This document last modified Sunday, 08-Oct-2017 09:28:16 MSK
Home News faq GB

Биофизика, том 54, вып.1, с.62-67, 2009

Нелинейный характер антиаритмических эффектов лидокаина
(в варианте авторской рукописи)

А.В. Москаленко

Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН

Впервые получено экспериментальное подтверждение того, что зависимость антиаритмического эффекта блокатора натриевых каналов клеточных мембран от его концентрации носит выраженный нелинейный характер. Эксперименты выполнены с использованием препарата стенки сердца млекопитающего. В качестве блокатора использован лидокаин. Установлено, что, в то время как терапевтические концентрации лидокаин делают желудочковые тахикардии более мономорфными, его малые концентрации увеличивают вероятность появления полиморфных аритмий.

Ключевые слова: желудочковых тахикардии, анализ нормированной изменчивости ЭКГ, действие антиаритмиков, блокаторы натриевых каналов

Несмотря на более чем вековую историю исследований, природа желудочковых тахикардий (ЖТ) все еще остается малоизученной, а эффективность лечения ЖТ остается очень низкой [1, 2]. Большая часть случаев внезапной смерти (примерно 80%) приходится на аритмическую смерть [3, 4], однако современные методы диагностики все еще не позволяют врачу произвести адекватный выбор лечения без дополнительного проведения фармакологических проб, а успех противоаритмической фармакотерапии достигается не более чем у 60% всех больных с ЖТ сердца при использовании медикаментозных антиаритмических средств всех классов и их комбинаций [4]. В силу этих обстоятельств исследование желудочковых тахикардий продолжает оставаться весьма актуальной научно-теоретической и практической задачей.

В ходе биофизических исследований конца 20-го века было убедительно показано, что сердечная ткань хорошо описывается в терминах теории активных сред, и что поведение спиральной волны возбуждения миокарда (СВ) лежит в основе многих аритмий сердца, включая ЖТ [1, 2]. В частности, в теоретических исследованиях [5] было установлено, что подавление проводимости натриевых каналов клеточных мембран миокарда приводит к существенной смене поведения СВ. При нормальном значении их проводимости наблюдается стационарное вращение СВ вокруг линейного ядра. Уменьшение их проводимости сначала приводит к различным вихревым движениям СВ, и лишь при сильном подавлении проводимости натриевых каналов (в два раза!) снова возникает стационарное вращение СВ, но теперь уже вокруг круглого ядра.

Хорошо известно [1, 2], что этим разным типам движения СВ соответствует различная ЭКГ: стационарному движению СВ характерен мономорфный вид тахикардии, в то время как при вихревом движении СВ регистрируют полиморфные тахикардии. Отметим, что исследование аритмий в значительной мере основывается именно на оценке различных электрических феноменов сердечной деятельности, регистрируемых при помощи ЭКГ. Считают [1], что термин "ЖТ" очерчивает спектр высокочастотных желудочковых аритмий, классификация которых предполагает анализ ЭКГ, соответствующих этим аритмиям.

Как указано в работе [1], стационарность морфологии комплексов QRS отражается в понятии "степень полиморфизма (вариабельности) ЭКГ" и качественно соответствует степени нестационарности ядер re-entry (наиболее частый механизм ЖТ). Поэтому для оценки нестационарности ядер re-entry в нашей работе был использован АНИ-метод, предложенный ранее в качестве способа автоматизированной количественной оценки степени полиморфизма по одиночному отведению ЭКГ [6, 7].

Целью данной работы являлось экспериментальное исследование зависимости степени полиморфизма ЭКГ от концентрации лидокаина — блокатора натриевых каналов клеточных мембран миокарда и типичного антиаритмического препарата, применяемого в клинике для подавления приступов ЖТ.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве исследуемого объекта использовалась изолированная стенка правого желудочка сердца суслика (Citellus undulatus). Экспериментальная модель с использованием сусликов устойчива в условиях суперфузии в течение 12 и более часов эксперимента, что было существенно для проводимого нами исследования, в то время как сердечные препараты крысы и кролика живут около 4–6 часов даже в условиях коронарной перфузии. Животные весом 450–700 грамм, отловленные в конце лета в Якутии, содержались в условиях, близких к природным. Методика изоляция препарата стенки правого желудочка сердца, фиксации препарата в исследовательской камере, режим суперфузии его физиологическим раствором, стимуляция и регистрации электрической активности препарата описаны ранее [8, 9, 10].

