Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2023, T. 109, № 10, стр. 1489-1497

ВВЕДЕНИЕ

Диастола сердца является важнейшей фазой сердечного цикла, она определяет степень растяжения саркомеров и силу последующего сокращения. Принято делить диастолу на 4 периода – изоволюмическое расслабление, фазы быстрого наполнения, диастаза и фазу относительно медленного наполнения при сокращении предсердий. Скорость изоволюмического расслабления определяет уровень минимального диастолического давления в левом желудочке (ЛЖ) и тем самым – скорость и величину быстрого наполнения ЛЖ при открытии атриовентрикулярных клапанов. При хронической сердечной недостаточности (ХСН) человека нарушение расслабления миокарда является серьезной проблемой [1], оно является также ключевым показателем диастолической дисфункции [2].

Расслабление миокарда представляет собой сложный процесс, в котором выделяют активный и пассивный компоненты. Активный компонент – это процесс поглощения Са⁺⁺ из миофибрилл главным образом в саркоплазматический ретикулум через кальциевую АТФазу SERCA2a. Он происходит с затратой АТФ, так как Са⁺⁺ транспортируется внутрь против высокого концентрационного градиента и требует около 30% энергии, затрачиваемой при сокращении [3]. Кроме того, удаление Са⁺⁺ из миоплазмы происходит также при участии натрий-кальциевого обменника сарколеммы (NCX), но этот компонент слабо выражен у крыс и мышей [4]. Пассивный компонент обеспечивает постепенное восстановление исходной длины саркомеров, он определяется свойствами сократительных белков [5]. Это, в частности, подтверждается тем, что в большинстве экспериментальных работ показано, что скорость снижения переходного процесса кальция обычно медленнее, чем скорость расслабления [6].

Подавляющее большинство работ по исследованию расслабления посвящено изучению активного компонента, поскольку он в значительной мере определяет глубину расслабления [7]. Поскольку максимальная скорость снижения давления (– dP/dt) зависит от величины максимального давления в ЛЖ (P_max), было предложено характеризовать этот процесс индексом расслабления, представлявшим отношение – dP/dt/P_max [8]. Этот показатель был стабилен в пределах нормального Р_max, но уменьшался при высоком P_max. Вскоре был разработан другой критерий – константа времени расслабления (tau), определяемая на основе логарифмирования кривой падения давления в ЛЖ [9]. Эксперименты на изолированных трабекулах отчетливо показали ускорение расслабления при увеличении частоты сокращений [10, 11]. В условиях in vivo это позволяет сердцу обеспечить достаточное наполнение желудочков при укороченной диастолической паузе. Однако эта закономерность у мышей и крыс in vivo проявляется гораздо слабее из-за ограниченного диапазона увеличения частоты сокращений. Также в этих условиях tau мало зависит от частоты сокращений, систолического давления в ЛЖ, диастолического и конечносистолического объема ЛЖ, повышения концентрации Са⁺⁺, но значительно уменьшается под влиянием норадреналина [12] или изопротеренола. Это согласуется с известными данными о способности катехоламинов ускорять поглощение Са⁺⁺ из миофибрилл в саркоплазматический ретикулум.

Различные способы оценки изоволюмического расслабления были применены [13], но заключительная фаза расслабления не привлекала широкого внимания. Полагают, что моноэкспоненциальный характер кривой падения давления сохраняется до завершения расслабления [9], но уже давно в опытах на сердцах морских свинок [14] и сердцах собак in vivo [15] было обнаружено ускоренное падение давления в этой фазе, совпадающее с начинающимся увеличением камеры ЛЖ. Эта фаза диастолы, в отличие от изоволюмической, получила название “ауксоволюмической”, поскольку расслабление происходит при переменном объеме ЛЖ. Расчет константы скорости расслабления (величины, обратной tau) на основе логарифмирования кривой давления, показал ее более высокую чувствительность к инотропным факторам по сравнению с константой в изоволюмической фазе. Однако отсутствие конкретных данных о соотношении давления и объема ЛЖ в ауксоволюмической фазе из-за отсутствовавших тогда технических возможностей ограничило возможности анализа. Только после создания высокочувствительных датчиков, позволяющих одновременно регистрировать объем ЛЖ и давление в нем с высоким временным разрешением, стало возможным проанализировать их соотношение в начальной фазе диастолы. Цель данной работы состояла в детальном анализе всей кривой расслабления и динамики начального наполнения ЛЖ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использованы крысы-самцы стока Wistar массой 350–400 г в возрасте 5–6 месяцев. Животных содержали в биоклинике кардиоцентра в клетках по 5 особей со свободным доступом к сухим кормам и воде. Световой режим контролировался (12 ч освещения, 12 ч затемнения) при достаточной смене объемов воздуха и температуре 19–23°С.

