а) Анатомические цепи реентри. В анатомически обособленных цепях дискретное непреодолимое анатомическое препятствие формирует окружность кругового пути, что определяет фиксированную длину и локализацию цепи реентри. Поскольку длина и локализация пути реентри относительно фиксированы, характеристики цепи реентри определяются анатомическими характеристиками участков этой цепи.
Реентри тахикардия возникает, когда волновой фронт возбуждения после обхода анатомического препятствия разделяется на две ветви и проходит только по одному из путей, создавая круговое распространение возбуждения. Частота импульсов во время тахикардии определяется длиной волны и длиной цепи реентри (длина пути).
Возникновение и поддержание анатомической цепи реентри зависит от скорости проведения возбуждения и продолжительности периода рефрактерности. Пока рефрактерная область находится за волной возбуждения (так называемая длина волны возбуждения), она меньше всей длины анатомически обособленного пути реентри (зоны возбудимой ткани или так называемого возбудимого промежутка).
Она занимает пространство между хвостом предыдущей волны и головой следующей волны. Круговое повторяющееся распространение возбуждения, имеющее на своем пути возбудимый промежуток, обладает постоянной частотой вращения и может сохраняться на постоянном уровне в течение нескольких часов. В условиях, когда длина волны возбуждения превышает длину пути, волновой фронт возбуждения гаснет, сталкиваясь с еще не восстановленным, невозбудимым участком.
В промежуточной ситуации голова следующего волнового фронта встречается с относительно рефрактерным хвостом предыдущего волнового фронта (т.е. длина волны приблизительно равна длине пути). Такое состояние характеризуется нестабильными ДЦ реентри тахикардии и сложной динамикой волнового фронта. С анатомической цепью реентри часто сопряжен большой возбудимый промежуток.
Следовательно, анатомические цепи реентри упорядочены. Примерами такого типа реентри являются атриовентрикулярная реентри тахикардия, атриовентрикулярная узловая реципрокная тахикардия, типичное ТП, ЖТ с вовлечением ножек пучка Гиса и постинфарктная ЖТ.
б) Функциональные цепи реентри. В функциональных цепях путь реентри зависит от неоднородности ЭФ свойств миокарда, а не от предопределенной анатомической цепи (т.е. без участия анатомического препятствия или анатомически определенного проводящего пути). Такая неоднородность включает дисперсию возбудимости или рефрактерности и скорости проведения импульса, а также анизотропные свойства проводимости миокарда.
Функциональные цепи обычно бывают небольшими и нестабильными; волновой фронт реентри может фрагментироваться, порождая другие зоны (и другие реентри тахикардии). В таких дополнительных зонах локализация и объем ткани, вовлеченной в цепь тахикардии, могут различаться. Окружность основной цепи вокруг функционального препятствия может быть всего 6-8 мм.
Она представляет собой путь, в котором влияния циркулирующего волнового фронта достаточно для возбуждения окружающей ткани, которая находится в фазе относительной рефрактерности. Прохождение возбуждения через функциональную цепь реентри замедляется, поскольку оно распространяется через относительно рефрактерную ткань.
Следовательно, эта цепь функционального реентри имеет относительно возбудимый промежуток. Таким образом, ДЦ реентри тахикардии в значительной степени зависит от длительности периода рефрактерности вовлекаемой в возбуждение ткани.
К механизмам формирования функциональных цепей реентри относят: реентри по типу ведущего круга (leading cycle), анизотропию реентри и реентри по типу спиральной волны. Функциональные цепи могут представлять собой упорядоченный реентри (цепь реентри остается локализованной в том же месте) или случайный реентри (меняется протяженность и местоположение цепи реентри). Возникновение случайного реентри может вызвать фибрилляцию при прохождении реентри возбуждения по ведущему кругу.
