Физическая модель демонстрирует причины сердечной аритмии
 Аномальная электрическая активность сердца человека. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Здоровое сердце бьется регулярно по мере прохождения электрических импульсов, распространяющихся от одной мышечной клетки к другой, через всю сердечную мышцу. Если координация между клетками нарушается, электрические импульсы в ткани могут проходить менее регулярно, и сердце начнет сокращаться случайным образом. Это состояние называется фибрилляцией предсердий, и оно может привести ко многим серьезным симптомам, в том числе, инсульту.
Предыдущие работы уже предположили, что фибрилляция связана с переходом от обычных электрических волн, распространяющихся через сердце в виде линейных волновых фронтов (как в воде), к вращающимся и спиралевидным волновым фронтам, выходящим из некой центральной точки. Такие волны могут возникать в областях, где взаимодействие между соседними клетками аномально, к примеру, в сердечной ткани с фиброзом (состоянии, при котором избыток коллагена уменьшает соединения между соседними мышечными волокнами). Но почему именно подобные области вызывают аномальные волны, не было ясно.
Формирование волновых фронтов в сердечной мышце часто изучалось при помощи так называемых моделей клеточных автоматов, которые рассматривают ткани в виде сетки клеток. Каждой клетке присваивается состояние электрической активности – возбужденное или нет – на основе правила, рассчитывающего состояния соседних клеток. По мере моделирования, клеточные состояния меняются с течением времени, в результате чего могут развиваться спонтанные режимы организованной деятельности, охватывающие большое количество клеток.
Группа ученых из Imperial College (Великобритания) предложила модель клеточных автоматов, которая более точно отражает структуру тканей сердце. Такая ткань состоит из нитей цилиндрических мышечных клеток, которые главным образом взаимодействуют с другими клетками на концах, меньше взаимодействуя по сторонам. Исследователи отразили эту структуру в виде двумерного листа параллельных нитей. Количество боковых связей между соседними нитями при этом было представлено параметром, который, как оказалось, и является решающим при развитии вращения волнового фронта.
Если данный параметр относительно велик, в модели развиваются здоровые линейные волны. Но если он падает ниже некоторого порогового значения, возникает внезапное переключение в новое состояние, в котором волновые фронты изменяются на вращающиеся. В этом случае волны мышечной активности распространяются в основном вдоль волокон, но время от времени перескакивают вниз к следующему волокну, а затем снова возвращаются. Иногда это состояние может длиться в течение короткого времени, прежде чем возобновится нормальная работа тканей (также как фибрилляция предсердий может быть приходящей в реальном сердце). Но иногда она сохраняется в модели на неопределенное время. В отличие от новой модели предыдущим необходим был какой-то «толчок» для формирования подобных волн, к примеру поврежденная ткань. Новая модель показывает спонтанное формирование аномальной активности, базируясь исключительно на упомянутом параметре.
Некоторые новые хирургические методы лечения фибрилляции предсердий используют микроволновое излучение для прижигания области сердечной ткани, в которой инициируются вращающиеся волны. В своей работе ученые выявили, если в их модели удалить небольшую по площади часть «аномальной» ткани, состояние фибрилляции может быть убрано (восстановится линейный волновой фронт).
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Как отмечают коллеги ученых, опубликованное исследование служит концептуальной основой, объединяющей особенности фибрилляции предсердий человека. Правда, способность модели прогнозировать последствия от тех или иных вмешательств в структуру сердца должна быть еще подтверждена экспериментально.
Также по теме:
- Сердце млекопитающих может восстанавливаться благодаря имеющимся в нём стволовым клеткам
- Выявлен механизм, в рамках которого бактерии Streptococcus pneumoniae нарушают работу сердца
- Употребление алкоголя не несёт никакой пользы для сердца
- Похудеть в любом возрасте — укрепить сосуды и сердце
- Стволовые клетки участвуют в восстановлении тканей сердца саламандр
Источники: