Физиологическое значение оптического картирования сердца 

Метод оптического картирования был разработан, чтобы помочь определить электрические свойства многоклеточных сердечных препаратов, начиная от iPSC-кардиомиоцитов и заканчивая интактным сердцем ex vivo и in vivo. Особым приемом оптического картирования является высокоскоростная флуоресцентная визуализация с использованием различных зондов для определения трансмембранного потенциала (Vm), внутриклеточного кальциевого транзита и других важнейших физиологических параметров.

Каково физиологическое значение оптического картирования?

Прежде чем мы осознаем ответ, важно понять, что концепция связи возбуждения и сокращения характеризуется потенциалом действия и кальциевым транзиентом. Она представляет собой процесс, в результате которого электрическое возбуждение (потенциал действия) приводит к сокращению клеток сердечной мышцы (1). Кальций играет ключевую роль в соединении электрического возбуждения с физическим сокращением, циклически входя и выходя из цитозоля миоцита во время каждого потенциала действия (1).

Таким образом, крайне важно одновременно картировать мембранный потенциал и кальциевый транзит из одного и того же места на перфузируемом сердце по Лангендорфу. Такое одновременное картирование может помочь нам лучше понять механизмы, лежащие в основе аритмий, метаболических заболеваний, патологии сердечной недостаточности, а также изменения экспрессии ионных каналов и гэп-переходов (9).

Картирование сердечных аритмий

Аритмия является одной из основных областей для оптического картирования, которое может помочь расшифровать сложные схемы распространения сердечного возбуждения (2). Фактически, преимущества высокого пространственно-временного разрешения, широкого поля картирования и высокой чувствительности к трансмембранному потенциалу при оптическом картировании позволяют детально и точно картировать возникновение и распространение потенциала действия во время болезни, т.е. паттерн активации и паттерн реполяризации (3).

Ниже приведены некоторые известные электрофизиологические параметры оптического картирования:

• потенциал действия и кальциевый переход;
• длительность потенциала действия;
• визуализация активации (изохронная карта);
• скорость проведения;
• дисперсия проводимости.

Понимание того, что происходит при возникновении или распространении аномальной волны по сердцу, необходимо для создания антиаритмических терапевтических стратегий и снижения сердечно-сосудистой смертности. В клинической практике "повторный вход" является основой большинства встречающихся аритмий из-за распространения потенциала действия по замкнутому циклу. К распространенным состояниям повторного входа относятся фибрилляция предсердий и желудочков, а также желудочковая тахикардия после ишемии или инфаркта миокарда (4). Фактически, в дальнейшем данные динамического оптического картирования появились в исследованиях аритмии и внесли неоценимый вклад в наше понимание механизмов сердечных аритмий (2,4,5,6).

Кальций играет важную роль в аритмиях

В норме деполяризация запускает кальциевый переход с помощью жестко регулируемого механизма, включающего процессы саркоплазматического ретикулума (СР) и кальций-индуцированного высвобождения кальция (CICR) (10). Однако дефекты обработки кальция могут активировать кальций-зависимые токи, которые влияют на длительность потенциала действия и вызывают спонтанную деполяризацию мембраны (7,8).

Таким образом, нарушения обработки кальция могут способствовать аритмогенезу (развитию аритмии), например, через ишемию, реперфузионные аритмии, вызывающие раннюю и позднюю афтердеполяризацию, а также торсады де пойнт, наблюдаемые у пациентов с синдромом удлиненного интервала QT (11). Кроме того, было хорошо продемонстрировано, что избыток кальция может вызывать электромеханические чередования и увеличение крутизны кривых реституции длительности потенциала действия (12). Эти два явления тесно связаны с аритмогенезом.

Оптическое картирование сердца - одновременное измерение напряжения и кальция

Заключение

В этой статье представлен краткий обзор физиологических основ и клинического значения оптического картирования сердца. Методы оптического картирования изменили методы исследования физиологии сердца и находятся на переднем крае научных открытий, особенно благодаря возможности мониторинга физиологических параметров в интактном сердце.

Нельзя не подчеркнуть важность одновременного измерения потенциала действия и кальциевого транзиента с нескольких сотен участков сердца. Это позволит исследователям картировать все фазы электрической активности, включая активацию и реполяризацию, и получить новое представление о механизмах аритмий с большей физиологической точностью и клинической значимостью.

Вы можете ознакомиться с оборудованием в нашем каталоге, которое можно использовать для оптического картирования. Это модульные микроскопы, включая многофотонные конфокалы, а также камеры RedShirtImaging и др. Имаджинг на целом животном можно проводить с использованием систем PhotonIMAGER (флуоресцентная метка) и систем обнаружения радиоактивной метки.

Ссылки на использованную литературу

1. Bers DM. Cardiac excitation-contraction coupling. Nature. 2002 Jan 10;415(6868):198-205.
2. Efimov IR, Nikolski VP, Salama G. Optical imaging of the heart. Circ Res. 2004 Jul 9;95(1):21-33
3. Berenfeld O, Efimov I. Optical Mapping. Card Electrophysiol Clin. 2019 Sep;11(3):495-510.
4. Davidenko JM, Pertsov AV, Salomonsz R, Baxter W, Jalife J. Stationary and drifting spiral waves of excitation in isolated cardiac muscle. Nature. 1992 Jan 23;355(6358):349-51.
5. Davidenko JM, Kent PF, Chialvo DR, Michaels DC, Jalife J. Sustained vortex-like waves in normal isolated ventricular muscle. Proc Natl Acad Sci U S A. 1990 Nov;87(22):8785-9.
6. Gray RA, Pertsov AM, Jalife J. Spatial and temporal organization during cardiac fibrillation. Nature. 1998 Mar 5;392(6671):75-8. doi: 10.1038/32164. Erratum in: Nature 1998 May 14;393(6681):191.
7. Laflamme MA, Becker PL. Ca2+-induced current oscillations in rabbit ventricular myocytes. Circ Res. 1996 Apr;78(4):707-16..
8. Lakatta EG, Guarnieri T. Spontaneous myocardial calcium oscillations: are they linked to ventricular fibrillation? J Cardiovasc Electrophysiol. 1993 Aug;4(4):473-89.
9. London B. Cardiac arrhythmias: from (transgenic) mice to men. J Cardiovasc Electrophysiol. 2001 Sep;12(9):1089-91.
10. Fabiato A, Fabiato F. Use of chlorotetracycline fluorescence to demonstrate Ca2+-induced release of Ca2+ from the sarcoplasmic reticulum of skinned cardiac cells. Nature. 1979 Sep 13;281(5727):146-8.
11. Landstrom AP, Dobrev D, Wehrens XHT. Calcium Signaling and Cardiac Arrhythmias. Circ Res. 2017 Jun 9;120(12):1969-1993.
12. Kanaporis G, Blatter LA. The mechanisms of calcium cycling and action potential dynamics in cardiac alternans. Circ Res. 2015 Feb 27;116(5):846-56. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.116.305404.