Аберрантность: электрофизиологические механизмы - аритмии сердца (4)
ГЛАВА 4
и электрокардиографические проявления
Д. .Y. Сингер и X. К. Коэн (D. H. Singer и Н. С. Cohen)
Форма комплекса QRS зависит от последовательности активации желудочков, причем изменения формы отражают отклонения от нормы при распространении возбуждения. Это может происходить по одной из двух основных причин: 1) смещение места возникновения импульса к желудочковому эктопическому фокусу или к АВ-узловым двойным путям определенного типа- 2) изменение желудочкового распространения наджелудочковых импульсов. Последнее в свою очередь может быть результатом врожденного или приобретенного нарушения проводящей системы. С другой стороны, данное явление может быть функциональным, обусловленным проведением импульса во время рефрактерного периода.
Термины «аберрантность», «аберрация» и «аберрантное желудочковое проведение» с момента их внедрения сэром Томасом Льюисом в- начале нашего столетия [1, 2] применяются в основном при описании функциональных нарушений внутрижелудочкового проведения, особенно тех, которые наблюдаются в сочетании с изменениями длительности сердечного цикла [3—7]. Однако они в равной мере используются и для определения других типов нарушений внутрижелудочкового проведения. В этой главе и в главе 5 термин «аберрантность» будет рассматриваться в широком контексте. Будет также сделан обзор электрофизиологических механизмов, клинических аспектов и роли различных типов нарушений проведения.
Специализированная проводящая система сердца
При рассмотрении проводящей системы ткани сердца удобнее разделить на два основных типа (рис. 4.1, А): 1) рабочий миокард предсердий и желудочков, ответственный за сократимость сердца и появление зубцов Р и комплексов QRS на стандартной ЭКГ- 2) сеть специализированных тканей [8—10] (см. главу 2, том 1), включающую синоатриальный (СА) и атриовентрикулярный (АВ) узлы и разветвления в системе Гис—Пуркинье [10—13]. Описаны также двойные пути в АВ-узле и специализированные предсердные межузловые тракты [9, 14, 15].
Специализированные ткани несут ответственность за нормальное генерирование импульсов и за их быстрое и упорядоченное проведение от места возникновения в другие отделы сердца. Изменения в процессе образования импульсов и (или) в их проведении предшествуют изменениям частоты сердечных сокращений в ответ на меняющиеся физиологические условия, а также многим нарушениям ритма и проводимости. Электрофизиологические характеристики специализированных тканей являются основными детерминантами аберрантности. Активность специализированных тканей не проявляется на стандартной поверхностной ЭКГ из-за их небольшой (относительно рабочего миокарда) массы, что затрудняет электрокардиографическую оценку предшествующих механизмов.
Рис. 4.1. Схематическое изображение специализированной проводящей системы сердца (А) и трансмембранных потенциалов в обычных и специализированных тканях сердца собаки (Б).
Отмечаются различия характеристик потенциалов действия на разных участках сердца. Взаиморасположение зарегистрированных потенциалов отражает последовательность активации. Внизу показана также стандартная поверхностная ЭКГ. Буквами а—и обозначены следующие структуры: а — синусовый узел- б — пучок Брахмана и другие специализированные предсердные межузловые тракты (отмечены пунктирными линиями, соединяющими синусовый и атриовентрикулярный узлы)- в — рабочий миокард предсердий- г — атриовентрикулярный узел- д — пучок Гиса- е — ножки пучка- (eп) — правая ножка- (ел) — левая ножка- 1 и 2 — передняя и задняя ветви левой ножки пучка- ж — волокна Пуркинье- з — терминальные волокна Пуркинье в месте их контакта с рабочим миокардом- и — рабочий миокард желудочков. Фазы потенциала действия рабочего миокарда желудочков обозначены арабскими цифрами от 0 до 4, а зубцы на поверхностной ЭКГ — латинскими буквами Р, R, S и Т. Обсуждение в тексте.
Электрофизиологические аспекты
Как отмечалось ранее, аномалии формы комплекса QRS могут возникать по очень многим причинам. В этой главе основное внимание направлено на ряд нарушений, впервые описанных сэром Томасом Льюисом [1, 2], для которых был предложен термин «аберрантность», а именно: аномалии формы комплекса QRS при наджелудочковом возбуждении, наблюдаемые в сочетании с зависимыми от длительности цикла изменениями проводимости и рефрактерности. Аберрантность — это одно из проявлений большой группы зависимых от длительности сердечного цикла нарушений проведения, которая включает в себя такие разновидности, как скрытое проведение [16—18], сверхнормальное проведение [19,20] и связанный с частотой ритма АВ-блок [3—5]. Однонаправленный блок и циркуляция возбуждения [3—7] в некотором смысле также являются проявлениями этого феномена.
Мы рассмотрим аберрантность с точки зрения зависимости изменений комплекса QRS от длительности сердечного цикла, как это предложено Singer и Ten Eick [21]. При ее обсуждении мы будем основываться на корреляции электрокардиографических данных и результатах микроэлектродных исследований трансмембранного потенциала в сердечных тканях животных, а также у больных, подвергшихся операции на открытом сердце.
Электрическая активность сердечных клеток
Понимание механизмов аберрантности зависит от понимания электрофизиологических основ формирования и проведения возбуждения в сердце, а также от знания тех изменений, которые предшествуют развитию нарушений проводимости. Краткий обзор современных концепций будет дан ниже. Для более обстоятельного изучения этого вопроса читателю следует обратиться к главе 3 первого тома данной книги, а также к многочисленным учебникам по физиологии [22—24], обзорам и монографиям по электрофизиологии сердца [25—36].
