Биофизика сердца

Биофи́зика сердца — научное направление на стыке кардиологии и таких разделов биофизики, как биофизика сложных систем, медицинская биофизика, биоэнергетика, биоэлектричество, биофизика метаболизма, изучает физические аспекты сердечной деятельности на всех уровнях её организации, начиная от молекул и клеток и заканчивая сердечно-сосудистой системой в целом, а также изучает влияние на сердечно-сосудистую систему различных физических факторов.

Как равнозначные могут употребляться также термины сердечно-сосудистая физика, кардио-васкулярная физика.

Разделы биофизики сердца 

 кардиодинамика, т.е. изучение сердечной динамики, физических основ работы сердца вообще, и в частности его механического движения и сил, возникающих при работе сердца, в том числе и под влиянием действующих на него факторов;
 математическое моделирование сердечной деятельности, в том числе моделирование механизмов регуляции, систем управления и связей с другими системами организма;
 кардиальное материаловедение.

Среди её практических направлений можно назвать следующие:
 визуализация сердечной деятельности,
 кардиологическая инженерия.

В результате тесного взаимодействия физиков и кардиологов возникла аритмология — междисциплинарная биомедицинская наука о ритме сердца, использующая биофизические подходы при рассмотрении работы сердца в норме и в патологии.

История исследований

Ранние работы 
Научное изучение сердечной деятельности обычно возводят к работам итальянского врача, анатома и физиолога  Луиджи Гальвани, в 1791 году опубликовавшему «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Это открытие дало толчок развитию электрофизиологии. Наряду с развитием микроскопии, усовершенствование техники регистрации электрических феноменов живых объектов стало сущностью новой науки — физиологии.

Работы нидерландского физиолога Виллема Эйнтховена, которому удалось сконструировать струнный гальванометр, и его русского друга Александра Самойлова положили начало электрокардиографии, фактически в течение всего 20-го века остававшейся основным методом исследования работы сердца и в медицинской практике, и в научных исследованиях.

Механистический подход 
Физиологическая концепция описания живых объектов всецело господствовала вплоть до 1980-х годов.

В связи с обсуждением недостатков механистического подхода к сложным системам (какими и являются биологические объекты) полезно упомянуть работу, в 1987 году опубликованную  . В ней подробно описывается, как действуют различные ионные каналы миокардиальных клеток, какими фармакологическими средствами можно повлиять на проводимость тех или иных ионных каналов, и к каким последствиям это приведёт в смысле регулирования работы миокарда. В результате этой и подобных работ были введены в медицинскую практику новые группы антиаритмических препаратов. Однако при проведении через десяток лет многоцентровых исследований в рамках доказательной медицины выяснилось, что смертность у лиц, получающих любые антиартимики оказалась выше, чем к контрольной группе, антиаритмического лечения не получающей.

На сегодняшний день основным методом лечения пациентов с опасными аритмиями остаётся фармакотерапия, однако успех реально достигается не более чем у 60% всех больных при использовании медикаментозных антиаритмических средств всех классов и их комбинаций — иными словами, с вероятностью примерно 50 на 50. С.П. Голицын характеризует современное состояние фармакотерапии жизнугрожающих аритмий сердца следующими словами:

Автоволновые процессы в сердце 

Впервые об автоволнах заговорили после публикации в 1946 году статьи Норберта Винера и Артура Розенблюта, давно уже ставшей классической; и речь в ней шла как раз о сердце, а точнее о миокарде.

Такие слова в 1984г. выбрали в качестве эпиграфа для своей книги  и . Эпиграф был выбран не случайно: ведь уже тогда стало понятно, что известные ещё с конца 19-го века свойства живой материи (например, возбудимость) подчиняются тем же законам природы (и описываются сходными математическими уравнениями), какие верны и для устройств, используемых в создаваемой в те времена электронной промышленности. Например, под руководством  коллектив советских  учёных ( и др.) занимался исследованием свойств триггера — необходимого элемента для электронной памяти любого типа. Обнаруженное сходство между живым, созданным биологической эволюцией, и неживым, создаваемым руками человека, действительно оказалось поразительным.

7 февраля 1970 года в журнале Nature  была опубликована статья  и , посвящённая автоволновым явлениям в химическом растворе (что теперь вошло в историю как реакция Белоусова-Жаботинского).

Чуть ранее, в 1968 году,  высказал гипотезу о том, что за аритмии сердца также могут быть ответственными автоволновые процессы, подобные наблюдаемым в неживой природе (в химическом растворе). Эта догадка явилась  как результат сопоставления той самой статьи Норберта Винера и Артура Розенблюта 1946 года и наблюдаемых им непосредственно с конца 1960-х результатов экспериментов , , А.М. Тараненко (бывшего тогда ещё аспирантом) и других сотрудников создаваемого в те времена в подмосковном городе Пущино научного центра биологических исследований. В середине 1980-х  опубликовал две работы, обобщающие результаты проведённых исследований; в них уже в те годы были высказаны все основные идеи, которые затем вдохновляли исследователей автоволн в сердце все последующие 20 лет, вплоть до конца 20-го века, и в первые годы века 21-го.

