№11, 1999 г.
Много ли мы знаем о сердце?
Ф.А. Бляхман
Феликс Абрамович Бляхман, доктор биологических наук, профессор,
руководитель отдела биофизики Уральского государственного университета им. А.М. Горького.
На первый взгляд кажется, что ответить на этот вопрос можно утвердительно, поскольку на протяжении нескольких столетий сердце было объектом пристального внимания исследователей. В настоящее время существует много прямо или косвенно связанных с изучением сердца самостоятельных отраслей знаний: например, электрофизиология сердца - наука об электрических явлениях в сердце, гемодинамика - наука о законах движения крови в сердце и сосудах и т.д. Этот список легко продолжить. Современные методы и технологии позволили получить данные о структуре и функции сердечной ткани на уровне белков, молекул и даже химических элементов. Естественно, результаты фундаментальных исследований находят применение в диагностике и лечении сердечно-сосудистых заболеваний, разработке новых лекарственных препаратов. Благодаря этому наметился прогресс в борьбе с такими заболеваниями, что в целом свидетельствует о глубине наших знаний в области кардиологии. Однако порой складывается впечатление, что мы практически ничего не знаем о сердце, потому что, казалось бы, простые вопросы могут привести в замешательство. Вот один из них.
Хорошо известно, что сердце - это своего рода насос. Сердечная мышца (миокард) обладает уникальным биологическим свойством сокращаться, т. е. преобразовывать энергию химических реакций в механическую работу. Спрашивается, почему форма наиболее производительной насосной камеры сердца, левого желудочка, далека от геометрически правильной фигуры - шара? Ведь с точки зрения физики, именно такой формы насос способен даже при небольшом и равномерном усилии, направленном на изменение внутреннего радиуса, осуществить максимальный выброс его содержимого. Этот принцип реализован в других полых мышечных органах нашего организма, например, в мочевом пузыре. Сердце же в форме шара встречается у людей, страдающих дилатационной кардиомиопатией. Это заболевание характеризуется диффузным (достаточно равномерным) поражением сердечной ткани, увеличением объема камеры (дилатацией) до шаровидной формы. При этом незначительные напряжения в стенке левого желудочка создают давление, обеспечивающее жизненно необходимый выброс крови. Похоже, природа лишь на крайний случай зарезервировала для сердца такой принцип оптимизации?
У здорового человека левый желудочек сердца напоминает по форме усеченный эллипсоид вращения, отношение длинной оси к короткой которого близко к 2:1. Стенка левого желудочка неоднородна по толщине из-за сложнейшей архитектуры залегания сердечных волокон: тяжи миокарда, начинаясь на наружном слое (эпикарде) одной камеры сердца, заканчиваются во внутреннем слое (эндокарде) другой [1]. Есть волокна, ориентированные циркулярно, есть - радиально и спиралевидно. В толще миокарда находятся электрическая (проводящая) и сосудистая (питающая) сети. Площадь поперечного сечения электрических проводников и сосудов также неодинакова на всем их протяжении, поэтому одни фрагменты стенки возбуждаются раньше и кровоснабжаются лучше других. Здесь же следует добавить, что на клеточном уровне миокард левого желудочка тоже неоднороден. Например, известно, что кардиомиоциты (сердечные клетки) могут отличаться друг от друга по содержанию соединительной ткани, строению сократительных белков, изоферментному составу.
Очевидно, от особенностей строения камеры сердца зависят ее механические свойства. Легко проследить причинно-следственную связь между характером распространения возбуждения и последовательностью механической реакции отдельных участков стенки, между региональной ориентацией сердечных волокон и изменением геометрии левого желудочка в ходе сердечного цикла. Более тонкие измерения помогают установить величину механического напряжения между эпикардом и эндокардом. Известны и другие закономерности, но и этого достаточно, чтобы понять, что левый желудочек - механически неоднородная система [2]. Интересно, что эта неоднородность наблюдается даже на уровне сокращения кардиомиоцитов и, более того, - одиночных миофибрилл (микроскопических мышечных волоконцев в составе сердечной клетки).