Нормальный трансмембранный потенциал
Введение стеклянного микроэлектрода [37] в возбудимую клетку позволяет зарегистрировать разность потенциалов между внутренней средой клетки и индифферентным электродом, расположенным снаружи от нее. На рис. 4.1, Б показан идеализированный трансмембранный потенциал, зарегистрированный в разных отделах сердца, вместе с одновременно полученной поверхностной ЭКГ. Фазы потенциала обозначены арабскими цифрами от 0 до 4. Во время электрической диастолы (фаза 4) внутренняя среда клетки отрицательна по отношению к внеклеточной жидкости. В большинстве нормальных сердечных волокон, включая рабочие миокардиальные клетки предсердий и желудочков, разность потенциалов в фазу 4 остается постоянной до момента возникновения возбуждения («потенциал покоя») и в норме составляет в среднем от — 85 до — 95 мВ. При возбуждении в клетке происходит быстрая деполяризация (фаза 0) с кратковременным изменением полярности, после чего начинается процесс постепенной реполяризации (фазы 1, 2 и 3), во время которого мембранный потенциал возвращается к уровню покоя. Сопоставление со стандартной ЭКГ показывает, что фазы 0 и 1 желудочковых потенциалов действия совпадают с зубцами R и S, а фазы 2 и 3 — с сегментом ST и волной Г соответственно (см. рис. 4.1, Б). Трансмембранные потенциалы, зарегистрированные в рабочих и специализированных волокнах различных частей сердца,- могут отличаться друг от друга в некоторых отношениях [25], включая уровень диастолического потенциала, амплитуду потенциала действия, максимальную скорость деполяризации в фазу 0 (Vmax), продолжительность периода реполяризации и длительность потенциала действия (см. рис. 4.1, Б). Отмечаются также различия в возбудимости, проводимости и пейсмекерной способности. Локальные различия электрофизиологических свойств в системе Гис—Пуркинье [25, 31—33] могут иметь важное значение для аберрантности, поскольку они обусловливают локальную вариабельность ответов на различные физиологические и фармакологические факторы [25, 38—47], включающие температуру, рН, частоту, pCO2, гипоксию, ишемию, неорганические катионы и ряд антиаритмических препаратов.
Мембранные механизмы
Электрическая активность сердца является следствием движения ионов через клеточную мембрану [22—36, 48]. Эффект физиологических воздействий и химических веществ, влияющих на образование и проведение импульсов в сердце, обусловлен в основном их способностью изменять ионные токи [24, 30, 37, 47]. На рис. 4.2 показаны основные ионные токи, способствующие развитию потенциала действия в волокнах Пуркинье. Далее мы упрощенно опишем некоторые специфические явления, имеющие отношение к аберрантности.
Мембранный потенциал покоя. Разность потенциала относительно мембраны сердечной клетки обусловлена различием в ионном составе внутриклеточной среды и внеклеточной жидкости [32, 33]. Во внутриклеточной жидкости важнейшим катионом является К+, а доминирующими анионами — фосфаты и радикалы органических кислот. Последние представляют собой в основном поливалентные ионы, часто связанные с белками, для которых клеточная мембрана непроницаема. Во внеклеточной жидкости преобладают Na+ и С1–. Перемещение этих ионов через мембрану по специальным порам или каналам [50] в ответ на изменение электрохимического градиента создает трансмембранные токи [27, 32—35], способствующие возникновению потенциала действия. В состоянии покоя клеточная мембрана в принципе проницаема для К+ и относительно непроницаема для других внутри- и внеклеточных ионов [32]. Следовательно, разность потенциалов по обе стороны мембраны в покое определяется главным образом градиентом концентрации K+ [29, 31, 32, 48, 49]. Поддержание различий ионного состава и электрического заряда относительно мембраны в покое становится возможным благодаря двум факторам [31, 32, 49]: 1) свойствам проницаемости, или проводимости (g), клеточной мембраны для этих ионов, которые в свою очередь отражают способность мембранных каналов к их использованию теми или иными ионами- 2) функционированию различных ионных насосов и обменных механизмов [51—53], включая энергозависимый Na+/K+-обменный насос, перемещающий Na+ наружу, а К+ — внутрь клетки вопреки их градиентам концентрации [51, 53].
Рис. 4.2. Схематическое изображение потенциала действия в нормальном миокарде желудочков.
Показаны направление, величина и время протекания ионных токов, приводящих к развитию потенциала действия данной формы. Направление стрелки и ее размер указывают направленность и относительную величину тока (т. е. входящий или выходящий ток), а также соотношение амплитуд различных ионных токов. Горизонтальное положение стрелки соответствует моменту протекания токов по отношению к потенциалу действия. Обсуждение в тексте [36].
Потенциал действия: деполяризация. При стимуляции клетки и снижении мембранного потенциала до критического уровня (пороговый потенциал, при котором начинает генерироваться чисто входящий ток), происходит ряд последовательных изменений ионной проводимости мембраны и ионных токов, что обусловливает проявление потенциала действия [27, 31, 33, 36] (см. рис. 15.2). В норме деполяризация (фаза 0) полностью поляризованных сердечных волокон, за исключением клеток синусового и атриовентрикулярного узлов, обусловлена прежде всего резким увеличением мембранной проницаемости для Na+ (gNa) и быстрого входящего тока, переносимого ионами Na+ [24, 27, 29, 31, 33, 35, 48] (быстрый, направленный внутрь ток Na+, или быстрый входящий ток), в сочетании с открытием быстрых Nа+ каналов.
Способность мембраны к повышению gNa (т. е. к открытию закрытых Na+-каналов) зависит от уровня мембранного потенциала при возбуждении. Пропускная способность каналов для Nа+, как правило, максимальна, поэтому быстрый входящий ток Nа+ может иметь наибольшую величину, когда мембранный потенциал находится в пределах от — 85 до — 95 мВ. Если мембранный потенциал менее отрицателен, чем в норме, повышение проницаемости для Na+ и величина быстрого тока Na+ меньше максимально возможных из-за снижения пропускной способности каналов. При уменьшении мембранного потенциала ниже определенного уровня увеличения быстрого входящего тока Na+ может оказаться недостаточным для возникновения регенеративного или даже подпорогового ответа, что означает невозбудимость волокна.
