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: