Hjertets biofysik er en videnskabelig retning i skæringspunktet mellem kardiologi og sådanne dele af biofysik som biofysik af komplekse systemer, medicinsk biofysik, bioenergi , bioelektricitet, biofysik af metabolisme, studerer de fysiske aspekter af hjerteaktivitet på alle niveauer af dens organisation, fra molekyler og celler til det kardiovaskulære system generelt, og studerer også effekten af forskellige fysiske faktorer på det kardiovaskulære system.
Udtrykkene " kardiovaskulær fysik" og " kardiovaskulær fysik " kan også bruges som tilsvarende udtryk .
Blandt dets praktiske områder er følgende:
Som et resultat af det tætte samspil mellem fysikere og kardiologer opstod arytmologi [b 1] - en tværfaglig biomedicinsk videnskab om hjerterytme , der anvender biofysiske tilgange, når man overvejer hjertets arbejde under normale og patologiske tilstande.
Den videnskabelige undersøgelse af hjerteaktivitet spores normalt tilbage til den italienske læge, anatom og fysiolog Luigi Galvanis arbejde , som i 1791 udgav A Treatise on the Forces of Electricity in Muscular Movement. Denne opdagelse satte skub i udviklingen af elektrofysiologi . Sammen med udviklingen af mikroskopi blev forbedringen af teknikken til registrering af levende genstandes elektriske fænomener essensen af en ny videnskabsfysiologi .
Den hollandske fysiolog Willem Einthovens arbejde , som formåede at konstruere et strenggalvanometer , og hans russiske ven Alexander Samoilov lagde grundlaget for elektrokardiografi [ca. 1] , som faktisk gennem hele det 20. århundrede forblev hovedmetoden til at studere hjertets arbejde både i lægepraksis og i videnskabelig forskning.
Det fysiologiske koncept med at beskrive levende genstande dominerede fuldstændigt indtil 1980'erne.
I forbindelse med diskussionen af manglerne ved den mekanistiske tilgang til komplekse systemer (som er biologiske objekter), er det nyttigt at nævne værket [b 2] udgivet i 1987 af A.K. Grenadier . Den beskriver i detaljer, hvordan myokardiecellers forskellige ionkanaler fungerer, hvilke farmakologiske midler der kan påvirke konduktansen af visse ionkanaler, og hvilke konsekvenser dette vil føre til i forhold til at regulere myokardiets funktion. Som et resultat af dette og lignende værker blev nye grupper af antiarytmiske lægemidler introduceret i medicinsk praksis. Men da man gennemførte multicenterundersøgelser inden for rammerne af evidensbaseret medicin ti år senere, viste det sig, at dødeligheden hos personer, der fik antiarthymica, var højere end i kontrolgruppen, der ikke fik antiarytmisk behandling. [b 1] [b 3]
Til dato er farmakoterapi fortsat den vigtigste metode til behandling af patienter med farlige arytmier, men succes opnås faktisk hos ikke mere end 60 % af alle patienter, der bruger antiarytmika af alle klasser og deres kombinationer [a 1] [a 2] - med andre ord , med en sandsynlighed på cirka 50 til 50. S.P. Golitsyn karakteriserer den nuværende tilstand af farmakoterapi af livstruende hjertearytmier med følgende ord:
potentielt kan et hvilket som helst af de kendte antiarytmiske lægemidler: a) give en antiarytmisk virkning; b) ikke give det; c) viser arytmogen effekt. Og alt dette er individuelt uforudsigeligt. Derfor, for patienter med ondartede ventrikulære arytmier, kræver valget af ikke kun effektiv, men også sikker terapi farmakologiske tests.S.P. Golitsyn, 2000 [a 1]
Autowave-processer i hjertetFor første gang begyndte man at tale om autobølger efter udgivelsen i 1946 af en artikel af Norbert Wiener og Arthur Rosenbluth , som for længst er blevet en klassiker [a 3] [b 4] ; og det handlede kun om hjertet, eller rettere om myokardiet .
Efterhånden som vores viden om biologi bliver større, vil vi opdage, at skelnen mellem biologi og elektronik bliver mere og mere udvisket.F. Dyson . At bryde universets fred
Sådanne ord i 1984. valgt som epigraf til deres bog [b 5] V.I. Krinsky og A.S. Mikhailov . Epigrafen blev ikke valgt tilfældigt: allerede da blev det klart, at egenskaberne ved levende stof kendt siden slutningen af det 19. århundrede (for eksempel excitabilitet) adlyder de samme naturlove (og er beskrevet af lignende matematiske ligninger ), hvilket også gælder for enheder, der blev brugt i oprettet på det tidspunkt den elektroniske industri. For eksempel under ledelse af A.A. Andronov , et hold af sovjetiske videnskabsmænd ( M.I. Feigin og andre) studerede egenskaberne af en trigger , et nødvendigt element til elektronisk hukommelse af enhver type. Ligheden fundet mellem det levende, skabt af biologisk evolution, og det ikke-levende, skabt af menneskehænder, var virkelig slående.
