Триггерная (пусковая или запускающая) активность

называется так потому, что она всегда сопряжена с предшествующим потенциалом действия. Она вызывается следовыми деполяризациями. Различают два типа следовых деполяризаций (рис. 6-21 А): раннюю (early afterdepolarization: РПД) и задержанную (delayed afterdepolarization: ЗПД).

Ранние постдеполяризации. РПД имеют тенденцию возникать ближе к концу плато потенциала действия или в течение фазы реполяризации, но прежде чем в клетке полностью закончится реполяризация. Чаще всего РПД возникают тогда, когда преобладает медленная частота сердечных сокращений; высокая частота сердечных сокращений их подавляет РПД. В эксперименте, показанном на рис. 6-21 Б, в препарате изолированного волокна Пуркинье РПД вызваны цезием. Явных следовых деполяризаций не наблюдается, когда препарат искусственно стимулируется импульсами с межстимуляционным интервалом в 2 с. Если период стимуляции увеличивается до 4 с, то появляются РПД. Большинство РПД - подпороговые (первые две стрелки), но одна из РПД достигает порога и запускает потенциал действия. Когда период стимуляции увеличивается до 6 с, каждый вызванный стимуляцией потенциал действия генерирует РПД, которая запускает второй потенциал действия. Кроме того, когда длительность межстимуляционного интервала увеличивается до 10 с, каждый вызванный стимуляцией потенциал действия запускает залп из четырех или пяти дополнительных потенциалов действия.

Прямая корреляция между длительностью потенциала действия клетки и ее способности к развитию РПД вероятно связана со временем, требуемым для Ca²⁺-каналов в мембранах клетки, чтобы восстановиться от инактивации. Когда длительность потенциала действия увеличена, Ca²⁺-каналы, которые были активированы в начале плато, имеют достаточное время, чтобы восстановиться от инактивации, прежде чем клетка полностью реполяризуется. Эта вторичная активация может запустить раннюю постдеполяризацию.

Задержанные постдеполяризации. В отличие от РПД, ЗПД чаще происходят, когда частота сердечных сокращений высока. Наиболее важные характеристики ЗПД показаны на рис. 6-21 В. В эксперименте, представленном на этом рисунке, трансмембранные потенциалы зарегистрированы от волокон Пуркинье, подвергнутых воздействию высокой кон-

центрации ацетил-строфантидина, вещества подобного дигиталису. В отсутствие каких-либо сильных раздражителей, эти волокна являются молчащими.

В каждой записи на рис. 6-21 В последовательность из шести вызванных стимуляцией деполяризаций вызывалась импульсами с определенным периодом. При длительности межстимуляционного интервала в 800 мс, последняя вызванная стимуляцией деполяризация сопровождается краткой деполяризацией (ЗПД), которая не достигает порога.

При уменьшении длительности межстимуляционного интервала до 700 мс, ЗПД, которая следовала за последним вызванным стимуляцией сокращением, достигает порога, и в результате наступает не вызванная стимуляцией деполяризация (или экстрасистола). Эта экстрасистола сама сопровождается подпороговым потенциалом последействия. Уменьшение длительности межстимуляционного интервала до 600 мс также вызывает экстрасистолу после последней вызванной стимуляцией деполяризации. Однако потенциал последействия, который следует за экстрасистолой, достигает порога и возникает вторая экстрасистола. Когда шесть вызванных стимуляцией деполяризаций отделены интервалами в 500 мс, вызывает последовательность из трех экстрасистол. Более короткий период стимуляции или немного большие концентрации ацетил-строфантидина вызывают длинную последовательность не вызванных стимуляцией сокращений; такая последовательность напоминает пароксизмальную тахикардию.

