CC BY
16
УДК 616.072-7
УМЕНЬШЕНИЕ АМПЛИТУДЫ Т-ВОЛНЫ В ПРЕКОРДИАЛЬНЫХ ОТВЕДЕНИЯХ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ САХАРНОМ ДИАБЕТЕ У КРОЛИКОВ (МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ)
Н.В. АРТЕЕВА*, А.О. ОВЕЧКИН*'**, Я.Э. АЗАРОВ* **, М.А. ВАЙКШНО-РАЙТЕ*, Д.Н. ШМАКОВ*
*Институт физиологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар ** Медицинский институт ФГБУ ВО "СГУ им. Питирима Сорокина", г. Сыктывкар i.azarov@smail.com
Данная работа является продолжением предыдущего исследования коллектива авторов [1], посвященного изучению связи между уменьшением апикоба-зального градиента реполяризации в желудочках сердца и уменьшением амплитуды Т-волны в грудных отведениях у кроликов с экспериментальным сахарным диабетом. В свете новых экспериментальных данных моделирование показало, что однотипные изменения Т-волны в грудных отведениях при сахарном диабете могут быть связаны как с уменьшением общей дисперсии реполяризации (разницей во времени между наиболее ранним и наиболее поздним окончанием реполяризации в желудочках сердца), так и с изменением последовательности реполяризации.
Ключевые слова: гетерогенность реполяризации, сахарный диабет, амплитуда Т-волны, Т-вектор, моделирование
N.V. ARTEEVA, A.O. OVECHKIN, YA.E. AZAROV, M.A. VAIKSHNORAI-TE, D.N. SHMAKOV. THE PRECORDIAL T-WAVE AMPLITUDE DECREASE IN DIABETES MELLITUS (MODEL STUDY)
This work continues our previous study [1] on the relationship between the reduced apicobasal gradient of ventricular repolarization and the decrease of T-wave amplitude in the chest leads in rabbits with experimental diabetes mellitus. The possible reasons for T-wave flattening observed in diabetes mellitus were studied in the framework of a mathematical model based on the new experimental data. The simulations showed that the precordial T-waves of the same polarity but of the reduced amplitude observed in diabetes mellitus may be caused by the decrease of the total dispersion of repolarization (i.e. the time difference between the earliest and the latest end of repolarization in the heart ventricles) as well as by the changed repolarization sequence with the normal dispersion of repola-rization. Thus, the T-wave changes are not indicative of the alternans in the repolarization process. At the same time, the magnitude and the direction of the resulting repolarization vector (T-vector) reliably reflect the dispersion and the general sequence of ventricular repolarization.
Keywords: repolarization heterogeneity, diabetes mellitus, T-wave amplitude, T-vector, simulation
Сахарный диабет (СД) изменяет процессы реполяризации сердца, в первую очередь за счет увеличения длительности потенциалов действия (ДПД) [2, 3]. На кардиоэлектрическом поле эти изменения отражаются в виде уменьшения амплитуды Г-волны [4-6], удлинения интервала ОТ [6-8] и изменения направления результирующего вектора реполяризации (Г-вектора) [9]. Значительное изменение направления Г-вектора является предиктором внезапной сердечной смерти [10].
Исследования сердца кролика при экспериментальном СД выявили неоднородные изменения
ДПД в базальных и апикальных отделах желудочков, приводящие к значительному уменьшению и даже инверсии апикобазального градиента ДПД [11], который в норме является у кролика преобладающим. Модельное исследование [1] показало, что в результате уменьшения апикобазального градиента ДПД и соответствующего сокращения общей дисперсии реполяризации снижается амплитуда Г-волны в грудных отведениях. Помимо уменьшения апикобазального градиента, в желудочках сердца кролика с СД наблюдали также значительное увеличение переднезаднего градиента ДПД,
при этом величина общей дисперсии реполяриза-ции могла сохраняться на прежнем уровне [12]. Было сделано предположение, что подобное перераспределение градиентов реполяризации в желудочках сердца также может быть причиной снижения амплитуды Г-волны в грудных отведениях.
Задача настоящего исследования - выявить возможные причины снижения амплитуды Г-волны в рамках математической модели электрической активности желудочков сердца кролика, основанной на экспериментальных данных.
Материал и методы исследования
Исследования проводили в рамках компьютерной модели желудочков сердца кролика [1, 13, 14]. Последовательность активации модели и распределение ДПД в норме и при СД задавали на основе экспериментальных данных [14], морфологию потенциалов действия - с помощью модели потенциала действия желудочкового миоцита кролика [15].
При моделировании распределения ДПД в желудочках в норме преобладал апикобазальный градиент ДПД, величина переднезаднего и межжелудочкового градиентов была относительно невелика (рис. 1, А). Поскольку экспериментальные данные [11, 12] показали, что при СД увеличивается переднезадний и уменьшается апикобазальный
градиент ДПД, для изучения механизма изменения Г-волны в этих условиях было смоделировано два крайних сценария изменений реполяризации миокарда. Первый сценарий состоял в том, что апикобазальный градиент уменьшался приблизительно вдвое, а переднезадний - многократно возрастал и становился преобладающим; при этом величина общей дисперсии реполяризации сохранялась на прежнем уровне (рис. 1, Б). Согласно второму сценарию, апикобазальный градиент в правом желудочке уменьшался до нуля, а в левом - даже инвертировался. Остальные градиенты при этом оставались практически без изменений; величина общей дисперсии реполяризации сокращалась (рис. 1, В). Транс-муральный градиент ДПД в модели в соответствии с экспериментальными данными составлял 8-15 мс [14]. Последовательность активации во всех модельных экспериментах была одинаковой (рис. 2), поскольку у кроликов с экспериментальным СД (стаж 12 месяца) различий в активации по сравнению с нормой обнаружено не было [10].
На основе смоделированной последовательности реполяризации желудочков вычисляли кар-диоэлектрические потенциалы на поверхности тела, а также суммарный вектор реполяризации (Г-вектор), являющийся интегральной пространственно-амплитудной характеристикой электрического генератора сердца [1, 14].
Рис. 1. Величина градиентов ДПД, дисперсия реполяризации и длина суммарного Т-вектора в модели желудочков сердца кролика в норме (А) и при СД (Б - увеличение переднезаднего и уменьшение остальных градиентов ДПД, В - уменьшение апикобазального градиента ДПД). Величина градиентов ДПД и дисперсии реполяризации указана в мс, длина Т-вектора - в условных единицах.
Fig. 1. The magnitudes of action potential duration gradients ("переднезадний" - anterior-posterior gradient, "межжелудочковый" - interventricular gradient, "апикобазальный" - apicobasal gradient), dispersion of repolarization ("дисперсия реполяризации") and T-vector length ("длина Т-вектора ") in the model of rabbit heart ventricles in normal conditions (А) and diabetes mellitus (Б - increase of anterior-posterior gradient and decrease of other gradients, В - decrease of apicobasal gradient). The magnitudes of action potential duration gradients and dispersion of repolarization are given in ms, the magnitudes of T-vector length - in conventional units.
Рис. 2. Последовательности активации и реполяри-зации в модели желудочков сердца кролика. Показаны трансверсальный и фронтальный срезы модели. А - норма, Б - увеличение переднезаднего и уменьшение остальных градиентов ДПД, В -уменьшение апикобазального градиента ДПД. Все величины указаны в мс. Стрелками показаны транс-версальные и фронтальные проекции Т-вектора в момент пика Т-волны.
Fig. 2. The sequence of activation and repolarization of rabbit heart ventricles.
The transversal and frontal projections of the model are shown. А - normal conditions, Б - increase of anterior-posterior gradient and decrease of other gradients, В - decrease of apicobasal gradient. All values are given in ms. The transversal and frontal projections of T-vector at the T-peak moment are shown with arrows.
Изменения в амплитуде Г-волны анализировали в модифицированных прекордиальных отведениях [6]. Данная схема расположения отведений (рис. 3), соответствующая проекциям области основания (Л^3) и верхушки (J4-J6) сердца, хорошо отображает апикобазальный градиент ре-поляризации. Кроме того, анализировали изменения в распределении потенциала на поверхности туловища и в направлении и величине суммарного вектора реполяризации.