Под золетиловым наркозом (5 мг/кг) выполняли катетеризацию ЛЖ при помощи стандартного PV-катетера FTH-1912B-8018, вводимого через правую сонную артерию, и усилителя ADV500 (Transonic, Канада). Использовали программное обеспечение LabChart ADInstruments 8.1.2 (Австралия), позволявшее рассчитывать более 20 параметров сократительной функции в ходе сердечного цикла. В целях уменьшения притока к сердцу выполняли кратковременное пережатие нижней полой вены [12]. Для статистической обработки результатов измерений использовали алгоритмы, предоставляемые программой Microsoft Excel (2013). Результаты представлены в виде M ± SEM.

Расчет констант расслабления. Для анализа используется участок давления в ЛЖ, начинающийся от момента пика скорости падения давления, который близко совпадает с моментом закрытия аортальных клапанов. Если бы расслабление на всем протяжении было экспоненциальным, то при натуральном логарифмировании кривой давления, представленной на рис. 1a, была бы прямая линия. Однако на рис. 1b видно постепенное увеличение наклона кривой, отчетливо видны 3 степени наклона. В каждом участке происходит подбор линии тренда с вычислением величины достоверности аппроксимации R² не меньше 0.999. Наклон линии тренда на этих трех участках характеризуется величинами: 1) y = –0.115x (R² = 0.999); 2) y = –0.1569x (R² = 0.9991); 3) y = –0.2102x (R² = 0.9992). Соответственно начальная изоволюмическая константа расслабления равна 115 c^–1, вторая изоволюмическая константа – 157 c^–1, а ауксоволюмическая константа – 210 c^–1. Обратная величина (1000/константа наклона) характеризует константу времени расслабления (tau), и цифры приобретают обратное значение: 8.7, 6.4 и 4.7 мс. В большинстве опытов логарифмированная кривая разделяется на 3 участка, лишь в некоторых из них – на 4.

Рис. 1.

Динамика падения давления в ЛЖ в обычной (a) и логарифмированной (b) шкале. 1 и 2 – изоволюмическая фаза, 3 – ауксоволюмическая фаза. Крутизна наклона при Х характеризует константу скорости расслабления каждого участка.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На рис. 2 показана динамика падения давления в ЛЖ и динамика изменения его объема в периоде от максимума скорости снижения давления, который обычно наблюдается при уровне давления 80–90 мм рт. ст. Отчетливо видно, что небольшое увеличение объема ЛЖ на 20 мкл примерно через 10 мс сменяется более крутым увеличением объема после открытия атриовентрикулярных клапанов. Таким образом, длительность ауксоволюмической фазы в данном опыте составила около 10 мс.

Рис. 2.

Динамика падения давления в ЛЖ (внизу, ДЛЖ) и прироста объема ЛЖ (вверху, ОЛЖ). Шкала на ординате представляет величины давления (мм рт. ст.) и объема ЛЖ (мкл).

Расчет константы скорости расслабления по способу, изложенному в методике, позволяет проследить динамику ее изменения в течение всей фазы падения давления в ЛЖ (рис. 3). Выделено 4 участка, первый заканчивается, когда давление снижается примерно до 20 мм рт. ст., а последний – в ауксоволюмической фазе – наступает на уровне около 8 мм рт. ст., при этом ее величина почти в 2 раза меньше начальной. Следовательно, скорость снижения давления в ауксоволюмической фазе возрастает почти вдвое по сравнению с начальной изоволюмической фазой.

Рис. 3.

Иллюстрация динамики снижения давления в ЛЖ (ДЛЖ) и константы скорости расслабления (КР) в течение расслабления в опыте, представленном на рис. 1.

В среднем из 16 опытов константа скорости начальной изоволюмической фазы (ИКР1) составляла 103 ± 5 c^–1, а константа скорости ауксоволюмической фазы (АКР) – 183 ± 7 c^–1, т.е. скорость падения давления в ауксоволюмической фазе была выше в 1.8 раза. Конец первоначального экспоненциального расслабления отмечен на уровне 34 ± 2 мм рт. ст., а начало ауксоволюмической фазы отмечено на уровне 11 ± 1 мм рт. ст. Фракция выброса была равна 65 ± 2%, а минимальное давление в ЛЖ 0.2 ± 0.4 мм рт. ст.

Было отмечено, что более высокие значения AКР наблюдались при более низком минимальном диастолическом давлении в ЛЖ. На рис. 4 показаны эти взаимосвязи, можно видеть, что разница между AКР и ИКР при отрицательном минимальном диастолическом давлении в ЛЖ определенно выше по сравнению с соответствующим значением при положительном минимальном диастолическом давлении в ЛЖ. В этих экспериментах была установлена отрицательная корреляция между АКР и минимальным давлением в ЛЖ (r = –0.62).

Рис. 4.

Взаимосвязь между минимальным диастолическим давлением в ЛЖ (MДД) и константами ауксоволюмической (AКР) и изоволюмической (ИКР) релаксации (s-1) в отдельных экспериментах.

Также была отмечена тенденция ассоциации более высоких значений АКР с более низким конечным систолическим объемом ЛЖ. Для исследования этой связи были выполнены опыты, в которых конечносистолический объем ЛЖ уменьшали посредством кратковременного пережатия нижней полой вены. В этих опытах (n = 11) уменьшение конечносистолического объема среднем на 30 ± 5% сочеталось с увеличением АКР на 21 ± 5%. Таким образом, ускоренное расслабление в ауксоволюмической фазе сочетается с меньшим конечносистолическим объемом и минимальным давлением в ЛЖ.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты работы подтвердили наши прежние данные об относительном ускорении снижения давления в конечной фазе расслабления [14, 15]. Определена длительность ауксоволюмической фазы – около 10 мс, что составляет примерно 6% общей длительности цикла для сердца крыс. Ускоренное расслабление в этой фазе естественно сочетается с более глубоким падением давления, что увеличивает градиент между предсердием и ЛЖ и способствует более быстрому наполнению ЛЖ. По существу, АКР является количественной мерой феномена присасывания (suction), возникающего вследствие эластической отдачи (elastic recoil) ЛЖ и впервые наблюдавшегося в изолированных сердцах черепах [16] и собак [17].

Логарифмическая кривая падения давления в ЛЖ характеризуется наличием по крайней мере 3 моноэкспоненциальных участков с возрастающей крутизной. Если бы основу процесса расслабления составляла бы только скорость поглощения Са⁺⁺ из миофибрилл, то расслабление было бы экспоненциальным на всем протяжении. Однако скорость расслабления всегда превышает скорость размыкания актомиозиновых связей [5], что указывает на включение другого компонента.

Сейчас не вызывает сомнений, что данный процесс осуществляется благодаря распрямлению пружиноподобной структуры коннектина (титина) – белка, соединяющего концы миозиновых нитей с границей саркомера – линией Z [18, 19]. Гигантская пружиноподобная структура коннектина является главным детерминантом пассивного напряжения ЛЖ в диастоле [20]. Структура коннектина сжимается во время сокращения, и чем больше саркомеры сжимаются, тем больше будет упругая сила, возвращающая их в исходное положение. В результате восстанавливающая сила, обеспечивающая феномен присасывания в ранней диастоле, прямо пропорциональна пассивной упругости кардиомиоцитов [19]. Обработка изолированных миоцитов трипсином, разрушающим только коннектин и не влияющая на сократительные белки, снижает упругость мышцы как при растяжении, так и при восстановлении прежней длины [18].

Наличие двух изоформ коннектина – более податливой изоформы N2BA и более упругой N2B ставит вопрос об их функциональном назначении. Очевидно, что сравнительно легко растяжимая изоформа N2BA обеспечивает растяжение ЛЖ при его наполнении в диастоле. В таком случае естественно предполагать, что упругая изоформа N2B, сжимаемая при сокращении, будет распрямлять саркомеры во время расслабления. В экспериментах на миоцитах с различным соотношением изоформ было установлено, что скорость восстановления исходной длины коррелирует с профилем экспрессии изоформ в миоцитах, экспрессирующих высокие уровни изоформы N2B, имеющей наибольшую восстанавливающую жесткость [1, 19, 20]. В одной из последних работ, выполненной на полностью расслабленных кардиомиоцитах из сердца человека, было установлено, что расслабление происходило быстрее при повышенной упругости миофибрилл [21]. Кроме того, содержание изоформы N2B в миокарде наивысшее у мышей и крыс [22], характеризующихся гораздо более высокой частотой сокращений, при которой очень важно обеспечивать высокую скорость расслабления для сохранения диастолической паузы.

Наши данные позволяют предполагать, что включение коннектина в этот процесс начинается во второй половине расслабления и усиливается по мере дальнейшего удаления Са⁺⁺ из миофибрилл, достигая максимума в ауксоволюмической фазе. Очевидно, чем сильнее будет сжата пружина коннектина, тем выше будет АКР (и короче tau). Наши данные о наличии обратной связи между КСО и АКР согласуются с таким представлением, ведь меньший конечносистолический объем ЛЖ возникает при более сильном укорочении саркомеров. И напротив, при увеличении конечносистолического объема, сопряженного с уменьшением фракции выброса, пружиноподобная структура коннектина будет сжиматься меньше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе показано постепенное ускорение падения давления в ходе расслабления. Оно достигает максимума в ауксоволюмисческой фазе, когда возникает феномен “восстанавливающей силы”, обеспечивающий увеличение камеры ЛЖ еще до открытия митральных клапанов. Весьма вероятно, что ускорение расслабления реализуется благодаря распрямлению более упругой изоформы коннектина N2B, и, таким образом, величина ауксоволюмической константы расслабления (или tau) может характеризовать состояние данной изоформы коннектина.