Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
03.03.01 - Физиология
03.03.04 - Клеточная биология, цитология, гистология
Морфофункциональные характеристики синусно-предсердного узла сердца крысы
Сутягин Павел Валентинович
Москва - 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»
Научные консультанты:
доктор медицинских наук, профессор Камкин Андрей Глебович
доктор биологических наук, профессор Пылаев Александр Сергеевич
доктор медицинских наук, профессор Гурина Ольга Юрьевна
Официальные оппоненты:
доктор медицинских наук, профессор Мирзоян Рубен Симонович
доктор биологических наук, профессор Смирнов Виктор Михайлович
доктор биологических наук, профессор Кругляков Павел Павлович
Ведущая организация:
Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат медицинских наук, доцент Т.Е. Кузнецова
1. Общая характеристика работы
сердце крыса рецепторный
Актуальность исследования. К настоящему времени хорошо известно, что синусно-предсердный узел млекопитающих построен двумя основными типами клеток-водителей ритма - истинными и латентными, отличающимися друг от друга по основным характеристикам их потенциалов действия, однако проблемы морфо-функциональной организации этого образования и, особенно, нейро-гуморальной регуляции сердечного ритма до сих пор исследованы весьма фрагментарно. Кроме того, количество видов млекопитающих, у которых исследованы клетки-водители ритма, невелико. При этом подавляющая масса работ была выполнена на синусно-предсердном узле кролика [Boyett M.R. et al., 2000; Mangoni M. et Nurgeot J., 2008; Opthof T., 1988]. Морфологами за истекший период также исследованы синусно-предсердные узлы ряда видов млекопитающих, описана ультраструктура клеток, входящих в их состав, особенности пространственной организации этих образований, их кровоснабжение, нейро-тканевые взаимоотношения и распределение рецепторных структур внутри них [Павлович Е.Р., 2003; Anderson R.H., 2009; James T.N., 2002]. Методы исследования, основанные на изучении строения и параметров электрической активности ферментативно диссоциированных клеток синусно-предсердных узлов и включающие иммуногистохимические методы, внесли определенные коррективы в наши представления о функциональной значимости, распределении и экспрессии в пределах узла ионных каналов, различных типов коннексинов, рецепторов и прочих белков, обеспечивающих специфическое функционирование клеток-водителей ритма. Изучение распределения в пределах синусно-предсердных узлов кролика и мыши различных типов коннексинов выявило наличие коннексина Сх43 в центральной части. На основании этих данных и данных морфологического исследования ферментативно диссоциированных клеток был сделан вывод о протрузии рабочих атриальных кардиомиоцитов в центральную часть узла и предложена «мозаичная» модель строения синусно-предсердного узла [Verheijck E.E. et al., 1998, Vercheijck E.E. et al., 2001] в противовес сложившейся «градиентной модели» [Boyett M.R. et Dobrzynski H., 2007]. В сложившейся ситуации появилась необходимость детального электронно-микроскопического изучения взаимоотношений разных типов кардиомиоцитов в пределах узла.
В процессе жизнедеятельности организма под влиянием факторов внешней и внутренней среды постоянно происходят процессы модуляции частоты сердечных сокращений под воздействием всевозможных гуморальных факторов и импульсов автономной нервной системы. Эти изменения определяются плотностью иннервации синусно-предсердного узла, степенью равномерности (или неравномерности) иннервации разных его отделов, а также характером распределения на цитолеммах кардиомиоцитов разных частей узла рецепторных структур, способных воспринимать эти регуляторные воздействия. Однако на фоне большого числа работ, посвященных особенностям их автономной иннервации (представленности в ткани узла чувствительных, пре- и постганглионарных волокон симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы, плотностям иннервации различных частей узла, количественной и качественной представленности нейротрансмиттеров в этих волокнах) существует незначительное число работ, посвященных количественному распределению основных рецепторных (холино- и адренорецепторных) структур в пределах синусно-предсердного узла [Beau S.L. et al., 1995; Hancock J.C. et al., 1987; Kurogouchi F. et al., 2002; Saito K. et al., 1994; Saito K. et al., 1989]. Количественные данные по распределению в ткани узла дофаминовых рецепторов и рецепторов к котрансмиттерам пептидной природы, выявленных в отростках нейроцитов автономной нервной системы, вообще отсутствуют.
Наличие артерии, проходящей через центральную часть синусно-предсердного узла, накладывает целый ряд особенностей на его архитектонику, функционирование и регуляцию деятельности. В частности, пульсовые толчки, ритмично деформирующие стенку артерии синусно-предсердного узла, оказывают модулирующее действие на работу клеток-водителей ритма [James T.N., 2003]. У наиболее часто используемых физиологами объектов исследования - кролика и морской свинки - такая артерия отсутствует, в то время как у большинства млекопитающих, в том числе человека и крысы синусные узлы организованы вокруг артерии.
Таким образом, в настоящее время проблема пространственной организации синусно-предсердного узла сердца крыс, особенностей взаимоотношений разных типов кардиомиоцитов внутри узла, морфологических основы обеспечения функционирования синусно-предсердного узла как целого и регуляции сердечной хронотропии, а также морфо-функциональных изменений в ткани синусно-предсердного узла, происходящих в процессе старения остается актуальной. Особенно важно изучение структуры и функционирования синусно-предсердного узла в процессе старения, поскольку основной контингент пациентов, обращающихся за медицинской помощью в настоящее время, - это люди пожилого возраста.
Цель исследования состояла в комплексном электрофизиологическом и морфологическом изучении клеток-водителей ритма синусно-предсердного узла сердца крыс для построения пространственной модели узла с указанием топографической локализации клеток-водителей ритма с различными формами потенциалов действия и распределением плотностей рецепторных образований к основным медиаторам автономной нервной системы, а также исследование механизмов регуляции сердечного ритма ацетилхолином и норадреналином и выявление изменений, происходящих в синусно-предсердном узле в процессе старения.
В задачи исследования входило:
- получить количественные показатели электрической активности клеток-водителей ритма синусно-предсердного узла сердца крыс;
- картировать распределение клеток-водителей ритма вдоль артерии синусно-предсердного узла и определить топографические ориентиры местоположения доминантного пейсмекерного региона;
- установить пространственное взаиморасположение разных типов клеток-водителей ритма и рабочих атриальных кардиомиоцитов в области синусно-предсердного узла;
- исследовать и количественно оценить эффект передвижения доминантного пейсмекерного региона in vitro в ответ на введение возрастающих концентраций норадреналина;
- исследовать влияние in vitro возрастающих концентраций ацетилхолина на эффект передвижения доминантного пейсмекерного региона;
- авторадиографически исследовать распределение плотностей рецепторных структур, ответственных за связывание ацетилхолина, норадреналина, дофамина и энкефалинов в ткани центральной части синусно-предсердного узла;
- построить пространственную морфофункциональную схему синусно-предсердного узла сердца крысы с указанием локализации клеток-водителей ритма с разными формами потенциалов действия и распределением плотностей рецепторных структур;
- установить характер морфофункциональных изменений, происходящих в синусно-предсердном узле в процессе старения.
Научную новизну работы определяют следующие результаты проведенных исследований:
- показана топография распределения разных типов клеток-водителей ритма вдоль артерии синусно-предсердного узла;
- установлены закономерности пространственного взаиморасположения различных типов клеток-водителей ритма и рабочих атриальных кардиомиоцитов в области синусно-предсердного узла;
- уточнены характеристики электрической активности клеток-водителей ритма синусно-предсердного узла сердца крыс;
- выявлены морфологические ориентиры местоположения доминантного пейсмекерного региона (местоположения истинных клеток-водителей ритма);
- определены параметры передвижения доминантного пейсмекерного региона в ответ на введение возрастающих концентраций норадреналина;
- определены параметры передвижения доминантного пейсмекерного региона в ответ на введение возрастающих концентраций ацетилхолина;
- показано распределение плотностей М-холинорецепторов, в-адренорецепторов, дофаминовых и опиоидных рецепторов в центральной части синусно-предсердного узла;
- установлена связь между передвижением доминантного пейсмекерного региона в ответ на введение норадреналина и ацетилхолина и распределением плотностей рецепторов к этим медиаторам;
- построена пространственная схема организации синусно-предсердного узла крыс, впервые включающая как особенности взаиморасположения различных морфофункциональных типов клеток-водителей ритма и рабочих атриальных кардиомиоцитов, так и закономерности распределения рецепторных структур к основным медиаторам автономной нервной системы в топографически определенной области, занятой этим образованием проводящей системы сердца;
- выявлены ранее неизвестные закономерности морфо-функциональных изменений, происходящих в синусно-предсердном узле в процессе старения.
Научно-практическую значимость исследования составляют уточненные количественные характеристики потенциалов действия клеток-водителей ритма синусно-предсердного узла сердца крыс, топография распределения клеток-водителей ритма с различными типами потенциалов действия в пределах узла, наличие точного морфологического ориентира доминантного пейсмекерного региона, характеристики распределения рецепторных структур в пределах узла и морфо-функциональные механизмы, лежащие в основе регуляции сердечного ритма. Наличие морфо-функциональной модели синусно-предсердного узла сердца крыс в совокупности с количественными характеристиками элементов ее составляющих, в том числе и в стареющем организме, создает научно-практическую базу для работы с препаратами синусно-предсердного узла сердца крыс в иммуногистохимических исследованиях, фармакологических испытаниях кардиотропных препаратов и дальнейших исследованиях в области механизмов пейсмекинга и возникновения аритмий. Ряд результатов работы - цитофизиологические характеристики клеток-водителей ритма, нейро-тканевые взаимоотношения и межклеточные взаимодействия в пределах синусно-предсердного узла - существенно дополняют представления об устройстве и функционировании синусно-предсердного узла.
Положения, выносимые на защиту:
1. Синусно-предсердный узел сердца крыс состоит из истинных и латентных клеток-водителей ритма с присущими им характеристиками электрической активности, топографией распределения вдоль артерии синусного узла и особенностями их взаиморасположения, как в ткани самого узла, так и относительно окружающих узел рабочих атриальных кардиомиоцитов.
2. В пределах синусно-предсердного узла сердца крыс можно выделить центральную и периферическую части. Центральная часть синусно-предсердного узла сердца крыс состоит из двух областей, отделенных друг от друга артерией синусно-предсердного узла, - латеральной и медиальной, отличающихся друг от друга функциональными и морфологическими показателями. Периферическая часть построена латентными клетками-водителями ритма с формами потенциалов действия, представляющими собой разнообразные переходные формы между потенциалами действия истинных клеток-водителей ритма и рядом расположенными рабочими атриальными кардиомиоцитами.
3. Латеральная область центральной части синусно-предсердного узла состоит из морфологически однотипных клеток, электрофизиологически представляющих собой истинные клетки-водители ритма, формирующие доминантный пейсмекерный регион (функциональное ядро синусно-предсердного узла) и латентные клетки-водители ритма, строящие функциональный хвост синусно-предсердного узла, формы потенциалов действия которых однотипны по форме и различаются только степенью плавности перехода из фазы медленной диастолической деполяризации в фазу начального быстрого подъема потенциала и крутизной нарастания потенциала в фазе начального быстрого подъема потенциала.
4. Медиальная область центральной части синусно-предсердного узла сердца крыс, состоящая преимущественно из латентных клеток-водителей ритма, характеризуется мощным скоплением дофаминовых рецепторов в зоне напротив доминантного пейсмекерного региона, указывающем, соответственно, на скопление в этом месте автономных постганглионарных волокон и место отхождения ветви артерии синусно-предсердного узла. Высокое ветвление артерии синусно-предсердного узла всегда определяет локализацию доминантного пейсмекерного региона.
5. Процессы регуляции сердечного ритма медиаторами автономной нервной системы осуществляются в пределах латеральной области центральной части синусно-предсердного узла и сопровождаются сменой лидирующей группы клеток-водителей ритма (передвижением доминантного пейсмекерного региона) на новую, клетки которой обладают иными характеристиками электрической активности.