Проводящие клетки сердечной ткани способны к самоорганизации

Сердце сокращается благодаря распространению электрических волн в сердечной ткани. Нарушение нормального режима распространения таких волн может стать причиной сердечной аритмии, асинхронных сердечных сокращений и даже способно привести к остановке сердца или внезапной сердечной смерти.

 

Биофизики из МФТИ и Гентского университета (Бельгия) выяснили, что сердечная ткань, несмотря на высокое содержание невозбудимых клеток (до 75%), все-таки может проводить возбуждение.

 

Это происходит благодаря взаимодействию возбудимых сердечных клеток — кардиомиоцитов — и образованию ими разветвленной проводящей сети. Работа опубликована в журнале PLOS Computational Biology.

 

Как уже упоминалось выше, генераторами и проводниками электрических волн в сердце служат возбудимые клетки — кардиомиоциты. Кроме кардиомиоцитов, в сердечной ткани есть клетки соединительной ткани, которые не передают возбуждение.

 

К ним относятся, например, фибробласты. В сердце здорового человека фибробласты поддерживают его структурную целостность и участвуют в устранении повреждений.

 

На фотографии, сделанной с помощью конфокального микроскопа, белым контуром выделен проводящий путь из кардиомиоцитов в монослое сердечной ткани (31% кардиомиоцитов и 69% непроводящих клеток). Кардиомиоциты помечены розовым цветом, ядра – синим. Фото стало обложкой журнала PLOS Computational Biology / © Пресс-служба МФТИ

 

При инфаркте и некоторых других сердечных заболеваниях и патологиях кардиомиоциты умирают — их место занимают фибробласты. Этот процесс можно сравнить с образованием шрамов при повреждении кожных покровов.

 

Чрезмерное содержание фибробластов в сердечной ткани мешает распространению электрических сигналов. Такое нарушение называется сердечным фиброзом, именно оно является частой причиной аритмии.

 

Парадокс фиброзной ткани

 

Непроводящие клетки — фибробласты — являются препятствием для движения электрической волны. Пытаясь обойти препятствие, волна начинает его огибать, что может приводить к циркуляции возбуждения — возникновению вращающейся спиральной волны.

 

Такое явление называется ре-энтри и вызывает аритмию. Можно предположить, что высокая плотность фибробластов в сердечной ткани способствует формированию ре-энтри по двум причинам.

 

Во-первых, фибробласты выступают в роли неоднородностей, которые препятствуют проведению электрического сигнала. Во-вторых, высокое содержание фибробластов строит своеобразный «лабиринт» для волн, и они следуют по более длинному зигзагообразному пути.

 

Критическая плотность непроводящих клеток, выше которой сердечная ткань не должна проводить возбуждение, называется порогом перколяции. Его вычисляют с помощью теории перколяции — математического метода описания возникновения связных структур, в качестве которых в этой задаче выступают случайно распределенные проводящие и непроводящие клетки сердечной ткани.

 

Согласно расчетам, сердечная ткань должна терять проводимость для электрических волн, если фибробластов в ней станет более 40%. Парадокс в том, что, по данным экспериментов, образцы ткани с содержанием фибробластов, много превышающим порог перколяции (65–75%), все еще проводят электрические сигналы.

 

Это означает, что должен существовать механизм, ответственный за проводниковую самоорганизацию кардиомиоцитов.

 

Чтобы разрешить этот парадокс, ученые совместили эксперименты in vitro — в искусственно смоделированной среде — на монослое сердечных клеток новорожденных крыс с экспериментами in silico — в полностью смоделированной на компьютере биологической системе — на морфологической и электрофизиологической компьютерной модели сердечной ткани.

 

Гипотеза выравнивания цитоскелетов

 

Кардиомиоциты сердца представляют собой синцитий — функциональное объединение большого числа тесно взаимосвязанных клеток. За счет такого объединения возбуждение только одной клетки приводит к распространению по всем клеткам сердечного синцития.

 

Синцитий сердца в трехдневной культуре кардиомиоцитов новорожденных крыс. Клетки образовали ветвящуюся сеть. Красные стрелки указывают на вставочные диски между клетками. Белые стрелки указывают на нити цитоскелета (зеленые), продолжающие друг друга с разных сторон от вставочного диска. Ядра показаны синим цветом / ©PLOS Computational Biology

 

Группой исследователей была выдвинута никогда не рассматриваемая ранее гипотеза: в фиброзной ткани кардиомиоциты выравнивают свои цитоскелеты для образования единого синцития вместе с остальной сердечной тканью.

 

«Мы фиксировали распространение электрической волны в 25 монослойных образцах сердечной ткани с разным процентным содержанием кардиомиоцитов и фибробластов. Так из экспериментов in vitro нам удалось рассчитать порог перколяции — оказалось, он составляет 75% фибробластов.

 

Это число сильно отличается от предсказанных с помощью теории перколяции или других классических математических моделей 40%. Далее мы заметили, что кардиомиоциты в образцах располагаются не случайным образом, а собираются в разветвленную проводящую сеть.

 

Учет этого факта помог воспроизвести полученные in vitro результаты с прогнозами in silico в компьютерной модели», — поясняет профессор Константин Агладзе, руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ.

 

Благодаря такому предположению в рамках компьютерной модели удалось успешно воспроизвести не только морфологию проводящих путей, но и наблюдаемые в экспериментах in vitro спад скорости и высокий порог перколяции.

 

Дальнейшие исследования самоорганизации кардиомиоцитов в структуры, проводящие электрические сигналы, могли бы найти применение в поиске способов лечения аритмии и изготовлении лекарств, нормализующих нарушения сердечного ритма. 

Источник: naked-science.ru

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.


Оставить комментарий

Вы должны войти, чтобы иметь возможность оставлять комментарии.