РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОЕКТУ РФФИ №21-54-15001-НЦНИ_а рук. Лукин О.Н.
Сердце – орган с отчетливой структурно-функциональной неоднородностью составляющих его кардиомиоцитов. Характеристики и свойства миоцитов зависят от их пространственной локализации: например, миоциты внутреннего (субэндокардиального) слоя стенки сердца возбуждаются раньше, а сокращаются медленнее и сильнее, чем миоциты внешнего (субэпикардиального) слоя. Согласованное в пространстве и во времени сокращение миллионов неодинаковых по своим свойствам кардиомиоцитов обеспечивает функционально однородное сокращение целого сердца. Поэтому феномен неоднородности миокарда считается одним из важнейших в регуляции работы сердца.
Феномен неоднородности имеет иерархическую структуру: межкамерная неоднородность (предсердия тоньше и слабее, чем желудочки), на уровне стенки камеры (трансмуральная неоднородность), на уровне одного мышечного слоя (неоднородность свойств миоцитов вдоль хода мышечного волокна), на уровне субмиллиметровых сегментов сердечной ткани (межклеточная неоднородность). Логически вытекающий внутриклеточный уровень неоднородности (внутри одного миоцита) изучен наименее всего; пока этот уровень не рассматривается в иерархии феномена неоднородности.
Сердце выполняет механическую (насосную) функцию, поэтому его эффективная работа зависит от сократимости миоцитов. Сокращение миоцита инициируется электрическим возбуждением, высвобождением ионов кальция из внутриклеточных депо (саркоплазматический ретикулум) в цитозоль клетки и взаимодействием этого кальция с белками элементарных сократительных структур – саркомеров. Последовательность этих событий и внутриклеточные механизмы, обеспечивающие эти события, называются электромеханическим сопряжением. Ключевые компоненты электромеханического сопряжения – длина саркомера, внутриклеточный кальциевый цикл, тубулярная система саркоплазматической мембраны (Рисунок 1). В нашем проекте мы изучаем неоднородность характеристик этих компонентов на уровне одиночного кардиомиоцита (внутриклеточная неоднородность) в аспекте роли этой неоднородности в проявлении иерархически более высокого уровня трансмуральной неоднородности (от субэпи- к субэндокардиальному слою стенки сердца).
Рисунок 1. Компоненты электро-механического сопряжения в кардиомиоцитах, исследуемые в рамках проекта.
В отчетном периоде мы оценивали характер неоднородности длин саркомеров (Рисунок 2) в изолированных кардиомиоцитах субэпи- и субэндокардиальных слоев стенки левого желудочка морских свинок. Мы впервые оценили вариабельность длин саркомеров в двух принципиально различных сократительных состояниях миоцита – невозбужденном («диастола») и при максимальном его сокращении («систола»). По сравнению с «диастолой», в «систолу» распределение длин саркомеров в значительно меньшей степени подчиняется нормальному (гауссовому) закону, а степень вариабельности растет (Рисунок 2). Эти изменения в вариабельности длин саркомеров при переходе миоцита из «диастолы» в «систолу» не имели трансмуральных различий (между субэндо- и субэпикардиальными миоцитами) или различий между двумя регионами в пределах одного и того же миоцита (центральным и периферическим). Для определения длин саркомеров и оценки их вариабельности был разработан оригинальный алгоритм с возможностью настройки его параметров в рамках уникального программного обеспечения. В контексте задач, требующих знания о степени вариабельности длин саркомеров, полученных для изображений миоцитов в проходящем свете или для флюоресцентно окрашенных миоцитов, это программное обеспечение предоставляет широкие возможности.
Рисунок 2. Для получения данных о неоднородности длин саркомеров использовались изолированные кардиомиоциты; измерения выполнялись в двух принципиально различных состояниях активации миоцита – невозбужденном («диастола») и при его максимальном сокращении («систола»).
Полученные в ходе первого этапа результаты указывают на физиологическое значение внутриклеточной неоднородности длин саркомеров и на ее непосредственную связь с функциональным состоянием миоцита. Это подтверждает предположение, что неоднородность на внутриклеточном уровне играет важную роль в обеспечении интегральной сократительной функции миоцита и является минимальным уровнем в иерархии неоднородности миокарда. Для выявления механизмов этого феномена и его возможного вклада в неоднородность сократительных свойств кардиомиоцитов на более высоком уровне (межклеточном, тканевом, трансмуральном) требуется проведение дальнейших экспериментов. На втором этапе проекта будет изучаться взаимосвязь между вариабельностью длин саркомеров и неоднородностями локальных кальциевых циклов в этих саркомерах, в том числе в условиях физиологически релевантной механической нагрузки на изолированный кардиомиоцит.