Частотно-амплитудная структура фибрилляции желудочков собаки при ишемии и реперфузии: экспериментальное исследование

Цитировать: Гурьянов М.И., Харитонова Е.А., Яблонский П.К. Частотно-амплитудная структура фибрилляции желудочков собаки при ишемии и реперфузии: экспериментальное исследование. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2024;28(1):50-58. https://doi. org/10.21688/1681-3472-2024-1-50-58

Фибрилляция желудочков (ФЖ) характеризуется гемодинамически неэффективными некоординированными сокращениями сердца, не способными поддержать кровообращение и приводящими к внезапной сердечной смерти. Остановка сердца как механизм внезапной сердечной смерти более чем в 80 % случаев возникает в результате ФЖ. Почти в половине случаев остановка сердца у лиц старше 40 лет происходит без известной сердечно-сосудистой патологии, но 75–80 % таких лиц имеют недиаг-ностированную ишемическую болезнь сердца [1–3].

ФЖ приводит к ишемии и снижению сократимости сердца, что неблагоприятно для восстановления гемодинамически эффективных координированных сокращений при дефибрилляции [4–6]. Чем длительнее ишемия при ФЖ, тем значительнее снижение сократимости и меньше вероятность успешной дефибрилляции: она снижается на 7–10 % за 1 мин ишемии [6; 7]. Поэтому реперфузия после ишемии сердца при ФЖ необходима для восстановления сократимости, что должно способствовать возобновлению гемодинамически эффективных координированных сокращений при дефибрилляции. Но реперфузия приводила к дестабилизации электрической активности ФЖ собаки [8; 9]. На дестабилизацию электрической активности ФЖ человека указывает повышение доминирующей частоты ФЖ с 4,7 до 7 Гц при реперфузии [10].

Дестабилизация электрической активности ФЖ отражает функциональную нестабильность сердца при реперфузии, что может снижать успех дефибрилляции и вызывать рефибрилляцию. Так, C. Xing и соавт. выявили частые рефибрилляции после успешных дефибрилляций, приводивших к восстановлению кровообращения после 1–4 мин ишемии сердца при фибрилляции желудочков [11].

Ранее нами [8; 9] и C.P. Bradley [10] была изучена реперфузия после 1–2 интервалов ишемии при ФЖ: после 60 и 180 с ишемии при ФЖ собаки и 150 с ишемии при ФЖ человека, что не отражает полную картину электрической активности ФЖ при реперфузии, так как количественные эффекты реперфузии были разными после разных интервалов ишемии. По-видимому, чем длительнее ишемия при ФЖ, тем значительнее эффекты реперфузии. Полную количественную картину электрической активности ФЖ при реперфузии можно получить при систематическом исследовании частотно-амплитудной структуры ФЖ собаки при реперфузии после 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210 и 240 с ишемии. Такое исследование практически значимо для кардиологической практики, так как после 30–240 с ишемии сердца при ФЖ возможна успешная дефибрилляция [12]; результаты применимы к человеку, поскольку частотно-амплитудные параметры ФЖ сердца собаки близки к частотно-амплитудным параметрам ФЖ сердца человека [13].

Цель — изучить частотно-амплитудную структуру ФЖ при реперфузии после 30–240 с ишемии сердца собаки при фибрилляции желудочков.