И все же, почему сердце столь неоднородно? Заглянув в любое руководство по физиологии, вы в лучшем случае найдете банальный ответ: потому, что сложная пространственно-временнАя организация механического цикла сердца обеспечивает оптимальный выброс крови. Тогда почему левый желудочек не в форме шара? Чем этот принцип оптимизации хуже существующего? Какова роль феномена механической неоднородности миокарда? Каким образом механически неоднородные участки стенки согласованно выполняют сократительную функцию? Оказывают ли влияние механические взаимоотношения между неоднородными фрагментами стенки на их собственные механические свойства и на насосную функцию левого желудочка в целом? Если да, то какова степень этого влияния и какие механизмы лежат в его основе?
Вот лишь примерный список вопросов, на которые мы пытаемся найти ответы в наших исследованиях, выполняемых в двух лабораториях физического факультета Уральского государственного университета им. А.М. Горького - биофизики миокарда и физиологии сердца. Эти лаборатории организованы совместно с инновационным Центром “Академический” (Екатеринбург) и Институтом трансплантологии и искусственных органов (Москва) соответственно. Пять лет работы позволили приподнять завесу таинственности, и мы с удовольствием поделимся тем новым, что узнали о деятельности сердца.
Заметим, что методически изучение феномена “механической неоднородности” в сердце - задача далеко нетривиальная. Для ее решения необходимо прежде всего количественно охарактеризовать сократительную способность отдельных участков миокарда, а это значит - установить функциональную связь между механическим напряжением (силой, отнесенной к поперечному сечению) и изменением длины мышц. Даже если предположить, что мы смогли бы с помощью маркеров условно разделить стенку левого желудочка на фрагменты и измерить изменение их линейных размеров, то все равно не сумели бы оценить механическое напряжение, генерируемое этими участками.
Что бы вы стали делать в таком случае? Вероятно, сделали бы какие-нибудь допущения и упростили ситуацию. Так поступили и мы, создав для этих целей экспериментальную модель [3]. Представьте себе левый желудочек в поперечном сечении. Допустим, нам удалось временно вынуть из него два соседних мышечных фрагмента, как вырезать из бублика два смежных кусочка. Поместим препараты в изолированные ванночки с циркулирующим питательным раствором и жестко прикрепим один конец каждой из мышц к собственному датчику силы, а другой - к собственному мотору для задания механических деформаций. Теперь мы можем контролировать механические переменные (длину и силу) и можем охарактеризовать сократительную способность каждого участка стенки левого желудочка независимо друг от друга.
Что дальше? Дальше мы хотим узнать, как поведут себя наши “кусочки” в “сердечном бублике”. Другими словами, нас интересуют соседские взаимоотношения между фрагментами и результат их взаимодействия. Понятно, для этого мы должны сделать препараты соседями, т. е. механически соединить их в последовательную цепь так, как это показано на рис.1. На практике нам, конечно, не надо было переставлять мышцы с места на место для их сочленения в тандем, однако пришлось разработать не только методику, но и специальную аппаратуру для управления экспериментом и контроля измеряемых переменных. Немало труда было затрачено на то, чтобы обеспечить согласованную работу мышц в реальном масштабе времени [4].
Итак, у нас есть два жизнеспособных фрагмента стенки левого желудочка,
соединенных механически последовательно. Пропустим через препараты короткий
электрический импульс. Допустим, вес груза на платформе больше максимальной
силы, развиваемой тандемом. В этом случае растянутый тандем будет откликаться
на возбуждение генерацией импульса силы (пунктирная линия на диаграмме
F(t)), который, однако, не сможет вызвать сокращения тандема как целого
(пунктир на зависимости DL1+2 (t)).
Формально внешняя работа (произведение веса груза на перемещение) не совершается,
но взгляните “внутрь” соединения - длина каждой из мышц (пунктир для DL1(t)
и DL2(t) на рис.1) не остается постоянной,
а непрерывно изменяется в противофазе. Это означает, что мышцы механически
неоднородны, причем, будучи соединенными последовательно, реагируют на
возбуждение противоположным образом - одна сокращается, другая растягивается.
Поэтому в неоднородной системе такого типа всегда выполняется механическая
работа.
 |
Рис.1. Схема проведения опыта и экспериментальная
запись механической активности фрагментов стенки желудочка лягушки в последовательном
тандеме. При весе внешнего груза, большем максимальной силы, развиваемой
тандемом мышц, внешняя работа не производится (DL1
+DL2 =0), но происходит перераспределение
длин каждой мышцы (пунктирные кривые). При меньшем грузе каждая мышца и
система в целом совершают работу (сплошные линии). F - сила, генерируемая
тандемом; DL1, DL2
- удлинение каждой из мышц в тандеме, DL1+2
- общее удлинение тандема; t - время от начала действия возбуждения. |
Как видно из экспериментальных данных, вопрос о “дружбе” между мышцами не стоит - работают они плавно и согласованно, постоянно “думая” друг о друге. Однако возникает другой вопрос: а усердно ли они работают? Чтобы ответить на этот вопрос, сопоставим сумму работ по перемещению одного и того же груза, совершаемых каждой мышцей, с их работой в паре. Оказалось, что сумма всегда больше работы тандема как целого с учетом взаимодействия препаратов. Это означает, что при прочих равных условиях, мышцы в неоднородной системе не выполняют максимально возможную механическую работу, а “ленятся”!
Интересно, а можно ли получить из двух сердечных мышц однородную “неленивую” пару? Мы задали себе этот вопрос еще и потому, что даже из одного сердца нам не удавалось выделить двух близких по характеристикам препаратов. Наши экспериментальные возможности позволяли представлять фрагменты сердечной стенки в системе управления так, будто они имели одинаковую длину, силу или поперечное сечение. Однако результат в той или иной степени всегда оставался прежним - тандем проявлял себя как неоднородная система.
Оказалось, что причина тому - неодинаковый по времени ход развития и падения силы в мышцах. Другими словами, механическая неоднородность есть не что иное, как асинхронность сокращения и расслабления мышечных волокон по отношению друг к другу. Эта асинхронность тем больше, чем больше разница во временноў м ходе генерируемой в мышцах силы. Динамика отклика зависит от геометрических особенностей препарата и контролируется всей совокупностью молекулярных процессов, обеспечивающих сократительный акт сердечного волокна [5].
Таким образом мы убедились в том, что любая система сердечных мышц работает асинхронно, а результат взаимодействия фрагментов миокарда в ней проявляется в снижении ее сократительной способности. Однако модель тандема - это всего лишь модель, которая далека от реальности. Она удобна для изучения общих закономерностей взаимодействия волокон в сердечной стенке, но не дает представления о функционировании сердца в целом как насосномышечной системы. Поэтому на следующем этапе нашей работы мы усложнили экспериментальную установку за счет изменения алгоритма управления мышцами. Теперь он содержит математическую модель камеры сердца (на данном этапе - это сфера), в стенку которой включены наши мышечные фрагменты как смежные элементы конструкции [6]. Сила, развиваемая препаратами, непрерывно пересчитывается в механическое напряжение в отдельных участках с учетом давления внутри камеры. Нагрузка на стенки левого желудочка задается путем моделирования полного сопротивления сосудистого русла, а сервосистема поддерживает работу модели в соответствии с фазами сердечного цикла.
Посмотрим, как может повлиять локальная асинхронность на насосную функцию
системы в целом. Введем небольшую задержку между стимулирующими каждую
из мышц импульсами и, не изменяя нагрузку на левый желудочек, оценим его
механическую работу по изгнанию крови. Оказывается, чем больше асинхронность,
тем меньше работа левого желудочка (площадь под петлей “давление-объем”
на рис.2).
 |
Рис. 2. Петли “давление-объем” для модельного левого
желудочка при двух уровнях региональной асинхронности миокарда. При синхронной
стимуляции фрагментов левого желудочка (сплошная линия) ими совершается
максимальная работа по перекачиванию крови (площадь внутри петли). Введение
асинхронной стимуляции с задержкой в 100 мс (штриховая линия) существенно
уменьшает выполненную работу. Участок “1-2” соответствует фазе сокращения
левого желудочка при закрытых клапанах, “2-3” - фазе изгнания крови, “3-4”
- фазе расслабления при закрытых клапанах, “4-1” - фазе наполнения левого
желудочка кровью. |
Грудная жаба - это заболевание, связанное в большинстве случаев с атеросклеротическим поражением коронарных артерий (сужением их просвета). Вследствие различных причин (например, физической нагрузки) возникает ишемия миокарда (недостаточное кровоснабжение сердечной ткани), сопровождающаяся приступом стенокардии. Однако между приступами гемодинамика и показатели насосной функции левого желудочка близки к норме. Именно в этот период проводилось обследование пациентов. С помощью специального проводника через бедренную артерию в полость левого желудочка были введены катетеры для инъекции рентгеноконтрастного вещества, измерения давления и скорости коронарного кровотока, а в камеры правых отделов - стимулирующие электроды. Сердцу навязывался ритм с одинаковой частотой вначале из правого предсердия, а затем из области верхушки правого желудочка. В первом случае электрод находился в непосредственной близости к естественному водителю ритма и обеспечивал нормальный порядок распространения возбуждения по миокарду левого желудочка. Во втором случае возникала аномальная последовательность возбуждения.
