Лаборатория электрофизиологии сердца

Лаборатория электрофизиологии сердца организована в 1976 году известным русским физиологом Леонидом Валентиновичем Розенштраухом, академиком РАН, лауреатом Государственной Премии СССР (1978, 1985 годов) и России (2003 года), создателем советской и российской научной школы экспериментальной электрофизиологии сердца.

Реализация основной функции сердца – работа его как насоса, невозможна без предварительного, скоординированного и строго упорядоченного электрического возбуждения отдельных клеток (кардиомиоцитов) и ткани камер сердца.

Во время диастолы кардиомиоцит находится в состоянии покоя, и внутренняя цитоплазматическая сторона его мембраны заряжена негативно по отношению к внешней среде. Этот негативный электрический потенциал называют мембранным потенциалом покоя. При возбуждении кардиомиоцита происходит перезарядка мембраны: в ходе весьма быстрого процесса, называемого деполяризацией, негативный заряд сходит на нет, а мембрана приобретает небольшой позитивный заряд. Деполяризация предшествует систоле (сокращению) камер сердца. После деполяризации следует процесс реполяризации мембраны кардиомиоцита, когда она постепенно восстанавливает свой негативный потенциал покоя. Совокупность изменений мембранного потенциала, то есть деполяризации и реполяризации называется потенциалом действия. Следствием потенциала действия является временное увеличение внутриклеточной концентрации ионов кальция, которое необходимо для сокращения кардиомиоцитов. Таким образом, без возбуждения кардиомиоцита нет и его сокращения. Поскольку кардиомиоциты соединены между собой т.н. электрическими контактами, возбуждение (потенциалы действия) может передаваться от одного миоцита на другой, формируя распространяющуюся волну возбуждения. Возбуждение охватывает все кардиомиоциты, что приводит к сокращению камер сердца.

В здоровом сердце человека каждое очередное возбуждение возникает в особой структуре – синоатриальном узле, который находится в правом предсердии и выполняет роль ритмического генератора возбуждения – пейсмекера. Возникнув в синоатриальном узле (пейсмекере) волна возбуждения распространяется сперва по предсердиям, затем охватывает миокардиальную ткань атриовентрикулярного (предсердно-желудочкового) узла, распространяется по желудочковой проводящей системе и миокарду желудочков. В результате вышеописанного процесса, происходит скоординированное, последовательное сокращение предсердий и желудочков. Целый ряд заболеваний сердца либо обусловлен, либо сопровождается нарушением нормального процесса возбуждения и реполяризации кардиомиоцитов; нарушением нормальной последовательности возбуждения участков сердца, и, соответственно, потерей сердцем способности выполнять роль насоса в сердечнососудистой системе.

Электрофизиология сердца изучает механизмы электрических процессов в мембране кардиомиоцитов, механизмы формирования и регуляции возбуждения кардиомиоцитов различных отделов сердца, исследует особенности взаимосвязи кардиомиоцитов в ткани, закономерности распространения возбуждения в отделах сердца, а также механизмы формирования и регуляции ритма сердца его пейсмекером. К области интересов электрофизилогии сердца относится исследование причин дисфункции ритмоводителя, нарушений ритма, возбудимости сердца, поиск новых способов фармакологической и интервенционной терапии сердечных патологий, связанных с нарушением его электрической активности.

Научная деятельность лаборатории связанна с разработкой антиаритмических лекарственных препаратов, изучением способов ослабления нежелательных побочных эффектов кардиотропных препаратов, исследованием фундаментальных механизмов формирования ритма сердца, а также механизмов формирования наджелудочковых аритмий; проводится поиск и изучение новых механизмов контроля и коррекции ритма сердца.