ЗПД связаны с повышением внутриклеточной концентрации Ca²⁺ [Ca²⁺]_in, например, при увеличении концентрации внеклеточного Ca²⁺и введении токсических количеств гликозидов наперстянки. Повышение концентрации [Ca²⁺]_in вызывает осциллирующий выброс Ca²⁺ из саркоплазматического ретикулума. Следовательно, в кардиомиоцитах DADs сопровождаются малыми, ритмическими изменениями в развиваемой силе. Высокая [Ca²⁺]_in также активируют некоторые мембранные каналы, которые проводят Na⁺ и K⁺. Суммарный поток этих катионов составляет транзиторный входящий ток, I_ti, который является, по крайней мере, частично ответственным за следовую деполяризацию мембраны клетки. Повышенная концентрация [Ca²⁺]_in может также активировать электрогенный обменник 3Na⁺_in/Ca²⁺_out. Он также создает суммарный ток катионов внутрь, который вносит вклад в ЗПД.

Наконец, на рис. 6-21 Г показано возникновение триггерной активности, обусловленной появлением ЗПД, вызванных оубаином.

Рис. 6-21. Триггерная активность, вызванная в сердечных клетках ранними постдеполяризациями (РПД), или иначе early afterdepolarization (EAD), и задержанными постдеполяризациями (ЗПД), или иначе delayed afterdepolarization (DAD)

Возможности фармакологического влияния на длительность потенциалов действия кардиомиоцитов

Длительность потенциала действия в основном зависит от активности калиевых каналов, которые ответственны за реполяризацию. Выходящий транзиторный калиевый ток и калиевый ток задер - жанного выпрямления являются ответственными за длительность потенциала действия. Известно, что длительность потенциала действия желудочковых кардиомиоцитов существенно превышает длительность потенциалов клеток предсердия. Это объясняется большей плотностью калиевого тока в предсердных кардиомиоцитах. Длительность потенциалов действия в разных желудочковых кардиомиоцитах может варьировать и именно калиевый ток задержанного выпрямления будет ответственным за эти различия.

Длительность потенциалов действия имеет существенное значение для нормальной работы сердца, так как от нее зависят фазы невозбудимости сердечных клеток. В случаях нарушения ритма, когда сокращен эффективный рефрактерный

период, могут возникать дополнительные внеочередные эктопические возбуждения, что снижает эффективность работы сердца как насоса. Для предотвращения подобных явлений в клинике применяют антиаритмические препараты, которые удлиняют потенциал действия, не изменяя остальные его параметры, за счет избирательного снижения калиевого тока задержанного выпрямления. На рис. 6-22 А показано действие антиаритмического препарата - нибентана, который в результате подавления калиевого тока увеличил длительность потенциала действия.

В некоторых случаях необходимо добиться обратного эффекта, а именно сократить длительность потенциалов действия. В этих случаях используют препараты, которые активируют калиевые токи и тем самым укорачивают длительность потенциалов, уменьшая тем самым эффективный рефрактерный период. К таким препаратам относится карбахол. Это м- и н-холиностимулятор, синтетическое производное холина. Он связывается с м- и н-холинорецепторами и возбуждает их, имитируя эффект ацетилхолина. На рис. 6-22 Б наглядно представлен эффект карбахола, выражающийся в значительном укорочении потенциала действия кардиомиоцита предсердия.

Рис. 6-22. Изменение длительности потенциала действия (ДПД) под действием различных веществ.

А - ДПД волокна правого предсердия кролика за счет подавления антиаритмиком III класса нибентаном K⁺-каналов задержанного выпрямления (delayed rectifier channels), формирующих ток I_K. Б - уменьшение ДПД волокна правого предсердия кролика за счет активации выходящего калиевого тока (I_KACh) холинергическим агонистом карбахолом. При действии карбахола за счет активации I_KACh, происходит также смещение потенциала покоя - гиперполяризация

Фазовые изменения возбудимости во время возбуждения кардиомиоцита

В процессе потенциала действия возбудимость клетки меняется, что определяется теми механизмами, которые лежат в основе генерации потенциала действия. Обычно выделяют несколько фаз, отражающих изменения возбудимости клетки в течение развития потенциала действия. Фаза нормальной возбудимости характерна для периода покоя клетки, фаза абсолютной рефрактерности - клетку возбудить невозможно, и, наконец, фаза относительной рефрактерности - клетка принципиально может быть возбуждена.

