Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2020, T. 56, № 1, стр. 42-47

ВВЕДЕНИЕ

При исследовании адаптации организма рыб к различным условиям среды обитания особое внимание уделяется деятельности сердечно-сосудистой системы, так как ее нарушение является одним из основных факторов, ограничивающих жизнедеятельность организма в изменившихся условиях. На любые стрессогенные изменения окружающей среды возникает комплекс физиологических реакций, связанных преимущественно с увеличением сердечного выброса, который реализуется за счет увеличения частоты сердечных сокращений (ЧСС) [1]. Природная изменчивость ЧСС как фактора увеличения насосной функции реализуется через увеличение электрической и механической гетерогенности сердца [2]. Неоднородность сердца тесно связана с эволюцией развития системы. Тем самым чем она сложнее, тем более выражена ее гетерогенность, обусловливающая многообразие механизмов реагирования на различные стимулы [3]. Строение сердца рыб свидетельствует о законченной морфологически и функционально эволюционно-детерминированной структуре миокарда, которая обеспечивает работу сердца рыб в широком диапазоне изменений условий окружающей среды. Стенка желудочка сердца рыб состоит из губчатого и компактного миокарда, степень развития которого зависит от среды обитания и образа жизни животного [4]. Известно, что эктотермные позвоночные животные имеют относительно медленный синусно-предсердный ритм сердца [5], недостаточно развитую проводящую систему сердца и низкий уровень метаболических реакций [6]. Вместе с тем ряд исследователей [7] обнаружили в трабекулах сердца у рыб Danio rerio мышечные пучки, подобные проводящей системе Гиса–Пуркинье у млекопитающих. Факторами, ограничивающими адаптацию организма рыб к изменившимся факторам среды обитания, являются частота сердечного ритма [8, 9] и пространственно-временная организация процесса возбуждения миокарда, которая во многом определяет сократительную и насосную функцию сердца [10]. К настоящему времени изучена последовательность деполяризации миокарда желудочка у костистых рыб: щуки, европейского хариуса [10], карпа [11] и трески [12] при синусно-предсердном ритме в экспериментах in situ. Установлено, что у подвижных видов рыб (европейского хариуса, щуки) волна деполяризации от ранних очагов возбуждения, расположенных в субэндокардиальных слоях основания желудочка вблизи атриовентрикулярного отверстия, движется по направлению к эпикарду и вдоль стенки основания и далее по направлению к вентральным областям основания и верхушки желудочка [10]. Для малоподвижных видов костистых рыб (карпа, трески), у которых стенка желудочка имеет тонкий компактный слой и толстый губчатый слой, характерен трансмуральный градиент деполяризации от эндокарда к эпикарду во всех областях желудочка [11, 12]. Вместе с тем остается открытым вопрос о том, каким образом изменится процесс деполяризации миокарда желудочка рыб при предсердной искусственной электрической стимуляции и при какой частоте сердечных сокращений сохранится физиологическая последовательность возбуждения миокарда, присущая для синусно-предсердного ритма, обеспечивающая функциональную деятельность сердца рыб.

Цель работы – изучение закономерностей процесса возбуждения миокарда желудочка радужной форели Oncorhynchus mykiss (Walbaum, 1792) при искусственной предсердной электрической стимуляции.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование выполнено в соответствии с международными правилами обращения с экспериментальными животными [13] и одобрено локальным этическим комитетом Института физиологии Коми НЦ УрО РАН.

Эксперименты проведены на 14 радужных форелях O. mykiss обоего пола массой тела 1.1 ± 0.2 кг (масса сердца – 2.1 ± 0.8 г; масса желудочка – 1.9 ± ± 0.8 г), адаптированных в садках прудового хозяйства к естественной температуре воды 5–7°С. Для обездвиживания рыбу оглушали. Затем животных фиксировали в дорсальном положении тела в лотке, наполненном речной водой при температуре 5–7°С. В ротовую полость вставляли резиновый шланг, по которому для обеспечения искусственного дыхания через жабры под небольшим давлением непрерывно пропускали речную воду из пруда через аэратор, также при температуре 5–7°С. Продольным разрезом вскрывали грудную полость и перикард, затем обнажали сердце. В миокард желудочка перпендикулярно его стенкам вводили 3 интрамуральные иглы, состоящие из 4 макроэлектродов, расположенных на одинаковых расстояниях вдоль центральной иглы (рис. 1). Две иглы располагались на вентральной и дорсальной сторонах основания желудочка, а третья игла была введена в область верхушки желудочка (рис. 1). От электродов регистрировали униполярные электрограммы (ЭГ) с помощью 128-канальной кардиотопографической установки (разработана АОЗТ СП “Геософт-Истлинк (“Геолинк”) совместно с Институтом физиологии Коми НЦ УрО РАН при участии АОЗТ “ВНИИМП-ВИТА”). Температура тела экспериментальных животных в процессе исследования поддерживалась в пределах 5–7°С.

