Эстрадиол – основной и наиболее активный гормон из группы эстрогенов, вырабатывающийся в яичниках, коре надпочечников, периферических тканях. Баланс эстрадиола играет важную роль в регуляции структуры и сократимости миокарда. Повышенный уровень эстрадиола является причиной развития аритмий. Его дефицит во время менопаузы связан с более высоким риском развития сердечно-сосудистых заболеваний по сравнению с женщинами в пременопаузе. Известно, что эстрадиол оказывает существенное влияние на регуляцию сократительной функции желудочков [1], но его влияние на механическую функцию предсердий до сих пор плохо изучено.

Работа направлена на изучение влияния повышенного и пониженного уровней β-эстрадиола на сократительную способность миокарда предсердий и желудочков на клеточном и молекулярном уровнях их организации.

Эксперименты выполнены на самках крыс линии Вистар возрастом 23-24 недели в соответствии с Директивой 2010/63/EU. Для оценки дефицита эстрадиола проводили операцию по удалению яичников (группа OVX). Контрольная группа (Sham) была подвергнута ложному оперированию. Через 6 недель после операции одиночные клетки миокарда из левого желудочка (ЛЖ) и левого предсердия (ЛП) были получены методом ретроградной перфузии изолированного сердца по Лангендорфу с модификациями [2].

Для анализа влияния повышенного уровня 17β-эстрадиола на функциональные характеристики кардиомиоцитов и сократительных белков суспензии кардиомиоцитов предсердий и желудочков инкубировались с 10 нМ 17β-эстрадиола (Sigma-Aldrich, США) в растворе Тирод в течение 10 минут. Дальнейшие измерения выполняли в течение 5 минут после окончания инкубации при 36 ± 1°С и частоте электрической стимуляции 1 Гц.

Изменения концентрации цитозольного Са2+ ([Ca2+]i) и динамики укорочений саркомеров регистрировали при помощи системы лазерной сканирующей конфокальной микроскопии (LSM 710, Carl Zeiss). Для регистрации [Ca2+]i использовали Ca2+-чувствительный флуорофор Fluo 8-AM (AAT Bioquest, Inc., США).

Для анализа актин-миозинового взаимодействия миозин выделялся из суспензии кардиомиоцитов после их инкубации с 17β-эстрадиолом или из миокарда ЛЖ и ПП групп OVX и Sham. Далее регистрировали скорость скольжения тонких филаментов, реконструированных из актина, тропонина и тропомиозина, по миозину в in vitro подвижной системе. Степень фосфорилирования сократительных и регуляторных белков определяли в экстракте саркомерных белков, полученном из суспензии кардиомиоцитов, гель-электрофорезом с окрашиванием Pro-Q Diamond и SYPRO Ruby (Thermo Fisher Scientific, США) [3].

В группе Sham значения конечно-диастолической длины саркомеров (КДДС) и укорочения саркомера были выше для кардиомиоцитов ЛЖ, а амплитуда изменения [Ca2+]i – ниже по сравнению с кардиомиоцитами ЛП. Временные характеристики укорочения саркомеров и время спада [Ca2+]i были меньше для кардиомиоцитов ЛП по сравнению с ЛЖ. При OVX КДДС и амплитуда укорочения саркомеров достоверно увеличились в ЛП, но не изменились в ЛЖ по сравнению с группой Sham. У животных с OVX значительно увеличивалась амплитуда [Ca2+]i в клетках ЛЖ. Дефицит эстрадиола приводил к снижению времени достижения максимума укорочения (ВДМ) и времени достижения 50% расслабления (ВДР50) для кардиомиоцитов ЛЖ, но не для кардиомиоцитов ЛП. После OVX в миокарде отмечалось увеличение экспрессии альфа-тяжелой цепи миозина. В ЛЖ и ЛП по-разному изменилась степень фосфорилирования белков толстой и тонкой нитей. Мы полагаем, что увеличение кинетики поперечного мостика в миокарде ЛП может способствовать сохраненной сократительной функции кардиомиоцитов ЛП при OVX. При этом нарушение сократительной функции кардиомиоцитов ЛЖ после OVX можно объяснить снижением Са2+-чувствительности тонкого филамента.

