Способ оценки числа гибернирующих кардиомиоцитов в сердце человека

Изобретение относится к медицине, а именно к кардиологии. Измеряют массу тела. Вычисляют массу сердца с учетом возраста, пола и сердечно-сосудистой патологии. Измеряют частоту сердечных сокращений, ударный объем сердца, систолическое артериальное давление, давление в полости правого желудочка (ПЖ). По оригинальным математическим формулам с использованием полученных физиологических параметров вычисляют общее число кардиомиоцитов (КМЦ), потребление кислорода единичным КМЦ, число всех КМЦ, число не работающих и работающих КМЦ, Способ прост, доступен, позволяет оценить динамику изменения числа работающих и числа гибернирующих кардиомиоцитов под влиянием лечебных мероприятий. 3 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к медицине, а именно к области кардиохирургии и кардиологии.

Уровень техники

Известно, что миокарду человека свойственна выраженная функциональная гетерогенность (Balaban RS. Arai A Function, metabolic, and flow heterogeneity of the heart: the view is getting better // Circ Res. 2001 Feb 16; 88 (3): 340-6.) [1], которая характеризуется 6-10-ти кратными различиями. По мере уменьшения анализируемого образца стенки миокарда - различия возрастают. Согласно исследованиям локальный метаболизм согласован с местным микроциркуляторным потоком (Groeneveld AB, Visser FC. Correlation of heterogeneous blood flow and fatty acid uptake in the normal dog heart // Basic Res Cardiol. 1993; 88: 223-232) [2]; (Van Beek JH, van Mil HG, King RB, de Kanter FJ, Alders DJ, Bussemaker J. A ¹³C NMR double-labeling method to quantitate local myocardial О₂ consumption using frozen tissue samples. // Am J Physiol. 1999; 277: H1630-H1640) [3]; (Decking UK, Skwirba S, Zimmerman MF, Preckel B, Loncar R, Thamer V, Deussen A, Schrader J. Does local coronary flow control metabolic flux rates? A ¹³C-NMR study. // MAGMA. 1998; 6: 133-134) [4]. Большая часть потребляемого кислорода тратится в митохондриях кардиомиоцитов на производство АТФ, необходимой для трансформации химической энергии в механическое сокращение кардиомиоцитов (Rolfe D.F., Brown G.C. Cellular energy and molecular origin of standard metabolic rate in mammals // Physiol Rev. 1997. - V.77. - №3. - 731 - 758) [5].

Перфузия миокарда и его метаболическая активность являются неоднородными и пространственно скоррелированны между собой (Pries A.R., Secomb T.W. Origins of heterogeneity in tissue perfusion and metabolism // Cardiovascular Res. 2009, - v.81. - №2: 328-335) [6]. Из этого следует, что по всему пространству миокарда рядом с метаболически активными кардиомиоцитами располагаются такие, метаболическая активность которых снижена до основного уровня, когда они не сокращаются. Их называют гибернирующими кардиомиоцитами. В работе (Нестационарный кровоток у человека в искусственных условиях/ Мешалкин Е.Н., Верещагин И.П., Власов Ю.А. и др. - Новосибирск: Наука, 1984. 228 с. Глава IX, стр.202-216) [7] для большого снижения потребления кислорода организмом была дана теоретическая оценка сохранения жизнеспособности клеток организма человека в состоянии искусственной гипотермии в течение нескольких часов (см. рис.53, стр.213), если в клетках АТФ не уменьшился до критического уровня.

Экспериментальные измерения, выполненные на кардиомиоцитах животных подтвердили эти теоретические оценки (Budinger G.R.S., Duranteau J., Chandel N.S. and Schumacker P.T. Hibernation during hipoxya in cardiomyocytes. Role of mitochondria as the O₂ sensor // J Biol Chem. 1998. - V.273. - №6. - P.3320-3326) [8]. Они показали, что внутриклеточная АТФ в условиях гипоксии сохраняется (в течение 2 часов при pO₂, равном 20 мм рт.ст.), так как синтез АТФ и его использование остаются тесно связанными.

