Исследование электрической активности миокарда играет важную роль в изучении механизмов работы проводящей системы сердца, возникновения аритмий и воздействия лекарственных препаратов на сердечную ткань. Одним из ключевых инструментов таких исследований являются системы электрофизиологического картирования, позволяющие регистрировать распространение возбуждения в тканях сердца и проводить пространственно-временной анализ электрической активности.
Для экспериментальных исследований могут применяться оптические и электрические системы картирования сердечной ткани. Они позволяют изучать процессы возбуждения и проведения электрических импульсов, определять потенциальные источники аритмий, оценивать параметры реполяризации и исследовать изменения электрофизиологических характеристик миокарда под воздействием лекарственных веществ.
Применение системы оптического картирования SCOPE для исследования сердечной ткани
Система оптического картирования (в центре) и дополнительное оборудование (справа). Слева схематическое изображение оптического пути системы
Загрузка сердца флуоресцентным красителем
Одновременная регистрация потенциала действия и кальциевых транзиентов по десяткам тысяч каналов
Оптическое картирование сердечной ткани
Оптическое картирование (optical mapping) позволяет визуализировать электрофизиологические процессы в миокарде и получать пространственную информацию об изменениях активности сердечной ткани. Особый интерес представляет сочетание оптического картирования с технологией живых срезов миокарда (living myocardial slices). Такой подход позволяет создавать экспериментальную платформу для исследования механизмов сердечной деятельности и скрининга лекарственных препаратов.
В исследованиях используются ультратонкие срезы миокарда толщиной 300–400 мкм, сохраняющие естественную структуру сердечной ткани. При соблюдении стерильных условий они подходят для иммерсионного культивирования продолжительностью до одного месяца. Методика может применяться как для экспериментальной ткани, например миокарда свиньи, так и для клинических образцов ткани человека.
Исследование кальциевых транзиентов
Одно из применений оптического картирования — анализ кальциевых транзиентов (CaT) в миокарде. В приведённом исследовании картирование кальциевых транзиентов срезов миокарда желудочка свиньи выполнялось в трёх условиях: контроль, воздействие 1 мкМ цизаприда, совместное воздействие 1 мкМ цизаприда и 10 нМ ATXII. В контрольной группе значение CaT90 составляло 289 мс. После добавления цизаприда наблюдалось его увеличение до 318 мс. При совместном воздействии цизаприда и ATXII регистрировались выраженные ранние постдеполяризации (EAD).
Количественный анализ распределения CaT90 также показал изменение электрофизиологических характеристик ткани. В контрольных образцах значения концентрировались примерно около 300 мс, после воздействия цизаприда распределение смещалось в сторону больших значений, а при добавлении ATXII наблюдалось дальнейшее смещение с появлением сигналов, связанных с EAD.
Таким образом, сочетание оптического картирования и живых срезов миокарда дает возможность регистрировать изменения электрофизиологических параметров сердечной ткани в ответ на воздействие исследуемых соединений. Такой подход может использоваться при изучении механизмов действия препаратов и оценке их влияния на миокард.
A ) Было проведено картирование кальциевых транзиентов в срезах миокарда желудочков свиньи в контрольных условиях, при воздействии цизаприда (1 мкМ) и при совместном воздействии цизаприда (1 мкМ) и ATXII (10 нМ). Результаты показали, что показатель CaT90 составил 289 мс в контрольной группе, увеличился до 318 мс при применении цизаприда, а в группе совместного воздействия наблюдались выраженные ранние постдеполяризации (EAD).
B ) Был проведен количественный анализ распределения значений CaT90 в срезах миокарда желудочков свиньи для групп контроля, цизаприда и комбинации цизаприда с ATXII. Данные продемонстрировали концентрацию значений CaT90 в районе 300 мс в контрольной группе, смещение распределения вправо при применении цизаприда и дальнейшее смещение, сопровождающееся сигналами, связанными с ранними постдеполяризациями (EAD), в группе совместного воздействия.
Электрическое картирование сердечной ткани
Другой метод исследования — электрическое картирование (electrical mapping). Система использует многоканальные электроды, непосредственно контактирующие с возбудимыми тканями или клетками. Электрические сигналы одновременно регистрируются в нескольких точках, после чего специализированное программное обеспечение обрабатывает полученные данные и формирует карты электрической активации и динамическую визуализацию распространения возбуждения. Это позволяет определять пространственное положение очагов возбуждения и анализировать направление и скорость распространения электрического импульса по исследуемой ткани.