Рис. 1.

Схема расположения интрамуральных игл в желудочке сердца радужной форели. Сагиттальная плоскость: П – предсердие сердца; Ж – желудочек; а – вентральная и б – дорсальная стороны желудочка; 1–2 – расположение интрамуральных игл в основании; 3 – игла в области верхушечки желудочка. Стрелкой показано место нанесения электрического стимула.

В каждом миокардиальном отведении определяли момент активации (время деполяризации) (по показателю dV/dt min в период комплекса QRS). Дисперсию времени активации определяли как разность между максимальным и минимальным значениями каждого показателя.

Частоту сердечных сокращений изменяли посредством электрокардиостимуляции при помощи диагностического электрокардиостимулятора ЧЭЭКС п-3 “Вектор-МС”. Стимулировали предсердие (рис. 1) стимулами длительностью 2 мс и амплитудой 2–4 V в диапазоне от исходного синусно-предсердного ритма до максимальной частоты сердечных сокращений, при которой возникали нарушения деятельности сердца – от 30 уд/мин до 60 уд/мин с шагом 10 уд/мин. Результаты статистически анализировали с помощью программы BIOSTAT 4.03. с использованием критерия Уилкоксона и Манна–Уитни [14].

Различия признавались достоверными при уровне значимости p < 0.05. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение (М ± σ).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Изначальная частота сердечных сокращений при t = 5–7°C находилась в пределах от 18 до 27 уд/мин. Исследованные животные отличались по усвоению частотного ритма. Так, у шести особей неусвоение частотного ритма произошло после 40 уд/мин, у четырех – после 50 уд/мин и у четырех – после 60 уд/мин. При синусно-предсердном ритме от очагов наиболее раннего возбуждения, расположенных вблизи атриовентрикулярного отверстия, волна деполяризации первоначально распространяется на субэндокардиальные слои трабекулярной области и далее движется по направлению к эпикарду и вдоль стенки с опережающей незначительной разницей по времени возбуждения субэндокарда, по сравнению с субэпикардом. Это свидетельствует о некоторых предпочтительных путях проведения возбуждения от пейсмекерной зоны к субэндокардиальным сердечным миоцитам [7]. Так, волна деполяризации от области основания желудочка на его дорсальной стороне (рис. 1, 1) продвигалась по направлению к его верхушке (рис. 1, 3) и одновременно к вентральным областям основания (рис. 1, 2). При возбуждении толщи стенок желудочка в некоторых областях имелся незначительный трансмуральный градиент деполяризации, и субэндокардиальные слои в зонах введения электродов возбуждались на 6–9 мс раньше субэпикардиальных слоев (p < 0.05).

Основная закономерность активации миокарда желудочка у радужной форели, как и у других видов костистых рыб, заключается в движении волны деполяризации от очагов наиболее раннего возбуждения, расположенных вблизи атриовентрикулярного отверстия. Далее она первоначально распространяется на субэндокардиальные слои в некомпактной трабекулярной области и затем движется по направлению к эпикарду с одновременным продвижением вдоль стенок желудочка сердца от его дорсальных областей в базоапикальном и вентральном направлениях с незначительным опережением по времени возбуждения субэндокарда, по сравнению с субэпикардом [10–12]. Такие закономерности распространения волны деполяризации и соответствующая последовательность охвата возбуждением, вероятнее всего, обусловлены в основном миогенным характером передачи возбуждения в основной массе миокарда желудочка рыб [10]. Существенного трансмурального градиента деполяризации, обнаруженного ранее в миокарде желудочка карпа [11] и трески [12], у радужной форели мы не наблюдали.

При навязанных ритмах (n = 12) движение волны активации также происходило от дорсальной области основания сердца к верхушке и к вентральным областям с базоапикальным и дорсовентральным градиентами деполяризации, то есть, как и при синусно-предсердном ритме (рис. 2). Так, в области основания (электрод 1, рис. 1) субэндокардиальные слои деполяризовались приблизительно на 5 мс раньше субэпикардиальных. Отрицательная форма внеклеточных потенциалов свидетельствует, что электрод находился вблизи зоны раннего возбуждения. В области основания на вентральной стороне желудочка (электрод 2, рис. 1) субэндокардиальные, интрамуральные и субэпикардиальные слои возбуждались почти одновременно. Подобная закономерность наблюдается и при активации толщи миокарда верхушки желудочка (электрод 3, рис. 1). Положительная форма внеклеточных потенциалов в области верхушки желудочка свидетельствует, что в данной области завершается процесс деполяризации миокарда. Достоверной разницы по времени возбуждения субэндокардиальных, интрамуральных и субэпикардиальных слоев миокарда, по сравнению с синусно-предсердным ритмом, не выявлено. При увеличении частоты стимуляции от 30 до 60 уд/мин выявлены разнонаправленные изменения времени прихода волны деполяризации к регистрируемым электродам (n = 12), по сравнению с синусно-предсердным ритмом. При навязанной частоте 50–60 уд/мин выявлено изменение траектории движения волны деполяризации в основании желудочка с дорсовентрального на вентродорсальное направление. В результате этого первоначально возбуждались области миокарда в зоне введения первого электрода, затем второго и далее почти одновременно третьего (расположение электродов на рис. 1). Общая последовательность распространения волны возбуждения желудочка форели значимо не изменялись при увеличении ЧСС, по сравнению с синусно-предсердным ритмом.

