Клетки сердечной ткани организуются в проводящую электрические сигналы сеть

Ученые из Московского физико-технического института и Гентского университета (Бельгия) обнаружили, что кардиомиоциты – клетки сердечной ткани – способны к самоорганизации и образуют структуру, проводящую электрические импульсы. Это позволяет обеспечить ритмичную работу сердца даже при высоком содержании в ткани невозбудимых клеток. Работа опубликована в журнале PLOS Computational Biology. Кратко о полученных результатах рассказывается в пресс-релизе МФТИ.

Волны электрического возбуждения, распространяющиеся по клеткам сердца, заставляют его ритмично сокращаться. Проводниками таких волн служат кардиомиоциты. Но кроме них в сердце есть и значительное количество невозбудимых клеток, например, фибробластов. При различных патологиях, например, после инфаркта, отмершие кадиомиоциты замещаются фибробластами. Если фибробластов становиться слишком много, это препятствует распространению электрических импульсов и может привести к аритмии и даже к остановке сердца.

Аритмия возникает, когда электрическая волна начинает огибать невозбудимые участки сердца. Фактически скопления фибробластов превращаются в лабиринт для электрического импульса, где он вынужденно движется зигзагами. Критическая плотность непроводящих клеток, выше которой сердечная ткань не должна проводить возбуждение, называется порогом перколяции. Теоретические расчеты показывают, что сердечная ткань должна терять проводимость, если фибробластов в ней станет больше 40%. Парадокс в том, что, по данным экспериментов, образцы ткани с содержанием фибробластов, значительно превышающим порог перколяции (65–75%), все еще проводят электрические сигналы.

Объяснить это явление удалось при помощи ряда экспериментов, проводившихся как на выращенной в лаборатории культуре сердечных клеток крыс, так и на компьютерных моделях сердечной ткани. Ключевым фактом оказалось, что кардиомиоциты выравнивают свои цитоскелеты, чтобы образовать единую проводящую сеть, которая охватит всю сердечную ткань.

«Мы фиксировали распространение электрической волны в 25 монослойных образцах сердечной ткани с разным процентным содержанием кардиомиоцитов и фибробластов. Так из экспериментов in vitro нам удалось рассчитать порог перколяции — оказалось, что он составляет 75% фибробластов. Это число сильно отличается от предсказанных с помощью теории перколяции или других классических математических моделей 40%. Далее мы заметили, что кардиомиоциты в образцах располагаются не случайным образом, а собираются в разветвленную проводящую сеть», — говорит руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ профессор Константин Агладзе.

Дальнейшие исследования самоорганизации кардиомиоцитов в структуры, проводящие электрические сигналы, могли бы найти применение в поиске способов лечения аритмии и в изготовлении лекарств, нормализующих нарушения сердечного ритма.