Аномальний автоматизм та критичною активність - аритмії серця (1)

Реполяризації і рефрактерность

Як було описано в розділі, присвяченому нормальному потенціалу дії, відносний рефрактерний період нормальних волокон Пуркіньє або клітин робочого міокарда передсердь або шлуночків (з максимальним диастолическим потенціалом близько -90 мВ) триває аж до повної реполяризації потенціалу дії. Передчасні потенціали дії, викликані в цей період, мають меншу швидкість наростання і знижену амплітуду внаслідок зберігається часткової інактивації натрієвої провідності. Така інактивація исче зает протягом декількох мілісекунд після реполяризації до рівня -90 МВ- потім швидкість наростання потенціалу дії і його амплітуда нормалізуються. Однак швидкість усунення інактивації натрієвого струму (а значить, і швидкість відновлення максимальної частоти деполяризації) знаходиться в певній залежності від встановленого рівня мембранного потенціалу: відновлення відбувається швидко (в межах 20 мс) при -90 мВ, але при -60 мВ воно вимагає більше часу (більше 100 мс) [60]. Отже, в серцевих клітинах, деполяризованого внаслідок захворювання, відновлення швидкості наростання потенціалу дії може бути тривалим. Оскільки наростання потенціалів дії в таких клітинах вже кілька загальмовано внаслідок стійкою мембранної деполяризації, передчасні потенціали дії, викликані під час тривалого відносного рефрактерного періоду, матимуть ще більш повільне наростання і відповідно більш низьку швидкість проведення. Якщо клітини деполяризованого настільки, що натрієва провідність залишається повністю інактивованої і в них можуть виникати тільки повільні потенціали дії, то відносний рефрактерний період буде захоплювати і частина діастоли, так як усунення інактивації повільного вхідного струму відбувається також дуже повільно. В цьому випадку абсолютний рефрактерний період може тривати до тих пір, поки реполяризация потенціалу буде повною, і повне відновлення швидкості наростання передчасного імпульсу може не закінчитися в сотні мілісекунд після цього часу. Істотно уповільнене проведення дочасних імпульсів в міокардіальних волокнах з низьким мембранним потенціалом може привести до виникнення циркуляції, і викликали циркуляцію в цих волокнах передчасні імпульси можуть виникати ще досить довго після повної реполяризації.
Значні зміни рефрактерних періодів можуть бути також пов`язані зі зміною тривалості потенціалу дії в клітинах з високим негативним потенціалом спокою, так як усунення інактивації в цьому випадку буває повним тільки після реполяризації потенціалу дії. Тому зменшення (у часі) потенціалу дії в таких клітинах (як при збільшенні частоти стимуляції) супроводжується відповідним скороченням ефективного і відносного рефрактерних періодів [3]. З іншого боку, в клітинах з дуже низьким потенціалом спокою усунення інактивації може відбуватися настільки повільно, що відносний рефрактерний період практично не буде залежати від тривалості потенціалу дії.
Наведемо кілька прикладів зміни тривалості потенціалу дії внаслідок захворювання серця. Потенціал дії клітин робочого міокарда шлуночків зменшується (у часі) незабаром після початку ішемії, до появи помітних змін потенціалу спокою [55, 61, 62]. Ефективний і відносний рефрактерні періоди в уражених ішемією клітинах відповідно скорочуються. На ділянках з хронічною ішемією тривалість потенціалів дії клітин робочого міокарда шлуночків і волокон Пуркіньє може бути значно збільшена [53, 54, 63] - отже, ефективний і відносний рефрактерні періоди в цих клітинах зростають. Стимуляція вагуса скорочує тривалість потенціалу дії і рефрактерних періодів в передсердях [64]. Подібні зміни тривалості потенціалу дії і рефрактерности можуть істотно вплинути на характеристики проведення, викликавши таким чином аритмію (див. Нижче).