Вместе с тем, нами был внесен ряд существенных изменений как в устройство экспериментальной установки, так и в протокол проведения эксперимента. Для модернизации прежней экспериментальной установки многоэлектродного картирования миокарда [10] мы использовали распределенную вычислительную систему, состоящую из микрокомпьютера L1250 (ведомая машина) с сигнальным процессором ADSP2105 и персонального компьютера (ведущая машина). Микрокомпьютер L1250 обеспечил, в частности, возможность высокоскоростной прямой записи на жесткий диск регистрируемых с препарата экспериментальных данных, сняв имевшиеся прежде ограничения на длительность сохраняемой регистрации. Другим важным усовершенствованием экспериментальной установки явилась управляющая ходом эксперимента интегрированная программная среда MapExp, разработанная А.В. Москаленко. MapExp базировалась на многооконном интерфейсе операционной системы Windows и объединила в одном приложении такие функции, как мониторирование и управление ходом эксперимента, получение, сохранение, обработка и удобная визуализация получаемых данных. MapExp обеспечила также и автоматизацию ведения протокола эксперимента: в протоколе автоматически регистрируется время и параметры наносимых воздействий, а также время и параметры сохраняемых записей. Подробней о внесенных изменениях в программно-конструктивное решение можно прочесть в [11].

Для исследования ЖТ использовался следующий протокол эксперимента. В ходе всего эксперимента ткань стимулировалась через коаксиальный стимулирующий электрод, расположенный на верхней, всегда эндокардиальной, поверхности препарата (так называемая базовая стимуляция). Базовая стимуляция осуществлялась положительными прямоугольными импульсами, длительность которых равнялась 4 мс, а частота следования - 30 имп/мин. Амплитуда стимулирующих импульсов устанавливалась равной двум порогам возбуждения, которые определялись в начале эксперимента сразу же после помещения препарата в экспериментальную камеру, а также в ходе эксперимента через каждый час. В начале эксперимента, после установления базовой стимуляции, препарат оставлялся в течение 30 минут для адаптации. Аритмия вызывалась по общепринятому протоколу S1-S2, т.е. подачей через один и тот же стимулирующий электрод внеочередного стимула S2, следующего за импульсом базовой стимуляции S1 в пределах фазы относительной рефрактерности препарата. Длительности стимулирующих импульсов S1 и S2 были равными, в то время как амплитуда S2 устанавливалась равной 4-5 порогам возбуждения. В течение всего эксперимента осуществлялось последовательное с шагом 5-10 мс изменение интервала между импульсами S1 и S2 с целью измерения окна уязвимости (т.е. интервала относительной рефрактерности, во время которого возможно было вызвать аритмию), а также с целью регистрации разнообразных форм высокочастотных аритмий. Каждый эксперимент состоял из четырех фаз: 1) входной контроль, 2) концентрация антиаритмика К1, 3) концентрация антиаритмика К2 (К2>К1), 4) отмывка антиаритмика и выходной контроль препарата.

Для оценки антиаритмического действия был использован лидокаин в разных концентрациях. Лидокаин является хорошо известным блокатором натриевого тока клеточных мембран. В этом качестве он используется как средство местной анестезии (увеличение порога возбуждения отростков нейронов) и как средство антиаритмического действия (увеличение порога возбуждения клеток миокарда).

Также как и в работах [8, 9], экспериментальные псевдо-ЭКГ восстанавливались из распределенных на поверхности препарата потенциалов при помощи математической процедуры, как это было описано ранее [9, 10]. Для каждой ЭКГ количественно оценивалась её вариабельность при помощи АНИ-метода. Основная идея АНИ-метода состоит в следующем. Вначале в каждый дискретный момент времени математически оценивается «мгновенная вариабельность ЭКГ». С целью получения интегральных характеристик «вариабельности» исследуемого участка ЭКГ принимается: 1) среднее значение функции мгновенной вариабельности на этом участке (индекс вариабельности ЭКГ, V1) и 2) значение коэффициента изменчивости мгновенной вариабельности на этом участке (индекс изменчивости вариабельности ЭКГ, V2). Было показано [6, 7], что при росте полиморфности соответствующего участка ЭКГ возрастает и индекс V1; индекс V2 ведет себя более сложным образом. Для слежения за динамикой изменений ЭКГ индексы V1 и V2 вычисляются в скользящем временном окне фиксированной ширины, в результате чего получаются функции V1i и V2i. Траектория в пространстве индексов (V1i, V2i) отображает динамику степени полиморфизма ЭКГ.