Den 7. februar 1970 kom en artikel af A.M. Zhabotinsky og A.N. Zaikin , dedikeret til autowave-fænomener i en kemisk opløsning (som nu er gået over i historien som Belousov-Zhabotinsky-reaktionen ).
Lidt tidligere, i 1968, blev V.I. Krinsky antog [b 6] , at autobølgeprocesser, der ligner dem, der observeres i den livløse natur (i en kemisk opløsning) også kan være ansvarlige for hjertearytmier. Denne formodning viste sig for V.I. Krinsky som et resultat af at sammenligne den samme artikel af Norbert Wiener og Arthur Rosenbluth i 1946 og resultaterne af A.N. Zaikina , A.M. Zhabotinsky , A.M. Taranenko (som dengang var kandidatstuderende) og andre ansatte i det videnskabelige center for biologisk forskning , der blev oprettet i de dage i byen Pushchino nær Moskva. I midten af 1980'erne blev V.I. Krinsky offentliggjorde to artikler, der opsummerer resultaterne af forskningen [b 5] [b 7] ; allerede i disse år kom alle hovedideer til udtryk i dem, som så inspirerede autobølgeforskere i deres hjerter de næste 20 år, indtil slutningen af det 20. århundrede og i de første år af det 21. århundrede.
Således blev en gruppe videnskabsmænd dannet i Pushchino i disse år: I. R. Efimov , V. V. Biktashev , O. A. Mornev , A. V. Panfilov , R. R. Aliev og flere andre, som faktisk udgjorde den sovjetiske videnskabelige skole for autobølger i V.I. Krinsky , og det var disse mennesker, der i vid udstrækning bestemte forløbet af forskningen om autobølgeprocesser i hjertet i verdensvidenskaben, idet de vedligeholdt tætte kontakter med hinanden, selv efter at de emigrerede fra USSR , der brød op i dele i 1991 .
Blandt de resultater, der ikke ser inspireret af V.I. Krinsky , men synes at være uafhængige videnskabelige ideer, fortjener måske kun to opmærksomhed:
1) udviklet af et team af videnskabsmænd ledet af I.R. Efimovs teori om den virtuelle elektrode [a 4] [a 5] [a 6] og
2) udviklet af M.E. Mazurovs teori om synkronisering af oscillatorer [a 7] [a 8] , - som markant rystede det originale system af aksiomer skabt af V. I. Krinskys skole for autobølger.
Et af hovedresultaterne af M. E. Mazurov er beviset på, at i systemet med autobølgepacemakere er deres totale oscillationsfrekvens slet ikke forudbestemt af det højeste frekvenselement, som hævdet af Krinsky-skolen, men er etableret i henhold til en mere komplekst mønster, godt beskrevet matematisk.
M. A. Tsyganov er også en stærk uafhængig Pushchino-forsker af autowaves .
Blandt udenlandske forskere tilhører Denis Noble og hans team en stor rolle både i udviklingen af autobølgemodeller af forskellige typer myokardium og i udviklingen af begrebet hjertebiofysik.
Parallelt med arbejdet med "autowavers" gik studiet af hjerteaktivitet i andre retninger.
Elektrisk hjertegeneratorSamtidig med studiet af autobølge-fænomener i myokardiet forsøgte de at beskrive de elektriske processer i hjertet ud fra den klassiske elektrodynamik for at fastslå, om de samme love for det elektromagnetiske felts natur forbliver gyldige for levende organismer, som var åbenbaret for livløst stof.
Blandt de tidlige værker om dette emne nævner vi som eksempel bogen af V. E. Belousov, udgivet i 1969 [b 8] .
R.Z. Amirov udgav en bog [b 9] om måling af det elektriske felt på overfladen af det menneskelige bryst.
Der er udført et stort og interessant arbejde i laboratoriet hos O.V. Bauma [a 9] [a 10] .
Det klassiske arbejde på dette område er arbejdet af P. Kneppo og L. I. Titomir [b 10] , hvis indsats formulerede konceptet om en ækvivalent elektrisk generator af hjertet , og også udviklede teoretiske tilgange til en praktisk acceptabel løsning af det omvendte problem med elektrodynamik i elektrokardiologi .
Et team af videnskabsmænd ledet af L.I. Titomir, ved hjælp af matematiske modeller af hjertets elektriske generator, blev fundamentalt nye metoder til "DEKARTO" og "MULTEKARTO" skabt til meningsfuld og figurativ præsentation af data til vurdering af hjertets elektrofysiologiske tilstand med præcis reference til dets anatomisk struktur (denne metode blev brugt til at analysere data om hjertets elektriske aktivitet hos astronauter på rumstationen "Verden"). DECARTO-komplekset er med succes brugt i afdelingen for nye diagnostiske metoder i det russiske kardiologiske forsknings- og produktionskompleks under Sundhedsministeriet i Den Russiske Føderation, den diagnostiske afdeling ved Institut for Normal og Patologisk Fysiologi ved Det Slovakiske Videnskabsakademi og i andre medicinske institutioner.
Et stort bidrag til løsningen af det omvendte problem med elektrodynamik i elektrokardiologi og udviklingen af medicinsk billeddannelse blev også ydet af den amerikanske videnskabsmand Yoram Rudy [ca. 2] , under hvis ledelse et team af videnskabsmænd skabte en metode [a 11] svarende til det russiske DECARTO-system.
Anvendelse af den kybernetiske tilgangEksperter inden for medicinsk og biologisk kybernetik ledte også efter en optimal videnskabelig beskrivelse af hjerteaktivitet.
Blandt repræsentanterne for denne "videnskabelige genre" er måske den mest berømte PM Baevsky , som er en af grundlæggerne af rumkardiologi - en ny videnskabelig og anvendt sektion af rummedicin. Premierminister Baevsky var direkte involveret i forberedelsen og medicinsk støtte til de første rumflyvninger af dyr og mennesker. Han er aktivt engageret i implementeringen af rummedicinens resultater i sundhedsplejepraksis. Tilbage i 60'erne foreslog han en metode til at analysere hjertefrekvensvariabilitet til at studere den autonome regulering af blodcirkulationen under rumflyvning. I de efterfølgende år er denne metode blevet meget brugt i forskellige områder af klinisk praksis og anvendt fysiologi. På nuværende tidspunkt er hans metode til at analysere hjertefrekvensvariabilitet [b 11] generelt anerkendt og en af de mest populære inden for forskellige områder af klinisk medicin og anvendt fysiologi.
En ret interessant udvikling - både teoretisk og praktisk - af metoderne foreslået tidligere af PM Baevsky kan findes i afhandlingsarbejdet " Differential chronocardiography " [ca. 3] [ca. 4] , skrevet af en anden repræsentant for indenlandsk kybernetik - V.F. Fedorov.
En anden succesfuld "kybernetisk" udvikling inden for kardiologi kan kaldes Cardiovisor- projektet , udført under ledelse af G.V. Ryabykina og A.S. Sula som en praktisk anvendelse af teorien om mønstergenkendelse [b 12] .
Dynamisk kaos i hjertetEt betydeligt antal forskere, efter PM Baevsky , udviklede deres egne tilgange til analyse af kardiogrammer opnået på den ene eller anden måde (elektrokardiogrammer, pulsogrammer, rytmegrammer osv.). Gradvist, blandt alle disse tilgange, blev metoder til tidsserieanalyse baseret på teorien om dynamisk kaos dannet og besat deres helt unikke niche .
Der er allerede et stort antal værker om dette emne i verden, for eksempel arbejdet fra den sovjetiske videnskabelige skole, udført af L.V. Mezentseva [b 13] [a 12] sammen med andre ansatte ved NII NF im. P. K. Anokhin RAMS.
Mekanoelektrisk konjugation i hjertetModerne eksperimentelle data indikerer eksistensen af en feedback mellem hjertets kontraktile funktion og excitationsprocessen, den betydelige indflydelse af de mekaniske betingelser for sammentrækning af hjertemusklen på processen med dens excitation. I modsætning til den velundersøgte karakter af konjugationen af excitation med kontraktion, er de molekylær-cellulære mekanismer af mekanoelektrisk feedback og dens fysiologiske og patofysiologiske rolle stadig ikke fuldt ud forstået.
Forskere fra Ural-grenen af det russiske videnskabsakademi V.S. Markhasin og personalet i hans laboratorium ( L.B. Katsnelson , O.E. Solovieva , T.B. Sulman , P.V. Konovalov ) mener, at den mekanoelektriske forbindelse er fysiologisk signifikant for reguleringen af normal myokardiefunktion: den giver koordinerede ændringer i aktionspotentialet og kinetikken af intracellulært calcium afhængig af de mekaniske forhold og er en yderligere faktor i hjertemusklens tilpasning til ændringer i de ydre mekaniske kontraktionsforhold [a 13] .
Det viste sig at:
myokardieheterogenitet sammen med den "korrekte" sekvens af aktiveringen (fra langsommere elementer til hurtigere) er en nødvendig egenskab ved et normalt myokardiesystem, hvilket giver en koordineret lokal aktivitet af elementerne og optimerer den globale funktion af systemet som helhedV.S. Markhasin et al., 2006 [a 13]
Det viste sig således, at hjertearytmier ikke kun kan være forbundet med en krænkelse af hjertets elektriske aktivitet, men også med en krænkelse af dets kontraktile funktion, og at den vigtigste årsag til arytmier er en krænkelse af den synkrone interaktion mellem elektriske og mekaniske processer i myokardiet. Arytmi i hjertet er ikke kun en krænkelse af dets elektriske aktivitet, men det er en krænkelse af dets aktivitet som helhed . Hvis forstyrrelser i elektrisk aktivitet med succes kompenseres af de mekaniske egenskaber af myokardiets multicellulære system, fortsætter hjertet effektivt med at udføre pumpefunktionen. Omvendt, selv med en "normal" sekvens af udbredelse af elektrisk excitation i hjertet, kan der opstå alvorlige forstyrrelser i hjertets pumpefunktion.
Siden begyndelsen af det 21. århundrede er en ny videnskabelig forståelse af biologi generelt, og i særdeleshed af hvordan hjertet fungerer, så småt begyndt at tage form.
En stor rolle i dette tilhører Denis Noble , hvis værker [a 14] [a 15] [a 16] [a 17] i høj grad bidrog til dannelsen af en ny biologisk tænkning - integrativ tænkning, synergetisk tænkning.
Arbejder [b 14] [a 13] om undersøgelse af mekanoelektrisk kobling i kardiomyocytter, udført i fællesskab af russiske og britiske hold af videnskabsmænd både i fysiologiske og beregningsmæssige eksperimenter, var også en vigtig milepæl i udviklingen af hjertebiofysik. En af meddirektørerne for disse undersøgelser er en studerende af Denis Noble - Peter Kohl , som på et tidspunkt med succes modtog specialet "Medicinsk kybernetik", efter at have dimitteret fra Det Medicinske og Biologiske Fakultet i 2. Moscow Order of Lenin State Medical Institut .
En stor rolle i udviklingen af hjertets biofysik tilhører Niels Wessel . Især udtrykte han sin forståelse af behovene for moderne kardiologi med følgende ord:
Den alvorlige kompleksitet af kardiovaskulær regulering, med mangfoldigheden af dens hormonelle, genetiske og eksterne interaktioner, kræver en multivariat analyse baseret på en kombination af forskellige lineære og ikke-lineære parametre. (…) Biologiske kontrolsystemer indeholder mange feedback-loops, resultatet af interaktionen mellem hvilke er dynamisk. (...) I betragtning af disse egenskaber, som snarere bør tilskrives systemteori, bør udviklingen af ikke-lineære såvel som videnbaserede metoder føre til forbedrede diagnostiske resultater ved lagdeling af risici. (...) Et andet mål er derfor at tage et kvalitativt nyt skridt: kombinationen af dataanalyse og modellering.
Originaltekst (engelsk)[ Visskjule] Den store kompleksitet af kardiovaskulær regulering, med dens mangfoldighed af hormonelle, genetiske og eksterne interaktioner, kræver en multivariat tilgang baseret på en kombination af forskellige lineære og ikke-lineære parametre. (...) Biologiske kontrolsystemer har flere feedback-sløjfer, og dynamikken er resultatet af samspillet mellem dem. (...) I betragtning af disse ret systemteoretiske karakteristika, bør udviklingen af ikke-lineære og også videnbaserede metoder føre til en diagnostisk forbedring af risikostratificering. (...) Et yderligere mål er derfor at gå et kvalitativt nyt skridt: kombinationen af dataanalyse og modelleringWessel et al., 2007 [a 18]
Niels Wessel brugte i 2009 ordene "kardiovaskulær fysik" i det officielle navn på sit forskerhold - Group of Nonlinear Dynamics and Cardiovascular Physics ved Humboldt University of Berlin .
En anden af grundlæggerne af hjertets biofysik kan betragtes som Alexander Yurievich Loskutov [b 15] [b 1] [b 16] [a 19] [a 20] [b 17] .
Følgende hovedretninger for moderne udvikling af hjertebiofysik kan skelnes: