CC BY
54
УДК 612.172.4
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ СЕРДЦА В ПЕРИОД ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ ЖЕЛУДОЧКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА КРЫС В ТЕЧЕНИЕ РАННЕГО ПОСТНАТАЛЬНОГО ОНТОГЕНЕЗА
А.А. РАСПУТИНА, И.М. РОЩЕВСКАЯ
Лаборатория сравнительной кардиологии, Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар
a.rasputina@cardio.komisc.ru
Исследовано электрическое поле сердца на поверхности тела крыс линии Вис-тар в период начальной желудочковой активности в течение раннего постна-тального онтогенеза. Установлена однотипность динамики пространственного расположения зон положительного и отрицательного кардиоэлектрических потенциалов на поверхности тела крыс в возрасте от одних до 30 суток пост-натального развития. На основании пространственной динамики электрического поля сердца на поверхности тела крыс разного возраста выделены три этапа начальной желудочковой активности, длительности которых изменяются неодинаково в течение раннего постнатального онтогенеза.
Ключевые слова: ранний постнатальный онтогенез, электрическое поле сердца, деполяризация желудочков сердца, крысы
A.A. RASPUTINA, I.M. ROSHCHEVSKAYA. CARDIAC ELECTRIC FIELD DURING VENTRICULAR DEPOLARIZATION ON THE BODY SURFACE OF RATS IN THE EARLY POSTNATAL ONTOGENESIS
Cardiac electric field during ventricular depolarization was studied on the body surface of Wistar rats. Uniformity of dynamics of spatial distribution of the areas of positive and negative cardioelectric potentials on the body surface of rats aged from 1 to 30 days was revealed. On the basis of spatial dynamics of the body surface cardiac electric field three stages of initial ventricular activity were determined which durations changed differently during the early postnatal ontogenesis.
Key words: early postnatal ontogenesis, cardiac electric field, ventricular depolarization, rats
В период раннего постнатального онтогенеза происходит морфологическое и физиологическое развитие организма. Наиболее ярко физиологическая адаптация организма в связи с переходом в новые условия среды отмечена у незрелорождающих животных, к которым относятся крысы. В раннем постна-тальном онтогенезе незрелорождающих животных выделяют несколько критических периодов: рождение, новорожденность (ранний молочный период) -первая неделя после рождения, открытие глаз - на 14-20-й день после рождения, переход на самостоятельное питание (поздний молочный период) - осуществляется в течение третьей - начале четвертой недели, полная эмансипация от матери - в возрасте одного месяца; ранний постнатальный период развития крыс соответствует первому месяцу жизни [1, 2].
При рождении у крыс происходит становление легочного дыхания, в результате чего уменьшается сопротивление легочных сосудов, в течение первых трех суток постнатального онтогенеза закрываются овальное окно и артериальный проток [3]. Морфофизиологические перестройки организма
приводят к увеличению функциональной нагрузки на оба желудочка сердца, в большей степени - на левый [4]. В результате за счет гиперплазии и гипертрофии кардиомиоцитов в течение трех-четы-рех недель после рождения наблюдается увеличение толщины стенок левого желудочка в три, правого желудочка - в полтора раза [5, 6]. Соотношение массы левого желудочка к массе правого изменяется от 1:1 у однодневных крыс и до 2:1 - у шестимесячных животных [7].
Морфофункциональные перестройки миокарда, происходящие в период постнатального онтогенеза, находят отражение в электрической активности сердца крыс: с возрастом от одних до 53 суток после рождения отмечается сдвиг векторной петли векторкардиограммы влево, постепенное удлинение интервала (ЗЯБ электрокардиограммы [8]. Выявлены существенные отличия во временной динамике электрического поля сердца на поверхности тела однодневных крыс в период начальной желудочковой активности по сравнению со взрослыми животными [9].
Анализ пространственно-временной динамики электрического поля сердца на поверхности тела крыс в возрасте от одних до 30 суток позволит выявить закономерности формирования электрической активности миокарда желудочков в онтогенезе.
Материалы и методы
Исследовали электрическое поле сердца в период начальной желудочковой активности на поверхности тела крыс линии Вистар в возрасте одних (п=29), семи (п=26), 17 (п=18) и 30 (п=11) суток. Наркотизированные эфиром (капельно) или уретаном (1,5 г/кг, внутримышечно) животные находились в положении лежа на спине.