На рис. 6-23 в верхней части представлен потенциал действия рабочего кардиомиоцита. На уровне потенциала покоя мембрана клетки имеет нормальную возбудимость (принятую условно за 100%). Далее, для того, что бы возбудить клетку требуется пороговый импульс электрического тока, который открывает все Na⁺-каналы. Начинается фаза деполяризации потенциала действия. В этот период, именно из-за активации

всех потенциал-управляемых Na⁺-каналов, клетку невозможно вторично возбудить. То есть возбудимость сразу же падает до 0%, и начинается поддерживаемая фаза абсолютной рефрактерности. Эта фаза длится до того момента, пока фаза реполяризации потенциала действия не пересечет нулевую линю. Чем ближе реполяризация потенциала действия подходит к уровню потенциала покоя, тем проще вторично вызвать процесс возбуждения мембраны клетки. Все это время мембрана клетка находится в фазе относительной рефрактерности. Наконец, реполяризация пересает потенциал покоя. Если в этой точке мы подадим тестовый импульс, ответом будет полноценный потенциал действия. Следовательно, при возврате к уровню потенциала покоя возбудимость будет вновь нормальной и равной 100%.

Следует отметить, что у рабочего кардиомиоцита фаза относительной рефрактерности начинается позже, чем у других типов клеток, поскольку выход из инактивации Na⁺-каналов начинается приблизительно с -30 мВ. Разумеется, рисунки представлены схематично.

Рис. 6-23. Фазовые изменения возбудимости (фиолетовая кривая) и их связь с потенциалом действия рабочего кардиомиоцита (зеленая кривая). Эффективный рефрактерный период (ЭРП), абсолютный рефрактерный период (АРП), за ним следует относительный рефрактерный период (ОРП)

Механизм электромеханического сопряжения в кардиомиоцитах

Сопряжение возбуждения - сокращения иначе называется электромеханическим сопряжением. Его идею отражают три кривые, приведенные на рис. 6-24 А, - потенциал действия (1), который запускает процесс, изменение внутриклеточной концентрации Ca²⁺[Ca²⁺]_in на его фоне (2), что запускает механизм сокращения и механограмма (3), т.е. само сокращение.

Ca²⁺ существенно важен для сокращения сердца. Удаление Ca²⁺ из внеклеточной жидкости приводит к уменьшению силы сердечных сокращений и последующей остановке сердца в диастоле. Напротив, увеличение концентрации внеклеточного Ca²⁺ увеличивает силу сердечных сокращений, и очень высокие концентрации Ca²⁺ приводят к остановке сердца в систоле. Свободный внутриклеточный Ca²⁺ является ионом, отвечающим за сократительную способность миокарда.

Волна возбуждения в сердечной мышце быстро распространяется вдоль сарколеммы клеток миокарда от клетки к клетке через щелевые контакты. Возбуждение также распространяется внутрь клеток через поперечные трубки, которые инвагинированы в сердечные волокна на полосах Z (рис. 6-24 Б). Во время плато (фаза 2) потенциала действия повышается проницаемость сарколеммы для Са²⁺. Са²⁺ входит в клетку по его электрохимическому градиенту через Са²⁺-каналы сарколеммы и ее инвагинаций, то есть через мембраны Т-системы.

Считается, что открытие Са²⁺-каналов происходит в результате фосфорилирования протеинов каналов с помощью циклической аденозинмонофосфат-зависимой протеинкиназы (цАМФ-зависи- мой протеинкиназы). Первоначальным источником внеклеточного Са²⁺является интерстициальная жидкость (10^-3 М Са²⁺). Некоторое количество Са²⁺ может также быть связано с сарколеммой и с гликокаликсом, мукополисахаридом, покрывающим сарколемму. Количество Са²⁺, который попадает внутрь клетки из внеклеточного пространства, недостаточно для того, чтобы вызвать сокращение миофибрилл. Вошедший внутрь Са²⁺ («запускающий» Са²⁺) вызывает высвобождение Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума. [Ca²⁺]_in возрастает от уровня покоя примерно в 10^-7 М до уровней от 10^-6 до 10^-5 во время возбуждения. Затем Са²⁺ связывается с белком тропонином-С. Кальциево-тропониновый комплекс взаимодействует с тропомиозином, чтобы снять блок с активных участков между актиновыми

и миозиновыми филаментами. Это снятие блока позволяет образовываться циклическим поперечным связям между актином и миозином и, следовательно, позволяет миофибриллам сокращаться.

