Всю сократительную работу в сердце выполняют кардиомиоциты – особые клетки, которые генерируют и проводят электрические волны. Но кроме них в сердечной ткани есть клетки соединительной ткани, которые не передают возбуждение. К ним относятся, например, фибробласты.
В сердце здорового человека фибробласты поддерживают его структурную целостность и участвуют в устранении повреждений. При инфаркте и некоторых других сердечных заболеваниях и патологиях кардиомиоциты умирают, а их место занимают фибробласты – это можно сравнить с тем, как на повреждённой коже появляются шрамы. Если фибробластов станет слишком много, электрические сигналы начнут плохо распространяться. Такое нарушение называется сердечным фиброзом.
Непроводящие клетки – фибробласты – препятствуют движению импульса. Электрическая волна начинает огибать препятствие, и в итоге может возникнуть циркуляция возбуждения – вращающаяся спиральная волна. Это называется повторный обратный вход импульса, или ре-ентри (re-entry); из-за него часто и развивается аритмия.
Можно предположить, что высокая плотность фибробластов в сердечной ткани способствует формированию ре-ентри по двум причинам. Во-первых, фибробласты выступают в роли неоднородностей, которые препятствуют проведению электрического сигнала. Во-вторых, множество фибробластов создают своеобразный лабиринт для волн, и они следуют по более длинному зигзагообразному пути.
Критическая плотность непроводящих клеток, выше которой сердечная ткань не должна проводить возбуждение, называется порогом перколяции. Его вычисляют с помощью теории перколяции, математического метода описания возникновения связных структур. В качестве этих структур в данном случае выступают случайно распределенные проводящие и непроводящие клетки сердечной ткани.
Согласно расчетам, сердечная ткань должна терять проводимость для электрических волн, если фибробластов в ней станет больше на 40%. Парадокс в том, что по данным экспериментов образцы ткани с содержанием фибробластов, сильно превышающим порог перколяции (65–75%), все еще проводят электрические сигналы. Иными словами, кардиомиоциты должны уметь организоваться так, чтобы проводить импульс даже в «высокофибробластном» окружении.
Чтобы разрешить этот парадокс, сотрудники Московского физико-технического института (МФТИ) и Гентского университета совместили эксперименты in vitro (то есть в искусственно смоделированной среде – на слое сердечных клеток новорожденных крыс) с экспериментами in silico (в полностью смоделированной на компьютере биологической системе, на морфологической и электрофизиологической компьютерной модели сердечной ткани). Кардиомиоциты сердца представляют собой синцитий – функциональное объединение большого числа тесно взаимосвязанных клеток. За счет такого объединения возбуждение одной-единственной клетки распространяется по всем клеткам сердечного синцития.
Жизнь клетки во многом зависит от того, как ведёт себя её цитоскелет – различные белковые нити, которые организуют внутриклеточное пространство. Авторы работы предположили, что в фиброзной ткани кардиомиоциты так ориентируют свой цитоскелет, чтобы войти в единый синцитий с остальной сердечной тканью. Исследователи изучали распространение электрической волны в 25 образцах сердечной ткани с разным процентным содержанием кардиомиоцитов и фибробластов. В результате удалось рассчитать порог перколяции в 75%, что, как было сказано, намного выше тех 40%, которые даёт теория перколяции и другие математические модели.
Одновременно, как говорит профессор Константин Агладзе, руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ, удалось заметить, что «…кардиомиоциты в образцах располагаются не случайным образом, а собираются в разветвлённую проводящую сеть». Переориентировавшись в сеть и соединившись синцитием с остальной тканью, проводящие клетки сердца могут справиться с наплывом непроводящих фибробластов. Дальнейшие изыскания в этой области могут помочь найти новые способы лечения аритмии, основанные на более глубоком понимании поведения сердечных клеток.
Результаты исследований опубликованы в PLOS Computational Biology.