Регистрацию кардиоэлектрических потенциалов осуществляли при помощи автоматизированной системы от 32 подкожных игольчатых электродов, равномерно распределенных на поверхности грудной клетки животного (рис. 1, А). Пространственно-временную динамику электрического поля сердца анализировали по эквипотенциальным мо-ментным картам (рис. 1, Б), построенным с помощью оригинального программного обеспечения [10]. Синхронно с униполярными кардиопотенциалами на поверхности тела регистрировали ЭКГ в отведениях от конечностей. Временные значения указывали в
мс относительно пика зубца Я на ЭКГ во втором отведении (до пика - со знаком минус). Цифровые значения представлены в виде среднего ± стандартное отклонение. Достоверность различий оценивали с помощью непараметрического критерия Манна-Уитни для независимых выборок.
Результаты исследований
Электрическое поле сердца в период начальной желудочковой активности формируется на поверхности тела крыс в возрасте от одних до 30 суток за 5 - 9,5 мс до пика зубца Я11, при этом области положительного и отрицательного кардиопотенциалов могут взаимно располагаться в дорсо-вентральном или кранио-каудальном направлении (рис. 2, I).
В период деполяризации желудочков зоны положительного и отрицательного кардиоэлектри-ческих потенциалов у крыс всех возрастных групп изменяют свое положение на поверхности тела дважды, т.е. происходят две инверсии взаимного расположения кардиопотенциалов.
У крыс всех возрастных групп первая инверсия взаимного расположения областей кардиоэлек-трических потенциалов на поверхности тела наблюдается в период восходящей фазы зубца Я||. В результате первой инверсии устанавливается кра-
А
Б
поверхность
поверхность
вентральная
поверхность
0 00 мс
дорсальная
поверхность
1.36 мВ -0.39 мВ
Рис. 1. Схема расположения электродов (А) и эквипотенциальная моментная карта на поверхности тела крысы в момент пика зубца RII (Б).
На карте изображены зоны положительного (заштрихована) и отрицательного кардиоэлектрических потенциалов с локализацией экстремумов (знаки «+» и «-») в момент времени, указанный цифровым значением и в виде маркера на ЭЕГП под картой. Пик зубца RII принимается за 0 мс, значения времени до пика RII указываются со знаком «-», после - без знака. Под картой представлены максимальные значения амплитуд положительного и отрицательного экстремумов в указанный момент времени. Шаг изолиний равен 0,1 мВ.
Рис. 2. Эквипотенциальные моментные карты на поверхности тела крыс в возрасте 1 (крыса №8), 7 (№77), 17 (№99) и 30 (№139) суток в период деполяризации желудочков.
I - начальный, II - средний, III - конечный этапы деполяризации.
Обозначения те же, что и на рис. 1.
ниальное расположение зоны электронегативности и каудальное - в области положительного потенциала (рис. 2, II). У однодневных крыс первая инверсия заканчивается на 2,5±1,2 мс, у недельных животных - на 2,9±1 мс, у 17-дневных крыс - на 3,6±0,7 мс, у крыс в возрасте одного месяца - на 5,59±1,2 мс до пика зубца ^ (р<0,05).
От завершения первой инверсии до начала второй пространственное расположение областей положительного и отрицательного кардиоэлектри-
ческих потенциалов и экстремумов кардиопотенциала не изменяется.
Второе смещение зон кардиоэлектрических потенциалов на поверхности тела начинается в период нисходящей фазы зубца ^ (на 0,5-0,9 мс после пика зубца RIj) и заканчивается на восходящей фазе зубца sII (на 3,3-4,8 мс после пика зубца RII) (рис. 2, III) установлением краниального расположения положительной и каудального отрицательной областей. Через 2-4 мс после окончания
второй инверсии процесс деполяризации желудочков сердца завершается, что отражается нестабильным расположением зон кардиоэлектрических потенциалов на поверхности тела.
Электрическое поле сердца на поверхности тела взрослых крыс в период начальной желудочковой активности характеризуется наличием двух инверсий взаимного распределения кардиопотенциалов [11]. Деполяризация желудочков сердца происходит по последовательному типу [12]. Проведенные исследования показали, что пространственная динамика расположения областей электрических потенциалов сердца крыс в возрасте от одних до 30 суток сохраняется неизменной и аналогична таковой у взрослых животных, что свидетельствует об однотипном характере последовательности возбуждения основной массы миокарда желудочков сердца крыс в течение всего периода пост-натальной жизни.
На основании пространственной динамики электрического поля сердца на поверхности тела крыс нами выделены три этапа деполяризации желудочков сердца: начальный - от момента формирования электрического поля сердца до завершения первой инверсии взаимного расположения кардиоэлектрических потенциалов (рис. 2, I), средний -от завершения первой инверсии до окончания второй (рис. 2, II) и конечный - от окончания второй инверсии до момента времени, когда на поверхности тела наблюдали нестабильное расположение зон положительного и отрицательного кардиоэлек-трических потенциалов (рис. 2, III).
