БИОФИЗИКА, 2023, том 68, № 5, с. 1008-1013

БИОФИЗИКА CЛОЖНЫX CИCТЕМ

УДК 576.5

ГЛУБОКАЯ ГИПОТЕРМИЯ ИНВЕРТИРУЕТ ИНОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ

ИЗОПРОТЕРЕНОЛА В МИОКАРДЕ КРЫСЫ

*Институт биофизики клетки РАН - обособленное подразделение ФИЦ «Пущинский научный центр биологических

исследований РАН», ул. Институтская, 3, Пущино Московской области, 142290, Россия

**Санкт-Петербургский государственный технологический институт, Санкт-Петербург,

Московский просп., 24-26/49, 190013, Россия

^#E-mail: averinas82@gmail.com

Поступила в редакцию 10.08.2023 г.

После доработки 10.08.2023 г.

Принята к публикации 28.08.2023 г.

Проведено исследование эффектов агониста β-адренорецепторов изопротеренола на

сократительную активность папиллярной мышцы правого желудочка сердца крысы как при

температуре близкой к физиологической (30°С), так и в условиях глубокой гипотермии (10°С). При

30°С изопротеренол оказывает выраженный положительный инотропный эффект, сила

сокращения увеличивается c 1.2 ± 0.1 мН в контроле до 2.4 ± 0.4 мН после добавления агониста, при

этом происходит достоверное ускорение временных параметров сокращения, так, время

достижения максимума сокращения уменьшалось с 101 ± 6 мс до 85 ± 4 мс; время расслабления до

50% - с 55 ± 3 мс до 36 ± 1 мс. В условиях гипотермии изопротеренол вызывал мощный

отрицательный инотропный эффект, снижая силу сокращения с 2.2 ± 0.4 мН до 1.2 ± 0.4 мН. Как и

при

30°С, сохранялась тенденция ускорения сокращения: время достижения максимума

сокращения уменьшалось с 717 ± 52 мс до 624 ± 50 мс, а время расслабления до 50% - с 667 ± 86 мс

до 450 ± 40 мс. Таким образом, в условиях глубокой гипотермии при 10°С направленность

инотропного ответа на изопротеренол меняется с положительного на отрицательный, в то время

как лузитропный эффект сохраняет негативный характер.

Ключевые слова: миокард, гипотермия, изопротеренол.

DOI: 10.31857/S0006302923050216, EDN: NALZOY

в различных тканях [6], при этом традиционно

В настоящее время гипотермия широко ис-

ведущая роль в регуляции сократительной актив-

пользуется в медицинских целях для минимиза-

ности сердца отводится именно β-АР [7], хотя ко-

ции ишемических повреждений [1, 2], в то же вре-

нечно нельзя игнорировать и роль α1-АР [8] и α2-

мя гипотермия может нести существенную угрозу

АР [9].

здоровью и вызывать множественные рассогла-

сования в работе различных органов и систем [3,

β1-АР являются преобладающей формой в

4]. Одним из таких последствий может быть недо-

сердце и обеспечивают большую часть инотроп-

статочное кровоснабжение органов вызванное

ного ответа миокарда в норме, в то время как при

падением сердечного выброса [5], в связи с этим

сердечной недостаточности значимость β1-ре-

изучение инотропных эффектов различных со-

цепторов заметно снижается и β2-рецепторы иг-

единений в условиях гипотермии остается крайне

рают компенсаторную роль[10]. При этом гипер-

активация β1-АР в большинстве случаев расце-

актуальной задачей. Широко известна значи-

нивается как кардиотоксическая, в то время как

мость адренергической регуляции сердечно-со-

активация β2-АР выполняет кардиопротектив-

судистой системы которая осуществляется через

ную роль [11-13]. Примечательно, что β2-АР

β, α1 и α2 типы адренорецепторов (АР), внутри

участвуют в кардиопротекторных эффектах холо-

каждого из которых существуют подтипы, разли-

довой акклиматизации [14], что делает изучение

чающиеся по своей функции и представленности

этого сигнального пути особенно интересным в

контексте гипотермии. β3-АР весьма малочис-

Сокращения: АР - адренергические рецепторы, сAMP -

циклический аденозинмонофосфат.

