На текущий момент по различным международным исследованиям установлено, что наиболее распространённые заболевания, приводящие к смертности населения, это сердечно-сосудистые заболевания. Для правильной диагностики типа аритмии необходимо глубокое понимание базовых механизмов сердечной деятельности и в норме, и при ее различных нарушениях. Отклонения от нормы в проведении волн возбуждения и распространении импульса по сердечной ткани приводят к аритмии сердца. Наиболее частые нарушения связаны с возникновением спиральных волн реентри. При циркуляции возбуждения и фрагментации спиральной волны в хаотичные цепи возникает фибрилляция сердечной ткани. В возбудимой среде такие спиральные волны могут образовывать множественные вращающиеся центры. Продолжительность реентри в возбудимой ткани поддерживается при сокращении рефрактерного периода среды и длительного времени их проведения. Такие спиральные волны могут образовываться на неоднородных участках ткани, например на постинфарктных рубцах.

В работе были смоделированы кардиослои, имеющие непроводящие участки в виде острого угла, провоцирующие возникновение спиральных волн реентри. Целью данной работы являлось расширение диапазона частот стимуляции, вызывающих образование реентри в зависимости от степени анизотропии.

В данной работе был применен комплексный подход к изучению формирования сердечной ткани в зависимости от внешних условий. Для развития клеточных структур в зависимости от различного окружения использовался метод электроспиннинга (Nanon-01), микроволоконы изготавливались из раствора поликапролактона. Для повышения адгезивных свойств подложки, волокна, нанесённые на носитель (культивируемые стёкла), покрывали белком фибронектином. Для создания непроводимых участков на образцах использовался обработанный полимер полидиметилсилоксан (ПДМС) в форме прямых углов. В работе использовалась клеточная линия неонатальных кардиомиоцитов, выделенная из лабораторных крыс. Электрофизиологическая активность полученных кардиомиоцитов, в том числе визуализация проведения волн возбуждения их по ткани, проверялась методом оптического картирования с помощью кальций-зависимых красителей. С помощью иммуноцитохимического анализа для получения структурных характеристик клеточные образцы были покрашены на белок клеточного цитоскелета f-актин и на белок сократительного аппарата кардиомиоцитов α-актинин, а также были покрашены ядра клеток на ДНК (DAPI).

В первую очередь была смоделирована система, которая давала широкий коридор критических частот, на которых потенциально может возникнуть волна реентри. Такая система была создана на основе структурных неоднородностей. Обычное тонкое препятствие дает крайне узкий диапазон таких частот в контроле.

Для увеличения коридора критических случаев, при которых реентри возникает, в данной работе изменили структуру самого образца с угловым препятствием, сделав образец анизотропным за счет направленных волокон. Для таких образцов на препятствии формируется подскок волны возбуждения и образуется реентри уже для частоты 3,3 Гц. Реентри по статистике на таких образцах является крайне устойчивой, так как может зацепиться и включить в свое ядро и случайные неоднородности, которые часто встречаются на анизотропных образцах из-за разницы в скоростях проведения.

Было введено 2 типа образца с угловым препятствием: с параллельными волокнами и направленными паттернами волокнами. Для первого случая угол ставился таким образом, чтобы одна из стенок угла была перпендикулярна направлению волокон. Для второго случая паттерны составлялись таким образом, чтобы паттерны были перпендикулярно друг другу, а внутри каждого паттерна волокна были параллельны и сонаправлены, по аналогии с буквой «Г». Угол для случая с разным направлением параллельных волокон ставился на границе паттернов. Для случая с анизотропией, созданной одними параллельными волокнами, коридор частот возникновения реентри увеличился: самая большая вероятность возникновения была при стимуляции 5 Гц. С вероятностью 5,6% реентри возникало и при частоте 3,3 Гц.

В случае образцов с разным направлением параллельных волокон, коридор частот возникновения реентри в сравнении с просто параллельными волокнами становился больше, но получение реентри стало стабильнее: с вероятностью 7 % для частоты 3,3 Гц. Также стоит подчеркнуть, что для части образцов (с вероятностью 11%) усвоение ритма стимуляции становилось невозможно уже для 2,5 Гц. Потенциально такие данные могут демонстрировать увеличение коридора критических случаев, особенно для пациентов с мутациями. Для каждой частоты и для образцов с различной анизотропией было проверено более 3 случаев.

Также были проведены эксперименты по возникновениюю реентри на углу на анизотропных образцах при подаче внешнего электрического стимула с разных сторон угла: вдоль волокон и перпендикулярно им. При стимуляции образца в направлении вдоль волокон отношение скоростей фронтов волны возбуждения составляло Vвд/Vпоп=1,8, а при подаче стимула в направлении поперёк волокон наблюдался подскок и разворот волны на большем диапозоне частот, отношение же скоростей состявляло Vвд/Vпоп=0,65. В первом случае, то есть при подаче импульса вдоль направления волокон, реентри закручивалось на частотах 160-180 мс, в противном случае, то есть при подаче стимула перпендикулярно волокнам, коридор частот реентри составляет от 180 до 250 мс.

Таким образом, в данной работе была подобрана максимально приближенная по физиологическим характеристикам среда для развития и образования возбудимой ткани из кардиомиоцитов для возникновения патологий и критических случаев проведения волн возбуждения. К данным различиям можно отнести увеличение коридора частот проявления критических случаев в случае появления анизотропии, а также анизотропных паттернов, аналогично волокнистей структуре мышцы сердца.

At the moment, according to various international studies, it has been established that the most common diseases leading to mortality in the population are cardiovascular diseases. For the correct diagnosis of the type of arrhythmia, a deep understanding of the basic mechanisms of cardiac activity is necessary both in normal conditions and in its various disorders. The most frequent disturbances are associated with the occurrence of spiral reentry waves. With the circulation of excitation and fragmentation of the spiral wave into chaotic chains, fibrillation of the heart tissue occurs. In an excitable medium, such spiral waves can form multiple rotating centers. The duration of reentry in the excitable tissue is maintained by reducing the refractory period of the medium and a long time of their holding. Such spiral waves can form on heterogeneous areas of the tissue, for example, on post-infarction scars.

In the work, cardiolayers were modeled, which have non-conductive sections in the form of an acute angle, provoking the appearance of spiral reentry waves. The aim of this work was to expand the range of stimulation frequencies that cause reentry formation depending on the degree of anisotropy.

In this work, an integrated approach was applied to the study of the formation of cardiac tissue depending on external conditions. Electrospinning (Nanon-01) was used to develop cell structures, depending on the different environment, microfibers were made from a solution of polycaprolactone. To improve the adhesive properties of the substrate, the fibers deposited on the carrier (cultivated glasses) were coated with the fibronectin protein. The treated polymer polydimethylsiloxane (PDMS) was used to create non-conductive areas on the samples in the form of right angles. We used a cell line of neonatal cardiomyocytes isolated from laboratory rats. The electrophysiological activity of the obtained cardiomyocytes, including the visualization of the conduction of their excitation waves through the tissue, was checked by optical mapping using calcium-dependent dyes. Using immunocytochemical analysis to obtain structural characteristics, cell samples were stained for the protein of the cell cytoskeleton f-actin and for the protein of the contractile apparatus of cardiomyocytes α-actinin, and cell nuclei were stained for DNA (DAPI).

First of all, a system was modeled that gave a wide corridor of critical frequencies, at which a reentry wave could potentially occur. Such a system was created on the basis of structural inhomogeneities. The usual thin obstacle gives an extremely narrow range of such frequencies in the control.

To increase the corridor of critical cases in which reentry occurs, in this work, we changed the structure of the sample itself with an angular obstacle, making the sample anisotropic due to directed fibers. For such samples, a jump of the excitation wave is formed on the obstacle and a reentry is formed already for a frequency of 3.3Hz. Statistically, the reentry on such samples is extremely stable, since it can catch on and include random inhomogeneities in its core, which are often found on anisotropic samples due to the difference in conduction rates.

2 types of angular obstruction sample were introduced: with parallel fibers and directional fiber patterns. For the first case, the angle was set in such a way that one of the walls of the angle was perpendicular to the direction of the fibers. For the second case, the patterns were made in such a way that the patterns were perpendicular to each other, and within each pattern the fibers were parallel and co-directed, by analogy with the letter "G". The angle for the case with different directions of parallel fibers was set at the border of the patterns. For the case with anisotropy created by parallel fibers alone, the reentry frequency corridor increased: the highest probability of occurrence was at 5 Hz stimulation. With a probability of 5.6%, reentry also occurred at a frequency of 3.3Hz.

In the case of samples with different directions of parallel fibers, the frequency corridor of reentry occurrence in comparison with simply parallel fibers became larger, but the reception of reentry became more stable: with a probability of 7% for a frequency of 3.3Hz. It is also worth emphasizing that for some of the samples (with a probability of 11%), the assimilation of the stimulation rhythm became impossible even for 2.5Hz. Potentially, such data may demonstrate an increase in the corridor of critical cases, especially for patients with mutations. More than 3 cases were tested for each frequency and for samples with different anisotropy.

Also, experiments were carried out on the appearance of reentry at the corner on anisotropic samples when an external electrical stimulus was applied from different sides of the corner: along the fibers and perpendicular to them. When the sample was stimulated in the direction along the fibers, the ratio of the velocities of the excitation wave fronts was 1.8, and when the stimulus was applied in the direction across the fibers, a jump and turn of the wave was observed over a larger frequency range, while the ratio of the velocities was Val/Vac=0.65. In the first case, that is, when the impulse was applied along the direction of the fibers, the reentry twisted at frequencies of 160–180ms, otherwise, that is, when the stimulus was applied perpendicular to the fibers, the reentry frequency corridor was from 180 to 250ms.

Thus, in this work, an environment as close as possible in terms of physiological characteristics was selected for the development and formation of excitable tissue from cardiomyocytes for the occurrence of pathologies and critical cases of excitation waves. These differences include an increase in the frequency corridor for the manifestation of critical cases in the case of the appearance of anisotropy, as well as anisotropic patterns, similar to the fibrous structure of the heart muscle.