Научно-практическая значимость
Данные, полученные в работе, могут быть использованы для интерпретации изменений потенциалов электрического поля сердца в период реполяризации желудочков с целью прогнозирования риска развития аритмий у лиц с сердечно-сосудистой патологией. Установлено, что апикобазальный градиент реполяризации можно оценить по разности потенциалов в период Т волны между краниальными и каудальными участками грудной клетки, а межжелудочковый градиент - по максимальной разности потенциалов в трансверсальной плоскости.
Определены новые электрокардиотопографические маркеры гипотермии и гипоксии миокарда. При гипотермии возникает область поздней реполяризации на верхушке левого желудочка с формированием в ней отрицательного зубца Т, происходит краниокаудальная инверсия потенциалов на поверхности тела в период реполяризации желудочков с образованием отрицательной каудальной и положительной краниальной областей. При гипоксии на верхушке левого желудочка укорачивается реполяризация, возникает или увеличивается по амплитуде положительный зубец Т, увеличивается каудокраниальный градиент потенциала на поверхности туловища в период реполяризации желудочков. На основании мониторирования полярности и амплитуды потенциалов в верхушечной области сердца возможна разработка системы стратификации риска аритмических осложнений в ходе кардиохирургических вмешательств, связанных с раздельным или сочетанным воздействием гипотермии и гипоксии.
Установлено, что при гиперкалиемии последовательность реполяризации желудочков повторяет последовательность деполяризации, что может объяснять изменение ЭКГ, а также служить основой формирования reentry в миокарде, что следует учитывать при терапии острых нарушений ритма сердца при состояниях, сопровождающихся гиперкалиемией.
Показано, что электрокардиотопографический метод позволяет выявить характерные изменения кардиоэлектрического поля, не отражающихся на ЭКГ в виде отдельных зубцов, в период не только деполяризации [Витязев и др., 2001], но и реполяризации желудочков.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Коми филиале Кировской государственной медицинской академии.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на XXIV (г. Братислава, Словакия, 1997 г.), XXV (г. Будапешт, Венгрия, 1998 г.), XXVI (г. Сыктывкар, Россия, 1999 г.) XXXV (г. Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.) международных конгрессах по электрокардиологии; III и VI Всероссийской с международным участием конференции «Механизмы функционирования висцеральных систем» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2003 и 2008 гг.); IV (1997 г.) V (1999 г.) VI (2004 г.) международных симпозиумах по сравнительной электрокардиологии (г. Сыктывкар, Россия), конференции молодых физиологов и биохимиков России "Биохимические и биофизические механизмы физиологических функций" (г. Санкт-Петербург, Россия, 1995 г.); конференции "Физиология и патология сердца", посвященной 75-летию со дня рождения Г.И. Косицкого (г. Москва, Россия, 1995 г.); конференции по терморегуляции и тепломассопереносу кровью (г. Санкт-Петербург, Россия, 1996 г.); XIII Коми республиканской молодежной научной конференции (г. Сыктывкар, Россия, 1997 г.); IV Молодежной научной конференции Института биологии Коми НЦ УрО РАН "Актуальные проблемы биологии" (г. Сыктывкар, Россия, 1996 г.); Материалы работы были также представлены на XXII (г. Наймеген, Нидерланды, 1995 г.), XXIII (г. Кливленд, США, 1996 г.), XXVII (г. Милан, Италия, 2000 г.), XXVIII (г. Сан-Паулу, Бразилия, 2001 г.), XXXIV (г. Стамбул, Турция, 2007 г.) международных конгрессах по электрокардиологии, XVII (г. Ростов-на-Дону, Россия, 1998 г.) и XVIII (г. Казань, Россия, 2000 г.) съездах Всероссийского физиологического общества им. И.П. Павлова, XIII Международном совещании по эволюционной физиологии (г. Санкт-Петербург, Россия, 2006 г.), V Всероссийской с международным участием конференции «Механизмы функционирования висцеральных систем» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2007 г.); V Сибирском физиологическом съезде (г. Томск, Россия, 2005 г.), IV Всероссийской с международным участием школе-конференции по физиологии кровообращения (г. Москва, Россия, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 работ, из них 16 статей в рецензируемых журналах, одна глава в монографии.