Амплитуда и максимальная скорость деполяризации (Vmax) в нулевую фазу (нарастание) зависят от быстрого входящего тока Na+. Следовательно, они зависят и от уровня мембранного потенциала. Амплитуда сильно поляризованных волокон Пуркинье может достигать 130 мВ, a Vmax высока и, по некоторым данным, составляет от 500 до 1000 В/с. Обе величины уменьшаются при снижении уровня потенциала. На рис. 4.3, А показано постепенное уменьшение амплитуды и скорости нарастания потенциала действия волокна Пуркинье при снижении уровня мембранного потенциала. Кривые на рис. 4.3, Б показывают связь мембранного потенциала в момент возбуждения и Vmax ответа для двух клеток миокарда желудочков. Эту связь, впервые описанную для сердечных волокон Weidmann в 1951 г. [54] и позднее подтвержденную Hoffman и соавт. [55], часто называют «отношением реактивности», а кривую — «кривой реактивности». Такие кривые иногда используются для приблизительной оценки пропускной способности Na+-каналов.
Второй входящий ток в сердечной ткани [27, 29, 30, 33—35, 57, 58] активируется только при «низком» уровне мембранного потенциала — от — 35 до — 45 мВ. Этот ток переносится в основном ионами Са++ и имеет гораздо меньшую плотность (приблизительно 10%), чем быстрый ток Na+. Каналы, ответственные за его прохождение, активируются (открываются) и инактивируются (закрываются) медленнее, чем быстрые Na+-каналы, так что этот второй ток развивается медленнее и протекает дольше, чем быстрый ток Na+. Восстановление после инактивации также требует большего времени. Этот ток соответственно получил название «медленного входящего тока». Каналы, пропускающие быстрый и медленный входящий ток, являются фармакологически различными [58, 59]. Тетродотоксин избирательно блокирует быстрые каналы входящего Na+, тогда как медленные каналы блокируются такими агентами, как марганец (Mn++), D-600 и верапамил. В норме в сильно поляризованных клетках медленный ток оказывает лишь минимальное влияние на нарастание, внося основной вклад в фазу 2 (плато) реполяризации. С другой стороны, деполяризация узловых клеток с низким потенциалом [60—64], а также мышечных волокон створок атриовентрикулярных клапанов [66] и коронарного синуса [67], по-видимому, в большой степени определяется медленным током. Однако его вклад в деполяризацию неузловых волокон возрастает при снижении в них мембранного потенциала [30, 33—35, 66—69]. Этот последний факт приобретает особое значение, если учесть, что миокардиальные препараты, полученные у собаки после экспериментального инфаркта [70—74, 138, 184], а также у больных с органическим поражением сердца [21, 36, 76—90], содержат большое число частично деполяризованных волокон.
Рис. 4.3. Влияние потенциала покоя на потенциал действия.
А — изменения характеристик потенциала действия по мере его распространения из нормально поляризованной области в зону, где мембранный потенциал (МП) постепенно снижается. Величина МП (в милливольтах) указана для отдельных участков волокна- потенциалы действия, возникающие в этих точках, показаны выше. Следует, в частности, отметить постепенное уменьшение амплитуды и Imax, которое должно сопровождаться постепенным замедлением проведения. Обратите также внимание на временные изменения в ходе реполяризации и изменения длительности потенциала действия. Б — кривые, отражающие связь между уровнем мембранного потенциала возбуждения (в милливольтах по оси абсцисс) и (?щв« (в В/с по оси ординат) потенциала действия хорошо поляризованных клеток «а» (Еm = —90 мВ) и клеток «б» (Еm = —79 мВ) в волокнах желудочкового миокарда человека- образцы миокарда получены у больного с ишемической болезнью сердца и аневризмой желудочков. Измерения осуществлялись для потенциалов действия, возникающих при различных уровнях мембранного потенциала вследствие стимуляции препарата с определенными интервалами, во время реполяризации и фазы 4. Кривые, отражающие Эти переменные, называют «кривыми реактивности». Обратите внимание, что при средних значениях потенциала кривая для клетки «б» смещена вниз и вправо, а при более низких значениях — вверх и влево. Обсуждение в тексте.
Электрофизиологические свойства волокон, зависящих от медленного входящего тока (волокна с медленным ответом), отличаются во многих отношениях от свойств волокон, активность которых зависит от быстрого тока (волокна с быстрым ответом) [30, 33, 34, 58, 59]. Как правило, волокна с медленным ответом характеризуются низким диастолическим потенциалом, невысокой амплитудой и медленным нарастанием потенциалов действия, а также пониженной возбудимостью, измененной реактивностью, более продолжительной рефрактерностью и замедленным проведением. Кроме того, даже волокна, в норме не обладающие автоматизмом, могут приобрести способность к спонтанному генерированию импульсов при снижении мембранного потенциала до уровня, при котором начинает функционировать медленный ток (рис. 4.4, А). Большинство специфических черт активности синусового и атриовентрикулярного узлов удается объяснить, исходя из особенностей поведения медленного входящего тока [25, 30, 61—65]. То же справедливо для аномальных электрофизиологических характеристик многих частично деполяризованных клеток в ишемизированных и пораженных тканях сердца [31, 34, 36, 75, 78, 85, 86, 91—93].
Потенциал действия: реполяризация. Увеличение быстрого входящего тока Na+, которое предшествует деполяризации, является самоограниченным и непродолжительным (приблизительно несколько миллисекунд). Инактивация Na+-каналов с последующим уменьшением тока Nа+ дает начало реполяризации, процессу более длительному (до нескольких сотен миллисекунд) и сложному, в котором принимают участие ионы Na+, К+, Са++ и Cl– (см. рис. 4.2) [27, 29, 31, 33, 94]. Его специфические механизмы пока полностью не установлены. Ясно, однако, что для возникновения реполяризации необходимо уменьшение положительного заряда внутри клетки. В процессе реполяризации волокон Пуркинье можно выделить 3 четкие фазы. Начальная стадия (фаза 1) является быстрой- она обусловлена инактивацией тока Na+" и развитием выходящего тока, переносимого ионами К+ и, возможно, Сl– [27, 95]. После фазы 1 реполяризация существенно замедляется (плато, или фаза 2). В фазу плато происходит снижение суммарной проводимости мембраны и возникающие при этом токи небольшой величины более или менее уравновешивают друг друга [27, 33, 94, 95] (т. е. реполяризующие влияния инактивации тока Na+ и активации выходящего тока K+ уравновешиваются деполяризующим действием остаточного медленного входящего тока). Ток К+ со временем возрастает. Таким образом, вместе с уменьшением входящих токов это приводит к увеличению чистых потерь положительного заряда и, наконец, к быстрой реполяризации (фаза 3). По мере реполяризации калиевая проводимость (gK) все более повышается, способствуя дополнительному выходу К+ из клетки и дальнейшему ускорению реполяризации. Кроме того, процессу реполяризации способствует накопление вышедшего из клетки K+ в ограниченном внеклеточном пространстве [96]. Недавно была высказана гипотеза о том, что определенный вклад в реполяризацию может вносить электрогенный натриево-калиевый насос [97, 98]. Как только мембранный потенциал доходит до уровня примерно —40 или —45 мВ, начинается его быстрое снижение до значений потенциала покоя.