Методы

Провели 6 опытов на 12 беспородных собаках обоих полов весом 20–30 кг в соответствии с рекомендациями Международного комитета по работе с лабораторными животными, поддержанными Всемирной организацией здравоохранения, директивой Европейского Парламента № 2010/63/EU от 22.09.2010 г. «О защите животных, используемых для научных целей». Этический комитет клиники «Семейный доктор» (ООО «АнтМед», Санкт-Петербург, Российская Федерация) одобрил исследование (протокол № 4 от 14.09.2023 г.). Проводили премедикацию: подкожно вводили атропина сульфат (0,1 мг/кг), внутримышечно — золетил (20–30 мг/кг) (VIRBAC S.A., Карро, Франция). Под внутривенным тиопенталовым наркозом (начальная доза 10–15 мг/кг, 4–7 мг/кг ежечасно) проводили искусственную вентиляцию легких и выделяли сердце из грудной клетки. Вставляли дренажные трубки в предсердия через верхнюю полую и легочную вены. Канюлировали аорту и перфузировали коронарные артерии кустодиолом (Dr. F. Köhler Chemie GmbH, Бенсхайм, Германия). Через 8–10 мин перфузировали сердце кровью поддерживающей собаки, которой проводили искусственную вентиляцию легких под тиопенталовым наркозом. Из бедренной артерии поддерживающей собаки кровь поступала в аорту изолированного сердца. Перфузионное давление в аорте было 90–100 мм рт. ст., что приводило к закрытию аортального клапана и перфузии коронарных артерий. Венозная кровь из предсердий изолированного сердца возвращалась в бедренную вену поддерживающей собаки. Для предотвращения тромбообразования в длительных экспериментах проводили гепаринизацию собак (начальная доза 500 МЕ/кг, 150 МЕ/кг ежечасно). Сердце помещали в закрытую камеру, в которой поддерживали температуру 37 °С.

Регистрировали электрограмму сердца до и во время ФЖ от игольчатых электродов в правом и левом желудочках на кардиографе «Кардиотехника-ЭКГ-8» (ООО «ТД «Инкарт», Санкт-Петербург, Россия)

Рис. 1. Электрограммы сердца собаки при фибрилляции желудочков (A, C, E) и их спектрограммы (B, D, F): перфузия (A, B); 81–90-я с ишемии (C, D); 51–60-я с реперфузии (E, F)

Примечание. Калибровка электрограмм: 2 мВ; 1 с. На спектрограммах: по оси абсцисс — частота, Гц; по оси ординат — амплитуда, мВ.

при частоте оцифровки 1 000 Гц. ФЖ вызывали частой электрической стимуляцией от электродов в верхушке сердца.

Критерий включения животных — отсутствие патологических изменений на электрограмме сердца до ФЖ. Во всех 6 опытах таких изменений не выявили, поэтому всех собак включили в исследование.

В 6 опытах выполнили 72 эпизода тотальной ишемии сердца при ФЖ: по 9 эпизодов длительностью 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210 и 240 с. Перед каждым эпизодом ишемии проводили 10-минутную перфузию сердца при ФЖ, после каждого эпизода — 10-минутную реперфузию.

Проводили спектральный анализ 1-секундных отрезков электрограммы при перфузии, ишемии и реперфузии методом быстрого преобразования Фурье в 30 частотах полугерцовой ширины в диапазоне 0,5–15 Гц: 0,5, 1, 1,5, …, 15 Гц и определяли частоту и удельный вес осцилляций 1–3-й по спек- тральной мощности частот в 30-секундных интервалах ФЖ (частота, Гц — мода; удельный вес, % — M ± SD; n = 270).

Критерий включения эпизодов ишемии и реперфузии в исследование — стабильная частотно-амплитудная структура ФЖ при перфузии сердца до ишемии. Во всех эпизодах перфузии до ишемии определялась стабильная частотно-амплитудная структура ФЖ с доминированием осцилляций частотой 9–10 Гц и удельным весом 39–41 %. Эти параметры служили контролем, с которым сравнивали показатели ФЖ при ишемии и реперфузии.

Статистический анализ

Частоту и удельный вес осцилляций ФЖ при перфузии, ишемии и реперфузии сравнивали по непараметрическому критерию Вилкоксона в среде R (R Foundation for Statistical Computing, Вена, Австрия, . Статистически значимыми считали различия при p < 0,05.

