Вплив патологічних станів на потенціали серцевих клітин - аритмії серця (1)

Вплив патологічних станів на потенціал спокою і потенціал дії серцевих клітин

Порушення ритму серця та порушення проведення можуть виникати в результаті змін електричних властивостей серцевих волокон при захворюванні міокарда. Для з`ясування особливостей таких змін недавно було проведено ряд досліджень. Для реєстрації електричної активності клітин в препаратах міокарда, отриманих у хворих і експериментальних тварин, використовувалися скляні мікроелектроди. Результати подібних досліджень часто корелюють з даними, отриманими при вивченні нормальних міокардіальних тканин, поміщених в змінену позаклітинне середовище з метою моделювання умов, що існують при деяких захворюваннях серця.

потенціал спокою

При багатьох захворюваннях серця, що викликають аритмію, відзначається тенденція до деполяризаціїмембрани серцевих клітин. До моменту написання даної глави мембранні потенціали були зареєстровані в передсердних клітинах препаратів, отриманих при ревматичних і вроджених захворюваннях [51] і кардіоміопатії [52], а також в клітинах міокарда шлуночків і в волокнах Пуркіньє, ізольованих з уражених ішемією та інфарктом областей серця [53 -56]. У всіх випадках мембранний потенціал спокою виявився менш негативним, ніж в клітинах аналогічних ділянок здорового серця (рис. 3.10).
Причини зменшення потенціалу спокою в кожному з цих випадків не до кінця зрозумілі, хоча ясно, що певний внесок можуть вносити кілька факторів. При їх розгляді найкраще використовувати позначення з рівняння Гольдмана, Ходжкіна і Катца, яке, як було показано раніше, дозволяє досить точно визначити потенціал спокою в волокнах Пуркіньє при самих різних позаклітинних концентраціях іонів калію:

Якщо як типові величини концентрації іонів і відносини проникності в цьому рівнянні прийняти [К +] 0 = 4 мМ, [K +] i = 150 мМ, [Na +] 0 = 150 мМ, [Na +] i = 10 мМ і pna / pk = 1/100, то можна показати, що за відсутності значних змін температури є 4 різних шляхи, що дозволяють зробити потенціал спокою (Vr) менш негативним. Вони такі: 1) підвищити позаклітинне концентрацію іонів калію - [До"+] 0- 2) знизити внутрішньоклітинну концентрацію іонів калію- [K +] i :: ставлення pna / pk можна збільшити або (3) шляхом підвищення проникності мембрани для іонів натрію - pna, або (4) шляхом зниження проникності для іонів калію - РK . Будь-яке з цих змін може викликати зменшення потенціалу спокою, але в пошкоджених клітинах може одночасно спостерігатися кілька таких змін. Наприклад, будь-який патологічний стан, що приводить до ослаблення активності натрієвого насоса, слід розглядати як фактор, що сприяє деполяризації пошкоджених клітин, обумовленої, ймовірно, як підвищенням [К +] 0, так і зниженням [К +] r. Нормальна втрата клітинного До + і накопичення Na +, які супроводжують електричну активність (і спостерігаються в меншій мірі навіть в спокої), не є, отже, легкоустранімих (як це зазвичай буває) за допомогою натрієвого насоса. Іншими словами, має місце безперервна сумарна втрата К + з клітин (клітинний До + ефективно заміщається Na +), тому [К +] i поступово зменшується. Оскільки дифузія іонів з позаклітинного простору в певній мірі обмежена і, отже, уповільнена, в ньому відбувається накопичення втрачених клітинами іонів калію, що призводить до підвищення [К +] 0. Як зазначалося вище, і зниження [До +] i, і підвищення [К +] 0 можуть сприяти зміні мембранного потенціалу спокою.

Мал. 3.10. Зміни потенціалу дії, зареєстровані в волокнах Пуркіньє при інфаркті в серце собаки.
У нижній частині кожного фрагмента (записано на більш високій розгортці) показано диференційоване наростання потенціалу дії, якому передує диференційований калібрувальний сигнал при швидкості деполяризації 200 В / с- калібрувальний імпульс дифференциатора має форму прямокутника. На лівому фрагменті (контроль) - потенціал дії, зареєстрований з волокна Пуркіньє за межами инфарктной зони-відзначаються нормальний діастолічний максимум (або потенціал спокою) і швидке наростання. Праворуч-потенціали дії, зареєстровані в трьох різних волокнах Пуркіньє на ендокардіальний поверхні в инфарктной зоні. Відзначте, що максимальний діастолічний потенціал, амплітуда потенціалу дії і швидкість наростання (Vmax) в зоні інфаркту нижче, ніж у контрольній області. Пригнічення потенціалу спокою і потенціалу дії є особливо актуальним на середньому фрагменті [53].