Рис. 4.4. Трансмембранные потенциалы в образцах миокарда предсердия (фрагменты I и III) и желудочка (фрагмент II) человека, позволяющие продемонстрировать различные типы аномального автоматизма в сердечной ткани при заболевании сердца.
Фрагмент I: трансмембранные потенциалы в хорошо поляризованном волокне с быстрым ответом (А) и низкоамплитудные медленные ответы частично деполяризованного волокна (Б) в придатке правого предсердия человека. Максимальный диастолический потенциал (и амплитуда), зарегистрированный в клетках А и Б, составили —72 мВ (—80 мВ) и —55 мВ (—55 мВ) соответственно. Высокоамплитудные, быстро нарастающие потенциалы, развивающиеся в сильно поляризованном волокне, существенно отличаются от низкоамплитудных, медленно нарастающих потенциалов в частично деполяризованном волокне. Следует также отметить, что клетка с медленным ответом начинает спонтанно деполяризоваться сразу после окончания реполяризации, т. е. она становится автоматически активной (автоматизм, вызванный деполяризацией).
Фрагмент II: трансмембранные потенциалы в частично деполяризованной, спонтанно активной клетке папиллярной мышцы больного с ревматическим заболеванием сердца, осложненным мерцанием предсердий, желудочковой эктопией высокой степени и вариабельными нарушениями желудочкового проведения, зависящими от частоты сердечного ритма. А — реполяризация после основного автоматического возбуждения прерывается однократной ранней постдеполяризацией, приводящей к развитию бигеминии. Б — каждое основное возбуждение прерывается низкоамплитудной осцилляцией, за которой следуют 5 повторяющихся высокоамплитудных ответов с результирующим выраженным увеличением длительности реполяризации. Каждая серия заканчивается колебанием мембранного потенциала очень низкой амплитуды, что еще больше затягивает окончание реполяризации при основном возбуждении. Фрагмент III: индукция колебаний мембранного потенциала по типу задержанной постдеполяризации и развитие триггерной активности в препарате предсердия человека, исходно не обладавшем спонтанной активностью. Первая осцилляция на каждой записи указана стрелкой. Записи А и Б, а также начало записи В демонстрируют развитие постдеполяризации при стимуляции с возрастающей частотой. Отмечается постепенное увеличение амплитуды осцилляций при повышении частоты стимуляции. В конце концов, колебания мембранного потенциала достигают порогового уровня и возникает ритмическая триггерная активность (в середине записи В двойная стрелка), которая сохраняется даже после прекращения стимуляции. Хотя каждый из приведенных примеров получен на частично деполяризованном препарате, аналогичные явления наблюдаются и в сильно поляризованных тканях. Обсуждение в тексте [87}.
Генерирование импульсов
Возбуждение и проявление потенциала действия обусловлены протеканием через клеточную мембрану достаточно деполяризующего тока, который быстро снижает (т. е. делает менее отрицательным) трансмембранный потенциал до порогового уровня. Для разных типов клеток пороговый потенциал различен и связан с максимальным диастолическим потенциалом [33, 56, 87, 99]. Возбуждающие (деполяризующие) токи могут поступать из внешнего источника или же развиваются спонтанно. В норме они являются следствием локальной разности потенциалов, возникающей при распространении потенциала действия. Определенные клетки, называемые автоматическими, способны генерировать такие токи спонтанно- следовательно, они могут испытывать самовозбуждение и спонтанно (автоматически) инициировать импульсы [25].
В норме автоматизм обусловлен периодическим возникновением в специализированных тканях сердца спонтанный деполяризации в фазу 4 [25] (см. рис. 4.1, Б). Клетки с наибольшей частотой спонтанной диастолической (фаза 4) деполяризации (в норме эти клетки синусового узла) служат первичными пейсмекерами, остальные же — представляют собой латентные пейсмекеры. В действительности деполяризация в фазу 4 развивается, скорее всего, только в клетках синусового узла (см. рис. 4.1, Б), в латентных же («ускользающих») водителях ритма необходимые изменения возникают лишь в ответ на такие факторы, как замедление синусового ритма или АВ-блокада.
Спонтанное генерирование импульсов может быть обусловлено не только медленной диастолической деполяризацией специализированных автоматических клеток, но и другими механизмами. Поскольку такие альтернативные механизмы являются недостаточными для работы в нормальных физиологических условиях, их рассматривают как аномальные факторы автоматизма, а возникающую в результате спонтанную активность — как аномальный автоматизм [100]. Этот термин объединяет целую группу различных явлений. Спонтанные циклические пейсмекероподобные осцилляции диастолического потенциала, не связанные с основным инициирующим событием, представляют один из важнейших типов активности. Такого рода активность проявляется преимущественно в угнетенных, частично деполяризованных волокнах, где мембранный потенциал снижен до уровня, при котором начинает функционировать медленный входящий ток- отсюда название «автоматизм», вызванный деполяризацией». По-видимому, подобная активность может возникать при снижении диастолического потенциала в большинстве клеток (если не во всех), включая рабочий миокард предсердий и желудочков [101—103]. Такое явление часто наблюдается в ишемизированных и пораженных тканях сердца [36, 74, 75, 87, 91—93]. Вполне репрезентативна в этом отношении запись на рис. 4.4 (фрагмент 1), полученная в частично деполяризованных автоматических клетках миокарда предсердий человека.
Существуют и другие типы осцилляций, которые зависят от предшествующего инициирующего потенциала действия (т. е. триггерная активность). Такие осцилляции могут возникать во время (или после завершения) реполяризации инициирующего потенциала действия (см. рис. 4.4, фрагменты II и III). Для их обозначения был предложен целый ряд определений, из которых наиболее широко используются термины, предложенные Cranefield: соответственно «ранняя» и «задержанная» постдеполяризация [30]. Ранняя постдеполяризация чаще всего прерывает реполяризацию в фазу 2 на плато при уровне потенциала от —20 до —25 мВ, но она может возникнуть и во время фазы 3. Она увеличивает длительность реполяризации и рефрактерности иногда на многие секунды (см. рис. 4.4,11). Задержанная же деполяризация (см. рис. 4.4, III) наблюдается во время фазы 4 при более или менее нормальном уровне диастолического потенциала (от —70 до —185 мВ), а также при его сниженном уровне. Постдеполяризация, достигающая порогового уровня, приводит к возникновению триггерных ритмов (см. рис. 4.4,III) [104], из которых лучше всего известен ритм, обусловленный интоксикацией сердечными гликозидами.
Мембранные механизмы, лежащие в основе возникновения пейсмекерных потенциалов, до конца не выяснены [29, 30, 33]. Согласно последним, работам, пейсмекерная активность волокон Пуркинье является следствием активации входящего тока, переносимого как Na+ так и K+ [105, 106]. По некоторым данным, в синусовом узле определенный вклад в пейсмекерную активность вносит и медленный входящий ток [107—НО]. Ионные механизмы, определяющие автоматическую активность частично деполяризованных миокардиальных клеток и осцилляции постдеполяризационного типа, еще менее изучены [29, 30, 33, 34, 36, 102, 103].
Проведение
Проведение импульса (потенциала действия) в сердце является в высшей степени сложным и не до конца изученным явлением. Последние монографии и обзоры Jack и соавт. [Ill], Fozzard [112], Spach и Kootsey [И3], а также Cranefield [30], [114] показали еще большую сложность этого феномена. Проведение считается результатом последовательной деполяризации смежных участков клеточной мембраны за счет локальных токов, которые возникают вследствие разности потенциалов между соседними сегментами покоящейся (поляризованной) и активной (деполяризованной) мембраны и текут от клетки к клетке через контакты, обладающие низким электрическим сопротивлением. Частота, с которой осуществляется этот процесс (т. е. скорость проведения), зависит от ряда взаимосвязанных переменных, включая входящий ток и его детерминанты, возбудимость, пассивные кабельные свойства сердечных волокон, их диаметр и геометрию.
Входящий ток. В нормальных сердечных клетках, расположенных вне синусового узла и АВ-узла, способность распространяющегося потенциала действия к возбуждению прилегающих участков покоящейся мембраны и, следовательно, к проведению, а также скорость проведения, зависят от величины быстрого входящего тока Nа+, а затем — и от Vmax, которая является косвенной мерой входящего тока. Входящий ток и Ушах в свою очередь связаны с мембранным потенциалом клеток при возбуждении. Следовательно, скорость проведения также зависит от мембранного потенциала клеток, лежащих на пути распространения импульсов (54—56, 112, 115]. Быстрый натриевый ток, Ушах и скорость проведения, а также другие равнозначные факторы оптимальны в достаточно поляризованных волокнах, где мембранный потенциал составляет от — 85 до — 95 мВ. Снижение мембранного потенциала сопровождается уменьшением быстрого входящего тока Na+, Vmax и скорости проведения [30]. Ухудшение проведения связано с величиной потенциала [55, 56, 115], причем первое существенное замедление обычно отмечается при значениях выше — 70 мВ, а нарушение проведения — при —50 мВ или ниже. При столь низких уровнях потенциала быстрый натриевый ток в основном инактивируется и деполяризация становится все более зависимой от медленного тока. На рис. 4.3, А схематически показано изменение потенциала действия при его распространении от нормально поляризованных участков к областям с постепенно уменьшающейся поляризацией. Продвижение к частично деполяризованной зоне характеризуется прогрессивным снижением амплитуды и повышением скорости деполяризации, т. е. теми изменениями, которые должны сопровождаться все более возрастающим выраженным замедленным проведением.
Проведение зависит также от соотношения мембранного потенциала в момент возбуждения и Vmax ответа (реактивность). Изменения этого соотношения обусловливают смещение нормальной кривой (клетка а) на рис. 4.3, Б вниз и вправо (кривая для клетки б), что отражает подавление реактивности и замедление проведения, поскольку Vmax ответов при любом данном потенциале уменьшается относительно нормы. Поскольку при таком смещении проведение замедляется при всех уровнях потенциала, это должно, во-первых, усилить нарушения проводимости, связанные с уменьшением мембранного потенциала, и, во-вторых, облегчить развитие нарушений проводимости при более нормальных (т. е. более отрицательных) уровнях потенциала. Изменения соотношения реактивности, при которых кривая смещается вверх и влево в диапазоне высоких (отрицательных) и средних уровней потенциала, приводят к противоположным эффектам. Парадоксально, но при смещении кривой влево в диапазоне низких потенциалов (рис. 4.3, Б, кривая для клетки б) может возникнуть предрасположенность к развитию нарушений проводимости, так как при этом облегчается генерирование медленно нарастающих и медленно распространяющихся ответов при тех уровнях потенциалов, которые в других условиях оказались бы слишком положительными для поддержания какой бы то ни было активности.
Многочисленные кардиоактивные препараты, в том числе многие стандартные антиаритмические средства, влияют на проводимость посредством изменения реактивности миокарда [25, 30, 38—44]. Угнетающее влияние хинидина и новокаинамида отражается главным образом в смещении кривой реактивности вниз и вправо [116, 117]. Ишемия и повреждение миокарда, по-видимому, оказывают аналогичное действие. Исследования инфарцированного желудочка собаки [70, 71, 74, 75] и пораженного миокарда у человека [36, 87] показывают, что кривая реактивности (по крайней мере для некоторых клеток) смещается вниз и вправо в диапазоне высоких и средних уровней потенциала, но вверх и влево—при низких уровнях (рис. 4.3, Б, клетка б). Последнее, вероятнее всего, отражает активацию медленного входящего тока при низких потенциалах. В любом случае оба типа смещения предрасполагают к усилению нарушений проведения и аберрантности.