Гц

А — 30 с ишемии

—*— 1 частота

↓↑

2 частота

3 частота

0   90 180 270 360 450 540 630 720

Интервал фибрилляции, с

Интервал фибрилляции, с

Интервал фибрилляции, с

Интервал фибрилляции, с

Рис. 2. Частота 1–3-й по спектральной мощности частот на 1–4-й мин ишемии и 1–10-й мин реперфузии сердца собаки при фибрилляции желудочков: 30 с ишемии (A); 60 с ишемии (B); 90 с ишемии (C); 120 с ишемии (D); 150 с ишемии (E); 180 с ишемии (F); 210 с ишемии (G); 240 с ишемии (H)

Примечание. Влево от стрелки вниз — перфузия до ишемии; стрелка вниз — начало ишемии; стрелка вверх — начало реперфузии. Данные представлены как мода; n = 270; ء — p < 0,01 при сравнении 1–3-й частот с 30-й и 60-й с реперфузии; * — p < 0,01 при сравнении 1–3-й частот с перфузией и 30–60-й с реперфузии; ٥ — p < 0,01 при сравнении 1–3-й частот со 120-й с реперфузии; # — p < 0,01 при сравнении 1–3-й частот со 180–600-й с реперфузии.

ишемии ишемии ишемии ишемии ишемии ишемии ишемии ишемии

Рис. 3. Удельный вес осцилляций 1–3-й по спектральной мощности частот на 1–4-й мин ишемии и 1–10-й мин реперфузии сердца собаки при фибрилляции желудочков

Примечание. Данные представлены как M ± SD; n = 270; * — p < 0,01 при сравнении с ишемией; # — p < 0,01 при сравнении с 1-й мин реперфузии; ٥— p < 0,01 при сравнении со 2-й мин реперфузии.

Результаты

При перфузии сердца при ФЖ доминировали осцилляции 9–10 Гц (рис. 1, A, B). Частота доминирующих осцилляций снизилась до 8,5–9,5 Гц на 81–90-й с ишемии (рис. 1, C, D) и возросла до 10,5–11,5 Гц на 51–60-й с реперфузии (рис. 1, E, F).

Доминирующие частоты ФЖ, стабильные при перфузии (9–10 Гц), имели следующую динамику (рис. 2):

– при 30-секундной ишемии и 10-минутной реперфузии статистически значимо не изменились (p = 0,09; от p = 0,07 до p = 0,23 соответственно) (рис. 2, A);

– на 60-й с ишемии статистически значимо не изменились (p = 0,11), но при реперфузии возросли до 10,0–10,5 Гц (p = 0,03) на 30-й с, снизились до 9,5– 10,0 Гц (p = 0,01) на 120-й с и стабилизировались до 9–10 Гц на 180–600-й с (рис. 2, B);

– на 120-й с ишемии снизились до 8,5–9,0 Гц (p = 0,009), при реперфузии возросли до 10,0–11,5 Гц (p = 0,004) и 11,5–12,0 Гц (p = 0,002) соответственно на 30-й и 60-й с, снизились до 10,0–10,5 Гц (p = 0,009) на 120-й с и стабилизировались до 9–10 Гц на 180– 600-й с (рис. 2, D);

– на 180-й с ишемии снизились до 6,5–7,5 Гц (p = 0,002), при реперфузии возросли до 8–10 Гц (p = 0,004) и 13–14 Гц (p = 0,001) соответственно на 30-й и 60-й с, снизились до 10,0–10,5 Гц (p = 0,005) на 120-й с и стабилизировались до 9–10 Гц на 180– 600-й с (рис. 2, F);

– на 240-й с ишемии снизились до 5,0–5,5 Гц (p = 0,002), при реперфузии снизились до 4,0– 4,5 Гц (p = 0,001) на 30-й с, возросли до 12,5–13,5 Гц (p = 0,001) на 60-й с, снизились до 10,5–11,0 Гц (p = 0,007) на 120-й с и стабилизировались до 8–9 Гц на 180–600-й с (рис. 2, H).