1. Концепция ведущего круга. Для объяснения свойств отдельно взятой функциональной цепи реентри, Alessie и соавт. сформулировали концепцию ведущего круга (см. рис. 1). Было высказано предположение, что во время вращения волнового фронта в ткани, в которой нет анатомических препятствий, волновой фронт встречается со своим рефрактерным хвостом, проходя через относительно невозбудимую ткань.
Рисунок 1. Модели реентри. Однотонная область — это ткань, характеризующаяся абсолютной рефрактерностью, а пятнистая область — относительно рефрактерная. При анатомическом реентри цепь определяется структурами или рубцом в сердце, и участок цепи, в котором полностью восстановилась возбудимость, может быть стимулирован, пока не пришло возбуждение от следующего цикла. Однако при функциональном реентри скорость максимально высока, но позволяет восстановить возбудимость во всех участках цепи
Взаимодействие между волновым фронтом и рефрактерным хвостом определяет свойства функциональной цепи реентри. Согласно этой концепции, функциональная цепь реентри включает распространение импульса вокруг функционально определенной области невозбудимой ткани или рефрактерного ядра и между соседними волокнами с различными ЭФ свойствами. Ткань внутри этого ядра поддерживается в состоянии рефрактерности вследствие постоянной центростремительной «бомбардировки» циркулирующим волновым фронтом.
Преждевременный импульс, который инициирует реентри блокаду в волокнах с удлиненными периодами рефрактерности, но распространяется по волокнам с более короткими периодами рефрактерности, в итоге возвращается в первоначальную зону блокады после восстановления их возбудимости. Импульс продолжает циркулировать вокруг ядра, которое остается рефрактерным за счет постоянного воздействия циркулирующего волнового фронта. Функциональные характеристики центральной зоны препятствуют распространению через нее возбуждения.
Ведущий круг был определен как «наименьший из возможных путей, по которому импульс может продолжать циркулировать» и «в котором эффективность волнового фронта достаточна для возбуждения последующего участка ткани, который все еще находится в состоянии относительной рефрактерности». Таким образом, «головной конец циркулирующего волнового фронта непрерывно сталкивается со своим рефрактерным хвостом», а длина пути реентри равна длине волны импульса; в результате полностью возбудимый промежуток обычно отсутствует. Поскольку волновой фронт проходит через относительно рефрактерный участок ткани, скорость проведения возбуждения снижается.
Значение скорости и длина цепи зависят от возбудимости относительно рефрактерного участка ткани и от эффективности волнового фронта. Это определяется амплитудой и скоростью подъема потенциала действия, а также пассивными электрическими свойствами ткани (например, проводимостью щелевых контактов). Относительно рефрактерный участок ткани определяет период вращения.
Из-за отсутствия нормального возбудимого промежутка этот вид цепей реентри менее восприимчив к перезапуску, маневрам entrainment и купированию преждевременными стимулами или стимуляцией. Считается, что реентри по механизму ведущего круга является основным механизмом ФП и ФЖ и некоторых желудочковых аритмий, связанных с острой ишемией.
2. Цепи реентри по типу анизотропии проведения. Анизотропия представляет собой неоднородность скорости проведения импульса в зависимости от его направления. Изотропное проведение импульса однородно во всех направлениях; анизотропное — нет. Анизотропия является нормальным свойством миокарда и связана с различиями между продольной и поперечной скоростями проведения импульса.
Она объясняется более низким сопротивлением миокарда в продольном (параллельно длинной оси пучков миокардиальных волокон) направлении по сравнению с поперечным. Анизотропия в миокарде, который состоит из зон со структурными особенностями, выражается в неоднородности скоростей проведения импульса и свойств реполяризации. Это может привести к замедлению или блокаде проведения импульса, тем самым создавая субстрат для возникновения (анизотропной) цепи реентри.
Функциональным признаком цепи реентри по механизму ведущего круга является различие в рефрактерности в соседних участках, связанное с локальными различиями в свойствах мембран. В отличие от этого признаком функционального реентри, связанного с анизотропией, служит зависящая от направления волокна разница в эффективном осевом сопротивлении распространению импульса. Собственно однонаправленная блокада проведения и медленное проведение в цепи реентри являются результатом анизотропного, прерывающегося распространения возбуждения. Для этого не требуются изменения свойств мембраны, такие как различия в рефрактерности или снижении потенциала покоя и потенциала действия.
Анизотропные цепи бывают эллиптическими или прямоугольными из-за разницы направлений в скоростях проведения импульса. Длинная ось эллипса совпадает с быстрым продольным направлением проведения импульса, а центральная линия функциональной блокады располагается параллельно длинной оси волокон. Цепи такой формы могут иметь меньшие размеры, чем круговые цепи. Цепи реентри, связанные с анизотропией, также могут возникать в отсутствие четко определенных анатомических путей и могут быть отнесены к функциональным.
Анизотропные цепи реентри обычно остаются в фиксированном положении и упорядочены. Степень анизотропии (т.е. отношение продольной скорости проведения к поперечной) варьирует в разных участках сердца. Цепь может формироваться только в участке, где проведения импульса поперек продольной оси недостаточно для возникновения реентри. Стабильности цепей анизотропных реентри также способствует наличие возбудимого промежутка, который отсутствует при формировании функциональной цепи реентри по механизму ведущего круга. Возбудимый промежуток возникает в результате внезапного замедления скорости проведения импульса и уменьшения длины волны возбуждения.
При этом распространение импульса реентри изменяется с быстрого продольного направления на медленное поперечное направление и с медленного поперечного направления на быстрое продольное направление. Реентри тахикардии по механизму анизотропии обычно инициируются преждевременным стимулом, который блокируется по направлению распространения, параллельному длинной оси кардиомиоцитов и затем медленно начинает распространяться в поперечном направлении ориентации кардиомиоцита, что обусловлено высоким осевым сопротивлением.
Постинфарктные реентри ЖТ могут формироваться по механизму анизотропии в пограничной зоне субэпикардиального слоя миокарда. В этой зоне среди жизнеспособных нормальных кардиомиоцитов формируются островки фиброзной соединительной ткани. Они разделяют пучки мышечных волокон преимущественно в продольном направлении и уменьшают плотность взаимодействий боковых контактов, приводя к анизотропии.
3. Цепи реентри в форме восьмерки. Цепь реентри в виде восьмерки или двойной петли включает два одновременных волновых фронта возбуждения, циркулирующих в противоположных направлениях, по и против часовой стрелки, вокруг длинной линии функциональной блокады проведения возбуждения, и соединяющихся на дистальном конце линии. Затем волновой фронт прорывает блокаду, повторно возбуждая область проксимальнее участка блокады. Таким образом, одиночная линия блокады делится на две.
Циркуляция реентри продолжается в виде двух волн, которые движутся по и против часовой стрелки по двум линиям в конфигурации, подобной кренделю. Такая форма реентри встречается в миокарде предсердий и желудочков.
Реентри в виде восьмерки может возникать, когда два соседних анатомических препятствия расположены поперек направления распространения возбуждения, с небольшим промежутком (перешейком) между ними. Волновой фронт активации блокируется в промежутке антеградно и раздваивается на два отдельных волновых фронта активации, огибающих два анатомических препятствия по и против часовой стрелки. Два волновых фронта объединяются на противоположной стороне разрыва. Конвергенция усиливает взаимодействие источник-приемник, способствуя ретроградному распространению активирующего импульса через зазор, и инициирует реентри (рис. 2).
Рисунок 2. Реентри в форме восьмерки. (А) Электрокардиографические и внутрисердечные записи, полученные с помощью катетера для картирования (Мар) левого желудочка и правого желудочка (ПЖ) показаны во время желудочковой тахикардии, возникшей в результате наличия рубца. (Б) Смоделированная схема тахикардии, в которой распространение возбуждения происходит по центральному общему пути (маленькие стрелки и звездочка), ограниченному рубцами или иными препятствиями, а затем вокруг этих же препятствий. Активация возбуждения в цепи во время диастолы затемнена (А, Б)
3. Отражение. Отражение — это особый подтип реентри, при котором распространение волнового фронта возбуждения не предполагает наличия петли. Волновой фронт движется вперед и назад в линейном сегменте ткани (например, трабекуле или волокне Пуркинье), содержащем зону блокады проведения импульса (см. рис. 1). В этом случае возбуждение распространяется по направлению к рефрактерной зоне, но не через нее. Затем эдектротонический ток проходит пассивно (без генерации потенциала действия) через рефрактерную зону в направлении дистальной части пути проведения возбуждения.
Если рефрактерная зона мала, а сила электротонического тока при этом достаточно велика, сегмент ткани, расположенный дистальнее заблокированного участка, будет возбужден (с генерацией потенциала действия), но со значительной задержкой. Потенциал действия, возникающий в дистальной части пути проведения возбуждения, станет причиной обратного перемещения электротонического тока через рефрактерную зону к проксимальной части пути.
При условии, что проксимальная часть восстанавливается достаточно быстро, этот ток может вызвать генерацию следующего потенциала действия на проксимальной стороне рефрактерной зоны, который будет распространяться в направлении, противоположном направлению распространения первого потенциала действия. Таким образом, рефрактерная зона как бы отражает первоначальный потенциал действия.
В недавних исследованиях была продемонстрирована еще одна модель отражения («отражение по типу расширения»), при которой волновой фронт активации распространяется через узкую часть «перешейка», чтобы стимулировать большее количество кардиомиоцитов в расширенной дистальной части проводящего пути. Несоответствие источника и приемника приводит к тому, что направление электротонического тока меняется на противоположное и происходит задержка возникновения деполяризации в дистальной части. Это дает достаточно времени для генерации потенциала действия в проксимальной части и, следовательно, служит источником отражения.
Поскольку реентри по типу отражения может возникать на участках миокарда размером от 1 до 2 мм2, оно может иметь очаговое проявление. Его идентификация как механизма формирования нарушений ритма может быть затруднена даже при картировании с очень высоким пространственным разрешением электрической активности отдельных участков. Реентри по типу отражения могут являться причиной преждевременных сердечных сокращений и могут вызвать опасные для жизни нарушения ритма сердца, такие как ЖТ и ФЖ.
4. Фаза 2 реентри. Как обсуждалось в отдельной статье на сайте (просим Вас пользоваться формой поиска по сайту выше), в основе различий в продолжительности и конфигурации потенциала действия кардиомиоцитов стенки желудочка лежат значительные различия в уровнях экспрессии ионных каналов. Наблюдается неоднородность в распределении ионных каналов IK (Ito) выходящего тока в мембране кардиомиоцитов. Эти каналы больше представлены в субэпикардиальном, чем в субэндокардиальном слое миокарда желудочков. Такая неоднородность приводит к укорочению, заметной выемке на кривой у фазы 1 и морфологии «пик и купол» потенциала действия в субэпикардиальном слое по сравнению с субэндокардиальным.
Полагают, что появление зубца J на поверхностной ЭКГ зависит от результирующего трансмурального градиента потенциалов во время фаз 1 и 2 потенциала действия (см. рис. 3). Выраженное смещение направления токов в сторону из клетки, что является вторичным по отношению к снижению входящих токов (INa и ICaL) либо к усилению выходящих токов IK (Ito, IKr, IKs, IKACh, IKATP) или к тому и другому, может приводить к частичному или полному нивелированию куполообразной формы кривой потенциала действия кардиомиоцита в субэпикардиальном слое.
Вследствие этого будет возникать избыточное увеличение трансмурального градиента потенциалов и дисперсия реполяризации между субэпикардиальным и субэндокардиальным слоями миокарда. Фенотип определяется видом аномального ионного тока и его региональным распределением в желудочках (включая синдром Бругада, синдром ранней реполяризации, подъем сегмента ST, вызванный гипотермией, и подъем сегмента ST, вызванный ИМ).
В таком случае потенциал действия, имеющий куполообразную форму фазы 2 (плато), может распространяться из областей, где он имеется (срединный слой миокарда и субэндокардиальный слой), в области, где он присутствует (эпикардиальный слой), вызывая, таким образом, локальное повторное возбуждение (реентри фазы 2) и генерацию экстрасистолии с коротким интервалом сцепления, которая, в свою очередь, может инициировать ЖТ или ФЖ.
5. Спиральная волновая (роторная) активность. Концепция ведущего круга была основана на свойствах распространения импульса в одномерном препарате ткани сердца, в которой формируется замкнутый путь (например, кольцо). Благодаря этой концепции был осуществлен значительный прорыв в понимании механизмов реентри. Однако стало очевидно, что эта концепция описывает вращение волны в двух- и трехмерном пространстве ткани сердца не полностью.
Реентри в двухмерном пространстве ткани сердца обычно описывают как спиральные волны. Спиральные волны в трехмерном пространстве называются спиральными "scroll" волнами. Центр спиральной волны называют ядром, а распределение ядра в трехмерном пространстве называют филаментом. Филамент образуется линией траектории вращающегося кончика спирали. Термином «ротор» первоначально описывали источник вращения, а под спиральной волной понимали форму (т.е. кривизну) волны, исходящей из вращающегося источника. Во многих публикациях это различие представлено нечетко. В литературе встречаются термины роторы, вихри (vortices) и ревербераторы (reverberators).
Распространение волн в двумерном и трехмерном пространствах зависит от «кривизны» волнового фронта. В одномерных моделях эта характеристика отсутствует (рис. 4). «Кривизна» волнового фронта активации влияет на баланс источник-приемник. При «выпуклых» волновых фронтах отмечается меньший источник, но больший приемник, тогда как «плоские» волновые фронты характеризуются балансом источник-приемник. В результате распространение «плоского» волнового фронта происходит быстрее, чем выпуклого. По мере увеличения «кривизны» волнового фронта скорость проведения импульса уменьшается. При достаточно выраженной «кривизне» распространения импульса не происходит.
Рисунок 4. Роторы и спирали, основные понятия. (А) Схематическое изображение реентри вокруг кольцевого анатомического препятствия, где длина волны (черный) короче, чем длина пути, с учетом абсолютно возбудимого промежутка (белый). (Б) Реентри по ведущему кругу, при котором активация распространяется вокруг ядра, функционально находящегося в состоянии рефрактерности. (В) Цветовое фазовое картирование двумерной спиральной волны с кончиком ротора в центре (звездочка). (Г) Схема трехмерной спиральной волны (scroll wave). (Д) Снимок спиральной волны: электротонические эффекты ядра уменьшают скорость проведения импульса (стрелки), продолжительность потенциала действия (наглядные примеры показаны в позициях 1, 2 и 3) и длину волны (расстояние от волнового фронта [сплошная черная линия] до хвоста волны [пунктирная линия]). Скорость проведения импульса уменьшается, и кривизна волнового фронта становится более выраженной вблизи ротора, что представляет собой фазовую сингулярность в точке пересечения волнового фронта и хвоста волны (звездочка). (Е) Компьютерное моделирование реентри. Вверху: снимок распределения трансмембранного напряжения во время моделирования реентри в условиях хронической фибрилляции предсердий в двухмерном пространстве, включающем математические модели ионных токов кардиомиоцитов предсердий человека. Внизу: снимок переменных инактивации тока Nt (hj) во время реентри
Поскольку максимальная скорость «выпуклого» вращающегося волнового фронта никогда не превышает скорость «плоского» волнового фронта, а период вращения остается постоянным при устойчивой вращающейся волне, скорость должна уменьшаться от периферии (где максимальное значение соответствует линейной скорости распространения возбуждения) к центру вращающейся волны. Как следствие, любая свободно вращающаяся волна в системе возбуждения-диффузии должна принимать спиралевидную форму.
«Кривизна» вращающихся спиральных волн постепенно увеличивается (а скорость проведения импульса постепенно снижается) по направлению к вершине вблизи центра спирали (ядра). На вершине «выпуклая кривизна» достигает критического значения, образуя особую точку (ротор), которая организует спиральную волновую активность по типу реентри. В точке сингулярности «кривизна» настолько велика, что делает невозможным проникновение волн в ядро. Таким образом, вместо того чтобы перемещаться в направлении к центру, ротор вращается в миокарде с высокой скоростью вокруг ядра, представленного невозбужденной (но не рефрактерной) тканью, формируя вокруг него электрическую активность в виде спиральных волн.
Выраженная «кривизна» спиральной волны обычно следует за разрывом волны. В этом случае «плоская» волна встречает анатомическое или функциональное препятствие с острыми краями и распадается на две или более дочерние волны (так называемый вихревой отрыв). Обладая наибольшей «кривизной», конец разрыва волны наиболее медленно следует по сложной траектории и испускает волны в окружающую ткань. Распространение волн происходит радиально от ядра ротора. В результате этого образуется спиральная волна. Если край этой спиральной волны наткнется на невозбудимую ткань, он распадется с образованием дочерних волн. По мере увеличения скорости вращения турбулентность и фракционирование спиральных волн вокруг ротора будут увеличиваться.
Это может демонстрировать сложные схемы реентри, в которых несколько заякоренных спиральных волн разделяются, образуя дочерние волны, в то время как другие одновременно аннигилируют, что приводит к дезорганизованной электрической активности.
Медленная активация ротором не связана с проведением возбуждения по миокарду в период относительной рефрактерности. Поэтому, несмотря на функциональную природу реентри, имеется возбудимый промежуток. Возникновение этого типа функционального реентри не требует дисперсии (как при реентри по ведущему кругу), дисперсии проводимости (как при анизотропном реентри) или центрального препятствия, функционального или анатомического. Необходимая для такого типа возбуждения неоднородность может возникать в результате прохождения предыдущей волны возбуждения и способности к восстановлению возбудимости после этой волны.
Дисперсия рефрактерности или анизотропия не обязательны для возникновения реентри, вызываемого роторами в возбудимой ткани. Однако миокард, даже в физиологических условиях, никогда не характеризуется однородностью. Анизотропия и анатомические препятствия могут изменять характеристики и пространственно-временное распространение спиральной волны возбуждения в миокарде. Кардиомиоциты, находящиеся ядре, не возбуждаются. В связи с этим устанавливается градиент напряжения и возникает непрерывное электрогенное реполяризующее влияние на возбужденные кардиомиоциты вблизи ядра, что сокращает продолжительность их потенциала действия.
Ротор может возникнуть там, где повторно стимулируемое возбуждение встречает «след» от предыдущего возбуждения с подобными свойствами. Роторы могут быть стационарными (непрерывно дрейфовать или смещаться от своего источника) или заякоренными (сначала дрейфовать, а затем становиться неподвижными, закрепившись в зоне анатомического препятствия). Это зависит от электрических (например, длины волны) и структурных (например, фиброз) свойств зоны миокарда, в которой они возникают.
В механизмы развития реентри при предсердной тахикардии, ЖТ и фибрилляции вовлечены как двумерные спиральные волны, так и трехмерные спиральные "scroll" волны. Мономорфная желудочковая тахикардия возникает, когда спиральная волна заякоревается в миокарде желудочков и не может смещаться от своего источника. Считается, что полиморфная ЖТ, такая как torsades de pointes, в сочетании с LQTS инициируется дрейфующей спиральной волной. Наиболее сложным проявлением вращающихся спиральных волн в сердце является ФЖ. ФЖ развивается при распаде первичной спиральной волны ЖТ. Это приводит к возникновению множества спиральных волн, которые непрерывно гаснут и создаются вновь.
