Проводящие клетки сердечной ткани способны к самоорганизации
Биофизики из МФТИ и Гентского университета выяснили, что сердечная ткань, несмотря на высокое содержание невозбудимых клеток, все-таки может проводить возбуждение.
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 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, и 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-ентри и вызывает аритмию. Можно предположить, что высокая плотность фибробластов в сердечной ткани способствует формированию ре-ентри 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 данной 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 больше 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, что 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 в изготовлении лекарств, нормализующих нарушения сердечного ритма.