Таким образом в Пущино в те годы сформировалась группа  учёных: , , , ,  и несколько других, — кто, по сути, составил советскую научную школу автоволновиков, научную школу , и именно эти люди во многом определили ход исследований автоволновых процессов в сердце в мировой науке, сохраняя между собой тесные контакты даже после эмиграции из распавшегося в 1991 году на части СССР.

Среди результатов, которые выглядят не инспирированными , а представляются самостоятельными научными идеями, заслуживают внимания, пожалуй, лишь два: 1)  развиваемая коллективом  учёных под руководством  теория виртуального электрода и 2)  разработанная  теория синхронизации осцилляторов, — которая существенно поколебала изначальную систему аксиом, созданную школой  для автоволн.

Одним из основных результатов  является доказательство того факта, что в системе автоволновых пейсмекеров их общая частота осцилляций предопределена вовсе не самым высокочастотным элементом, как это утверждается школой Кринского, а устанавливается по более сложной закономерности, хорошо описываемой математически.

Сильным самостоятельным пущинским исследователем автоволн также является .

Из иностранных исследователей огромная роль принадлежит Денису Ноблу и сотрудникам его команды как в развитии автоволновых моделей различных типов миокарда, так и развитии концепции биофизики сердца.

Параллельно работам «автоволновиков» исследования сердечной деятельности шли и в других направлениях.

Электрический генератор сердца 

Одновременно с исследованиями автоволновых явлений в миокарде, электрические процессы в сердце пытались описать с позиций классической электродинамики с целью установить, остаются ли для живых организмов справедливыми те же законы природы электромагнитного поля, какие были выявлены для неживой материи.

Среди ранних работ на эту тему приведём в качестве примера книгу В. Е. Белоусова, изданную в 1969 году.

Р.З. Амиров опубликовал книгу, посвященную измерению электрического поля на поверхности грудной клетки человека.

Большая и интересная работа проделана в лаборатории О.В. Баума.

Классическим трудом в этой области является работа П. Кнеппо и Л. И. Титомира, чьими усилиями была сформулирована концепция эквивалентного электрического генератора сердца, а также развиты теоретические подходы к приемлемому с практической точки зрения решению обратной задачи электродинамики в электрокардиологии.

Коллективом учёных под руководством Л.И. Титомира при помощи математических моделей электрического генератора сердца созданы принципиально новые методики «ДЭКАРТО» и «МУЛЬТЭКАРТО» содержательно-образного представления данных для оценки электрофизиологического состояния сердца с точной привязкой к его анатомической структуре (этим методом анализировались данные электрической активности сердца у космонавтов на космической станции «Мир»). Комплекс «ДЭКАРТО» успешно используется в Отделе новых методов диагностики Российского кардиологического научно-производственного комплекса МЗ РФ, Отделе диагностики Института нормальной и патологической физиологии Словацкой академии наук и в других медицинских учреждениях.

Большой вклад в решение обратной задачи электродинамики в электрокардиологии и в развитие медицинской визуализации также внёс и американский учёный Йорам Руди, под руководством которого коллектив учёных создал методику, аналогичную российской системе «ДЭКАРТО».

Применение кибернетического подхода 

Специалисты в области медицинской и биологической кибернетики также занимались поисками оптимального научного описания сердечной деятельности.

Среди представителей этого «научного жанра», пожалуй, наиболее известен , который является одним из основоположников космической кардиологии — нового научно-прикладного раздела космической медицины.  принимал непосредственное участие в подготовке и медицинском обеспечении первых космических полётов животных и человека. Он активно занимается внедрением в практику здравоохранения достижений космической медицины. Ещё в 60-е годы им был предложен метод анализа вариабельности сердечного ритма для изучения вегетативной регуляции кровообращения в условиях космического полета. В последующие годы этот метод стал широко применяться в различных областях клинической практики и прикладной физиологии. В настоящее время его метод анализа вариабельности сердечного ритма является общепризнанным и одним из наиболее популярных в различных областях клинической медицины и прикладной физиологии.

Довольно интересное развитие — и теоретическое, и практическое, — методов, предложенных ранее , можно найти в диссертационной работе «Дифференциальная хронокардиография», написанной ещё одним представителем отечественной кибернетики — В.Ф. Фёдоровым.

Ещё одной успешной «кибернетической» разработкой в кардиологии можно назвать проект Кардиовизор, выполненный под руководством  и  как практическое применение теории распознавания образов.

Динамический хаос в сердце 

Значительное количество исследователей вслед за  разрабатывали свои собственные подходы к анализу кардиограмм, получаемых тем или иным способом (электрокардиограмм, пульсограмм, ритмограмм и т.д.). Постепенно среди всех этих подходов сформировались и заняли свою совершенно уникальную нишу методы анализа временных рядов, основанные на теории динамического хаоса.

В мире уже существует огромное количество работ на эту тему, например, работы советской научной школы, выполненные Л.В. Мезенцевой вместе с другими сотрудниками в НИИ НФ им. П. К. Анохина РАМН.

Механоэлектрическое сопряжение в сердце 

Современные экспериментальные данные свидетельствуют о существовании обратной связи между сократительной функцией сердца и процессом его возбуждения, о существенном влиянии механических условий сокращения сердечной мышцы на процесс её возбуждения. В отличие от достаточно хорошо изученной природы сопряжения возбуждения с сокращением молекулярно-клеточные механизмы механоэлектрической обратной связи и её физиологическая и патофизиологическая роль до сих пор окончательно не поняты.

Исследователи Уральского отделения РАН В.С. Мархасин и сотрудники его лаборатории (, , , ) считают, что механоэлектрическая связь является физиологически значимой для регуляции функции нормального миокарда: она обеспечивает согласованные изменения потенциала действия и кинетики внутриклеточного кальция в зависимости от механических условий и является дополнительным фактором адаптации сердечной мышцы к изменению внешних механических условий сокращения.

Оказалось, что: 

Таким образом, было установлено, что аритмии сердца могут быть связаны не только с нарушением электрической активности сердца, но также и с нарушением его сократительной функции, и что важнейшей причиной аритмий является нарушение синхронного взаимодействия между процессами электрическими и механическими в миокарде. Аритмия сердца – это вовсе не только нарушение его электрической активности, но именно нарушение его деятельности в целом. Если нарушения электрической активности оказываются удачно скомпенсированными механическими свойствами многоклеточной системы миокарда, то сердце продолжает эффективно осуществлять насосную функцию. И наоборот, даже при «нормальной» последовательности распространения в сердце электрического возбуждения могут возникать серьёзные нарушения насосной функции сердца.

Развитие синергетического подхода в кардиологии 

С начала 21-го века постепенно стало складываться новое научное понимание и биологии вообще, и в частности того, как работает сердце.

Большая роль в этом принадлежит Денису Ноблу, чьи работы весьма посодействовали формированию нового биологического мышления — мышления интегративного, мышления синергетического.

Работы по изучению механоэлектрического сопряжения в кардиомиоцитах, проводимые совместно российскими и английскими коллективами учёных как в физиологических, так и в вычислительных экспериментах, явились также важной вехой в развитии биофизики сердца. Одним из соруководителей этих исследований является ученик Дениса Нобла — Петер Коль, который в своё время успешно получил специальность «Медицинская кибернетика», закончив Медико-биологический факультет 2-го московского ордена Ленина государственного медицинского института.

Большая роль в развитии биофизики сердца принадлежит Нильсу Весселу. Своё понимание потребностей современной кардиологии он, в частности, выразил следующими словами:

Нильс Вессел в 2009 году использовал слова «сердечно-сосудистая физика» в официальном названии своего научного коллектива — Группа нелинейной динамики и сердечно-сосудистой физики Берлинского университета имени Гумбольдта.

Ещё одним из основоположников биофизики сердца можно считать Александра Юрьевича Лоскутова.

Современное состояние 

Можно выделить следующие основные направления современного развития биофизики сердца:

 Работы по созданию дефибрилляторов нового типа: маломощных, щадящих;
 Совершенствование способов визуализации процессов возбуждения миокарда с целью улучшения качества медицинской диагностики;
 Моделирование сердечной деятельности с целью наилучшего подбора индивидуального лечения для каждого больного (см. проект Физиом);
 Исследование влияния эффектов бифуркационной памяти на эффективность лечения заболеваний сердца;
 Разработка новых принципов диагностики заболеваний сердца, построенных на основе современных знаний законов физики.

См. также 
 Биоинженерия
 Биомедицина
 Наномедицина
 Физиом

Примечания

Литература 
 Книги

 Статьи

Ссылки 
 Лаборатория обработки биоэлектрической информации Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича
 Группа экспериментальной и клинической кардиологии лаборатории физиологии эмоций НИИ НФ им.П.К.Анохина РАМН
 Оксфордская группа электрофизиологии сердца, возглавляемая много уже лет Денисом Ноблом
 Группа биофизики сердца и системной биологии Национального института сердца и лёгких Имперского колледжа Лондона
 Группа нелинейной динамики и сердечно-сосудистой физики 1-го Факультете математики и естественных наук Института физики Берлинского университета имени Гумбольдта

Разделы биологии
 
Кардиология
Медицинская физика