Результаты и обсуждение
Моделирование кардиоэлектрического поля кролика в период реполяризации желудочков в норме. В модели в норме, так же как и по экспериментальным данным, более ранняя репо-ляризация имела место в вентральных и апикальных областях модели, более поздняя - в дорсальных и базальных (рис. 2, А). Соответственно, суммарный Г-вектор был направлен вперед и вниз (рис. 2, А). Смоделированное распределение потенциала на поверхности туловища было кранио-каудальным, оба экстремума находились на вентральной поверхности грудной клетки (рис. 3, А).
Моделирование кардиоэлектрического поля кролика в период реполяризации желудочков при сахарном диабете. При увеличении переднезаднего и уменьшении остальных градиентов ДПД последовательность реполяризации в продольном направлении не изменилась (от верхушки к основанию), но в поперечном стала противоположной: от дорсальной поверхности - к вентральной (рис. 2, Б). Дисперсия реполяризации осталась примерно такой же, как в норме. Направление суммарного Г-вектора по сравнению с нормой значительно изменилось: его апикобазальная составляющая уменьшилась примерно вдвое, а передне-задняя - поменяла знак, многократно возросла и стала доминирующей (рис. 2, Б); при этом длина Г-вектора осталась приблизительно такой же, как в норме. Изменение направления Г-вектора сопоставимо с изменениями, наблюдавшимися на вектор-кардиограмме у людей с СД [2]. Экстремумы потенциала на поверхности туловища сместились, причем положительный экстремум переместился на дорсальную поверхность, распределение потенциала трансформировалось из краниокаудального в вентродорсальное (рис. 3, Б). Поскольку величина общей дисперсии реполяризации и, соответственно, длина суммарного Г-вектора не изменились по сравнению с нормой (рис. 1, Б), величина экстремумов потенциала также практически не изменилась. Однако, несмотря на значительные изменения в распределении потенциала, полярность Г-волны в модифицированных прекордиальных отведениях не изменилась, а амплитуда Г-волны в этих отведениях уменьшалась примерно в два раза за счет смещения линии нулевого потенциала (рис. 3, Б). Подобное снижение амплитуды Г-волны наблюдали у людей с СД [5, 9] и у кроликов с экспериментальным СД [6].
Рис. 3. Смоделированное распределение потенциала на поверхности туловища кролика в момент пика Т-вол-ны в норме (А) и при СД (Б - увеличение переднезаднего и уменьшение остальных градиентов ДПД, В -уменьшение апикобазального градиента ДПД).
Знаками «+» и «-» обозначены экстремумы потенциала. Величина потенциала в точках, соответствующих модифицированным прекордиальным отведениям J1-J6, указана в мВ. Внизу каждой карты показана электрокардиограмма в отведении J5 (мечевидный отросток) с маркером времени. Справа приведена схема расположения модифицированных прекордиальных отведений J1-J6 на вентральной поверхности грудной клетки кролика. Показаны проекции сердца, мечевидного отростка, нижнего края реберной дуги.
Fig. 3. The body surface potential distribution of a rabbit at the T-peak moment simulated for normal conditions (А) and diabetes mellitus (Б - increase of anterior-posterior gradient and decrease of other gradients, В -decrease of apicobasal gradient).
The dark zone corresponds to positive potentials, the light zone - to the negative ones. Potential extrema are marked by the signs "+" and "-". The potential magnitudes in the points corresponding to the modified precordial leads J1-J6 are given in mV. At the bottom of each map the ECG in lead J5 with a time marker is given. In the right part of the figure the location of the modified precordial leads J1-J6 on the ventral surface of rabbit thorax is shown.
При уменьшении апикобазального градиента ДПД последовательность реполяризации в модели была та же, что и в норме: от вентральной поверхности к дорсальной и от верхушки к основанию (рис. 2, В), но дисперсия реполяризации сократилась приблизительно вдвое (рис. 1, В). Направление суммарного Г-вектора почти не изменилось по сравнению с нормой, однако длина его существенно (приблизительно в два раза) уменьшилась, за счет сни-
жения его апикобазальной составляющей (рис. 1, В и рис. 2, В). Соответственно, распределение потенциала на поверхности туловища осталось практически неизменным, но амплитуды потенциалов были понижены на всей поверхности туловища (рис. 3, В). В частности, амплитуда Г-волны в модифицированных прекордиальных отведениях снизилась примерно вдвое (рис. 3, В), что соответствует экспериментальным данным [5, 6, 9].