Согласно представлениям о фрактальной природе миокардиального кровотока и метаболизма - рядом с работающими кардиомиоцитами расположены кардиомиоциты, находящиеся в состоянии основного обмена, так называемые гибернирующие кардиомиоциты.

Известно, что основной обмен миокарда человека при температуре 37°С составляет 3,3 m W/г (Gibbs C.L., Loiselle D.S. Cardiac basal metabolism // Jap J Physiol. - 2001. - V.51. - №4. - P.399-426. См. второй столбец с 3-ей по 11 строку сверху 407 стр.) [9]. Эта величина, пересчитанная на 100 г массы миокарда, составляет 1,51515 мл O₂/(100 г мин) основного потребления кислорода сердцем без сокращений, что составляет 37% рабочего потребления миокарда.

Известно, что между массой сердца, массой всех кардиомиоцитов и их числом существует количественное соответствие (Adler C.P., Friedburg H. Myocardial DNA content, ploidy level and cell number in geriatric hearts: post-mortem exsaminations of human myocardium in old age// J Mol Cell Cardiol - 1986. - V.18. - №1. - P.39-53) [10], согласно которому либо по измеренной, либо по оцененной массе сердца у обследуемого человека можно получить оценку числа всех кардиомиоцитов.

При лечении больных инфарктом миокарда наряду с оценкой величины пораженного миокарда важна и оценка динамики изменения числа работающих и числа гибернирующих кардиомиоцитов под влиянием лечебных мероприятий. Такой контроль весьма проблематичен с применением современных устройств для визуализации внутренних органов человека, таких как компьютерные рентгеновские и ядерные магниторезонансные томографы, но он осуществим предлагаемым способом.

Целью изобретения является оценка количества активных гибернирующих кардиомиоцитов, готовых к участию в сократительном процессе, сокращающихся и не сокращающихся кардиомиоцитов. Последние уже могут быть вовлечены в процесс сокращения.

Раскрытие изобретения

Способ реализуется следующим образом.

1. Измеряют массу тела, М_Т - кг.

2. По измеренной массе тела вычисляют массу сердца (M_C - кг), используя формулы из работы (Власов Ю.А., Волков A.M. Зависимость массы сердца от массы тела у больных с сердечно-сосудистой патологией. // Физиология человека. 2004. - Т.30. - №4. - С.62-68) [11], которые представлены в таблице 1. (Вычисления сделаны по данным [Scholz et al., 1988; Kitzman et al., 1988] [12].

3. Измеряют по электрокардиограмме частоту сердечных сокращений (ЧСС), уд/мин.

4. Измеряют методом ЭхоКГ ударный объем сердца (УО), мл.

5. Измеряют систолическое артериальное давление (АДС) по методу Кроткова, измеряют при венозном зондировании сердца давление либо в полости правого желудочка (ПЖ), либо в стволе легочной артерии (ЛА). В том случае, если венозное зондирование полостей сердца выполнить нельзя, давление в полости правого желудочка вычисляют по уравнениям:

для состояния покоя у мужчин -

у женщин -

для состояния физической нагрузки у мужчин -

у женщин -

Эти уравнения взяты из справочника (Власов Ю.А., Окунева Г.Н. Кровообращение и газообмен человека: Справочное руководство / Власов Ю.А., Окунева Г.Н. - 2-е изд., перераб. и доп. - Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1992. - 319 с. Табл.25, стр.89) [13].

6. По вычисленной, либо измеренной массе сердца вычисляют общее число кардиомиоцитов по уравнению -

где N_КМЦ - число всех кардиомиоцитов (КМЦ) в сердце обследуемого пациента; M_C - масса сердца, кг.

Вычисляют содержание КМЦ в 100 граммах массы сердца -

где N_КМЦ - число всех КМЦ в сердце.

Вычисляют потребление кислорода единичным КМЦ в основном состоянии (состоянии основного обмена без сокращений), из которого КМЦ переходит в рабочее состояние.

где Q_КМЦ - основной обмен единичного КМЦ, мл/мин; 1,51515 - потребление кислорода всеми КМЦ в 100 г массы сердца, мл/(100 г мин); N₁₀₀ - число КМЦ в 100 г массы сердца. Вычисляют рабочий обмен единичного КМЦ -

где Q_W - рабочий обмен единичного КМЦ, мл/мин; Q_КМЦ - основной обмен единичного КМЦ, мл/мин; 0,37 доля основного обмена КМЦ в его рабочем обмене. Эмпирически найдено, что в состоянии инфаркта она снижается до 0,25. В отдаленные сроки после инфаркта увеличивается до 0,27-0,28.

7. По способу, защищенному патентом RU №2350258 от 09.08.2006 [14], вычисляют стандартную величину метаболической работы сердца, выражаемую количеством Дж на 1 кг массы сердца за один цикл для мужчин от года до 12 лет -

от 12 до 70 лет-

для женщин от года до 12 лет -

от 12 до 70 лет -

где МРС_Д - стандартная метаболическая работа сердца в Дж/(за 1 цикл кг мин); В - возраст в годах.

Полученные величины МРС_Д умножают на ЧСС, на массу сердца Мс и получают полную величину метаболической работы сердца в Дж/мин -

где МРС_Д - стандартная метаболическая работа сердца в Дж/(за 1 цикл кг мин); M_C - масса сердца, кг; ЧСС - уд/мин.

Через дыхательный коэффициент (RQ) полученную величину метаболической работы сердца переводят в мл/мин -

где 0,238845896 - коэффициент перевода Джоулей в калории, а знаменатель правой части уравнения - пересчет калорий в мл газообразного кислорода по дыхательному коэффициенту RQ.

Потребление кислорода сердцем на механическую работу оценивают по произведению -

где АД - сумма систолического давления крови в аорте и легочной артерии, мм рт.ст.; УО - ударный объем в мл; АДС - систолическое давление в аорте, мм рт.ст.; ЛАС - систолическое давление в стволе легочной артерии, мм рт.ст. Величину ЛАС вычисляют по уравнениям (1-8), если невозможно прямое измерение.

Величину ПО_2МЕХ, выраженную в мл/мин вычисляют для мужчин от года до 21 года по уравнению -

от 21 до 70 лет -

для женщин от года до 21 года -

от 21 до 70 лет-

8. Вычисляют число работающих (активированных) КМЦ -

где N_W - число работающих активированных КМЦ; ПО_2МЕТ - метаболическое потребление кислорода сердцем, мл/мин; Q_W - рабочее потребление единичного КМЦ, мл/мин.

9. Вычисляют число сокращающихся КМЦ -

где N_CONT - число сокращающихся КМЦ, генерирующих давление в полостях желудочков сердца; ПО_2МЕХ - потребление кислорода сердцем на осуществление механической работы, мл/мин; Q_W - рабочее потребление единичного КМЦ, мл/мин.

10. Вычисляют число не работающих КМЦ -

где N₀ - число не работающих, не активированных КМЦ; N_КМЦ - число всех КМЦ в сердце; N_W - число работающих, активированных клеток.

Примеры использования способа.

У 645 пациентов с диагнозом: «функциональный шум в сердце», у которых во время внутривенного зондирования сердца не был выявлен порок сердца, были выполнены все измерения и необходимые вычисления по данному способу. На их основе были осуществлены вычисления, приводимые в таблице 2.

Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что у здорового человека на протяжении первых 12-13 лет происходит уменьшение не сокращающихся кардиомиоцитов до уровня, когда их число оказывается сопоставимо с числом сокращающихся кардиомиоцитов, тогда как масса активированных КМЦ около 80% составляют функционально-структурный резерв сердца, в котором КМЦ находятся в состоянии к немедленному включению в процесс формирования сердечной систолы.

Напротив, данные наблюдения в клинических условиях за 334 больными мужчинами в возрасте от 47 до 66 лет, приведенные в таблице 3, которое охватывает интервалы от 3-х дней до 26 лет после развития инфаркта миокарда, показали, что в первую неделю после инфаркта примерно в два раза увеличивается число не работающих КМЦ, а число активированных КМЦ уменьшается до 60-75% по сравнению со здоровыми лицами.