Механизмы, которые повышают [Ca²⁺]_in, увеличивают развиваемую силу сердечных сокращений, а механизмы, которые снижают [Ca²⁺]_in, уменьшают ее.

В конце систолы приток Са²⁺ в клетку прекращается и саркоплазматический ретикулум не получает дальнейшей стимуляции для высвобождения Са²⁺. Фактически саркоплазматический ретикулум начинает активно поглощать Са²⁺ благодаря кальциевому насосу, который работает за счет энергии аденозинтрифосфата. Работа этого насоса стимулируется фосфоламбаном в результате фосфорилирования фосфоламбана цАМФ -зависимой протеинкиназой. К тому же фосфорилирование тропонина I подавляет связывание Са²⁺ тропонином-С. Этот процесс позволяет тропомиозину снова заблокировать участки взаимодействия актиновых и миозиновых нитей, что приводит к расслаблению (диастоле).

И сокращения, и расслабления сердечной мышцы ускоряются катехоламинами и активацией аденилатциклазы. Увеличение цАМФ стимулирует цАМФ-зависимую протеинкиназу, которая фосфорилирует кальциевый канал в сарколемме. Эти процессы приводят к тому, что больше Са²⁺ поступает в клетку, ускоряя, таким образом, сердечные сокращения. Однако эти процессы также ускоряют и релаксацию путем фосфорилирования фосфоламбана, который увеличивает захват Са²⁺ саркоплазматическим ретикулумом, и путем фосфорилирования тропонина I, что угнетает связывание Са²⁺ с тропонином-С. Таким образом, процессы фосфорилирования, вызванные цАМФ -зависимой протеинкиназой, служат для увеличения как скорости сердечных сокращений, так и скорости релаксации.

Митохондрии также поглощают и высвобождают Са²⁺, но этот процесс протекает слишком медленно, чтобы влиять на нормальный процесс сопряжения возбуждения и сокращения (электромеханическое сопряжение). Лишь при очень высоких уровнях внутриклеточного Са²⁺ (при патологических состояниях) митохондрии всасывают значительное количество Са²⁺.

Са²⁺, поступающий в клетку для инициирования сокращения, должен быть удален во время диастолы. Это удаление из цитозоля осуществляется прежде всего за счет 3Na⁺/1Са²⁺-обменника. Также Са²⁺ удаляется из клетки электрогенным насосом, который использует АТФ для переноса Са²⁺ через сарколемму.

Рис. 6-24. Электромеханическое сопряжение в сердце.

А - кривая, отражающая процесс сопряжения возбуждения и сокращения в миокарде желудочка: 1 - потенциал действия, 2 - внутриклеточное содержание свободных ионов кальция, 3 - сократительная активность, АРП - абсолютный рефрактерный период. Б - механизм электромеханического сопряжения в сердце

Механоэлектрическая обратная связь в сердце

Обратный электромеханическому сопряжению процесс носит название механоэлектрическая обратная связь. Механоэлектрическая обратная связь в сердце представляет собой механизм, при котором механические изменения в миокарде приводят к изменению в нем электрических процессов. Возникает так называемая механо-индуцированная деполяризация мембраны кардиомиоцитов, которая, достигая порога, вызывает экстрапотенциалы действия, что ведет к различным нарушениям частоты и ритма сердечной деятельности. Механические факторы, модулирующие электрическую активность сердца - это растяжение миокарда и/или изменение его сократительной активности.