Для оценки частоты появления аритмий с той или иной степенью полиморфизма по соответствующим траекториям были построены гистограммы распределения ЭКГ по индексу V1i. Количественная оценка характера антиаритмического эффекта лидокаина производилась по формуле:
P(V1>V*) = (1 – F(V*)),
где F(V1) — функция распределения индекса V1. P(V1 > V*) есть вероятность появления аритмий с индексом V1, большим некоторого значения V*.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты получены на пяти животных для концентраций 10 и 20 mМ, на двух животных для концентраций 30 и 40 mМ и на одном животном для 50 mМ. При концентрациях лидокаина 40 и 50 mМ удавалось вызвать лишь эктрасистолию (3-7 осцилляций ЭКГ). Иными словами при таких концентрациях наблюдался выраженный антиаритмический эффект лидокаина. Эти данные не использовались для последующей обработки АНИ-методом результатов эксперимента. Отметим, что в качестве антиаритмика лидокаин используется в дозах, необходимых для достижения в крови концентрации более 50 mМ.

При концентрации 30 mМ удалось вызвать аритмии длительностью не более 3 секунд со спонтанным прекращением в 19 случаях; в 2 случаях спонтанного окончания аритмии зарегистрировать не удалось. Визуально ЭКГ в эту фазу эксперимента, несомненно, выглядели более мономорфными в сравнении с контролем. При концентрациях лидокаина 10 и 20 mМ изменений в длительности аритмии выявить не удалось (запись велась до 20 секунд). Также в этих случаях не было отмечено при визуальном анализе ЭКГ и каких-либо изменений степени полиморфизма ЭКГ при воздействии лидокаина по сравнению с входным контролем.

Для оценки влияния антиаритмика на степень полиморфности ЭКГ были построены гистограммы, как описано выше. Результаты представлены на Рис. 1. Обнаружено, что низкие концентрации лидокаина (10 и 20 mМ) приводят к увеличению вероятности появления более полиморфных аритмий по сравнению с контролем. Концентрация 30 mМ, напротив, приводит к выраженному снижению полиморфности ЭКГ. После отмывки антиаритмика в конце экспериментов вид гистограммы распределения аритмий по индексу V1i приближается к ее виду в контроле, хотя и не достигает исходного вида, что можно объяснить не полной отмывкой лидокаина. Эти изменения хорошо отслеживаются по изменениям в структуре соответствующих гистограмм.

Контрольный эксперимент показал, что в отсутствии лидокаина характер аритмий остается устойчивым как минимум в течение 8 часов эксперимента (Рис. 2). Хотя гистограммы распределения аритмий, записанных на 6 и 7 часах эксперимента, были несколько более широкими по сравнению с контрольной гистограммой, модальное значение и условные вероятности появления полиморфных аритмий оставались неизменными в течение всего контрольного эксперимента.

ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе данного исследования был выявлен выраженный нелинейный характер зависимости антиаритмического эффекта лидокаина от его концентрации, а именно: в то время как терапевтические концентрации лидокаина делают желудочковый тахикардии более мономорфными, малые концентрации лидокаина увеличивают вероятность появления полиморфных аритмий. Поскольку контрольный эксперимент показал отсутствие существенной собственной динамики препарата в условиях эксперимента, то обнаруженное нами увеличение полиморфности ЭКГ при малых концентрациях лидокаина может быть объяснено именно эффектом лидокаина, а не низкой эффективностью малых концентраций лидокаина на фоне нарастающей в условиях суперфузии неоднородности миокарда. Эти результаты могут оказаться существенными, например, для объяснения повышенной чувствительности некоторых пациентов к лидокаину при использовании его в качестве местного анестетика. При использовании лидокаина в качестве местного анестетика его концентрация в крови оказывается намного более низкой, чем при внутривенном его введении в качестве антиаритмического средства. Возможно, что в ряде случаев неожиданные реакции больного на введение лидокаина могут быть вызваны вовсе не анафилаксическим шоком, как это обычно предполагается, а прямым действием малых концентраций лидокаина на миокард

Полученные нами результаты хорошо согласуются с ранее полученным результатом теоретических исследований, описанных в [5]. В той работе авторы использовали известную математическую модель миокарда (модель Биллера-Рейтера). В работе было показано, что при постепенном подавлении мембранного натриевого тока сначала развиваются состояния, характерные для полиморфных ЖТ (режим меандра), и лишь при значительном подавлении натриевого тока становятся возможными состояния миокарда, характерные для мономорфных аритмий (режим стационарного кругового вращения волны возбуждения). Аналогичные результаты были получены и в другом теоретическом исследовании [12] при использовании концептуальной модели возбудимой среды (модель ФицХью-Нагумо). Поэтому есть основания считать, что полученное нами экспериментальное подтверждение нелинейной зависимость антиаритмического эффекта блокатора натриевых каналов клеточных мембран от его концентрации будет справедлив и при исследовании других препаратов данного класса.

Отметим также то обстоятельство, что эффект малых концентраций лидокаина на тип желудочковой тахикардии удалось выявить лишь при помощи количественного анализа ЭКГ с применением АНИ-метода. Визуально изменения ЭКГ не обнаруживались. Эффективность АНИ-метода для оценки действия малых концентрация антиаритмика может оказаться полезной в лабораторных исследованиях при скрининге новых антиаритмических веществ, и в клинике, при проведении фармакологических проб при индивидуальном подборе антиаритмика.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Медвинский А.Б., Кукушкин Н.И. // Вестник аритмологии. 2004. № 35. С. 49–55.

2. Аритмии сердца. В 3 томах. Пер. с англ./Под ред. В. Дж. Мандела. М.: Медицина 1996.

3. Дощицин В.Л. // Российский кардиологический журнал. 1999. №1 С. 46–51.

4. Голицын С.П. // Сердечная недостаточность 2001. Т. 2. № 5. С. 201–208.

5. Efimov, I.R., Krinsky, V.I., Jalife, J. // Chaos, Solitons and Fractals. 1995. N 5. P. 513–526.

6. Москаленко А.В., Кукушкин Н.И., Стармер Ч.Ф., Деев А.А., Кукушкина К.Н., Медвинский А.Б. // Биофизика 2001. Т. 46 № 2. С. 319–329.

7. Moskalenko A.V., Elkin Yu.E. // Chaos, Solitons and Fractals. 2008. N 1. P. 66–72. DOI link: 10.1016/j.chaos.2006.06.009

8. Кукушкин Н.И., Сидоров В.Ю., К.Н. Горбачева, А.В. Савин. // Вестник аритмологии. 2004. № 37. С. 47–56.

9. Кукушкин Н.И., Сидоров В.Ю., Медвинский А.Б., Ромашко Д.Н., Бурашников А.Ю., Стармер Ч.Ф., Саранча Д.Ю., Баум О.В.// Биофизика. 1998. Т. 43, № 6. С. 1043-1059.

10. Саранча Д.Ю., Медвинский А.Б., Кукушкин Н.И., Сидоров В.Ю., Ромашко Д.Н., Бурашников А.Ю., Москаленко А.В., Стармер Ч.Ф. // Биофизика 1997. Т. 42 № 2. С. 502–507.

11. Москаленко А.В., Медвинский А.Б., Тихонова И.А., Сидоров В.Ю., Кукушкин Н.И., Косарский Л.С., Стармер Ч.Ф. // Автоматизированное рабочее место исследователя на примере экспериментальной установки для многоэлектродного картирования миокарда. 2000, Москва, Прогресс-Традиция, С.131–134.

12 Winfree A. //. Chaos 1991. V. 1. N 3. P. 303–334.

РИСУНКИ


Рис.1. Влияния лидокаина на распределение экспериментальных желудочковых тахикардий по степени полиморфности. По горизонтальной оси отложены значения индекса V1i, по вертикальной - выборочная вероятность. В верхнем правом углу указаны соответствующая фаза эксперимента и значение условной вероятности появления аритмий с индексом V1i, большим указанного значения.

Вернуться к тексту

Fig.1
Скачать для принтера(85Kb)

Рис.2. Распределение экспериментальных желудочковых тахикардий по степени полиморфности в зависимости от длительности эксперимента. Обозначения такие же, как на Рис. 1.

Вернуться к тексту

Fig.2
Скачать для принтера(77Kb)

Рис.3. Вероятность существования полиморфной тахикардии с разной степенью полиморфности (указаны в легенде) при разных концентрациях лидокаина в суперфузируемом физрастворе (обобщение Рис.1).

Вернуться к тексту

Fig.3