Заключение
Согласно результатам моделирования, снижение амплитуды Г-волны в грудных отведениях при сохранении ее полярности может быть связано как с уменьшением общей дисперсии реполяриза-ции при той же последовательности реполяриза-ции, так и с изменением последовательности репо-ляризации при сохранении величины ее дисперсии. Таким образом, характер изменений Г-волны не позволяет однозначно судить об изменениях в процессе реполяризации. В то же время величина суммарного Г-вектора (аналогичного вектору, описывающему векторкардиографическую Г-петлю) объективно отражает дисперсию реполяризации в желудочках сердца, а направление Г-вектора - общую последовательность реполяризации.
Литература
1. Артеева Н.В., Овечкин А.О., Азаров Я.Э. и др. Изменение кардиоэлектрического поля при уменьшении апико-базального градиента реполяризации (модельное исследование) // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2014. Вып. 3(19). С. 83-88.
2. Lengyel C., Varгу A., Tabort K. et al. Combined pharmacological block of I(Kr) and I(Ks) increases short-term QT interval variability and provokes torsades de pointes // Br. J. Pharmacol. 2007. Vol. 151. Р. 941-951.
3. Magyar J., Rusznak Z, Szentest P. et al. Action potentials and potassium currents in rat ventricular muscle during experimental diabetes // J. Mol. Cell. Cardiol. 1992. Vol. 24. Р. 841-853.
4. Zdarska D, Peliskova P., Charvat J. et al. ECG body surface mapping (BSM) in type 1 diabetic patients // Physiol. Res. 2007. Vol. 56. № 4. Р. 403-410.
5. Kotvtkko M.L., Karstkas M., Salmela P.I. et al. Effects of controlled hypoglycaemia on cardiac repolarisation in patients with type 1 diabetes // Diabetologia. 2008. Vol. 51. № 3. Р. 426-435.
6. Овечкин АО, Фрелих Ю.К., Кустышева О.М., Азаров Я.Э. Новый подход к электрокардиографической диагностике нарушений реполяризации миокарда желудочков у больных сахарным диабетом // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2013. Вып. 2(14). С. 50-53.
7. Ewtng D.J., Boland O, Netlson J.M. et al. Autonomic neuropathy, QT interval lengthening, and unexpected deaths in male diabetic patients // Diabetologia. 1991. Vol. 34. № 3. Р. 182-185.
8. Veglio M, Borra M, Stevens L.K., et al. The relation between QTc interval prolongation and diabetic complications // Diabetologia. 1999. Vol. 42. № 1. Р. 68-75.
9. Voulgart C., Pagont S., Tesfaye S, et al. The spatial QRS-T angle: implications in clinical practice // Curr. Cardiol. Rev. 2013. Vol. 9. № 3. Р. 197-210.
10. Zhang Z.M., Prineas R.J., Case DAm. et al. Comparison of the prognostic significance of the electrocardiographic QRS/T angles in predicting incident coronary heart disease and total mortality // J. Cardiol. 2007. Vol. 100. № 5. P. 844-849.
11. Azarov J.E., Ovechkin A.O., Vaykshnorayte MA et al. Ventricular epicardial repolarization pattern in diabetic rabbits // Conference: Experimental Biology Meeting Location: San Diego, CA Date: APR 21-25, 2012. Vol. 26. FASEB JOURNAL.
12. Ovechkin A.O., Vaykshnorayte MA., Sedova KA et al. Esmolol abolishes repolarization gradients in diabetic rabbit hearts // Exp. Clin. Cardiol. 2014. Vol. 20. P. 3780-3793.
13. Arteeva N.V., Antonova NA., Roshchevskaya I.M. et al. 3-D anisotropic computer model of canine heart ventricles' activation // In: Preda I, editor. Electrocardiology'98. Singapour-New Jersey-London-Hong Kong: World Sci. 1999. P.51-54.
14. Arteeva N.V., Goshka S.L., Sedova KA. et al. What does the T(peak)-T(end) interval reflect? An experimental and model study // J. Elec-trocardiol. 2013. Vol. 46. № 4. P. 296.
15. Mahajan A., Shiferaw Y., Sato D. et al. A rabbit ventricular action potential model replicating cardiac dynamics at rapid heart rates // Biophys. J. 2008. Vol. 94. № 2. P. 392-410.