Источники информации

1. Balaban RS. Arai A Function, metabolic, and flow heterogeneity of the heart: the view is getting better // Circ Res. 2001 Feb 16: 88(3): 340-6.

2. Groeneveld AB, Visser FC. Correlation of heterogeneous blood flow and fatty acid uptake in the normal dog heart // Basic Res Cardiol. 1993; 88: 223-232.

3. Van Beek JH, van Mil HG, King RB, de Kanter FJ, Alders DJ, Bussemaker J. A ¹³C NMR double-labeling method to quantitate local myocardial O₂ consumption using frozen tissue samples. // Am J Physiol. 1999; 277: H1630-H1640.

4. Decking UK, Skwirba S, Zimmerman MF, Preckel B, Loncar R, Thamer V, Deussen A, Schrader J. Does local coronary flow control metabolic flux rates? A ¹³C-NMR study. // MAGMA. 1998; 6: 133-134.

5. Rolfe D.F., Brown G.C. Cellular energy and molecular origin of standard metabolic rate in mammals // Physiol Rev. 1997. - V.77. - №3. - 731-758.

6. Pries A.R., Secomb T.W. Origins of heterogeneity in tissue perfusion and metabolism // Cardiovascular Res. 2009. - V.81. - №2: 328-335.

7. Нестационарный кровоток у человека в искусственных условиях / Мешалкин Е.Н., Верещагин И.П., Власов Ю.А. и др. - Новосибирск: Наука, 1984. 228 с. Глава IX, стр.202-216.

8. Budinger G.R.S., Duranteau J., Chandel N.S. and Schumacker P.T. Hibernation during hipoxya in cardiomyocytes. Role of mitochondria as the О₂ sensor // J Biol Chem. (1998) / - V.273. - №6. - P.3320-3326.

9. Gibbs C.L., Loiselle D.S. Cardiac basal metabolism // Jap J Physiol. 2001. V.51. №4. - P.399-426.

10. Adler C.P., Friedburg H. Myocardial DNA content, ploidy level and cell number in geriatric hearts: post-mortem exsaminations of human myocardium in old age // J Mol Cell Cardiol - 1986. - V.18. - №1. - P.39-53.

11. Власов Ю.А., Волков A.M. Зависимость массы сердца от массы тела у больных с сердечно-сосудистой патологией. // Физиология человека. 2004. - Т.30. - №4. - С.62-68.

12. Scholz et al., 1988; Kitzman et al., 1988.

13. Власов Ю.А., Окунева Г.Н. Кровообращение и газообмен человека: Справочное руководство / Власов Ю.А., Окунева Г.Н. - 2-е изд., перераб. и доп. - Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1992. - 319 с.

14. Способ оценки потребления кислорода сердцем человека: Пат. №2350258, Россия, МПК⁷ А61В 5/00, Власов Ю.А., Окунева Г.Н., Чернявский A.M., Фомичев А.В.: ГУ НИИ патол. кровообращ. МЗ РФ. - №2006128968/14; Заявл. 09.08.06; 27.03.2009.. Бюл. №09.

