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.

2 803

Выбор редакции

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 способно 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.

 

Проводящие клетки сердечной ткани способны к самоорганизации

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, 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-энтри и вызывает аритмию. Можно предположить, что высокая плотность фибробластов в сердечной ткани способствует формированию ре-энтри 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 этой 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 более 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.

 

Проводящие клетки сердечной ткани способны к самоорганизации

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, 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 изготовлении лекарств, нормализующих нарушения сердечного ритма. 

Naked Science Facebook VK Twitter
Физтех
136Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
2 803
Комментарии
8 ч
Потрясающая статья , спасибо за собранный материал)
Аватар пользователя Самандра
Вчера
может на сколах какие-нибудь еще не окислившиеся "...
Вчера
Я побоялся бы что.зеленое станет чёрным но местные...

Колумнисты

Физтех
136Статей
Сколтех
55Статей
Discovery Channel
38Статей
ТюмГУ
23Статьи
СФУ
12Статей
Комментарии
Возможно, многое зависит от общей конституции конкретной особи. Чей-то организм способен к самоорганизации, и соответственно клетки отдельных органов тоже имеют такую способность, стремясь к выживанию. А другой организм - с расхлябанной конституцией - стремится к саморазрушению. И будут ли в таком организме клетки отдельных органов самоорганизовываться в массовом порядке - большой вопрос.

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку