Лаборатория электрофизиологии сердца организована в 1976 году замечательным русским физиологом Леонидом Валентиновичем Розенштраухом, впоследствии – академиком РАН, лауреатом Государственной Премии СССР (1978, 1985 гг.) и России (2003 г.). После кончины Леонида Валентиновича в 2020 году лабораторию возглавил его ученик, д.б.н. Д.В. Абрамочкин.
Чем же занимается электрофизиология сердца? Нужно пояснить, что сокращение как целого сердца, так и отдельных сердечных клеток, кардиомиоцитов, невозможно без предварительного электрического возбуждения. Когда кардиомиоцит находится в состоянии покоя, внутренняя цитоплазматическая сторона его мембраны заряжена негативно по отношению к внешней среде. Этот негативный электрический потенциал называют мембранным потенциалом покоя. Возбуждением кардиомиоцита называется перезарядка мембраны: в ходе весьма быстрого процесса, называемого деполяризацией, негативный заряд сходит на нет, а затем мембрана даже приобретает небольшой позитивный заряд. После этого следует процесс реполяризации мембраны кардиомиоцита, когда она постепенно восстанавливает свой негативный потенциал покоя. Совокупность этих изменений мембранного потенциала, то есть деполяризации и реполяризации называется потенциалом действия (ПД). Следствием ПД является увеличение внутриклеточной концентрации ионов кальция, которое в свою очередь приводит к сокращению кардиомиоцита.
Таким образом, без возбуждения кардиомиоцита нет и его сокращения. Это верно как для одной клетки, так и для целого сердца. Поскольку кардиомиоциты соединены между собой щелевыми контактами, возбуждение может передаваться с одного миоцита на другой практически без задержки. В сердце каждое очередное возбуждение возникает в особой структуре, синоатриальном узле, который находится в правом предсердии и выполняет роль ритмического генератора возбуждения – пейсмекера. От пейсмекера возбуждение распространяется сперва по предсердиям, затем по желудочкам, приводя к их последовательным сокращениям. Итак, сократительная активность сердца невозможна без его электрической активности. Электрофизиология сердца изучает механизмы формирования и регуляции электрической активности сердца в норме, а также механизмы возникновения нарушений сердечного ритма.
Основные направления работы лаборатории:
• Выяснение особенностей электрической активности миокардиальной ткани торакальных (легочных и полых) вен позвоночных животных, механизмов ее нервной (адренергической и холинергической) регуляции, исследование роли этой ткани в нормальной работе сердца, сердечных патологиях, трансформации электрической активности миокарда в ходе онтогенеза. 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
• Исследование роли микроРНК в структурно-функциональном созревании рабочего и пейсмекерного миокарда. 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. Данное исследование нацелено на поиск микроРНК, направляющих развитие электрофизиологического фенотипа кардиомиоцитов в сторону пейсмекерного, либо рабочего миокарда.
• 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.
• Сравнительно-физиологические исследования ионных механизмов электрической активности сердца у позвоночных различных классов.
• Разработка новых кардиотропных лекарственных препаратов, в том числе антиаритмических.
https://link.springer.com/article/10.1007/s10557-017-6762-x
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00210-015-1146-x
Основные достижения лаборатории:
Методические достижения:
• 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 г.
• 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.
• Кальциевый имэджинг в изолированных кардиомиоцитах с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа. В настоящее время выполняется на базе РНИМУ имени Н.И.Пирогова.
Основные фундаментальные научные результаты:
• 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 ).
Разработка антиаритмических препаратов
• 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 внедряется в клиническую практику. Механизм действия Ниферидила также 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 ).