Аналогічно тому, як зміни [К +] 0 і [К +] i можуть одночасно сприяти зниженню потенціалу спокою, зміни PNa і РK, що вносять додатковий внесок в деполяризацию мембрани, найімовірніше, відбуваються одночасно. Наприклад, припустимо, що певний патологічний стан пов`язаний зі збільшенням втрат іонів Na через клітинну мембрану (інакше кажучи, pna підвищено). У цьому випадку відношення РNа- рк збільшиться і (як випливає з наведеного вище рівняння) потенціал спокою зменшиться. Оскільки така деполяризація може відбуватися без будь-яких значних змін [К +] 0 або [К +] i, потенціал рівноваги К + не зміниться. Однак спрямована назовні рушійна сила для До +, рівна Vm-еk, буде тепер більше норми і (як результат спрямованого всередину випрямлення) провідність К +, а значить, і коефіцієнт проникності для К + (РK) будуть менше норми. Постійна деполяризація мембрани в цих умовах дійсно пов`язана зі збільшенням відносини pna-pk, однак такої зміни сприяє не тільки підвищення pna але і зниження РK.
З іншого боку, якщо якесь захворювання серця призводить до специфічного зниження РK (наприклад, в результаті змін хімічного складу мембрани, обумовлених порушенням метаболізму білків або жирів), ставлення pna-рк збільшиться і виникне деполяризация, незважаючи на відсутність змін pna. Слід підкреслити, що такого специфічного зміни рк поки не вдалося виявити в уражених серцевих клітинах, хоча аналогічний ефект може бути штучно викликаний в ізольованих міокардіальних тканинах шляхом додавання в перфузійний розчин декількох миллимолей цезію [57]. Безсумнівно, підтримуване збільшення втрат Na + через клітинну мембрану в кінці кінців привело б до зміни розподілу катіонів відносно поверхні мембрани, якби натрієвий насос не володів здатністю протистояти зростаючим потокам Na + і К +. У відповідь на відносне підвищення проникності для натрію виникне початкова деполяризація (як це описано вище), але потім буде поступово розвиватися повторна деполяризация, що відображає зниження внутрішньоклітинної концентрації К +. Це пов`язано з виходом К + з клітини в міру надходження в неї Na + для збереження електронейтральності клітинного обсягу. Незважаючи на те що проникність мембрани для іонів хлору в серцевих клітинах зазвичай досить низька, деяка кількість іонів хлору може надходити в клітини разом з Na + і водою, внаслідок чого клітина злегка набухає, що відповідно призводить до подальшого зменшення [К +] i .. Оскільки активність натрієвого насоса визначається переважно рівнем [Na +] i з підвищенням останнього в таких клітинах з витоком вона зростає. Однак якщо пасивні потоки Na і К великі або активність насоса якимось чином ослаблена, то, незважаючи на активацію роботи насоса внутрішньоклітинними іонами натрію, відзначаються значні зміни рівня [Na +] i і [К +] i.