Удельный вес доминирующих осцилляций ФЖ, стабильный при перфузии (39–41 %), продемонстрировал следующие изменения (рис. 3):

– при 30-секундной ишемии и 10-минутной реперфузии статистически значимо не изменился (p = 0,07; от p = 0,09 до p = 0,21 соответственно);

• –    на 60-й с ишемии статистически значимо не изменился (p = 0,09), но снизился до 36 % (p = 0,003) на 1-й мин реперфузии и возрос до 39 % (p = 0,005) на 2-й мин;

• –    на 120-й с ишемии статистически значимо не изменился (p = 0,06), но снизился до 33 % (p = 0,002) на 1-й мин реперфузии и возрос до 39 % (p = 0,001) на 2-й мин;

• –    на 3-й мин ишемии снизился до 33 % (p = 0,001), статистически значимо не изменился на 1-й мин реперфузии (p = 0,12), но возрос до 40 % (p = 0,005) на 2-й мин;

• –    на 4-й мин ишемии снизился до 32 % (p = 0,001), статистически значимо не изменился на 1-й мин реперфузии (p = 0,26), но возрос до 36–38 % (p = 0,007 и p = 0,002) на 2–10-й мин.

Обсуждение

Мы изучили частотно-амплитудную структуру ФЖ собаки при 1–4-минутной ишемии и 10-минутной реперфузии сердца при ФЖ. Все эпизоды ишемии и реперфузии имели доминантную структуру, что свидетельствует об организованной активности. В наших опытах методической новизной было то, что ишемии предшествовала 10-минутная перфузия сердца при ФЖ, тогда как ишемия сердца in situ начинается на первых секундах фибрилляции желудочков.

Организованная активность ФЖ устойчива к 2-минутной ишемии после 10 мин перфузии сердца при ФЖ — это подтверждается тем, что частота доминирующих осцилляций снизилась всего на 0,5– 1,0 Гц (рис. 2, A–D), а их удельный вес не изменился на 2-й мин ишемии (рис. 3). Но устойчивость организованной структуры ФЖ к ишемии не беспредельна, что подтверждают снижение частоты доминирующих осцилляций на 2–5 Гц (рис. 2, F–H) и снижение их удельного веса до 32–33 % на 3–4-й мин ишемии (рис. 3).

Организованная активность ФЖ устойчива к реперфузии после 30 с ишемии при ФЖ, что подтверждает отсутствие изменений частотно-амплитудных параметров ФЖ (рис. 2, A, рис. 3). Но организованная структура ФЖ чувствительна к реперфузии после более длительной ишемии, что подтверждает:

• –    повышение доминирующих частот ФЖ на 3 Гц на 1-й мин реперфузии и их снижение на 1,5 Гц на 2-й мин реперфузии после 2 мин ишемии (рис. 2, D);

• –    повышение доминирующих частот на 6 Гц на 1-й мин реперфузии и их снижение на 3–4 Гц на 2–3-й мин реперфузии после 3 мин ишемии (рис. 2, F);

• –    повышение доминирующих частот на 8–9 Гц на 1-й мин реперфузии и их снижение на 3–5 Гц на 2–3-й мин реперфузии после 4 мин ишемии (рис. 2, H);

• –    снижение удельного веса доминирующих осцилляций до 36 % на 1-й мин реперфузии и их повышение до 39 % на 2-й мин реперфузии после 1 мин ишемии (рис. 3);

  – снижение удельного веса доминирующих осцилляций до 32–34 % на 1-й мин и их повышение до 36–40 % на 2-й мин реперфузии после 2–4 мин ишемии.

Приведенные факты свидетельствуют о дестабилизации организованной активности ФЖ при реперфузии, которая характеризуется взрывным (импульсным) повышением доминирующих частот ФЖ на 1-й мин реперфузии и их снижением на 2–3-й мин и импульсным снижением удельного веса доминирующих осцилляций на 1-й мин реперфузии и их по- вышением на 2-й мин. Чем длительнее ишемия при ФЖ, тем значительнее дестабилизация организованной активности ФЖ при реперфузии.

Наиболее мощной дестабилизацией организованной активности характеризовалась реперфузия после 4 мин ишемии при ФЖ, когда доминирующие частоты ФЖ снизились на 1 Гц на 30-й с реперфузии, возросли на 8–9 Гц на 60-й с и снизились на 4–5 Гц на 3-й мин, а удельный вес доминирующих осцилляций оставался сниженным (33 %) на 1-й мин реперфузии, но возрос до 36–38 % на 2–10-й мин (рис. 2, H, рис. 3). Отметим, что доминирующие частоты ФЖ стабилизировались только до 8–9 Гц, что на 1 Гц меньше доминирующих частот ФЖ при перфузии до ишемии — это свидетельствует о неполном восстановлении активности ФЖ при 10-минутной реперфузии после 4 мин ишемии.