• Разработка антиаритмических лекарственных средств. С момента основания в лаборатории проведены доклинические исследования и показана антиаритмическая активность для целого спектра кардиотропных средств с антиаритмическим, антиангинальным, симпатолитическим, антигипертензивным, антигипертрофическим действием, включая фенилалкиламиновые соединения с комбинированной альфа (1,2)-, бета-(1,2,3)-блокирующей активностью, а также терпеноидные соединения семейства аконитина (лаппаконитин «аллапинин»), демонстрирующие «мембранстабилизирующие» свойства. Сотрудниками Лаборатории разработано несколько лекарственных средств, направленных на купирование и предотвращение наджелудочковых аритмий, включая антиаритмические препараты «I класса» - этмозин и этацизин, относящиеся к производным фенотиазинового ряда. Лабораторией электрофизиологии внесен ключевой вклад в разработку и внедрение отечественных антиаритмических препаратов «III класса» нового поколения - «нибентана» и «рефралона» (ниферидил), являющихся производными соединений пиперидинового ряда. В Лаборатории для «рефралона» впервые на экспериментальном, доклиническом уровне продемонстрирована уникальная антифибрилляторная эффективность, способность к подавлению мерцания и трепетания предсердий, способность к реверсии синусного ритма, а также исключительно низкая способность к индукции побочных явлений («торсадогенность) в желудочковом миокарде. Установлен молекулярный и ионный механизм действия рефралона, связанный с его высокоизбирательной блокадой калиевых ионных каналов Kv11.1, кодируемых генами hERG и опосредующих быструю компоненту трансмембранного тока «задержанного выпрямления» (IKr) в кардиомиоцитах предсердий человека.
• Модели сердечнососудистых патологий и прикладные исследования. Сотрудниками Лаборатории разработан ряд животных и тканевых моделей предсердных тахиаритмий, включая ваготоническую модель фибрилляции предсердий, позволяющих исследовать механизмы формирования нарушений ритма сердца, а также осуществлять поиск способов предотвращения тахиаритмий. В Лаборатории создана технология полного цикла исследования антиаритмической активности и безопасности потенциальных антиаритмических препаратов с использованием животных моделей, in vivo электрофизиологии, тканевых препаратов структур сердца, первичных культур и изолированных дифферинцированных кардиомиоцитов, клеточных систем гидрологической экспрессии. При использовании вышеуказанных подходов в Лаборатории установлен новый механизм синусноузловой тахиаритмии и антиариитмичечкого действия М-холиноблокаторов: впервые показано, что у млекопитающих животных и человека увеличение холинергического тонуса приводит формированию функциональной невозбудимости в центальной зоне синоатриального узла, что сопровождается формированием контура циркуляции (re-entry) возбуждения по периферии ритмоводителя сердца. Установлено, что М-холиноблокаторы предотвращают возникновение синусноузлового re-entry и синусноузловых тахиаритмий.
• Выяснение механизмов проаритмической активности миокардиальной ткани торакальных (легочных и полых) вен. Сердечная ткань присутствует не только в самом сердце, но и в ближних к сердцу участках вен, приносящих к нему кровь. В последнее время стало ясно, что кардиомиоциты, находящиеся в составе так называемой миокардиальной обкладки (муфт, рукавов) легочных и полых вен, способны к генерации собственной автоматической активности, которая может являться причиной возникновения целого ряда нарушений ритма (аритмий) у человека. Наша цель – определить причины и условия возникновения автоматии в миокардиальной ткани торакальных вен, выяснить, как можно регулировать и контролировать автоматию миокардиальных рукавов. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/apha.13597, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2020.00237/full)
