спонтанно-гипертензивных жи-

9. G. Olivetti, E. Cigola, R. Maestri, et al., Cardiovasc.

вотных лишь относительно исходной линии нор-

Res. 45 (1), 68 (2000).

мотензивных животных. По нашим данным и по

10. K. Berenji, M. H. Drazner, B. A. Rothermel, et al., Am.

данным других авторов, гипертрофия миокарда,

J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 289 (1), H8 (2005).

развивающаяся в ответ на постепенно нарастаю-

щую гипертензию в сердцах крыс линии ISIAH

11. Y. Jiang, M. F. Patterson, D. L. Morgan, et al., Am. J.

(или линии SHR), отличается по свойствам элек-

Physiol. 274 (5, Pt 1), C1273 (1998).

тромеханического сопряжения от гипертрофии

12. O. Lookin and Y. Protsenko, Open Life Sci. 6 (5), 730

миокарда, развивающейся в ответ на длительную,

(2011).

но внезапно предъявляемую нагрузку. В этом от-

13. S. R. Shorofsky, R. Aggarwal, M. Corretti, et al., Circ.

ношении гипертрофия сердца животных этих

Res. 84 (4), 424 (1999).

двух линий наиболее близка к гипертрофии мио-

14. P. Brooksby, A. J. Levi, and J. V. Jones, Cardiovasc.

карда при эссенциальной гипертензии человека.

Res. 27 (7), 1268 (1993).

15. M. L. Ward, D. J. Crossman, and M. B. Cannell, Clin.

БЛАГОДАРНОСТИ

Exp. Pharmacol. Physiol. 38 (10), 711 (2011).

Авторы благодарят проф., д.б.н. А.Л. Маркеля

16. M. R. Fowler, J. R. Naz, M. D. Graham, et al., J. Mol.

(Институт цитологии и генетики СО РАН, Ново-

Cell. Cardiol. 42 (3), 582 (2007).

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020

582

БАЛАКИН и др.

17. H. Hayashi and S. Shibata, Eur. J. Pharmacol. 27 (3),

21. S. M. Bryant, S. J. Shipsey, and G. Hart, Cardiovasc.

255 (1974).

Res. 35 (2), 315 (1997).

18. E. Cerbai, M. Barbieri, and A. Mugelli, Circulation 94

22. H. E. Cingolani, N. G. Perez, O. H. Cingolani, et al.,

(7), 1674 (1996).

Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 304 (2), H175

19. M. Lambert, A. Boet, C. Rucker-Martin, et al., Car-

(2013).

diovasc. Res. 114 (6), 880 (2018).

20. T. Furukawa, R. J. Myerburg, N. Furukawa, et al., Am.

23. D. P. Zankov, M. Omatsu-Kanbe, T. Isono, et al., Cir-

J. Physiol. 266 (3, Pt 2), H1121 (1994).

culation 113 (10), 1278 (2006).

The Kinetics of Intracellular Calcium and Action Potential in The Ventricular

Myocardium of Spontaneously Hypertensive ISIAH Rats

A.A. Balakin, O.N. Lookin, D.A. Kuznetsov, and Yu.L. Protsenko

Institute of Immunology and Physiology, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,

ul. Pervomayskaya 106, Yekaterinburg, 620049 Russia

The multicellular myocardial preparations from the right and left ventricles of healthy rats (control group)

and rats with inherited stress-induced arterial hypertension (ISIAH group) were used to show the animal age

dependent differences in the kinetics of intracellular calcium transient ([Ca²⁺]_i) and the action potential du-

ration in cardiomyocytes. In rat myocardial preparations from control and ISIAH groups, the kinetics of the

decline of [Ca²⁺]_i slows down with age and the differences in [Ca²⁺]_ibetween groups become mild. At the

same time, the short-term [Ca²⁺]_idecline phase clearly expressed in the right ventricle of young hypertensive

rats is smoothed out. The time course of action potential repolarization in the left and right ventricular car-

diomyocytes from control and ISIAH groups tends to be shorter with age. However, in preparations of the

right ventricle of control rats, the duration of repolarization remains greater than that in preparations of hy-

pertensive rats. Thus, experimental data on some characteristics of age-dependent electromechanical cou-

pling dynamics in the myocardium of rats with inherited stress-induced arterial hypertension were obtained

for the first time. Our results indicate that spontaneous hypertrophy seems to develop due to activation of the

renin-angiotensin system.

Keywords: myocardium; age; hypertension; kinetics of free intracellular calcium; action potential

БИОФИЗИКА том 65

№ 3

2020