Способ оценки числа гибернирующих кардиомиоцитов в сердце человека, состоящий в том, что измеряют массу тела (М_Т - кг), по измеренной массе тела вычисляют массу сердца (M_C - кг) с учетом возраста, пола и сердечно-сосудистой патологии, измеряют по электрокардиограмме частоту сердечных сокращений (ЧСС), уд/мин, измеряют методом ЭхоКГ ударный объем сердца (УО), мл., измеряют в состоянии покоя и физической нагрузки систолическое артериальное давление (АДС) по методу Кроткова, при венозном зондировании сердца измеряют давление либо в полости правого желудочка (ПЖ), либо в стволе легочной артерии (ЛА), при невозможности произвести венозное зондирование полостей сердца давление в полости правого желудочка вычисляют по вычисленной либо измеренной массе сердца, вычисляют общее число кардиомиоцитов по уравнению
N_КМЦ=(5Е+09·(М_С ^0,8491)),
где N_КМЦ - число всех кардиомиоцитов (КМЦ) в сердце обследуемого пациента; M_C - масса сердца, кг;
вычисляют содержание КМЦ в 100 г массы сердца (N₁₀₀)
N₁₀₀=(N_КМЦ)·0,1,
вычисляют потребление кислорода единичным КМЦ в основном состоянии (состоянии основного обмена без сокращений), из которого КМЦ переходит в рабочее состояние
Q_КМЦ=(1,51515)/N₁₀₀,
где Q_КМЦ - основной обмен единичного КМЦ, мл/мин; 1,51515 - потребление кислорода всеми КМЦ в 100 г массы сердца, мл/(100 г мин);
вычисляют рабочий обмен единичного КМЦ
Q_w=(Q_КМЦ)/0,37,
где Q_w - рабочий обмен единичного КМЦ, мл/мин; 0,37 доля основного обмена КМЦ в его рабочем обмене (эмпирически найдено, что в состоянии инфаркта она снижается до 0,25, в отдаленные сроки после инфаркта увеличивается до 0,27-0,28);
вычисляют стандартную величину метаболической работы сердца, выражаемую количеством Дж на 1 кг массы сердца за один цикл для мужчин от года до 12 лет -
МРС_Д=15,957·В^0,3288;
от 12 до 70 лет -
МРС_Д=52,052·В^-0,161;
для женщин от года до 12 лет -
МРС_Д=20,695·В^0,2268;
от 12 до 70 лет -
МРС_Д=43,114·В^-0,0778,
где МРС_Д - стандартная метаболическая работа сердца, Дж/(за 1 цикл кг мин); В - возраст в годах;
полученные величины МРС_Д умножают на ЧСС, на массу сердца М_С и получают полную величину метаболической работы сердца в Дж/мин
МРС=МРС_Д·М_С·ЧСС,
где МРС_Д - стандартная метаболическая работа сердца в Дж/(за 1 цикл кг мин); М_С - масса сердца, кг; ЧСС - уд/мин; через дыхательный коэффициент (RQ) полученную величину метаболической работы сердца переводят в мл/мин -
ПО_{2 МЕТ}=((MFC)·0,238845896)/(3,82137+1,224802·RQ_COR),
где 0,238845896 - коэффициент перевода Джоулей в калории, а знаменатель правой части уравнения - пересчет калорий в мл газообразного кислорода по дыхательному коэффициенту RQ;
оценивают потребление кислорода сердцем на механическую работу по произведению
(АД·УО)=(УО·(АДС+ЛАС)),
где АД - сумма систолического давления крови в аорте и легочной артерии, мм рт.ст.; УО - ударный объем, мл; АДС - систолическое давление в аорте, мм рт.ст.; ЛАС - измеренное или вычисленное систолическое давление в стволе легочной артерии, мм рт.ст., если невозможно прямое измерение; величину ПО_2МЕХ, выраженную в мл/мин, вычисляют для мужчин от года до 21 года по уравнению
ПО_2МЕХ=0,0132·(АД·УО)^0,6416;
от 21 до 70 лет -
ПО_2МЕХ=0,8626·(АД·УО)^0,1951;
для женщин от года до 21 года -
ПО_2МЕХ=0,0061·(АД·УО)^0,7228;
от 21 до 70 лет -
ПО_2МЕХ=0,0366·(АД·УО)^0,5352;
вычисляют число работающих (активированных) КМЦ
N_w=(ПО_2МЕТ)/Q_w,
где N_w - число работающих активированных КМЦ; ПО_2МЕТ - метаболическое потребление кислорода сердцем, мл/мин; Q_w - рабочее потребление единичного КМЦ, мл/мин;
вычисляют число сокращающихся КМЦ
N_CONT=(ПО_2МЕХ)/Q_w,
где N_CONT - число сокращающихся КМЦ, генерирующих давление в полостях желудочков сердца;
вычисляют число не работающих КМЦ
N₀=(N_КМЦ)-(N_w),
где N₀ - число не работающих не активированных КМЦ; N_КМЦ - число всех КМЦ в сердце; N_w - число работающих активированных клеток.