Возбудимость и проведение. Проведение зависит также от возбудимости мембраны [118—120]. Понятие «возбудимость» связано с величиной тока, необходимого для снижения мембранного потенциала от уровня, существовавшего при стимуляции, до порога с последующей инициацией потенциала действия. Этот показатель является сложной функцией, зависящей от ряда факторов, включая уровень мембранного потенциала и пороговый потенциал. Снижение возбудимости синонимично увеличению амплитуды тока, необходимого для возбуждения- при неизменности других факторов оно сопровождается замедлением проведения. Повышение возбудимости имеет противоположный эффект. На этом основании объясняется ускорение проведения в ответ на умеренную деполяризацию [118—120]. Действительно, зависимые от длительности сердечного цикла изменения возбудимости угнетенных клеток системы Гис—Пуркинье предположительно служат причиной интермиттирующей блокады ножки пучка [150]. Некоторые физиологические и фармакологические факторы, влияющие на проводимость, способны оказывать равноценное (или по крайней мере частичное) влияние и на возбудимость. То же представляется справедливым для калия: увеличение его внеклеточной концентрации с 2,7 до 4 мМ сопровождается повышением возбудимости и скорости проведения. Дальнейшее повышение концентрации более 7 мМ подавляет возбудимость и проведение [119]. Депрессивное влияние лидокаина и новокаинамида на проведение может быть связано с их действием, снижающим возбудимость [121, 122]. Ишемия и заболевание миокарда также могут угнетать возбудимость и тем самым влиять на проведение.
Кабельные свойства и проведение. Считается, что сердечные волокна по своим электрическим свойствам во многом напоминают одномерный коаксиальный кабель [23, 31, 111, 112]. Отдельные клетки миокарда электрически связаны между собой посредством специализированных низкоомных [123] мембранных структур [124, 125] — нексусов, или вставочных дисков [126], которые облегчают протекание тока между клетками, так что цепочки клеток можно в функциональном смысле рассматривать как длинные кабели. Электрические свойства таких структур, получившие название «пассивных» или «кабельных» свойств, включают в себя сопротивление (величину, обратную проводимости) и емкость мембраны, а также внутреннее продольное сопротивление (суммарное сопротивление цитоплазмы и нексусов). Эти факторы определяют протекание тока от клетки к клетке и, следовательно, являются основными детерминантами проводимости [23, 30, 36, 111, 112, 114]. Изменение этих параметров оказывает глубокое влияние на проведение [127].
Есть основания полагать, что изменения кабельных свойств под действием препаратов или при патологических состояниях могут способствовать развитию нарушений проведения в клинических условиях. Например, имеются данные о том, что токсические дозы оуабаина [128], ацидоз [129], гипоксия и ишемия [130], сопровождающиеся аномалиями проведения in vivo, видимо, повышают сопротивление нексусов. Результаты математического моделирования показывают, что определенное повышение внутреннего сопротивления приводит к полной блокаде проведения вследствие электрического разобщения клеток [131]. Есть также основания полагать, что электрическое разобщение происходит в пораженном миокарде желудочков человека [87]. Таким образом, выдвинуто предположение о возможной роли изменений кабельных свойств в развитии медленного проведения и нарушений ритма у больных с заболеванием сердца. Точный механизм, лежащий в основе электрического разобщения, неясен, но определенное участие здесь, по-видимому, принимают ионы Са++, на что указывают результаты исследований, в которых внутриклеточная инъекция кальция вызывала повышение внутреннего сопротивления [132].
Ряд воздействий, усиливающих вызванное ишемией или гипоксией повышение внутриклеточного сопротивления, включая повышение частоты стимуляции, также увеличивают внутриклеточную концентрацию Са++ [133].
Нарушения проводимости
Нарушения проведения возбуждения в сердце могут быть обусловлены множеством различных факторов. Хорошо известны врожденные и приобретенные аномалии специализированных тканей, а также их разрушение вследствие заболевания [8]. В нормальном сердце, вероятно, наиболее частой причиной аномалий является распространение импульсов в волокнах с низким мембранным потенциалом. Повышение степени аберрации проведения, по-видимому, связано здесь с электрофизиологическими свойствами частично деполяризованных волокон с медленным ответом [30, 34], а также изменениями, возникающими при ишемии [74, 75] и повреждении сердца [36, 87]. Важную роль играют также изменения возбудимости и кабельных свойств сердечных волокон, которые обусловлены действием препаратов и патологическими процессами [31, 111, 112], особенностями строения волокон, а также временной и пространственной конвергенцией импульсов [134, 135]. При обсуждении этих вопросов основное внимание будет уделено зависимости нарушений проведения от мембранного потенциала.
Нарушения проведения вследствие уменьшения потенциала могут возникать в любом отделе сердца. При этом возможны разнообразные электрокардиографические проявления, особенно ЭКГ-элементы, отражающие в каждом конкретном случае локализацию деполяризованных волокон и степень деполяризации их мембраны. Если, например, в процесс вовлечен пучок Гиса, аномалии проведения проявляются в виде АВ-блокады. Если же деполяризованные клетки располагаются ниже бифуркации, то наблюдаются различные типы дефектов внутрижелудочкового проведения.
Природа нарушений проведения и их электрокардиографические проявления критически связаны с временными характеристиками снижения мембранного потенциала. Здесь могут определяться две основные категории нарушения. Первая и наиболее часто встречающаяся — группа нарушений связана с уменьшением мембранного потенциала вследствие неполной реполяризации. На рис. 4.5, А показан потенциал действия волокна правой ножки пучка Гиса, а также пять преждевременных ответов, инициированных в различные моменты при реполяризации. Изменения характеристик потенциала действия и проведения во время реполяризации вместе с соответствующими необходимыми изменениями величины порогового тока (возбудимость) (см. рис. 4.5, Б) и порогового потенциала обычно определяются термином «рефрактерность». На рис. 4.5, А видно, что стимуляция не способна вызывать активный ответ до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к уровню —50 мВ. Наиболее ранний ответ (а) указывает, следовательно, на окончание абсолютного рефрактерного периода и начало относительного рефрактерного периода. Однако самые ранние ответы (а и б) столь малы по амплитуде и нарастают так медленно, что не могут распространяться (локальные ответы). Первый распространяющийся импульс (в) определяет конец эффективного рефрактерного периода (период, в течение которого не происходит распространения ответа). Амплитуда, Vmax и длительность ответов, последовательно возникающих при более отрицательных значениях мембранного потенциала, прогрессивно увеличиваются, что сопровождается улучшением проведения. Оптимальный ответ (г) наблюдается лишь после возвращения мембранного потенциала к уровню —85 или —90 мВ. На рис. 4.5, В показаны электрокардиографические проявления этих событий.