Для оценки механоиндуцированной деполяризации анализу подвергали монофазный потенциал действия на уровне 25, 50 и 90% фазы реполяризации монофазного потенциала (MAPD25, MAPD50, MAPD90). На фоне растяжения сердца МАР демонстрировал увеличение MAPD90, типичный пример которого представлен на рис. 6-25 А. Кроме этого, наблюдали уменьшение MAPD25 и MAPD50. Изменения МАР90 при

механической нагрузке наблюдаются как в здоровом сердце, так и в патологических сердцах. Когда механическая нагрузка приводила к тому, что МАР90 достигал порогового потенциала, возникали экстрасистолы. Но метод регистрации монофазного потенциала считается очень неточным, поэтому позднее был применен метод стандартной микроэлектродной техники.

В этих экспериментах было показано, что растяжение полоски правого предсердия здоровых животных до 2 мН вызывало небольшое укорочение APD50, но значительное увеличение APD90 (рис. 6-25 Б). Рисунок демонстрирует влияние длительного растяжения полоски миокарда на потенциал действия на трех различных уровнях фазы реполяризации. Из рисунка следует, что в условиях растяжения ткани APD25 не изменялась, APD50 была укорочена, в то время как APD90 значительно увеличивалась. Увеличение APD90 было следствием развития механоиндуцированной деполяризации (stretch-induced depolarization - SID). В противоположность ранней или задержанной автодеполяризации, SID, которая увеличивала APD90, не запускалась предыдущим потенциалом действия, т.е. SID была результатом растяжения клеток миокарда.

Среди изменений электрических свойств миокарда при его растяжении или изменении силы сокращений по механизму механоэлектрической обратной связи можно схематически выделить следующее: (1) деполяризация мембраны, (2) изменение продолжительности потенциала действия (ПД) /монофазного потенциала действия (МПД) кардиомиоцита, главным образом за счет (3) иного протекания процесса реполяризации на разных ее уровнях, часто проявляющееся в (4) развитии stretch-induced/activated depolarization (SID/SAD) или, механоиндуцированной деполяризации, (5) изменение возбудимости и времени протекания фаз рефрактерности, (6) изменение скорости проведения возбуждения, (7) модуляции сократительной функции сердца. В результате может меняться или частота сердечной деятельности или возникают аритмии.

Рис. 6-25. Механоиндуцированная деполяризация кардиомиоцита.

А - монофазный потенциал действия (МАР) нерастянутого левого предсердия, зарегистрированный при помощи электрода присоски (зеленая линия) и МАР на фоне растяжения предсердия (красная линия). У последнего продемонстрировано появление механоиндуцированной ранней постдеполяризации, приводящей к удлинению MAPD90. (Компьютерное наложение).Б - потенциал действия (АР) кардиомиоцита правого предсердия крысы, полученный на фоне предрастяжения (1 мН) препарата (зеленая кривая) и потенциал действия (АР) на фоне дальнейшего растяжения препарата на 1,75 ± 0,04 мН (красная кривая). У последнего продемонстрировано появление механоиндуцированной деполяризации, приводящей к удлинению APD90. (Компьютерное наложение)

Иллюстрации механоиндуцированной деполяризации

Растяжение полоски предсердия здоровых животных вызывает появление механоиндуцированной деполяризации SID (стрелки на фрагментах 3, 4, 5, 6 рис. 6-26 А) в виде увеличения APD90. Дальнейшее увеличение растяжения ткани обычно вызывает появление дополнительных «экстра» потенциалов действия (фрагмент 7 на рис. 6-26 А). Экстрапотенциалы действия возникают исключительно тогда, когда амплитуда SID достигает порогового потенциала. При этом амплитуда каждого экстрапотенциала уменьшена, что совершенно типично для любого экстрапотенциала действия на фоне деполяризации мембраны. Эти механически вызванные изменения потенциала действия полностью исчезают при снятии растяжения.

После инфаркта миокарда в предсердиях обнаруживаются два типа потенциалов действия. Первый тип удлиненных потенциалов действия оказался подобным по величине APD25 и APD50 потенциалам действия контрольной группы, но был значительно удлинен на уровне APD90. Второй тип показывал значительное увеличение в APD25, APD50 и APD90 по сравнению с контролем.