При исследовании влияния высоких концентраций 17 β-эстрадиола на суспензию кардиомиоцитов отмечалось уменьшение амплитуды укорочений саркомеров и увеличение амплитуды изменения [Ca2+]i в миоцитах желудочков. Инкубация с 17β-эстрадиолом не оказала значительного влияния на КДДС или временные параметра сокращения-расслабления саркомеров кардиомиоцитов предсердий или желудочков, однако отмечалось увеличение времени достижения пика [Ca2+]i в кардиомиоцитах предсердий. Анализ фосфорилирования белков саркомера позволил предположить, что уменьшение амплитуды сокращений саркомеров кардиомиоцитов желудочков может быть связано с уменьшением степени фосфорилирования сердечного миозин-связывающего белка С.

Таким образом, как дефицит 17 β-эстрадиола, так и прямое действие высоких концентраций оказывают наибольшее воздействие на сократительную функцию кардиомиоцитов желудочков по сравнению с кардиомиоцитами предсердий.

Эксперименты выполнены на оборудовании ЦКП ИИФ УрО РАН при поддержке гранта РНФ № 22-75-10134.



1. Bell J. R., Mellor K. M., Wollermann A. C., Ip W. T., Reichelt M. E., Meachem S. J., Simpson E. R., Delbridge L. M. Aromatase deficiency confers paradoxical postischemic cardioprotection // Endocrinology. 2011. V. 152, № 12. P. 4937–47.

2. Butova, X. A., Myachina, T. A. and Khokhlova, A. D. A combined Langendorff-injection technique for simultaneous isolation of single cardiomyocytes from atria and ventricles of the rat heart // MethodsX. 2021.

3. Khokhlova A, Myachina T, Volzhaninov D, Butova X, Kochurova A, Berg V, Gette I, Moroz G, Klinova S, Minigalieva I, Solovyova O, Danilova I, Sokolova K, Kopylova G, Shchepkin D. Type 1 Diabetes Impairs Cardiomyocyte Contractility in the Left and Right Ventricular Free Walls but Preserves It in the Interventricular Septum // International Journal of Molecular Sciences. 2022. V. 23, № 3, 1719.

Estradiol is the primary form of estrogen produced by the ovaries, adrenal gland and also peripheral tissue. Estradiol balance is very important for normal heart function. Elevated estradiol levels are the cause of the development of atrial fibrillation and ventricular arrhythmias. Estradiol deficiency during menopause is associated with a higher risk of developing cardiovascular disease compared with premenopausal women. It was shown that estradiol deficiency significantly affected the ventricles contractility [1]. However, the influence of estradiol on the atrial mechanical function is still poorly understood.

Therefore, this work aimed to study the influence of high and low estradiol levels on atrial and ventricular myocardial contractility at cellular and molecular levels.

The study was conducted on female Wistar rats in accordance with the Directive 2010/63/EU.

An ovariectomized (OVX) animal model was used to evaluate the effect of estrogen deficiency on the myocardium. Rats aged 17-18 weeks were divided into 2 groups. In the OVX group, the animals were anesthetized and then both ovaries were removed. In the Sham group, surgery included of anesthesia, visualization of the ovaries and closure of the wounds and then the group served as a control group. Six weeks after surgery, single cardiomyocytes from the left ventricle (LV) and the left atrium (LA) were obtained using the Langendorff technique with modifications [2].

The effect of high estradiol level on the myocardium was evaluated in an acute experiment. Сardiomyocytes from the atria and the ventricles were incubated in solution containing 10 nM 17-β estradiol for 10 min. Cardiomyocytes from the control group were exposed to the same protocol in a Tyrode solution.

Measurements of cytosolic calcium and sarcomere shortening were performed from cardiomyocytes during unloaded shortening. For measurements of cytosolic calcium, cardiomyocytes were loaded with Fluo-8.

The measurements were carried out at the electric stimulation frequence of 1Hz and a solution temperature of 36 – 37°C.

To study actin-myosin interactions and phosphorylation of sarcomeric proteins, proteins were obtained from a suspension of atrial and ventricular cardiomyocytes incubated in a solution containing 17-β-estradiol, or from the LV and LA myocardium of OVX and Sham groups. Protein phosphorylation was analyzed using Pro-Q Diamond phosphoprotein staining (Invitrogen, Eugene, OR, USA). SYPRO Ruby (Invitrogen, Eugene, OR, USA) staining was used to estimate the amount of total proteins. The movement of actin filaments over myosin was measured in an in vitro motility assay [3].

In the Sham group, LV cells had longer end-diastolic sarcomere lengths (EDSL) and greater sarcomere shortening compared with LA. In OVX rat, EDSL and sarcomere shortening amplitudes were greater in LA, but did not change in LV compared with the control group. In control group, the [Ca2+]i transient amplitude was greater in LA myocytes than in LV. OVX increased significantly the [Ca2+]i transient amplitude in LV cells. In Sham rats, LA cardiomyocytes had shorter time to peak shortening (TTP) and time to 50% relaxation (TR50), and shorter [Ca2+]i transient decay compared with LV cardiomyocytes. In OVX group, TTP and TR50 were smaller in LV myocytes only.

Changes in the mechanical characteristics of cardiomyocytes were accompanied by changes in protein phosphorylation and sarcomeric protein functioning. In the in vitro motility assay, filaments demonstrated a higher sliding velocity on atrial myosin than on ventricular one. OVX increased the sliding velocity of filaments on both LA and LV myosin.

An acceleration of the cross-bridge cycle can contribute to the acceleration of LA cardiomyocyte contraction. The impairment of the contractile function of LV cardiomyocytes after OVX may be explained by decreased Ca2+ sensitivity of the thin filament and acceleration of the [Ca2+]i transient in LV cells.

17-β-estradiol did not affect EDSL in the atria and ventricles. In 17-β-estradiol group, the sarcomere shortening amplitudes were smaller in ventricles, but not in atria compared with the control group. The sarcomere shortening amplitudes were greater in ventricles, but remained unchanged in atria after incubation. 17-β-estradiol prolonged the time course of [Ca2+]i transient in atria, but not in ventricles.

A decrease the ventricles contractility may be explained by decrease of phosphorylation levels of cardiac myosin-binding protein-C.

Thus, female sex hormones regulate cardiac contractile function at the cellular and molecular levels, having different effects on the contractility and its Ca2+ regulation in the atrial and ventricular myocardium.

Supported by The Russian Science Foundation (# 22-75-10134). The work was performed using the equipment of the Shared Research Center of Scientific Equipment of Institute of Immunology and Physiology.



1. Bell J. R., Mellor K. M., Wollermann A. C., Ip W. T., Reichelt M. E., Meachem S. J., Simpson E. R., Delbridge L. M. Aromatase deficiency confers paradoxical postischemic cardioprotection // Endocrinology. 2011. V. 152, № 12. P. 4937–47.

2. Butova, X. A., Myachina, T. A. and Khokhlova, A. D. A combined Langendorff-injection technique for simultaneous isolation of single cardiomyocytes from atria and ventricles of the rat heart // MethodsX. 2021.

3. Khokhlova A, Myachina T, Volzhaninov D, Butova X, Kochurova A, Berg V, Gette I, Moroz G, Klinova S, Minigalieva I, Solovyova O, Danilova I, Sokolova K, Kopylova G, Shchepkin D. Type 1 Diabetes Impairs Cardiomyocyte Contractility in the Left and Right Ventricular Free Walls but Preserves It in the Interventricular Septum // International Journal of Molecular Sciences. 2022. V. 23, № 3, 1719.