Рис. 4.5. Влияние рефрактерности на электрический ответ сердца.
А — схематическое изображение трансмембранного потенциала действия нормального волокна Пуркинье и ответов, вызванных преждевременной стимуляцией в определенные моменты реполяризации. Показан также уровень порогового потенциала. Обратите внимание, что амплитуда и Vmах ответов зависят от уровня мембранного потенциала при стимуляции. Наиболее ранние ответы (а и б) возникают при столь низких величинах мембранного потенциала и так малы по амплитуде и скорости нарастания, что не могут распространяться (градуальные или местные ответы). Последующие ответы (в—д) характеризуются постепенным увеличением амплитуды, скорости нарастания и длительности вплоть до момента завершения реполяризации. Самый ранний распространившийся ответ (в) определяет окончание эффективного рефрактерного периода. Первый нормальный ответ (д) определяет окончание времени полного восстановления. Хотя ответ г возникает во время окончания периода сверхнормальной возбудимости, он становится меньше и нарастает медленнее, чем ответ д. Б — обычная связь между мембранным потенциалом и возбудимостью катодным током. Величины порогового тока указаны в микро-амперах (мкА). .Волокно становится невозбудимым с момента начала нулевой фазы потенциала действия. Восстановление возбудимости, на которое указывают изменения порога, происходит медленно во время фазы 3. На схеме также показана приблизительная длительность абсолютного рефрактерного периода (АРП), эффективного рефрактерного периода (ЭРП), относительного рефрактерного периода (ОРП). Полного рефрактерного периода (ПРП), времени полного восстановления (ВПВ) и периода сверхнормальной возбудимости (ПСНВ). Вертикальные линии, соединяющие фрагменты А и Б рисунка, показывают связь между временными отрезками реполяризации и изменениями рефрактерности и возбудимости. Пороговый потенциал, величина которого становится бесконечной в фазу быстрой деполяризации, также нормализуется при реполяризации (не показано). В — четыре ритмограммы в отведении V с отдельными преждевременными возбуждениями предсердий, вызванными в различные моменты реполяризации. Эта запись представляет собой «аналог» кривой на фрагменте А: преждевременные возбуждения предсердий а—д соответствуют ответам с теми же обозначениями на А. Самые ранние преждевременные возбуждения предсердий (а и б) достигают АВ-проводящей системы столь рано во время реполяризации, что они либо не могут распространяться по ней совсем, либо дают лишь локально распространяющиеся ответы, которые рассматриваются как непроводящиеся предсердные преждевременные возбуждения. Следующие два преждевременных возбуждения предсердий (в и г) достигают проводящей системы несколько позже и проводятся в желудочки. Однако проведение становится угнетенным, о чем свидетельствует удлиненный интервал P—R и измененная (аберрантная) форма комплекса QRS. Возбуждение д наблюдается после завершения реполяризации и проводится нормально. Обсуждение в тексте.
Из сказанного следует, что восстановление возбудимости и проводимости (т. е. функциональное восстановление) находится в четкой зависимости от величины потенциала и происходит параллельно процессу реполяризации. Это, по-видимому, более или менее справедливо для большинства нормальных сердечных волокон, за исключением узловых клеток, где функциональное восстановление происходит по окончании реполяризации- таким образом, процесс восстановления возбудимости зависит от времени и величины потенциала [25, 30, 34, 61, 63, 64]. Как показывают более поздние данные [136, 137], это в той же мере относится даже к неузловым клеткам. Однако такое несовпадение обычно невелико и становится заметным лишь в клетках с пониженным диастолическим потенциалом. Различие между вольтажным и функциональным восстановлением обозначается термином «постреполяризационная рефрактерность» [138].
Различия в восстановлении возбудимости в нормальных волокнах и в клетках с низким потенциалом могут быть связаны с различием ионных механизмов, определяющих деполяризацию. Деполяризация в большинстве нормальных волокон зависит от активации каналов для быстрого входящего тока Na+. Деполяризация, в свою очередь, приводит к инактивации этих каналов, делая их невозбудимыми. Устранение инактивации должно происходить раньше, чем натриевые каналы обретут утраченную реактивность. К тому времени, когда реполяризация продвинется до уровня —40 или —50 мВ, достаточное количество каналов будет восстановлено, что обеспечит ответ клетки (конец абсолютного рефрактерного периода). В норме к моменту реполяризации клетки до уровня от —85 до —95 мВ отмечается практически полное восстановление быстрых Na+-каналов и, следовательно, возбудимости и проводимости. С другой стороны, как указывалось ранее, деполяризация обычно низкопотенциальных волокон синусового и атриовентрикулярного узлов [30, 33, 60—65], а также клеток в створках АВ-клапанов и коронарного синуса [66, 67] зависит главным образом от медленного входящего тока. Это в определенной мере справедливо и для частично деполяризованных волокон в зоне экспериментального инфаркта миокарда [30, 74, 75, 93] и в пораженной (хронически) сердечной мышце [36, 78, 85—87, 91, 92]. Устранение инактивации в медленных каналах происходит значительно дольше, чем в быстрых, так что рефрактерность может запаздывать относительно полной реполяризации на сотни миллисекунд. На рис. 4.6 (фрагменты I и II) для сравнения показано восстановление нормально поляризованных и частично деполяризованных волокон Пуркинье. В нормально поляризованном волокне возврат к диастолическому потенциалу и функциональное восстановление протекают практически параллельно. В частично же деполяризованном волокне восстановление обнаруживает свою существенную зависимость от времени. Полного функционального восстановления не наблюдается вплоть до середины диастолы. Замедление процесса восстановления быстрых Nа+-каналов возможно и в некоторых других условиях, включая воздействие определенных препаратов [45, 46, 146—149], так что значительная постреполяризационная рефрактерность может отмечаться даже в нормально поляризованных клетках. Показанные на рис. 4.6 (фрагмент III) примеры такого явления в нормально поляризованной клетке желудочкового миокарда человека свидетельствуют о том, что заболевание миокарда способно оказывать аналогичное влияние. Подобные изменения предрасполагают к аберрации проведения преждевременных ответов, возникающих в поздние фазы или в фазу реполяризации, а также во время диастолы.