У сердец, имеющих патологию, например как результат предшествующего инфаркта миокарда, значительно меньшее по величине растяжение препарата, по сравнению с препаратами здоровых сердец, вызывало появление SID. Рис. 6-26 Б показывает связь между SID на уровне APD90 и степенью растяжения препарата ткани сердца после инфаркта миокарда. Рис. 6-26 Б1 демонстрирует потенциалы действия, зарегистрированные при стандартном предрастяжении препарата, равном 0,2 мН. Хотя небольшое растяжение препарата в контрольной группе не вызывало SID, тот же самый уровень растяжения у животных после инфаркта миокарда вызывал появление SID (рис. 6-26 Б2). Более того, увеличение растяжения вызывало SID, которая развивалась в дополнительные потенциалы действия (рис. 6-26 Б3). В этом случае экстра потенциалы имели уменьшенную амплитуду потенциала действия, как это и ожидается при частично деполяризованной мембране. Необходимо подчеркнуть, что наблюдаемые изменения потенциалов в группе животных с патологиями сердца наступали при значительно меньшей степени растяжения препарата по сравнению с контролем (примерно в 10 раз). Возвращение к исходной длине препарата демонстрировало полное исчезновение этих механозависимых изменений (рис. 6-26 Б4).

Рис. 6-26. Механоиндуцированная деполяризация в здоровом сердце и после инфаркта миокарда.

А - механоиндуцированная деполяризация и экстра потенциалы действия (экстра-АР: нижняя кривая) при увеличении силы растяжения препарата правого предсердия здоровой крысы до 2 мН (верхняя кривая). Б - механоиндуцированная деполяризация на уровне APD90 клетки правого предсердия крысы после инфаркта миокарда левого желудочка: 1 - контрольная регистрация; 2 - небольшая величина растяжения препарата (0,2 мН) ведет к возникновению механоиндуцированной деполяризации; 3 - увеличение растяжения ведет к появлению экстра потенциалов действия (экстра-АР) на фоне деполяризации; 4 - восстановление исходного уровня растяжения ткани приводит к возвращению потенциалов к исходному состоянию. Верхняя кривая - регистрация силы сокращения препарата, нижняя кривая - регистрация биоэлектрической активности клетки.

На (А) и (Б) символы (­) показывают моменты растяжения препарата, а символы ( ¯ ) - моменты возвращения величины растяжения препарата к исходному уровню. AF - active force, RF - resting force, E_m - величина потенциала покоя, AP - потенциал действия

Влияние растяжения на возникновение

механоиндуцированной

деполяризации

На рис. 6-27 А, Б представлена динамика развития одного экстрапотенциала действия в правом предсердии инфарктной крысы при увеличении степени растяжения (1-5) препарата до 0,2 мН. Второй потенциал возникает при достижении SID критического уровня деполяризации (Ec = -66,6 мВ). Механоиндуцированные экстрасистолы и фибрилляция связаны с развитием SID, которая появляется на уровне APD90. Показано, что растяжение ткани прямо вызывает аритмию. Однако механизм, лежащий в основе

этих аритмий, нуждался в дальнейших исследованиях на изолированных клетках.

SID, которая появляется на уровне APD90, соответствует поздней фазе реполяризации, где инактивация потенциал-управляемых Na⁺-каналов уже исчезла. Сравнительно большие различия между мембранным потенциалом, принадлежащим APD90 и равновесным потенциалом для механосенситивных токов, могут способствовать генерации развития эффективной движущей силы для токов, входящих через МСК и, соответственно, способствовать развитию SID. SID на уровне APD90 может деполяризовать мембрану до уровня порога вследствие активации быстрых Na⁺-токов и приводить к генерации дополнительных потенциалов действия.

Рис. 6-27. Динамика преобразования механоиндуцированной деполяризации в потенциал действия (АР) при различных степенях (1-5) растяжения препарата. E_c - критический уровень деполяризации.