• Поиск новых эндогенных регуляторов электрической активности миокарда. Одним из направлений работы Лаборатории в фундаментальной области является поиск эндогенных регуляторов электрофизиологических свойств рабочего миокарда и синоатриального узла сердца. МикроРНК являются малыми молекулами, которые специфически ингибируют экспрессию генов путем так называемой РНК-интерференции или «сайленсинга». К таким регулируемым микроРНК генам могут относиться гены ионных каналов, а также транскрипционных факторов. Эти регуляторные белки контролируют так называемый «электрофизиологический фенотип» клеток сердца – кардиомиоцитов: под управлением транскрипционных факторов в кардиомиоцитах экспрессируются гены определенных ионных каналов и переносчиков, в результате чего клетки сердца приобретают биоэлектрическую активность, свойственную рабочему миокарду, либо миокарду пейсмекера. В Лаборатории установлено, что малые некодирующие молекулы РНК (микроРНК) могут модулировать симпатические эффекты в синоатриального узла, предсердном и желудочковом миокарде, могут усиливать адренергическую проаритмическую автоматию в миокарде торакальных вен при системном способе доставки в составе наночастиц. МикроРНК, избирательно экспрессируемые в сердце (miR-486-3p, miR-1, miR-133a-3p), модулируют эктопическую автоматию, вызванную адренергической стимуляцией, в миокарде легочных вен. Таким образом, в Лаборатории выявлено несколько новых фундаментальных механизм модуляции нервного контроля биоэлектрической активности синоатриального узла, аритмогенности миокарда торакальных вен, сократимости рабочего миокарда. Сотрудниками Лаборатории впервые показано, что такие соединения как динуклеотид-полифосфаты и их производные оказывают существенное влияние на сократимость, биоэлектрическую активность кардиомиоцитов, а также модулируют пейсмекерную функцию кардиомиоцитов синоатриального узла. Установлено, что такие пуриновые динуклеотид-полифосфаты как диаденозин пентафосфат или диаденозин тетрафосфат, внеклеточный НАД+ модулируют (преимущественно ослабляют) адренергические эффекты в сердце, высвобождаясь симпатическими терминалями и оказывая влияние на β-адренергическую сигнализацию.
• Исследование изменений электрической активности сердца в онтогенезе. Лишь в последние годы физиологам стал ясен масштаб изменений электрической активности миокарда на протяжении индивидуального развития организма. К примеру, у новорожденной и взрослой крысы за формирование потенциала действия отвечают совершенно разные ионные токи, а к старости ионные токи изменяются таким образом, что сердце может остановиться без каких-либо внешних воздействий. Наша цель состоит в раскрытие онтогенетических различий в регуляции электрической активности миокарда. Их знание откроет путь к индивидуализированной терапии электрофизиологических нарушений работы сердца в зависимости от возраста.
• Исследование фундаментальных механизмов функционирования ритмоводителя сердца – синоатриального узла. При исследовании структурно-функциональной организации синоатриального узла установлено, что ткань ритмоводителя сердца включает значительное количество функционально активных иммунокомпетентных клеток – тучных клеток, макрофагов относящихся к разным популяциям. Впервые показано, что провоспалительные факторы оказывают существенное влияние на функционирование синоатриального узла активируя и «поляризуя» тканерезидентые макрофаги. Активация тканерезидентых макрофагов ритмоводителя сердца манифестирует в форме двух противоположных явлений, одним из которых является стимуляция пейсмекерной функции синоатриального узла, за счет подавления плотности «реполяризующего» ионного тока IK1, усиления ионных токов IKr, ICa, а второе проявляется в снижении электрической сопряженности кардиомиоцитов синоатриального узла и усилении чувствительности к холинергическим влияниям, что приводит к нарушению нормальной регуляции ритма сердца. Выявленный феномен функциональной активности и поляризация тканрезидентных макрофагов синоатриального узела критически важен для формирования полноценного пейсмекера в онтогенезе. Полученные сведения о тканередизентных иммунных клетках синоатриального узла могут способствовать созданию искусственного биологического ритмоводителя сердца.

Основные достижения Лаборатории

• С 1964 года в лаборатории используется метод внутриклеточной регистрации электрической активности в многоклеточных препаратах миокарда с помощью стеклянных микроэлектродов.
• В 1979 году сотрудником лаборатории Альбертасом Ундровинасом был впервые в мире разработан метод регистрации ионных токов в энзиматически изолированных кардиомиоцитах млекопитающих с помощью так называемого внутриклеточного диализа (Undrovinas et al., Experientia, 1980). Впоследствии метод был модифицирован в современный whole-cell пэтч-кламп, используемый в лаборатории в настоящее время.
• Регистрация микросокращений одиночных кардиомиоцитов была налажена в 1985 году.
• Установка для электрического картирования распространения волны возбуждения по сердцу по данным 254 внеклеточных отведений от поверхности сердца была создана в 1989 году.
• Оптическое картирование эпикардиальной поверхности перфузируемого по Лангендорфу изолированного сердца с использованием видеокамеры, а также оптическое картирование тканевых препаратов с помощью высокоразрешающей фотодиодной матрицы. Эти методики основаны на применении потенциал-чувствительного красителя di-4-ANNEPS, и были налажены в лаборатории в 2004 году в качестве замены электрического картирования.
• В настоящее в время в лаборатории реализованы методики визуализации («имиджинга») различных процессов и динамики ионов в изолированных кардиомиоцитах и тканях сердца.
• Впервые зарегистрированы ранние постдеполяризации, индуцированные алкалоидом аконитином. Эти постдеполяризации приводят к развитию мерцания и трепетания предсердий (Розенштраух и др., 1964).
• На примере предсердного миокарда амфибий показан механизм развития мерцательной аритмии при стимуляции парасимпатических нервов. Показано, что возникновение нейрогенных тахиаритмий связано с появлением в предсердиях зон временной невозбудимости миокарда. Восстановление проведения возбуждения в этих зонах приводит к циркуляции возбуждения или re-entry (Розенштраух и др., 1967, 1969; Розенштраух и Холопов, 1975 (PMID: 1117624), Abramochkin et al., 2010, DOI: 10.1016/j.cbpa.2009.11.002).
• Аналогичное явление невозбудимости выявлено в центральной части синоатриального узла кролика при действии ацетилхолина и стимуляции интрамуральных внутрисердечных нервов с помощью двухканальном микроэлектродном отведении и оптического картирования синоатриального узла кролика (Vinogradova et al., 1998, DOI: 10.1097/00005344-199809000-00012; Abramochkin et al., 2009, DOI: 10.1111/j.1748-1716.2009.01963.x).
• Впервые зарегистрирован и количественно описан быстрый входящий натриевый ток (INa) в ферментативно изолированных кардиомиоцитах желудочка крысы (Undrovinas et al., 1980, DOI: 10.1007/BF01965808; Bodewei et al., 1982, DOI: 10.1113/jphysiol.1982.sp014151).
• Получены прямые доказательства роли креатинфосфокиназных систем в регуляции силы сокращения гиподинамического миокарда амфибий (Открытие СССР № 187).
• На изолированных папиллярных мышцах морской свинки показано, что мышечный тонус определяется микросокращениями отдельных клеток: увеличение количества микросокращений, вызванное сердечными гликозидами, приводит к увеличению тонуса (напряжения покоя); уменьшение микросокращений сопровождается снижением тонуса (Rosenshtraukh et al., 1982, DOI: 10.1007/978-1-4899-5561-6_2).
• Проанализировано действие лизосомальных ферментов на активность одиночных ионных каналов кардиомиоцитов крысы (Burnashev et al., 1989, DOI: 10.1007/BF00373151 ; 1991, DOI: 10.1016/0022-2828(91)90020-m).
• Проведен анализ хронотопографии возбуждения в миокарде желудочков зимнеспящего суслика при температуре сердца +4оС. (Egorov et al., 2012; DOI: 10.1152/ajpheart.00786.2011).
• Показано существование нового, неквантового, способа секреции нейромедиатора ацетилхолина из окончаний парасимпатических нейронов в миокарде млекопитающих и других позвоночных (Abramochkin et al., 2010, DOI: 10.1113/expphysiol.2009.050302; 2012, DOI: 10.1007/s00360-011-0602-2; Borodinova et al., 2013, DOI: 10.1113/expphysiol.2013.074989).
• Совместно с Институтом фармакологии (лаб. проф. Н.В. Кавериной) разработан антиаритмические препараты фенотиазинового ряда - Этмозин и Этацизин. По механизму действия препараты относятся к классу I, то есть угнетают натриевый ток в кардиомиоцитах (Schubert et al., 1986, DOI: 10.1097/00005344-198603000-00019 ; Rosenshtraukh et al., 1986, DOI: 10.1016/0002-8703(86)90303-0).
• В результате совместной работы с Химико-фармацевтическим институтом (М.Д. Машковский и Р.Г. Глушков) создан и внедрен в клиническую практику препарат Нибентан (производное пиперидина), который высокоэффективен при купировании хронических форм мерцательной аритмии. По механизму действия нибентан относится к классу III – подавляет калиевые токи, увеличивая рефрактерный период (Fedorov et al., 2000, DOI: 10.1097/00005344-200007000-00011). Однако хроническое применение этого препарата ограничено данными токсичности.
• Еще одно производное пиперидина – ниферидил (торговое название – Рефралон) разработан и внедрен в клиническую практику. Механизм действия препарата связан с подавлением реполяризующих калиевых токов, в первую очередь быстрого тока задержанного выпрямления IKr и ацетилхолинзависимого калиевого тока IKACh (Abramochkin et al., 2016, DOI: 10.1007/s10557-017-6762-x). Препарат обладает уникальной эффективностью при хронических формах мерцательной аритмии (около 85% при мерцании и 100% при трепетании предсердий) и низкой токсичностью (Maykov et al., 2014, DOI: 10.1097/FJC.0000000000000112).

Руководитель Лаборатории электрофизиологии сердца – Кузьмин Владислав Стефанович, главный научный сотрудник, доктор биологических наук

Сотрудники Лаборатории электрофизиологии сердца

1. Абрамочкин Денис Валерьевич, ведущий научный сотрудник, доктор биологических наук
2. Егоров Юрий Владимирович, ведущий научный сотрудник, кандидат биологических наук
3. Ревенко Сергей Владимирович, ведущий научный сотрудник, кандидат биологических наук
4. Филатова Татьяна Сергеевна, лаборант-исследователь, кандидат биологических наук
5. Воронина Яна Алексеевна, лаборант-исследователь
6. Кархов Андрей Михайлович, лаборант-исследователь
7. Ратновская Анна Владимировна, лаборант-исследователь

• Контакты

  Телефон: 8-495-414-67-40

  Электронная почта: VSKuzmin@cardio.ru