С помощью разработанного нами специализированного цифрового измерительного
комплекса мы детально характеризовали региональную механику стенки левого
желудочка. В результате покадрового анализа данных киновентрикулографии
(от лат. ventricular - желудочек) выяснилось, что изменение последовательности
возбуждения в сердце привело к значительному увеличению региональной асинхронности
миокарда [8] (рис. 3).
 |
Рис. 3. Пространственно-временнЫе картины сокращения
левого желудочка при искусственной стимуляции сердца из правого предсердия
(а) и правого желудочка (б). Полость левого желудочка в продольном сечении
была разделена на 12 сегментов, для каждого из которых рассчитывалась площадь
рабочей поверхности по стадиям цикла; относительное изменение площади характеризует
смещение соответствующего региона стенки. Видна перестройка и хаотичность
движения стенки при аномальном возбуждении (б) по отношению к нормальному
(а). В систолическую часть цикла (до 40%) наблюдается как сокращение, так
и расслабление различных участков стенки. По вертикальной оси приведено
относительное изменение площади рабочей поверхности сегмента, %.
|
Полученные нами результаты свидетельствуют, во-первых, о структурнофункциональной согласованности насосно-мышечной системы и, во-вторых, указывают на большие компенсаторные возможности левого желудочка, его способность четко подстраиваться к изменяющимся условиям. Может быть, именно поэтому левый желудочек не имеет форму шара? Простой пример. Представьте, что сердечная стенка сферическая и в ней произошел инфаркт миокарда - закупорилась маленькая веточка коронарной артерии, питающей данный фрагмент. Ранняя стадия течения этого заболевания сопровождается морфологическими изменениями данного участка, в результате которых в систолу и диастолу снижается его жесткость, т. е. увеличивается податливость.
Для шара - это неизбежная катастрофа, а для обычного левого желудочка - это еще не беда. Например, в клинической практике часто встречаются люди, перенесшие инфаркт малой и средней тяжести на ногах. Лишь в самых крайних случаях, когда развивается крупномасштабный инфаркт миокарда, могут сформироваться обширные постинфарктные аневризмы - участки сердечной стенки, утратившие сократительную способность и проявляющие дискинетичное движение (выпячивание) во время систолы левого желудочка. Однако и эта крайняя форма заболевания далеко не всегда катастрофа для сердца (разрыв стенки). Мы установили, что при мешотчатых аневризмах происходит сложная перестройка региональной кинематики левого желудочка, направленная на снижение нагрузки на поврежденный участок миокарда. Конечно, функциональные возможности такого сердца далеки от нормального, но это сохраняет ЖИЗНЬ, и, как показывает опыт, не на короткий срок.
Нет нужды здесь повторять прописные истины: говорить о значимости сердца для живого организма, о среднестатистическом количестве сердцебиений и цистернах перекачанной крови. Сердце - не дублированный орган и не имеет право даже на кратковременный “отпуск” для залечивания своих ран. Сердце должно заботиться обо всех, а следовательно, просто обязано заботиться о себе. Наличие в сердце собственного водителя ритма, собственной системы кровоснабжения, собственной сигнальной системы, собственных химических стимуляторов, собственной конструктивной оптимизации механической функции, собственных регуляторных механизмов и т.д., - все это элементы заботы о себе. Вероятно, и механическая неоднородность, точнее асинхронность, в миокарде - звено той же цепи.
Итак, подведем предварительные итоги и попробуем сформулировать гипотезу о роли этого феномена в сердце. Во все фазы сердечного цикла форма полости левого желудочка изменяется сложным образом в соответствии с механической активностью стенки и зависит от ориентации волокон в ней, их толщины и других особенностей строения. Это факты известные. Мы же, основываясь на результатах модельных экспериментов, утверждаем, что смежные регионы стенки, работая асинхронно, также могут оказывать влияние на кинематику левого желудочка за счет сложных взаимоотношений между собой. В любой момент разница в механическом напряжении будет определять направление движения одного фрагмента по отношению к другому. При этом работа, выполняемая регионами, затрачивается на изменение конфигурации камеры и, значит, на поддержание оттока крови внутри ее.