Рис. 2.

Электрограммы (ЭГ) при навязанном ритме 30 уд/мин от интрамуральных игольчатых электродов, введенных в желудочек сердца радужной форели. 1 – дорсальная, 2 – вентральная стороны основания, 3 – область верхушечки. А – субэндокард, Б – интрамуральные слои, В – субэпикард. Момент прибытия волны возбуждения к электродам отмечен пересекающими ЭГ линиями. Слева от ЭГ расположен стимулирующий импульс. Время в миллисекундах.

Ранее нами было показано [2], что природная изменчивость ЧСС, обеспечивающая функциональную деятельность сердца в экстремальных условиях, реализуется через электрическую гетерогенность миокарда. В данном исследовании гетерогенность деполяризации желудочка сердца у радужной форели не претерпевала существенных изменений. Выявленная в эксперименте функциональная гомогенность деполяризации миокарда, вероятно, вызвана практически одновременным открытием Na⁺ и потенциал зависимых Са²⁺ каналов, что увеличивает вклад кальциевого компонента деполяризующего тока и улучшает межклеточное взаимодействие [15].

Кроме того, у рыб существует двунаправленная регуляция частоты сердечных сокращений (учащение или замедление) со стороны парасимпатической нервной системы [16]. Роль ускорительного эффекта холинэргической стимуляции в данном случае реализуется в основном входящим Na⁺ током. Взаимодействие ацетилхолина с М-холинорецепторами вызывает гиперполяризацию мембраны, в результате чего потенциалозависимый Na⁺ ток возрастает. Последующая инактивация ионных каналов происходит с определенной задержкой, и возросший натриевый ток, обеспечивая определенную степень деполяризации, приводит к увеличению ритма сердца [17]. При снижении I_Na после инактивации натриевых каналов вклад кальциевой компоненты деполяризующего тока (I_Сa) увеличивается, что определяет его ключевую роль в распространении волны деполяризации в миокарде [15].

Таким образом, у исследованных рыб не обнаружено существенных отличий в пространственно-временной последовательности активации желудочка сердца при навязанном ритме до 50 уд/мин, по сравнению с синусно-предсердным ритмом. В миокарде желудочка волна деполяризации движется вдоль стенок желудочка сердца с одномоментным захватом всей их толщи и в ограниченных областях под небольшим углом к субэндокардиальной и субэпикардиальной поверхностям. Электрическая стимуляция предсердий с частотой выше 50 уд/мин вызывает десинхронизацию в пространственно-временном соотношении процессов деполяризации в виде инверсии направления движения волны деполяризации в базальных отделах с дорсовентрального на вентродорсальное, что, вероятно, влияет на последовательность сокращения трабекул некомпактного миокарда. При предсердной электрической стимуляции у радужной форели при температуре водной среды 5–7°C максимальная частота сердечных сокращений составила 60 уд/мин, выше которой деятельность сердца сопровождалась нарушением его электрофизиологических параметров. Не исключено, что при других диапазонах температур эти закономерности соблюдаться не будут, так как показатели ионных токов в клетках миокарда рыб подвержены воздействию колебаний температуры [18]. Кроме того, при исследовании влияния температуры на морфометрические показатели миокарда самцов радужной форели показано [4], что относительная масса желудочка у животных, акклиматизированных к 4°С, была значительно больше, чем у особей, адаптированных к 12°С, а компактный миокард акклиматизированных к холодной температуре воды рыб был более тонким, в то время как количество губчатого миокарда было увеличено. Вопрос о том, каким образом морфологические показатели желудочка сердца рыб, изменяющиеся в зависимости от температуры окружающей среды, отразятся на возбуждении их миокарда, остается открытым.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках темы “Сравнительно-физиологическое исследование пространственно-временной организации электрофизиологических процессов и сократимости миокарда позвоночных животных” (№ ГР АААА-А17-117012310154-6) по Программе ФНИ на 2013–2020 гг.