На наш взгляд, частота рефибрилляций будет возрастать после успешной дефибрилляции, проведенной при импульсном повышении частоты доминирующих осцилляций ФЖ и снижении их удельного веса на 1-й мин реперфузии. Частота рефибрилляций будет также возрастать после успешной дефибрилляции, проведенной при импульсном снижении частоты доминирующих осцилляций и повышении их удельного веса на 2–3-й мин реперфузии. Это подтверждает исследование C. Xing [11], в котором не было ни одной рефибрилляции после успешной дефибрилляции, проведенной на 1–20-й с ФЖ собаки, но регистрировались частые рефибрилляции на 1–3-й мин успешной дефибрилляции, проведенной на 1–4-й мин ФЖ. Можно предположить, что частота рефибрилляций будет снижаться после успешной дефибрилляции, проведенной при стабилизации частоты и удельного веса доминирующих осцилляций ФЖ на 4–5-й мин реперфузии.

По-видимому, при реперфузии возрастает поток электронов по дыхательной цепи митохондрий, что приводит к повышению синтеза аденозинтрифосфата. Без этого нельзя объяснить повышение частоты осцилляций ФЖ, так как для генерации осцилляций необходима энергия. Энергетический потенциал электрона составляет 1,14 В при его радиусе 10-15 м, а редокс-пары коферментов дыхательной цепи имеют окислительно-восстановительные потенциалы от 0,03 до 0,2 В при расстоянии между коферментами 2–3 × 10-9 м [14; 15]. Следовательно, плотность энергии на электроне в 10–100 млн раз больше, чем на редокс-парах коферментов. На наш взгляд, при таком значительном градиенте плотности энергии может происходить энергетическое разрушение коферментов редокс-пар при замедлении движения электронов по дыхательной цепи, а это неизбежно при возрастании потока электронов при реперфузии, так как пропускная способность дыхательной цепи не беспредельна. Энергетическое разрушение коферментов дыхательной цепи может служить триггером, запускающим генерацию свободных радикалов и другие механизмы повреждения сердца при реперфузии [16; 17].

Повреждение сердца при реперфузии происходит во время кардиохирургической операции с использованием длительной кардиоплегии [18; 19]. В такой ситуации актуальна защита от реперфузионного повреждения [20–22]. Перфузия сердца при искусственно вызванной ФЖ, используемая вместо длительной кардиоплегии, может исключить реперфузионные осложнения при кардиохирургической операции. Но наши результаты получены в экспериментах на изолированном сердце собаки, а операции проводят на сердце человека in situ , поэтому перфузия сердца при ФЖ во время кардиохирургического вмешательства нуждается в дальнейшем изучении.

Ограничения

Ограничение работы — отсутствие группы контроля (сердец без ишемии и реперфузии). Контролем в каждом опыте служили электрограммы сердца, сделанные до ишемии и реперфузии при ФЖ. Исходные параметры ФЖ до ишемии служат общепринятым контролем в исследованиях ФЖ при ишемии и реперфузии [4–6; 8–11].                                ^3.

Заключение

Организованная активность ФЖ более чувствительна к реперфузии, чем к ишемии. Это подтверждается тем, что частотно-амплитудная структура ФЖ изменяется при реперфузии значительнее, чем при ишемии. ФЖ характеризуется взрывной (импульсной) дестабилизацией организованной активности при реперфузии, о чем свидетельствует повышение частоты доминирующих осцилляций на 1-й мин реперфузии и их снижение на 2–3-й мин, снижение удельного веса доминирующих осцилляций на 4. 1-й мин и повышение на 2–3-й мин. Чем длительнее ишемия при ФЖ, тем значительнее дестабилизация организованной активности ФЖ при реперфузии.