Нульова фаза деполяризації

Для більшості вивчених патологічних станів характерно уповільнене наростання зі зниженою амплітудою потенціалу дії (фаза 0) в волокнах Пуркіньє або в клітинах робочого міокарда передсердь або шлуночків [51-56, 58]. Такі зміни, очевидно, багато в чому обумовлені" зменшенням мембранного потенціалу уражених клітин, хоча аналогічні зміни можуть бути також наслідком специфічних для даного захворювання відхилень в попередніх механізмах провідності при відсутності будь-яких змін потенціалу спокою. Ми поки не маємо достатньої інформації щодо первинного специфічного впливу захворювань на механізми провідності перед виникненням спрямованого всередину потоку, що викликає наростання потенціалу дії.
Раніше вже описувалися механізми інактивації швидкої натрієвої провідності при тривалої деполяризації мембрани (після наростання потенціалу дії), а також наголошувалося на необхідності зниження реполяризації мембрани до рівня глибокого негативного потенціалу (т. Е. Реполяризация потенціалу дії) для повного усунення цієї інактивації. Якщо мембрана реполяризуется в повному обсязі, то в даних умовах інактивація усувається лише частково. Таким чином, після повної активації натрієвої провідності цілком достатньо гіперполяризації до рівня приблизно 100 мВ, щоб повністю усунути інактивацію і повернути всім натрієвих каналах здатність до реактивації при наступному деполярізуется стімуле- при тривалій же реполяризації до рівня від -60 до -70 мВ близько 50 % натрієвих каналів инактивируются і, отже, стають недоступними для реактивації під час наступної деполярізуется стимуляції. При потенціалі близько -50 мВ практично всі натрієві канали залишаються інактивованих і недоступними для негайної реактивації (див. Рис. 3.3).
Таким чином, в серцевих клітинах, деполяризованого внаслідок захворювання, тільки частина швидких натрієвих каналів доступна для вхідного струму. У цьому випадку величина сумарного вхідного струму під час фази 0 потенціалу дії зменшується, а, значить, швидкість наростання і амплітуда знижуються (див. Рис. 3.10). Такі потенціали дії, наростання яких залежить від вхідного струму, поточного через частково інактивовані натрієві канали, іноді називають «пригнобленими швидкими відповідями» [16] на відміну від «повільних відповідей», які також мають повільне наростання, але залежать від вхідного струму, що протікає по зовсім іншим, фармакологи но відмінним мембранним каналах (див. вище). Через повільне наростання і невисокою амплітуди швидкість поширення пригноблених швидких відповідей істотно знижена. Наприклад, швидкість проведення потенціалів дії волокон Пуркіньє може знизитися з 2-4 м / с до менш ніж 0,5 м / с внаслідок стійкого стану інактивації натрієвих каналів, обумовленого деполяризацией мембрани. Подальша деполяризация і інактивація натрієвих каналів може привести до повної невозбудимости клітин, так що тут можливий розвиток блоку проведення. Але хоча провідність швидких натрієвих каналів може бути повністю інактивована на рівні приблизно -50 мВ, канали повільного вхідного струму (Na + / Ca2 + -кaнaли) стають доступними для активації при потенціалі нижче цього рівня [20, 21]. Отже, в цих умовах сильний Деполяризуючий стимул здатний викликати повільний вхідний струм. Можливість цього зазвичай невеликого повільного вхідного струму викликати регенеративну деполяризацію, характерну для повільно поширюється потенціалу дії, залежить від відносної величини мембранної провідності До +. Як уже зазначалося під час обговорення потенціалу спокою, деполяризація мембрани, викликана, наприклад, деяким підвищенням її проникності для Na +, сприяє зниженню провідності для К +, що пов`язано з наявністю спрямованого всередину випрямлення. У цих умовах повільний вхідний струм може виявитися достатнім для ініціації повільного відповідного потенціалу дії (див. Рис. 3.3). З іншого боку, деполяризація мембрани, що є наслідком підвищення [К +] 0, пов`язана зі збільшенням калієвої провідності, так що в цьому випадку такий же невеликий повільний вхідний струм може викликати лише незначну деполяризацію. Однак, якщо повільний вхідний струм зростає, наприклад, в присутності катехоламінів, повільний потенціал дії може бути викликаний і в умовах підвищеної [К +] 0 [59]. Через повільне наростання швидкість проведення повільних потенціалів дії дуже низька. Таким чином, в результаті сильної деполяризаціїмембрани швидкість поширення потенціалів дії у волокнах Пуркіньє може знизитися до величини менше 0,1 м / с [20].
Якщо деполяризація в фазу 0 сповільнюється до критичного рівня, може виникнути односпрямований блок проведення [1]. У пучках передсердних або шлуночкових волокон, а також в волокнах Пуркіньє, стимульованих з того чи іншого кінця для ініціації нормального потенціалу дії, імпульс проводиться приблизно з рівною швидкістю в обох напрямках уздовж пучка. При критичному рівні придушення швидкості наростання потенціалу дії проведення в одному напрямку може зникнути, але буде повільно здійснюватися в іншому напрямку (рис. 3.11). Критичний рівень пригнічення в різних областях серця варіює і частково залежить від геометрії серцевого синцития. Подальше придушення наростання потенціалу дії та зменшення амплітуди зазвичай призводить до блокування проведення в обох напрямках. Повільне проведення або односпрямований блок проведення може виникнути в пучках волокон, в яких наголошується або пригноблений швидку відповідь, або повільний потенціал дії.

Мал. 3.11. Односпрямований блок проведення в пучку волокон Пуркіньє у собаки.
На верхній лінії відзначено час з інтервалами в 100 мс. Три розташовані нижче криві - реєстрація потенціалу дії в трьох різних клітинах уздовж пучка волокон Пуркіньє. Потенціали дії на верхній кривої записані з ближнього кінця пучка, на середньої - з центральної частини пучка і на нижній - з далекого кінця пучка. Клітини центрального сегмента пучка були деполяризованого шляхом перфузії розчином з високим вмістом [К `^] а тому потенціали дії тут мають низьку амплітуду і уповільнене наростання. Фрагмент А: запис при стимуляції далекого кінця пучка. Імпульс реєструється спочатку в клітці далекого кінця пучка (нижня крива), потім він проходить через центральний сегмент (крива в середині) і, нарешті, збуджує клітини ближнього пучка (верхня крива). Фрагмент Б: запис при стимуляції ближнього кінця пучка. Клітка, активність якої зареєстрована на верхній кривої, збуджується, оскільки вона знаходиться поблизу місця стимуляції, проте проведення блокується в пригніченому центральному сегменті (крива в середині), тому активації далекого кінця волокна (нижня крива) не відбувається [1].

Так як зниження мембранного потенціалу в уражених областях серця навряд чи відбувається абсолютно однаково, вираженість інактивації натрієвих каналів швидше за все буде різною - від незначної (імпульси проводяться швидко у вигляді швидких потенціалів дії) і помірної (імпульси проводяться відносно повільно як пригноблені швидкі відповіді) до повної (імпульси, якщо вони виникають, поширюються дуже повільно як повільні потенціали дії).