Карта активации полевого потенциала в различных точках
Например, на карте активации полевого потенциала направление проведения может отображаться от области наиболее ранней активации к области более поздней. В представленном эксперименте время проведения между исследуемыми областями составляло 5,8 мс.
Последовательные временные диаграммы моментов возбуждения в различных точках
Какие параметры можно исследовать с помощью электрического картирования
Системы электрического картирования позволяют определять широкий набор электрофизиологических параметров сердечной ткани:
- частоту возбуждения;
- локализацию пейсмейкерного участка;
- направление проведения возбуждения;
- скорость проведения;
- дисперсию проведения;
- дисперсию реполяризации;
- дисперсию интервала QT.
Помимо регистрации полевых потенциалов, система позволяет одновременно контролировать дополнительные физиологические показатели, включая систолическое давление в желудочках, коронарное перфузионное давление, монофазные потенциалы действия, электрокардиограмму (ЭКГ) и температуру перфузии. За счет синхронной регистрации нескольких параметров исследователь получает комплексную информацию об электрофизиологическом и функциональном состоянии сердечной ткани.
Поиск потенциальных источников сердечных аритмий
Электрофизиологическое картирование может применяться для изучения проводящей системы сердца и определения участков ткани, способных выступать в качестве источников патологического ритма. В одном из исследований электрическое картирование и регистрацию потенциалов действия проводили на правом атриовентрикулярном кольце сердца крысы.
При сохранённом синусовом узле правое атриовентрикулярное кольцо функционировало преимущественно как область проведения электрического возбуждения. После удаления синусового узла ткань приобретала способность самостоятельно инициировать возбуждение и демонстрировала потенциалы действия с характеристиками пейсмейкерной активности.
Картирование электрической активации
При исследовании задней стенки правого предсердия с сохранённым синусовым узлом было установлено, что именно синусовый узел являлся областью наиболее ранней активации. От него электрическое возбуждение распространялось по правому предсердию и далее к правому атриовентрикулярному кольцу.
После удаления синусового и атриовентрикулярного узлов в изолированном правом атриовентрикулярном кольце регистрировалась спонтанная электрическая активность. В ткани были выявлены несколько пейсмейкерных участков, а в отдельных образцах наблюдалась блокада выхода импульса.
Дополнительная регистрация внутриклеточных потенциалов действия с помощью острых микроэлектродов показала наличие спонтанных потенциалов с диастолической деполяризацией. Их электрофизиологические характеристики были близки к характеристикам синусового узла, однако частота генерации импульсов была ниже. Полученные результаты указывают на наличие у правого атриовентрикулярного кольца эктопического пейсмейкерного потенциала и возможность его участия в формировании очагов предсердной тахикардии.
Возможности систем картирования в исследованиях сердца
Оптическое и электрическое картирование дополняют друг друга и позволяют исследовать сердечную ткань на разных уровнях. Оптические системы картирования подходят для пространственного анализа электрофизиологических процессов, исследования кальциевой динамики и оценки изменений миокарда при воздействии различных соединений. В сочетании с живыми срезами сердечной ткани технология может использоваться для создания экспериментальных платформ для скрининга кардиологических препаратов.
Электрические системы картирования обеспечивают многоточечную регистрацию электрических сигналов и позволяют исследовать локализацию источников возбуждения, направление и скорость проведения импульса, процессы реполяризации и пейсмейкерную активность. Применение таких технологий расширяет возможности исследований электрофизиологии сердца, механизмов сердечных аритмий, проводящей системы миокарда и воздействия лекарственных препаратов на сердечную ткань.
Специалисты АЗИМУТ ФОТОНИКС готовы помочь подобрать оборудование и решения для оптического и электрического картирования в соответствии с задачами вашей лаборатории и особенностями экспериментальной модели.
Литература: Journal of the American Heart Association, Functional, Anatomical, and Molecular Investigation of the Cardiac Conduction System and Arrhythmogenic Atrioventricular Ring Tissue in the Rat Heart