Длительность начального этапа деполяризации желудочков сердца существенно не отличается у крыс с возрастом от одних до 30 суток и составляет 3-4 мс, длительность среднего этапа достоверно (р<0,05) увеличивается с возрастом от одних до 30 суток от 5,7±1,4 до 10,4±1,1 мс, а длительность конечного этапа - в возрасте от одних до 17 суток от 1,9±0,8 до 3,7±1,3 мс (рис. 3). Длительность начальной желудочковой активности возрастает в период раннего постнатального развития от
11,1±0,9 у однодневных крыс и до 16,1±1,6 мс - у животных в возрасте 30 суток (р<0,05).
Ранее было показано, что первая инверсия взаимного расположения кардиопотенциалов на поверхности тела свидетельствует об изменении направления распространения волны возбуждения в толще сердца - началом активации субэпикарда желудочков [11]. В течение начального этапа деполяризации желудочков сердца крыс волна возбуждения распространяется преимущественно по проводящей системе и затем по рабочим кардиомио-цитам от эндокарда к эпикарду. В течение среднего этапа деполяризации возбуждаются основная масса миокарда и большая часть субэпикарда желудочков сердца взрослых крыс, в течение конечного этапа - основание левого желудочка [11-13].
Проводящая система желудочков сердца взрослых крыс представлена правым и левым пучками Гиса и волокнами Пуркинье, которые располагаются в мышечных трабекулах желудочков и примыкают к рабочим кардиомиоцитам в эндокарде [14]. Грызуны рождаются с функционально зрелой проводящей системой Гиса - Пуркинье [15], поэтому, вероятно, длительность начального этапа деполяризации желудочков сердца крыс в период раннего постна-тального развития существенно не изменяется.
Количество и размеры рабочих кардиомиоци-тов увеличиваются в течение раннего постнаталь-ного онтогенеза: в течение первых трех - шести суток после рождения происходит гиперплазия рабочих кардиомиоцитов желудочков сердца крыс [16, 17], затем в период последующего постнатального развития - их гипертрофия [18, 19], и как следствие - увеличение массы и толщины стенок желудочков [20]. Одновременно с этим изменяется характер распределения щелевых контактов кардиомиоцитов: в желудочковых миоцитах новорожденных крыс щелевые контакты равномерно распределены по всему периметру клетки, тогда как в кардиомиоци-тах взрослых крыс они располагаются исключительно на концах клетки [21]. Это приводит к увеличению продольной скорости распространения волны
возбуждения по рабочему миокарду желудочков сердца в течение пост-натального онтогенеза [22]. Увеличение длительности деполяризации основной массы желудочков сердца крыс в течение постнатального онтогенеза связано, вероятно, с морфологическим ростом и развитием сердца, что отражается на кардиоэлектрическом поле на поверхности тела в виде увеличения длительностей среднего и конечного этапов деполяризации крыс с возрастом от одного до 30 дней.
20
1 сутки 7 суток 17 суток 30 суток
возраст
□ начальный этап □средний этап Оконечным этап ^длительность деполяризации
Рис. 3. Длительности этапов деполяризации желудочков сердца крыс в возрасте от одних до 30 суток.
* Достоверно по сравнению с крысами в возрасте 30 суток (р<0,0001), 0 - в возрасте 17 суток (р<0,05).
Заключение
В течение раннего постнатального развития пространственная динамика смещения областей кардиоэлектрических потенциалов на поверхности тела крыс в период деполяризации желудочков сердца сохраняется неизменной. Длительности выделенных нами трех этапов деполяризации желудочков сердца крыс с возрастом изменяются неодинаково: начального - не изменяется, среднего и конечного - увеличивается. Выявленные параметры пространственно-временной динамики электрического поля сердца на поверхности тела отражают морфологическое развитие и электрофизиологиче-ские изменения желудочков сердца крыс, происходящие в период раннего постнатального онтогенеза.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы совместных исследований УрО РАН и СО РАН проект № 12-С-4-1037 "Исследование генетико-физиологических механизмов формирования артериальной гипертензии".
Литература
1. Аршавский ИА Основы возрастной периоди-
зации // Возрастная физиология. Сер. Руководство по физиологии / Под ред. В.Н. Черниговского, Н.П. Бехтеревой. Л.: Наука,
1975. С. 5-67.
2. Махинько В.И., Никитин В.Н. Константы роста и функциональные периоды развития в постнатальной жизни белых крыс // Молекулярные и физиологические механизмы возрастного развития / Под ред. В.Н. Никитина. Киев: Наукова думка, 1975. С. 308326.