ленны в здоровом миокарде, но их количество

1008

ГЛУБОКАЯ ГИПОТЕРМИЯ ИНВЕРТИРУЕТ ИНОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ

1009

возрастает при застойной кардиомиопатии [15],

пульсами (напряжение 5 В; длительность 5 мс;

при этом инотропный ответ может носить разно-

сила тока, в 2 раза превышающую пороговую) ча-

направленный характер [15-17]. Этому типу ре-

стотой 0.3 Гц в течение 1 ч для стабилизации силы

цепторов также отводится кардиопротекторная

сокращения. После адаптационного периода в

роль и их активация рассматривается как возмож-

случае экспериментов при 30°С в перфузионный

ная терапевтическая стратегия при ишемии серд-

раствор добавляли изопротеренол в концентра-

ца и сердечной недостаточности [18-21].

ции 1 мкМ на протяжении 30 мин; в случае экспе-

риментов при 10°С температуру в камере в тече-

Несмотря на столь широкий выбор потенци-

ние 20 мин снижали с 30°С до 10°С, после чего па-

альных мишеней для фармакологических иссле-

пиллярные мышцы дополнительно адаптировали

дований в состоянии гипотермии, считается, что

еще 10 мин и уже после этого проводили добавку

преимущественно срабатывает каскад, связан-

изопротеренола, как описано ранее.

ный с активацией β1-АР, причем традиционно

используют малоселективные соединения, такие

Достоверность полученных результатов оце-

как изопротеренол или адреналин [22]. Следует

нивали с помощью парного теста Стьюдента (по

отметить, что большинство исследований огра-

уровню значимости p < 0.05). Данные представле-

ничивается снижением температуры до 20°С, при

ны как средние значения ± стандартная ошибка

этом имеются свидетельства как позитивного так

среднего. Статистический анализ данных прово-

и отрицательного инотропного эффектов изо-

дили с использованием пакета статистических

протеренола [23, 24]. Дополнительный интерес к

программ Microsoft Excel 2019 и GraphPad Prism 8.

действию изопротеренола в условиях глубокой

гипотермии вызван еще и тем, что в клинической

РЕЗУЛЬТАТЫ

практике изопротеренол может восстанавливать

нормальное функционирование сердца в случаях

В работе проведено исследование эффектов

нарушения электрической активности сердца,

агониста β-адренорецепторов изопротеренола в

вызванного переохлаждением организма [25, 26].

концентрации 1 мкМ на сократительную актив-

Таким образом, однозначного понимания эф-

ность папиллярной мышцы правого желудочка

фектов изоротеренола в условиях гипотермии

сердца крысы как при температуре, близкой к

нет, и целью нашего исследования было выявить

физиологической (30°С), так и в условиях гипо-

эти эффекты изопротеренола в условиях, близких

термии (10°С). Как видно из рис. 1а,б, при 30°С

физиологическим (30°С), и в условиях глубокой

изопротеренол оказывает выраженный положи-

гипотермии (10°С).

тельный инотропный эффект, сила сокращения

увеличивается на 95 ± 23%: c 1.2 ± 0.1 мН в кон-

троле до 2.4 ± 0.4 мН после добавления агониста.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Такое увеличение силы сокращений хорошо опи-

Исследования проводили на папиллярных

сано в литературе как для нормотермных живот-

мышцах правого желудочка лабораторных крыс

ных, таких как хорек [28] и мышь [29], так и для

породы Wistar с массой тела 200-250 г.

гибернаторов в сезоны летней активности [30, 31]

Животных предварительно наркотизировали

В то же время при 10°С изопротеренол вызы-

диэтиловым эфиром. Выделенное сердце поме-

вал мощный отрицательный инотропный эф-

щали в раствор Тироде (20°С) следующего соста-

фект, снижая силу сокращения на 54 ± 3%: с

ва (в мМ): NaCl - 135, KCl - 4, MgCl₂ - 1, CaCl₂ -

2.2 ± 0.4 мН до 1.2 ± 0.4 мН (рис 1в,г). Сопостави-

1.8, NaHCO₃ - 13.2, NaH₂PO₄ - 1.8, глюкоза - 11

мые данные описаны в литературе: в предсердиях

(pH 7.4). Раствор аэрировали газовой смесью: О₂

крысы снижение температуры до 28°С уменьша-

(95%)

+ СО₂ (5%). Выделение папиллярных

ло положительный инотропный эффект изопро-

теренола, и при 20°С эффект становился отрица-

мышц, стимуляцию и измерение силы сокраще-

тельным [23], также схожий эффект обнаружи-

ния в изометрическом режиме проводили по ра-

вался и при перфузии целого сердца крысы [32].

нее описанной методике [27] при температуре

перфузирующего раствора 30±0.1 и 10±0.1°С. Для

Однако в желудочковом миокарде кролика

исследования их механической активности ис-

изопротеренол вызывает мощный рост силы со-

пользовали автоматизированную установку на

кращений при 30°C [33], который сохраняется да-

основе персонального компьютера и плат АЦП-

же при 22°С [24]. В то же время в предсердиях

ЦАП (L-Сard 154 и L-Card E14-440). Механиче-

кролика охлаждение до 20°С значительно снижа-

скую активность мышц регистрировали с помо-

ет эффект изопротеренола [34]. В предсердии

щью механотрона 6Х-2М. В начале каждого опы-

морской свинки в условиях гипотермии изопро-

та препарат стимулировали прямоугольными им-

теренол также вызывал мощный рост силы сокра-

БИОФИЗИКА том 68

№ 5

2023

1010

САМОДУРОВА и др.

Рис. 1. Влияние изопротеренола (1 мкМ) на силу сокращений папиллярной мышцы сердца крысы при температуре,

близкой к физиологической (30°С, рис. (а) и (б)), и в уcловиях глубокой гипотермии (10°С, рис. (в) и (г)): (а) и (в) - при-

меры оригинальных записей при 30°С и 10°С соответственно; (б) и (г) - соответствующие статистические данные, пред-

ставленные как средние значения ± стандартная ошибка среднего (* - р < 0.05).

щений [35], в некоторых случаях чувствитель-

сти миофиламентов к Са²⁺ в условиях гипотер-

ность к изопротеренолу даже возрастала в услови-

мии (27°С) в миокарде морской свинки, что ожи-

ях гипотермии

[36-38]. Данные факты, по-

даемо должно было бы привести к росту силы

видимому, иллюстрируют межвидовые различия

сокращения. Однако полученные нами данные

в физиологии миокарда. Известно, что сокраще-

не согласуются с увеличением чувствительности

ния желудочкового миокарда кролика значитель-

миофиламентов к Са²⁺ в условиях гипотермии в

но больше зависят от входа внеклеточного Са²⁺,

миокарде морской свинки и, напротив, хорошо

чем сокращения миокарда желудочков крысы

согласуются с данными работы, где для миокарда

[39], возможно, именно в этом и кроется основ-

крысы было показано снижение чувствительно-

ная причина различия. Однако для точного уста-

сти миофиламентов в состоянии гипотермии.

новления причинно-следственных связей необ-

Примечательно что в этой же работе миокард

ходимы дальнейшие исследования.

морской свинки демонстрировал отсутствие из-

менений чувствительности миофиламентов к

Следующим фактором, способным повлиять

Са²⁺ как при 24°С так и при 30°С [40].

на направление инотропного эффекта, является

чувствительность миофиламентов к Са²⁺. В рабо-

Отрицательный инотропный эффект изопро-

те [38] было показано увеличение чувствительно- теренола может быть связан с нарушением транс-

БИОФИЗИКА том 68

№ 5

2023

ГЛУБОКАЯ ГИПОТЕРМИЯ ИНВЕРТИРУЕТ ИНОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ

1011

Рис. 2. Влияние изопротеренола (1 мкМ) на временные параметры сокращений папиллярной мышцы сердца крысы при

температуре, близкой к физиологической (30°С, рис. (а)-(в)), и в условиях глубокой гипотермии (10°С, рис. (г)-(е)):

(а) и (г) - примеры оригинальных записей сокращений при 30°С и 10°С соответственно; (б) и (д) - соответствующие

статистические данные по времени достижения максимума сокращения; (в) и (е) - соответствующие статистические

данные по времени расслабления до 50%. Данные представлены как средние значения ± стандартная ошибка среднего

(* - р < 0,05).

мембранного ионного баланса в условиях гипо-

(рис. 2г-е). Следует отметить, что в основе вызы-

термии, что может привести к частичной деполя-

ваемого β-адренергической стимуляцией лузи-

ризации мембраны [41, 42] и, как следствие, к

тропного эффекта лежит увеличение сAMP, что

падению входящего Са²⁺-тока (как было показа-

ведет к фосфорилированию множества компо-

но на кардиомиоцитах крысы [43]).

нентов электромеханического сопряжения [22].

Как видно из рис. 2а-в, при 30°С изопротере-

При этом гипотермия сама по себе значительно

нол вызывает выраженный отрицательный лузи-

увеличивает уровень сAMP [44], что может мас-

тропный эффект, так, время достижения макси-

кировать лузитропный эффект изопротеренола.

мума сокращения уменьшалось с 101 ± 6 мс до

В то же время литературные данные показывают,

85 ± 4 мс; время расслабления до 50% - с

что в состоянии гипотермии образование сAMP в

55 ± 3 мс до 36 ± 1 мс. При 10°С тенденция сни-

ответ на β-адренергическую стимуляцию может

жения времени достижения максимума сокраще-

быть даже увеличено. Тогда причина подобного

ния сохраняется: с 717 ± 52 мс до 624 ± 50 мс, а

время расслабления до 50% - с 667 ± 86 мс до

снижения отрицательного лузитропного эффекта

450 ± 40 мс, но достоверность эффекта исчезает

изопротеренола связана не с ограничением про-

БИОФИЗИКА том 68

№ 5

2023

1012

САМОДУРОВА и др.

14. V. Tibenska, A. Marvanova, B. Elsnicova, et al., J. Ap-

дукции сАMP, а с Са²⁺-перегрузкой кардиомио-

pl. Physiol. 130, 746 (2021).

цитов [45].

15. S. Moniotte, L. Kobzik, O. Feron, et al., Circulation,

103, 1649 (2001).

16. T. Angelone, E. Filice, A. M. Quintieri, et al., Acta

ВЫВОДЫ

Physiol. (Oxford), 193, 229 (2008).

В условиях глубокой гипотермии при 10°С

17. R. Treinys, D. Zablockaitė, V. Gendvilienė, et al., J.

изопротеренол вызывает отрицательный ино-

Membr. Biol., 247, 309 (2014).

тропный ответ, в тоже время сохраняет тенден-

18. J. García-Prieto, J. M. García-Ruiz, D. Sanz-Rosa,

цию к проявлению негативного лузитропного от-

et al., Basic Res. Cardiol., 109, 422 (2014).

вета. Данные факты свидетельствуют о суще-

19. G. Kayki-Mutlu, I. Karaomerlioglu, E. Arioglu-Inan,

ственном изменением реакции компонентов

et al., Eur. J. Pharmacol., 858, 172468 (2019).

электромеханического сопряжения миокарда в

20. C. Pott, K. Brixius, W. Bloch, et al., Pharmazie, 61, 255

ответ на β-адренергическую стимуляцию, что и

(2006).

привело к наблюдаемому обращению эффекта

21. R. Salie, A. Kh. H. Alsalhin, E. Marais, et al., Cardio-

vasc. Drugs Ther., 33, 163 (2019).

изопротеренола.

22. E. S. Dietrichs, G. Sager, and T. Tveita, Scand. J. Trau-

ma Resusc. Emerg. Med., 24, 143 (2016).

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

23. A. L. Melnikov, J. E. Løkebø, D. A. Lathrop, et al.,

Gen. Pharmacol., 27, 665 (1996).

Исследование выполнено при финансовой

24. L. Riishede, F. Nielsen-Kudsk, Pharmacol. Toxicol.,

поддержке Российского научного фонда в рамках

66, 354 (1990).

научного проекта № 23-25-00204.

25. P. Badertscher, M. Kuehne, B. Schaer, et al., BMC

Cardiovasc. Disord., 17, 277 (2017).

26. T. Takahiro, S. Kou, Y. Toshinobu, et al., Heart

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Rhythm, 12, 644 (2015).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

27. A. S. Averin, M. N. Nenov, V. G. Starkov, et al., Toxins

интересов.

(Basel), 14 (2022).

28. O. Okazaki, N. Suda, K. Hongo, et al., J. Physiol., 423,

221 (1990).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

29. D. B. Hoover, T. R. Ozment, R. Wondergem, et al.,

Исследования проводили в соответствии с

Shock, 43, 185 (2015).

требованиями Европейской конвенции по защи-

30. A. S. Averin, N. M. Zakharova, D. A. Ignat'ev, et al.,

Biophysics, 55 (5), 910 (2010).

те животных 1986, 86/609/EEC.

31. N. Kondo, Circ. Res., 59, 221 (1986).

32. K. J. Broadley, Br. J. Pharmacol., 45, 123 (1972).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

33. M. Mattheussen, K. Mubagwa, H. van Aken, et al., An-

est. and Analg., 82, 975 (1996).

1. J. Arrich, N. Schütz, J. Oppenauer, et al., Cochrane

34. S. A. Omar, D. Hammad, and S. Varma, Indian J.

Database Syst. Rev., 5, CD004128 (2023).

Physiol. Pharmacol., 23, 199 (1979).

2. T. P. Grazioso and N. Djouder, iScience, 26, 107010

35. T. E. Tenner and J. H. McNeill, Can. J. Physiol. Phar-

(2023).

macol., 56, 926 (1978).

3. A. F. Aslam, A. K. Aslam, B. C. Vasavada, et al., Am. J.

36. K. J. Broadley and J. H. McNeill, Can. J. Physiol.

Med., 119, 297 (2006).

Pharmacol,, 61, 572 (1983).

4. K. C. Wong, West J. Med., 138, 227 (1983).

37. R. G. Chess-Williams and K. J. Broadley, Eur. J. Phar-

5. T. Wood and M. Thoresen, Semin. Fetal Neonatal.

Med., 20, 87 (2015).

macol., 108, 25 (1985).

6. L. Matušková and M. Javorka, Physiol. Res., 70, S495

38. Y. Nakae, S. Fujita, and A. Namiki, Anest. and Analg.,

(2021).

93, 846 (2001).

7. G. Wallukat, Herz, 27, 683 (2002).

39. D. M. Bers, Circ. Res., 87, 275 (2000).

8. T. D. O'Connell, B. C. Jensen, A. J. Baker, et al., Phar-

40. S. Miyamoto, M. Hori, M. Izumi, et al., Jpn. J. Phar-

macol. Rev., 66, 308 (2014).

macol., 85, 75 (2001).

9. O. Yu. Pimenov, M. H. Galimova, E. V. Evdoki-

41. R. Carpentier and M. Vassalle, Circ. Res., 31, 507

movskii, et al., Biophysics, 64 (5), 738 (2019).

(1972).

10. M. Khamssi and O. E. Brodde, J. Cardiovasc. Pharma-

42. J. Deleze, Circ. Res., 8, 553 (1960).

col., 16 (Suppl 5), S1337 (1990).

43. Y. Kokoz, A. S. Grichenko, A. F. Korystova, et al.,

11. A. J. Baker, Pflugers Arch.: Eur. J. Physiol., 466, 1139

Biosci. Rep., 19, 17 (1999).

(2014).

44. D. Reinhardt, R. Butzheinen, O. E. Brodde, et al., Eur.

12. G. Fajardo, M. Zhao, G. Berry, et al., J. Mol. Cell.

Cardiol., 51, 781 (2011).

J. Pharmacol., 48, 107 (1978).

13. Y. Song, C. Xu, J. Liu, et al., Circ. Res., 128, 262

45. E. S. Dietrichs, T. Schanche, T. Kondratiev, et al.,

(2021).

Cryobiology, 70, 9 (2015).

БИОФИЗИКА том 68

№ 5

2023

ГЛУБОКАЯ ГИПОТЕРМИЯ ИНВЕРТИРУЕТ ИНОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ

1013

The Inversion of the Inotropic Effect of Isoproterenol in the Rat Myocardium

during Deep Hypothermia

C.V. Samodurova*^, **, F.V. Turin*, and A.S. Averin*

*Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences, Institutskaya ul. 3, Pushchino, Moscow Region, 1422290 Russia

**St. Petersburg State Institute of Technology, Moskovskii prosp. 24-26/49, St. Petersburg, 190013 Russia

The present study examined the effects of the β-adrenergic receptor agonist, isoproterenol, on contractile ac-

tivity of right ventricle papillary muscles in the rat heart at near-physiological temperature (30°C) and under

conditions of deep hypothermia (10°C). Isoproterenol exerts a pronounced positive inotropic effect at 30°C.

After agonist addition, the force of contraction increases from 1.2 ± 0.1 mN in control to 2.4 ± 0.4 mN that

leads to a reliable acceleration of time parameters of contraction. So, time-to-maximum contraction de-

creased from 101 ± 6 ms to 85 ± 4 ms; time-to-50% relaxation declined from 55 ± 3 ms to 36 ± 1 ms. Under

hypothermic conditions, isoproterenol produced a powerful negative inotropic effect, reducing the force of

contraction from 2.2 ± 0.4 mN to 1.2 ± 0.4 mN. Similarly as at 30°C, there was a tendency for increase in

contraction speed, so time-to-maximum contraction decreased from 717 ± 52 ms to 624 ± 50 ms, and time-

to-50% relaxation was shortened from 667 ± 86 ms to 450 ± 40 ms. Thus, under conditions of deep hypother-

mia at 10°C, the isoproterenol-induced inotropy changes from positive to negative, while negative lusitropic

effect remains clear.

Keywords: myocardium, hypothermia, isoproterenol

БИОФИЗИКА том 68

№ 5

2023