Аномальний автоматизм та критичною активність

Як вже зазначалося раніше, автоматизм є нормальним властивістю деяких типів серцевих клітин. У нормальних клітинах робочого міокарда передсердь і шлуночків не розвивається спонтанна діастолічна деполяризація і не виникають спонтанні імпульси. Однак якщо в експериментальних умовах мембранний потенціал передсердних або шлуночкових клітин знизити приблизно до -60 мВ, то в цих клітинах можуть спостерігатися «спонтанна» диастолическая деполяризация і автоматичне виникнення збудження [65-67]. Такі «спонтанно» виникають потенціали дії розвиваються по типу повільного відповіді. Однак зниження мембранного потенціалу, здатне привести до аномального автоматизму, може бути також наслідком захворювання (рис. 3.12). Автоматизм може спостерігатися і в волокнах Пуркіньє при деполяризаціїмембрани менш -60 мВ (див. Рис. 3.6) [68]. Як зазначалося вище, для того щоб при такому низькому мембранном потенціал в клітинах робочого міокарда передсердь і шлуночків або в волокнах Пуркіньє могли поширюватися потенціали дії, калієва провідність їх мембран повинна бути дуже низькою. У клітинах, деполяризованого шляхом підвищення [К4 `] о, такий автоматизм зазвичай не спостерігається, так як в цих умовах зростає і калієва провідність мембрани.

Мал. 3.12. Аномальний автоматизм в ізольованому препараті лівого передсердя, отриманому у собаки з серцевою недостатністю. Ліве передсердя сильно ділатірованного, тому потенціали спокою передсердних клітин, як правило, дуже низькі. Автоматична активність в цих клітинах може бути наслідком зниження мембранного потенціалу спокою. Вертикальна калібрування - 15 мВ, горизонтальна - 300 мс.

Іонні потоки, що передували появі автоматизму при низькому мембранном потенціал, ще не досліджувалися, проте участь в цьому процесі пейсмекерного струму, описаного вище для волокон Пуркіньє, малоймовірно, оскільки змінні величини воротного механізму цього каналу не виявляють змін при мембранному потенціалі, менш негативному, ніж - 60 мВ.
Якщо мембранний потенціал в клітинах робочого міокарда передсердь [52, 69] або в волокнах Пуркіньє [70] знижений внаслідок захворювання серця, за потенціалом дії може послідувати затримана постдеполярізаціі. Амплітуда постдеполярізаціі при цьому збільшується з почастішанням основного ритму або після передчасного імпульса- якщо постдеполярізаціі досягає порогового потенціалу, в таких клітинах може виникнути триггерная активність. Механізм розвитку постдеполярізаціі в пошкоджених хворобою клітинах серця поки неясен- ймовірно, він пов`язаний з підвищенням внутрішньоклітинного вмісту кальцію.

Виникнення порушень ритму серця

У цьому розділі ми розглянемо, яким чином місце виникнення домінуючого водія ритму зміщується від синусового вузла до якогось ектопічного вогнища, викликаючи тим самим ектопічне збудження і тахікардію. Зміна місця виникнення імпульсу часто є наслідком змін електричної активності серцевих клітин при захворюванні. Хоча порушення ритму виникають і в клінічно нормальному серце, подібна аритмія може бути наслідком аналогічних змін клітинної електрофізіології, які захоплюють лише обмежену ділянку серця і тому занадто малі, щоб їх можна було виявити клінічними методами.

Порушення ритму, викликані циркуляцією імпульсів

У серці, стимулюється синусовим ритмом, що поширюється імпульс зникає відразу після послідовної активації передсердь і шлуночків, так як він оточений рефрактерній тканиною, яка тільки що була збуджена. Потім серце повинно чекати надходження нового імпульсу, що виникає в синусовомувузлі при наступній активації. Феномен циркуляції спостерігається в тому випадку, коли поширюється імпульс жевріє після повної активації серця, а зберігається, знову порушуючи його після закінчення рефрактерного періоду [71]. Для того щоб це відбулося, імпульс повинен залишатися в межах серця, поки в серцевих волокнах не відновиться збудливість і він зможе знову активувати їх.
Ефективний рефрактерний період в серцевих клітинах тривалий - від 150 мс (в передсердях) до 300-500 мс (в спеціалізованій провідній системі шлуночків) [3]. Тому імпульс, призначений для циркуляції (або повторного порушення), повинен зберігатися принаймні протягом цього часу до закінчення рефрактерного періоду. Однак в очікуванні його закінчення імпульс не може залишатися на одному місці, а повинен продовжувати своє просування по шляху, функціонально ізольованому від інших областей серця. Такий шлях проведення повинен забезпечувати можливість повернення до раніше порушеної області- він повинен бути досить довгим, щоб імпульс поширювався по ньому протягом всього рефрактерного періоду. У нормі імпульс проводиться зі швидкістю від 0,5 до 5 м / с по всіх тканинах серця, за винятком волокон синусового і атріовентрикулярного вузлів. Якби він просувався з такою швидкістю протягом усього рефрактерного періоду, він повинен був би пройти шлях довжиною від 7,5 см до 2,5 м. Як відзначають Сгаnefield і Hoffman, існування настільки довгого шляху, нехай навіть замкнутого, але знаходиться у функціональній ізоляції від решти тканин серця, ніколи не представлялося можливим [72].
Природно, поширення з нормальною швидкістю не є єдиним способом збереження циркулюючого імпульсу під час рефрактерного періоду: зниження швидкості проведення усуває необхідність такого довгого проводить шляху. Наприклад, якщо проведення загальмовано (до 0,02 м / с), імпульс пройде всього 6 мм протягом рефрактерного періоду тривалістю 300 мс [72]. У попередньому розділі говорилося, яким чином захворювання серця може зумовити настільки повільне проведення імпульсу, а шляхи такої довжини легко знайти в серце.
Зміни тривалості рефрактерного періоду також можуть полегшити циркуляцію. Наприклад, зменшення ефективного рефрактерного періоду, зазвичай спостерігається при прискоренні реполяризації потенціалу дії, скорочує час, протягом якого імпульс повинен проводитися по функціонально ізольованому шляху в очікуванні відновлення збудливості інших областей серця.

Циркуляція, обумовлена повільним проведенням і односпрямованим блоком в міокардіальних волокнах з низьким потенціалом спокою і невисокою швидкістю наростання потенціалу дії

Виникнення циркуляції імпульсу залежить від наявності повільного проведення і односпрямованого блоку проведення. Основні принципи виникнення циркуляції ілюструє рис. 3.13, що відтворює в дещо зміненому вигляді схему з роботи Mines, опублікованій в 1914 р [71] - дані були отримані ним при дослідженні ізольованих кілець серцевих тканин. Аналогічні дослідження, які також внесли свій вклад в сучасну концепцію циркулюючого збудження, були здійснені Мауег [73] на кільцях, отриманих з тканини дзвони медузи. Як показано на рис. 3.13, якщо кільце збудливою тканини стимулюється в одній точці, то з цієї точки виходять дві хвилі збудження, які поширюються в протилежних напрямках по кольцу- при цьому збудження виникає лише одноразово, так як хвилі стикаються і загасають. Однак при тимчасовому здавленні тканини поблизу місця стимуляції хвиля збудження поширюється лише в одному напрямку вздовж кільця, бо область здавлення запобігає проведення хвилі в іншому напрямку. Хвиля, що поширюється в одному напрямку, повертається до точки стимуляції (на цей раз тиск на тканину не проводиться), а потім знову проходить по кільцю. Імпульс здатний проходити по кільцю нескінченне число разів, так як кожен раз при його поверненні до вихідної точки збудливість тканини в цій частині кільця відновлюється [71, 73].

Мал. 3.13. Циркуляція імпульсів в кільці збудливою тканини (по Мауег і Mines).
А - стимуляція кільця в області, зазначеної чорної точкой- імпульси, поширюючись від цієї точки в обох напрямках, сталківаются- циркуляції не відбувається. Б - при стимуляції в тій же точці здавлюється заштрихований ділянка-імпульс поширюється по кільцю тільки в одному напрямку, так як його рух в протилежному напрямку блокується в області сдавленія- відразу ж після стимуляції стиснення припинялося. В - однонаправленно циркулює імпульс повертається до вихідної точки і потім продовжує свій рух по кільцю.

Аналогічним чином циркуляція може виникати в замкнутих провідних шляхах, утворених пучками міокардіальних волокон передсердь, шлуночків або волокон Пуркіньє. Наприклад, анатомічна будова спеціалізованої провідної системи шлуночків забезпечує проведення по шляхах, функціонально придатним для циркуляції. Пучки сполучених волокон Пуркіньє оточені сполучною тканиною, яка відділяє їх від шлуночків міокарда. У периферичних областях провідної системи такі пучки зазвичай мають безліч ответвленій- в місцях зіткнення гілок пучка з міокардом шлуночків часто формуються анатомічні петлі, утворені пучками волокон Пуркіньє і м`язовими волокнами (рис. 3.14). В периферичної провідній системі шлуночків існують також замкнуті шляху, утворені виключно пучками волокон Пуркіньє.
Потенціали дії волокон Пуркіньє в нормі розвиваються по типу швидкої відповіді зі швидкістю проведення від 1 до 5 м / с. У нормальних умовах швидко проводящееся збудження синусового походження охоплює всі пучкові волокна Пуркіньє дистальної петлі і досягає міокарда шлуночків, де імпульси стикаються і загасають через рефрактерності навколишнього тканини (рис. 3.15). Для того щоб в дистальної частини спеціалізованої провідної системи шлуночків виникла циркуляція, проведення повинно бути замедленним- .Крім того, необхідна наявність ділянки, що має односпрямований блок і стратегічно важливе розташування. Проведення може бути уповільненим, якщо петля розташовується в ураженій ділянці серця. У цьому випадку швидкість деполяризації в нульову фазу і овершут потенціалу дії волокон Пуркіньє в петлі можуть бути знижені, можливо, внаслідок зменшення потенціалу спокою. Пригнічення потенціалу спокою і наростання потенціалу дії на уражених ділянках рідко бувають равномернимі- в областях з вираженим зниженням потенціалу дії може виникнути односпрямований блок.
Механізм, за допомогою якого уповільнене проведення і односпрямований блок можуть привести до розвитку циркуляції, показаний в левой`часті рис. 3.14 [74, 75]. У дистальній петлі, утвореної пучками волокон Пуркіньє і міокардом шлуночків, ділянку з односпрямованим блоком знаходиться поблизу підстави гілки Б імпульс не може пройти через цю ділянку в антероградному напрямку, але проводиться в ретроградним напрямку. Передбачається, що в іншій частині петлі проведення загальмовано. Імпульс з синусового вузла, який проводиться в петлю через основний пучок волокон Пуркіньє, блокується поблизу відгалуження Б і може увійти тільки в гілку А, по якій він повільно проходить в міокард шлуночків, і лише потім він може порушити гілка Б на її міокардіальної кінці. Ця гілка спочатку не порушувала через однонаправленного блоку біля її основи, тому імпульс може проводитися по ній в ретроградним напрямку і через область однонаправленного блоку увійти в основний пучок, по якій він проходить в петлю (див. Рис. 3.14).
Циркулює імпульс буде, звичайно, блокований, якщо він повернеться до основного пучку, коли волокна в цій області знаходяться в стані ефективної рефрактерності (див. Рис. 3.15). Отже, необхідно повільне проведення потенціалів дії по петлі. Область з односпрямованим блоком необхідна для запобігання якійсь частині петлі від антероградного проникнення імпульсу, що забезпечує збудливість поворотного шляху для циркулюючого імпульсу.
Коли циркулює імпульс повертається до основного пучку, він може пройти по всій провідній системі і повторно активувати шлуночки, викликавши їх передчасне скорочення.

Мал. 3.14. Можливі механізми циркуляції імпульсів при повільному проведенні і однонаправленому блоці.
Зліва - основний пучок (ОП) волокон Пуркіньє, що розділяється на дві гілки (А і Б) перед входом в міокард шлуночків (МЗ). В галузі Б розташовується виражено пригноблена область (заштриховано), в якій відбувається односпрямоване блокування проведення (в антеградном напрямку). Проведення в іншій частині замкнутого шляху сповільнений через низького потенціалу спокою в волокнах Пуркінье- отже, наростання їх потенціалу дії також сповільнено. Стрілками показана послідовність активації замкнутого шляху йде імпульсом: стрілка під цифрою I являє імпульс синусового походження, що входить в петлю- стрілка під цифрою II - циркулює імпульс, що виходить з петлі. Більш докладний опис виникнення циркуляції дано в тексті. Нижче показані потенціали дії, зареєстровані в ОП і гілках А і Б, а також приклад можливої електрокардіограми. Потенціал дії 1 на ОП-кривої зареєстрований при входженні в замкнуту ланцюг. Потенціали дії на А і Б зареєстровані при проходженні імпульсу по ланцюгу. Потенціал дії II на ОП-кривої виникає при повторному порушенні основного пучка. Імпульс I викликає желудочковую деполяризацию 1 на електрокардіограмі, а імпульс II - желудочковую екстрасистол (шлуночкова деполяризація II). Справа на верхньому фрагменті малюнка показано виникнення циркуляції в єдиному пучку м`язових волокон або волокон Пуркіньє. Схематично зображені два сусідніх волокна в пучке- збудження у всій заштрихованої області угнетено, але пригнічення ділянки верхнього волокна (темна штрихування) настільки виражено, що там виникає односпрямований блок проведення. Стрілки показують послідовність активації пучка: стрілки під цифрою I представляють імпульс, що входить в пучок, а стрілки під цифрою II - циркулює імпульс, який повертається і знову збуджує ліву частину пучка (див. Текст). Внизу показані потенціали дії, зареєстровані в точках а, б і в нижнього волокна: потенціал дії I зареєстрований при проходженні імпульсу зліва направо, а потенціал дії II - при поверненні імпульсу до вихідної точки. Нижня крива показує, як ці події відображаються на електрокардіограмі.

Мал. 3.15. Основний пучок (ОП) волокон Пуркіньє в дистальної частини шлуночкової провідної системи, який поділяється на дві гілки (А і Б) перед входженням в міокард шлуночків (МЗ) і утворенням петлі.
На фрагменті I показана послідовність активації в нормальних умовах-імпульс синусового походження входить в основний пучок, що веде до петлі, де імпульси стикаються і зникають. Фрагмент II - послідовність активації при наявності області з односпрямованим блоком проведення (заштрихований ділянку гілки Б) - проведення збудження блокується в антеградном напрямку (від Б до МЗ), але не в ретроградним напрямку (від МЗ до Б). В іншій частині петлі швидкість проведення нормальна, оскільки тут відсутня угнетеніе- отже, імпульс швидко проходить петлю і повертається до ОП перш ніж відновиться його збудливість, а потім блокується в рефрактерній тканини. Фрагмент III - можлива послідовність активації при уповільненому проходженні петли- але ділянку однонаправленного блоку тут відсутня. Отже, імпульс повільно проходить від ОП по обом гілкам. Однак МЗ першим активізується імпульсами, швидко надходять з інших областей, де проведення не угнетено. Навпаки, зворотного возбудимого шляху, по якому могла б здійснюватися циркуляція, не існує [16].

Він може також знову проникнути в пучок волокон Пуркіньє, через який він спочатку порушив міокард шлуночків (гілка А на рис. 3.14), і знову пройти тим самим шляхом циркуляції. Це може привести до безперервної циркуляції імпульсу по петлі, або до «кругового руху», вельми нагадує рух хвилі збудження по кільцю тканини, яке спостерігалося Mines і Мауег. Однак у щойно описаної петлі безперервна циркуляція зумовить повторюється збудження шлуночків.
Якщо за нормальних умов активації серця проведення в петлі волокон Пуркіньє і робочого міокарда шлуночків сповільнене недостатньо для забезпечення циркуляції або якщо відсутня ділянка, що має стратегічно важливе розташування і односпрямований блок, то циркуляція може бути викликана передчасної активацією. Основний імпульс може поширюватися по пучках волокон .Пуркінье і міокарду шлуночків за допомогою одного з шляхів, показаних на рис. 3.15. Якщо ці волокна Пуркіньє потім знову передчасно активувати, раніше ніж вони повністю відновлять свою збудливість, то цілком ймовірно, що передчасний імпульс буде проводитися навіть повільніше, ніж основний. Передчасна активація може також призвести до виникнення однонаправленного блоку, так як частково рефрактерная тканину недостатньо безпечна для проведення збудження. Отже, передчасна активація здатна викликати циркуляцію, схематично показану на рис. 3.14.
Хоча при описі механізму циркуляції по замкнутому шляху з пригнобленим проведенням ми використовували в якості прикладу периферичні волокна Пуркіньє, виникнення циркуляції за допомогою аналогічного механізму може спостерігатися і в інших областях серця. Наприклад, при ревматичному ураженні передсердь або інфаркті міокарда шлуночків, крім гноблення наростання потенціалу дії і зниження потенціалу спокою, можуть виявлятися приховані області невозбудимой тканини [52, 55] - проведення за цими галузями може, таким чином, здійснюватися по колу, як описано вище для системи периферичних волокон Пуркіньє і схематично показано на рис. 3.14.
Однак наявність великих анатомічних петель не є необхідною умовою для виникнення ціркуляціі- циркуляція, викликана повільним проведенням і односпрямованим блоком, може спостерігатися і в неветвящихся пучках м`язових волокон, до яких застосовуються ті ж основні принципи, що обговорювалися раніше для циркуляції в дискретних петлях тканини [74 -76]. Механізм циркуляції в неветвящихся пучках волокон Пуркіньє або м`язових волокон, що отримав назву «відображення», показаний в правій частині рис. 3.14. Окремі волокна в таких структурах розташовуються переважно паралельно один одному з боковим з`єднанням на деяких ділянках. Приклад нерівномірного зниження мембранного потенціалу внаслідок захворювання в неветвящійся структурі показаний у верхній частині малюнка. Передбачається, що клітини в центральній частині верхнього волокна мають менший потенціал спокою, ніж клітини нижнього волокна, так що в верхньому волокні виникає односпрямований блок, тоді як в нижньому волокні - лише уповільнене проведення. Отже, імпульс, що проходить через неветвящійся пучок, буде блокуватися поблизу середньої частини верхнього волокна, але зможе повільно проводитися по нижньому волокну. Тільки після проходження центральної ділянки імпульс зможе латерально пройти в верхнє волокно і поширюватися як в антероградному, так і в ретроградному напрямках (див. Рис. 3.14). На цьому шляху він може циркулювати і повторно порушувати неветвящійся структуру (ретроградно), а отже, і інші частини серця (також повторно).
Нещодавно був описаний інший механізм, здатний викликати феномен «відображення» [77]. Внаслідок зниження потенціалу спокою повільне проведення спостерігається не в усьому пучку, як це показано на рис. 3.14, Б. Навпаки, наголошується затримана активація частини пучка в результаті електротонічних збудження області, розташованої дистальніше невозбудімості сегмента. Наявність невозбудімості сегмента може бути обумовлено зниженням потенціалу спокою і подальшої інактивацією натрієвих каналів. Більш докладний опис цього механізму читач знайде в оригінальній статті [77].