Структура работы. Работа изложена на 278 страницах, состоит из введения, восьми глав (обзор литературы, описание материалов и методов исследования, изложение полученных результатов и их обсуждение), заключения, выводов, списка литературы из 58 русскоязычных и 387 англоязычных источников и приложения.
Материалы и методы исследования
Исследовано формирование кардиоэлектрического поля в период конечного желудочкового комплекса под влиянием факторов, определяющих время окончания реполяризации - последовательности деполяризации и локальных длительностей реполяризации. Для изучения роли последовательности деполяризации мы использовали животных, обладающих разными способами активации миокарда: вспышечно-последовательным (собака, кошка, кролик), последовательным базоапикальным (щука), и последовательным эндоэпикардиальным (лягушка). Для изменения охвата возбуждением миокарда применяли электростимуляцию желудочков и инфузию калия. В качестве воздействия, влияющего на длительность реполяризации миокарда, использовали охлаждение сердца, гипоксию и инфузию калия. Эксперименты проведены в период с 1993 по 2007 гг.
В работе были использованы 47 кроликов породы Шиншилла, 32 беспородные кошки, 16 беспородных собак, 22 лягушки, 12 щук. Все животные были взрослые, обоего пола. При обращении с животными соблюдали международные правила (Guide for the Care and Use of Laboratory Animals - публикация US National Institutes of Health: NIH Publication № 85-23, ред. 1996). Работа одобрена локальным этическим комитетом Института физиологии Коми НЦ УрО РАН.
Кроликов, кошек и собак наркотизировали тиопенталом натрия (100 мг/кг, в/б). При изучении эффектов гиперкалиемии кроликов наркотизировали уретаном (1,5-2,0 г/кг, в/б). При исследовании хронотопографии реполяризации на фрагменте эпикарда у четырех собак использовали анестезию золетилом (25 мг/кг, в/м) в комбинации с ксилазином (3 мг/кг, в/м). Для эпикардиального картографирования производили среднегрудинную торакотомию и вскрывали перикард, который при необходимости подшивали к краям разреза для облегчения доступа к желудочкам сердца. В ходе манипуляций сердце орошали теплым физиологическим раствором для предотвращения высыхания и охлаждения. Ректальную температуру и температуру в средостении поддерживали на уровне 38°С.
Лягушек декапитировали, разрушали спинной мозг. Эксперименты на пяти животных были проведены без разрушения центральной нервной системы под эфирным наркозом. После этого вскрывали грудобрюшную полость и перикард. Щукам разрушали головной мозг, затем фиксировали в заполненном водой лотке. Через жабры непрерывно пропускали речную воду. После регистрации потенциалов с поверхности тела обнажали сердце срединным разрезом. Открытое сердце смачивали физиологическим раствором (NaCl 0.9 и 0.65% для щук и лягушек соответственно).
По окончании экспериментов у животных при глубокой анестезии быстро вырезали сердце для дальнейшего определения локализации отводящих электродов. Результаты, полученные на животных одного вида в одинаковых условиях при разных видах анестезии, значимо не различались, поэтому при дальнейшем анализе животных не делили на группы в зависимости от вида наркотизации и обездвиживания.