3. Anversa P., Olivetti G., Loud A. Morfometric study of early postnatal development in the left and right ventricular myocardium of the rat // Circ. Rec. 1980. Vol. 46. № 4. P. 495502.
4. Spekhorst H., Groenewegen A.S., Wilensky R.L., Spaans R. Evolution of body surface potentials in the healthy newborn during the first week of life // Electrocardiographic body surface mapping / R. Th. Van Dam, A. Van Oosterom, eds. Martinus Nijhoff Publishers, 1986. P. 1942.
5. Li F., Wang X., Capasso J.M. et al. Rapid transition of cardiac myocytes from hyperplasia to hypertrophy during postnatal development // J. Mol. Cell. Cardiol. 1996. Vol. 22. № 8. P. 1737-1746.
6. Sedmera D., Thompson R.P., Kolar F. Effect of increased pressure loading on heart growth in neonatal rats // J. Moll. Cell. Cardiol. 2003. Vol. 35. P. 301-309.
7. Гнатюк М.С. Количественная оценка разных отделов сердца молодых и старых белых крыс // Архив анатомии, гистологии и эмбриологии. 1983. Т. 84. № 5. С. 33-36.
8. Diez U, Schwartze H. Quantitative electrocardiography and vectorcardiography in postnatally developing rats // J. Electrocardiol. 1991. Vol. 24. № 1. P. 53-62.
9. Рощевский М.П., Юркова (Распутина) АА., Рощевская И.М. Динамика кардиоэлектриче-ского поля на поверхности тела однодневных крыс // Доклады Академии наук. 2006. Т. 410. № 4. С. 571-573.
10. Рощевский М.П., Артеева Н.В., Коломеец НЛ. и др. Система «Кардиоинформ» для визуализации и анализа кардиоэлектрического поля // Мед. акад. журн. 2005. Т. 5. № 3. С. 74-79.
11. Рощевская И.М. Кардиоэлектрическое поле теплокровных животных и человека. СПб.: Наука, 2008. 250 с.
12. Roshchevskaya I.M. Representation of subepicardial heart ventricle depolarization sequence on the body surface // J. Electrocar-diol. 1989. Vol. 22. № 3. P. 247.
13. Рощевский М.П., Рощевская И.М. Эволюционная электрокардиология: от электрокардиотопографии к созданию основ будущей электрокардиотомографии // Мед. акад. журн. 2005. Т. 5. № 2. С. 33-46.
14. Ono N., Yamaguchi T., Ishikawa H. et al. Morphological varieties of the Purkinje fiber network in mammalian hearts, as revealed by light and electron microscopy // Arch. Histol. Cytol. 2009. Vol. 72. № 3. P. 139-149.
15. Rentschler S., Vaidya D.M., Tamaddon H. et al. Visualization and functional characterization of the developing murine cardiac conduction system // Development. 2001. Vol.128. № 10. P. 1785-1792.
16. Kajstura J., Mansukhani M., Cheng W. et al. Programmed cell death and expression of the protooncogene bcl-2 in myocytes during postnatal maturation of the heart // Exp. Cell. Res. 1995. Vol. 219. № 1. P. 110-121.
17. Hudlicka O., Brown M.D. Postnatal growth of the heart and its blood vessels // J. Vasc. Res. 1996. Vol. 33. P. 266-287.
18. Gomes PA.P., Galvao K.M., Mateus E.F. Excitability of isolated hearts from rats during postnatal development // J. Cardiovasc. Electrophysiol. 2002. Vol. 13. P. 355-360.
19. Guo W., Kamiya K., Kodama I. et al. Cell cycle-related changes in the voltage-gated Ca2+ currents in cultured newborn rat ventricular myocytes // J. Mol. Cell. Cardiol. 1998. Vol. 30. P. 1095-1103.
20. Momma K., Ito T., Ando M. In situ morphology of the foramen ovale in the fetal and neonatal rat // Pediatr. Res. 1992. Vol. 32. P. 669-672.
21. Gourdie R.G., Green C.R., Severs N.J., Thompson R.P. Immunolabeling patterns of gap junction connexins in the developing and mature rat heart // Anat. Embryol. 1992. Vol. 185. P. 363-378.
22. Spach M.S., Heidlage J.F., Dolber P.C., Barr R.C. Electrophysiological effects of remodeling cardiac gap junctions and cell size: experimental and model studies of normal cardiac growth//Circ. Res. 2000. Vol. 86. P. 302-311.
Статья поступила в редакцию 05.12.2012