В фазы сердечного цикла, когда клапаны закрыты и объем левого желудочка не меняется, наличие асинхронности обеспечивает локальные движения регионов, сопровождаемые выполнением ими механической работы.
Зачем топтаться на месте и переводить внутреннюю энергию реакций только в тепло? В это время можно позаботиться о реконструкции полости таким образом, чтобы оптимизировать выброс или наполнение. Кровь ведь не теряет полностью кинетическую энергию в эти промежутки времени, она движется внутри камеры. Более того, в определенном диапазоне нагрузок на мышцу энергетически выгоднее двигаться больше, а не меньше. Вероятно, в норме это и есть оптимальные нагрузки для данных условий.
В фазу изгнания крови левый желудочек выполняет внешнюю положительную работу, хотя вклад каждого участка стенки неодинаков прежде всего благодаря специфическому устройству камеры. Взаимодействие между регионами во время асинхронного сокращения вызывает непрерывное перераспределение механических параметров, контролируя тем самым относительную нагрузку на соответствующий участок миокарда. Кто знает, может быть, это - тоже элемент оптимизации с целью рационального расходования энергии. Мы видели в эксперименте, что мышцы в асинхронном тандеме не выполняют максимально полезную работу. Известно также, что максимальный КПД мышцы не отвечает просто максимуму ее механической работы.
Образно говоря, механическая асинхронность - это элемент стратегически правильного использования энергии миокардом. Да, асинхронность снижает эффективность насосной функции, но сберегает компенсаторный резерв. Вероятно, в норме влияние асинхронности на насосную функцию левого желудочка компенсируется особенностями строения камеры и механизмами саморегуляции. Мы видели это в сердце человека, когда во время диагностического обследования выведенная из равновесия система через несколько циклов полностью восстанавливала свою функцию за счет внутренних резервов.
Итак, много ли мы знаем о сердце? Надеемся, что знаний наших прибавилось в понимании необычайно интересного явления в сердце. Затронутая проблема может показаться сугубо теоретической, однако она имеет важный практический аспект. Есть все основания считать, что первый предвестник подавляющего числа заболеваний сердца - перестройка кинематики сердечной стенки. Уже сегодня мы можем обосновать многие клинические наблюдения, с которыми кардиологи сталкиваются повседневно. Мы готовы к сотрудничеству и, возможно, совместными усилиями сумеем раскрыть еще не одну загадку сердца.
На разных этапах работа проводилась при поддержке
Международного научного фонда Дж. Сороса,
правительства Российской Федерации и
Российского фонда фундаментальных исследований. Грант №96-04-50039.
Литература
1 Михайлов С.С. Клиническая анатомия сердца. М., 1987.
2 Brutsaert D.L. // Verh. Kon. Acad. geheesk. 1985. V.47. P.257—286.
3 Бляхман Ф.А., Нафиков Х.М., Мархасин В.С., Изаков
В.Я. // Физиол. журн. СССР им. И.М. Сеченова.
1988. Т.74. №8. С.1191-1195; Tyberg J.V., Parmley W.W., Sonnenblick
E.H. // Circ. Res. 1969. V.25. №5.
P.569-578.
4 Гринько А.А., Соколов С.Ю., Мелкишева Е.В. и др. Экспериментальная модель механической неоднородности в сердце // Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии. Владимир, 1998. С.123-127.
5 Бляхман Ф.А., Честухин В.В., Шумаков В.И. Асинхронизм как модулятор сократимости миокарда и насосной функции левого желудочка //Очерки по физиологическим проблемам трансплантологии и применения искусственных органов / Под ред. В.И. Шумакова. Тула, 1998.
6 Гринько А.А., Соколов С.Ю., Мелкишева Е.В. и др. Цит. соч.
7 Blyakhman F.A., Chestukhin V.V. // J. Mol. and Cell. Cardiol. 1993. V.25. (Suppl. III) Р.98.
8 Соколов С.Ю., Хурс Е.М., Яковенко О.В. и др. Дигитальный комплекс для исследования биомеханики стенок сердца // Физика и радиоэлектроника и в медицине и биотехнологии. Владимир, 1998. С.128-131.
9 Blyakhmаn F.A., Chestukhin V.V., Sokolov S.Y. et al. // J. Mol. and Cell. Cardiol. 1995. V.27. (Suppl. I) Р.173.