Потенциалы на эпикарде и поверхности туловища регистрировали в униполярных отведениях относительно терминали Вильсона. На поверхности грудной клетки собак, кроликов, кошек располагали 64 подкожных игольчатых электрода (8 рядов в краниокаудальном направлении от основания шеи до каудальной границы грудной клетки по 8 электродов в каждом). Кардиоэлектрическое поле на поверхности тела лягушек и щук регистрировали от 32 подкожных игольчатых электродов, равномерно распределенных в четырех равноудаленных друг от друга продольных рядах, от основания черепа до проекции мечевидного отростка на вентральную и дорсальную поверхность тела у лягушек и от жаберных дуг до брюшных плавников у щук. На желудочки сердца кроликов, собак и кошек накладывали 64-электродную эпикардиальную сетку [Витязев, 1997]. На желудочек сердца лягушек и щук накладывали 24 электрода, которые располагались на трех резиновых кольцах: на верхушке, в средней части, и в основании желудочка. У собак и лягушек регистрировали желудочковые электрограммы на фрагменте эпикарда с помощью квадратной электродной пластинки (матрицы) размером 5Ч5 мм, на которой было закреплено 64 электрода. У собак матрицу помещали в бессосудистой области на боковой поверхности левого желудочка, а у лягушек - в середину передней поверхности желудочка.
Регистрацию и обработку получаемых данных проводили при помощи автоматизированной компьютерной установки (АОЗТ СП «Геософт-Истлинк» при участии Института физиологии Коми научного центра УрО РАН и АОЗТ «ВНИИМП-ВИТА»; 128 каналов регистрации; полоса пропускания - 0.05-1000 Гц; разрешающая способность - от 10 до 100 мкВ на один разряд АЦП; входное сопротивление усилителей - 10 МОм; дискретизация сигнала - 0.25 мс)
Температуру в средостении кроликов и кошек контролировали и изменяли путем перфузии ее физиологическим раствором (NaCl 0.9%) различных температур. Электрограммы регистрировали при 38 и 32C после трехминутной инкубации при указанных значениях температуры. Длительность охлаждения средостения от 38 до 32С составляла 30-40 минут. Для исследования распределения потенциала на поверхности грудной клетки при охлаждении сердца кролика вскрывали грудную клетку и подготавливали перфузию средостения. После выполнения подготовительных процедур грудную клетку зашивали и начинали перфузию, в ходе которой меняли температуру сердца в диапазоне от 38 до 32С. Температуру контролировали в средостении с помощью вшитого в средостение датчика электротермометра, а также в прямой кишке. У лягушки сердце омывали физиологическим раствором (NaCl 0.65%) разной температуры. Регистрацию электрограмм проводили при температуре 18 и 12С. Для исследования действия охлаждения на распределение потенциала на поверхности туловища тело животного помещали в холодильную камеру. В этом случае потенциалы регистрировали при температуре тела 18 и 10°С.
Кардиоэлектрическое поле на эпикарде желудочков кошки в условиях гипоксии исследовали при температуре в средостении 38 и 32С. Гипоксию (РО2 артериальной крови ниже 10 mm Hg) вызывали путем прекращения искусственной вентиляции легких при подавлении самостоятельного дыхания в условиях глубокой анестезии. Параметры газового состава крови определяли на аппарате Chiron Diagnostics 855 (Великобритания) на базе Кардиологического диспансера Республики Коми. Анализировали электрограммы, зарегистрированные через 2.5 минуты после прекращения вентиляции легких при нормотермии и через 4 минуты при гипотермии.
Для того, чтобы изменить последовательность активации миокарда кролика, проводили электрическую стимуляцию в области основания правого и левого желудочка и верхушки сердца. Анодом служила подкожная игла, расположенная в области мечевидного отростка грудины, а в качестве катода использовали электроды мультиполярной эпикардиальной сетки. Форма импульсов была прямоугольная, длительность цикла - 286 мс, длительность стимула - 2 мс, амплитуду варьировали в диапазоне 5-15 В для того, чтобы добиться устойчивого желудочкового ответа. Эктопическое возбуждение желудочка лягушек и щук вызывали путем эпикардиальной биполярной электрической стимуляции (1000 мс, 2 мс, 5 В). Стимулировали вначале верхушку сердца, а затем - основание желудочка в области артериального конуса.
У кроликов повышение внеклеточной концентрации калия моделировали путем капельного внутривенного введения хлорида калия (0.1Н) под контролем электролитного состава артериальной крови, параметры которого определяли на аппарате Chiron Diagnostics 855 (Великобритания) на базе Кардиологического диспансера Республики Коми. Измерения потенциалов проводили до инфузии калия ([K+] = 3.02 ± 0.19 ммоль/л) и при гиперкалиемии ([K+] = 8.01 ± 0.47 ммоль/л).
Пространственно-временные и амплитудные характеристики кардиоэлектрического поля на эпикарде желудочков и поверхности туловища исследовали при помощи изохронных хронотопографических и изопотенциальных карт. Момент прихода волны возбуждения в область отведения потенциала (время активации, деполяризации) устанавливали по минимуму первой производной потенциала по времени (dV/dt min) в период комплекса QRS, а момент окончания реполяризации (время реполяризации) - по точке максимума первой производной (dV/dt max) в период ST-T комплекса. Интервал активация-восстановление (activation-recovery interval, ARI) определяли как период между моментами деполяризации и окончания реполяризации как показатель локальной длительности реполяризации [Millar et al., 1985; Haws, Lux, 1990]. Рассчитывали временные промежутки между моментами наиболее ранней и наиболее поздней деполяризации (дисперсия активации, или деполяризации). Аналогичные величины, равные разнице между временем самого раннего и самого позднего окончания реполяризации, называли дисперсией времени окончания реполяризации, а различия между самым длительным и самым коротким интервалом ARI - дисперсией локальных длительностей реполяризации (дисперсией ARI).
Для оценки различий количественных характеристик в зависимости от параметров распределения исследуемых выборок и вида сравнений между группами применяли критерий Стьюдента для несвязанных и попарно связанных вариант, непараметрические критерии Манна-Уитни, W-тест Уилкоксона и критерий Фридмана с последующим тестом Ньюмена-Кейлса для множественных сравнений. Отличия качественных параметров (распределение положительных и отрицательных потенциалов в различных областях поверхности туловища) оценивали по критерию хи-квадрат. Различия признавали значимыми при P<0.05. Для оценки связи между хронотопографическими показателями рассчитывали коэффициент корреляции Пирсона. Вычисления производили с помощью программ MS Excel 2002 и McGraw-Hill Primer Biostatistics 4.03 [Гланц, 1999].
Результаты исследований
Последовательности реполяризации эпикарда желудочков сердца у представителей разных систематических групп позвоночных животных при синусно-предсердном ритме
На фрагменте эпикарда желудочка лягушки и левого желудочка собак вследствие малых размеров картируемой области (5Ч5 мм) дисперсии времени активации, длительностей и времени окончания реполяризации значимо меньше, чем на целом эпикарде (P<0.001), кроме того дисперсии всех трех параметров не отличаются друг от друга. Длительность реполяризации в эпикардиальных отведениях обратно пропорциональна времени прихода волны возбуждения. Поскольку и у собак, и у лягушек дисперсии активации и локальных длительностей реполяризации в отдельной области эпикарда сопоставимы по величине друг с другом, формирование последовательности реполяризации определяется балансом влияний со стороны последовательности охвата возбуждением и распределения ARI в картируемой зоне. Количественно, сила влияния этих факторов пропорциональна величинам дисперсий времени прихода волны деполяризации и локальных длительностей реполяризации: существует значимая линейная зависимость между отношением дисперсий активации и ARI, с одной стороны, и величиной коэффициента корреляции между временем прихода волны возбуждения и временем реполяризации, с другой стороны.
Таким образом, при синусно-предсердном ритме последовательность окончания реполяризации фрагмента поверхности сердца зависит от обоих факторов: последовательности активации и распределения ARI, сила влияния которых определяется их дисперсией.
Таблица 1
Длительность (ARI) и время окончания (RT) реполяризации в апикальных и базальных областях эпикарда желудочка щук и лягушек при синусно-предсердном ритме (медиана и интерквартильный интервал)