Снижение мембранного потенциала во время электрической диастолы (фаза 4) возможно также вследствие уменьшения потенциала покоя и (или) в результате спонтанной диастолической деполяризации автоматических клеток. На основании кривых реактивности (см. рис. 4.3, Б) можно предположить, что снижение диастолического потенциала вызовет изменения характеристик потенциала действия и проведения, аналогичные наблюдаемым при реполяризации [54, 56, 115]. Следовательно, распространение импульсов в волокнах с низким диастолическим потенциалом должно сопровождаться медленным проведением и аберрацией.
В норме низкий потенциал покоя встречается только в клетках АВ-узла, где он, по-видимому, способствует медленному проведению [25, 30]. В противоположность этому, при экспериментальном инфаркте миокарда [74, 75, 93] и в пораженном сердце человека [76, 77, 87, 91, 92] низкий потенциал покоя наблюдается довольно часто. На рис. 4.7 показаны снижение величины диастолического потенциала и медленное проведение в желудочковом миокарде человека. Кроме того, многие физиологические и химические воздействия на миокард, включая перерастяжение, ишемию, гипоксию, изменения рН, изменение ионного состава и высокие концентрации антиаритмических препаратов, снижают потенциал покоя [24, 25, 28—30, 32, 35, 38—43], вызывая тем самым нарушения проводимости. Хорошо изученным примером подобной аномалии служат вызванные гиперкалиемией нарушения внутрипредсердного и внутрижелудочкового проведения.
Рис. 4.6. Регистрация трансмембранных потенциалов и одновременно полученные биполярные электрограммы нормального (фрагмент I) и частично деполяризованного (фрагмент II) волокон правой ножки пучка Гиса у собаки показывают зависимое от времени увеличение рефрактерного периода при деполяризации.
Ответы 1, 2 и 3 возникают при преждевременной стимуляции в определенные моменты сердечного цикла. Ответ I является самым ранним из наблюдаемых ответов, который определяет окончание абсолютного рефрактерного периода- 2 — самый поздний ответ, характеризующийся достаточным снижением амплитуды и Vmax, в результате чего форма комплекса на электрограмме изменяется (аберрантный QRS)- 3 — наиболее ранний ответ нормальной формы, который определяет время полного восстановления возбудимости. В нормальном волокне восстановление возбудимости и проведения, т. е. исчезновение рефрактерности, практически совпадает по времени с окончанием реполяризации. С другой стороны, в частично деполяризованном волокне рефрактерность по своей длительности явно превосходит реполяризацию (в данном случае весьма существенно). Такое зависящее от времени увеличение рефрактерного периода повышает предрасположенность к аберрации даже поздних экстрасистол. Фрагмент III: постреполяризационная рефрактерность в образце папиллярной мышцы больного с ревматическим заболеванием сердца, осложненным застойной сердечной недостаточностью, а также предсердной и желудочковой эктопией высокой степени на фоне аберрантного проведения вследствие блокады правой и левой ножек пучка Гиса. Обсуждение в тексте [87}.
Рис. 4.7. Трансмембранные потенциалы в 5 клетках изолированной папиллярной мышцы больного с ревматической болезнью сердца.
Отмечается вариабельность диастолического потенциала и характеристик потенциала действия при возникновении медленного проведения и локального блока. Препарат стимулировался с интервалом в 800 мс. Регистрация осуществлялась по границе небольшой зоны рубца (возможно, давнего микроинфаркта или фиброзного тела Ашофа). На каждом фрагменте представлена одновременная запись, полученная в нормально поляризованном волокне (клетка 1) и в одном из четырех частично деполяризованных волокон (клетки 2—5), что позволяет сравнить характеристики потенциала действия и время межэлектродного проведения. Vmax во второй клетке каждой пары определяется различием в высоте пика на нижней кривой каждого фрагмента. Vmax в клетках 4 и 5 слишком мала, чтобы дать ощутимую дефлексию. Ниже приведены значения максимального диастолического потенциала (МДП), длительности потенциала действия (ДПД- определено как время реполяризации на уровне — 40 мВ) и Vmax в нулевую фазу. Отмечается возрастание времени межэлектродного проведения между клеткой 1 и клетками 4 и 5 по сравнению с таковым между клеткой I и клетками 2 и 3, о чем свидетельствует заметно увеличивающееся различие в нарастании ответов, зарегистрированных в этих клетках. В правом нижнем углу дана калибровка времени и вольтажа. Обсуждение в тексте [87].
С другой стороны, даже в нормальном сердце наблюдается деполяризация автоматических клеток в фазу 4. Наиболее хорошо известен автоматизм клеток синоатриального узла, который может способствовать медленному проведению в этой ткани. Эксперименты на волокнах Пуркинье показали, что повышенный автоматизм латентных пейсмекерных клеток может вызывать широкий спектр нарушений проведения — от простого замедления до полного блока [56]. Кроме того, развитие деполяризации в фазу 4 проксимальнее участка уже существующего блока может вызвать еще большее угнетение проведения в данной области [150]. Ввиду широкого распространения в сердце латентных пейсмекерных клеток, а также влияния многочисленных факторов окружающей среды и воздействия препаратов, усиливающих деполяризацию в фазу 4 [24, 25, 27—29, 30, 33, 34, 38—47], этот механизм может стать причиной нарушений проведения у человека. Следует учитывать, что клетки рабочего миокарда также могут проявить автоматическую активность (см. рис. 4.4) под влиянием медикаментов, ишемии и других патологических процессов, что усилит предрасположенность к развитию нарушений проведения.