References
1. Arteeva N.V., Ovechkin A.O., Azarov Ya.E. et al.
Izmenenie kardioelektricheskogo polya pri umen'chenii apiko-bazalnogo gradients repo-lyarizacii (modelnoe issledovanie) [The changes of cardiac electric field caused by the decreasing of the apicobasal repolarization gradient (a model study)] //Proc. of Komi Sci. Centre, Ural Br., RAS. 2014. Issue 3(19). P. 83-88.
2. Lengyel C, Varry A., Tabori K. et al. Combined pharmacological block of I(Kr) and I(Ks) increases short-term QT interval variability and provokes torsades de pointes // Br. J. Pharmacol. 2007. Vol. 151. P. 941-951.
3. Magyar J., Rusznak Z., Szentesi P. et al. Action potentials and potassium currents in rat ventricular muscle during experimental diabetes // J. Mol. Cell. Cardiol. 1992. Vol. 24. P. 841-853.
4. Zdarska D, Peliskovâ P., Charvat J. et al. ECG body surface mapping (BSM) in type 1 diabetic patients // Physiol. Res. 2007. Vol. 56. № 4. P. 403-410.
5. Koivikko M.L., Karsikas M, Salmela P.I. et al. Effects of controlled hypoglycaemia on cardiac repolarisation in patients with type 1 diabetes // Diabetologia. 2008. Vol. 51. № 3. P. 426-435.
6. Ovechkin A.O., Frelikh Yu.K, Kustysheva O.M., Azarov Ya.E. Novii podkhod k elektrokardio-graficheskoi diagnostike narushenii repolyari-zacii miokarda zheludochkov u bolnykh sak-harnym diabetom [The new approach to elec-
trocardiographic diagnostics of repolarization disturbances of ventricular myocardium in patients with diabetes mellitus] // Proc. of Komi Sci. Centre, Ural Br., RAS. 2013. Issue 2(4). P. 50-53.
7. Ewing D.J., Boland O, Neilson J.M. et al. Autonomic neuropathy, QT interval lengthening, and unexpected deaths in male diabetic patients // Diabetologia. 1991. Vol. 34. № 3. P. 182-185.
8. Veglio M, Borra M, Stevens L.K. et al. The relation between QTc interval prolongation and diabetic complications // Diabetologia. 1999. Vol. 42. № 1. P. 68-75.
9. Voulgari C., Pagoni S., Tesfaye S. et al. The spatial QRS-T angle: implications in clinical practice // Curr. Cardiol. Rev. 2013. Vol. 9. № 3. P. 197-210.
10. Zhang Z.M., Prineas R.J., Case DAm. et al. Comparison of the prognostic significance of the electrocardiographic QRS/T angles in predicting incident coronary heart disease and total mortality // J. Cardiol. 2007. Vol. 100. № 5. P. 844-849.
11. Azarov J.E., Ovechkin A.O., Vaykshnorayte MA.. et al. Ventricular epicardial repolarization pattern in diabetic rabbits // Conference: Experimental Biology Meeting Location: San Diego, CA Date: APR 21-25, 2012. FASEB JOURNAL Vol. 26.
12. Ovechkin A.O., Vaykshnorayte MA., Sedova KA. et al. Esmolol abolishes repolarization gradients in diabetic rabbit hearts // Exp. Clin. Cardiol. 2014. Vol. 20. P. 3780-3793.
13. Arteeva N.V., Antonova NA., Roshchevskaya I.M., et al. 3-D anisotropic computer model of canine heart ventricles' activation // In: Preda I, editor. Electrocardiology'98. Singapour-New Jersey-London-Hong Kong: World Sci. 1999. P.51-54.
14. Arteeva N.V., Goshka S.L., Sedova KA. et al. What does the T(peak)-T(end) interval reflect? An experimental and model study // J. Elec-trocardiol. 2013. Vol. 46. № 4. P. 296.
15. Mahajan A., Shiferaw Y., Sato D. et al. A rabbit ventricular action potential model replicating cardiac dynamics at rapid heart rates // Biophys. J. 2008. Vol. 94. № 2. P. 392-410.
Статья поступила в редакцию 14.10.2016.
