Лови ритм

Представьте комнату, в которой лампочка мерцает и, кажется, вот-вот погаснет. Эта комната — наше тело, а лампочка — сердце. Порой темп «мерцания» сбивается, и тогда нам требуется помощь врача, который вернет нужный ритм. Рассказываем, как ученые разгадали тайну сердцебиения, зачем нужен кардиостимулятор и может ли сильный удар по груди остановить сердце (спойлер: еще как).

Роковая случайность

В марте 2012 года 25-летний мужчина играл в крикет, как вдруг мяч угодил ему в грудь. После удара молодой человек потерял сознание. Тренеры оказали ему первую помощь и вызвали врачей. Бригада прибыла через 9 минут и обнаружила у мужчины фибрилляцию желудочков. Медики воспользовались дефибриллятором, заставив мужчину очнуться, а затем доставили его в больницу. Спустя некоторое время он снова мог играть в крикет (уже с нагрудником, чтобы ничего подобного не повторилось).

Впрочем, некоторым везет куда меньше. В марте 2017 года в колледже боевых искусств Лидса проходило соревнование по кикбоксингу. Во время поединка оппонент ударил 14-летнего Скотта Марсдена в грудь. Рефери вовремя подхватил мальчика, который тут же потерял сознание. Скотту оказали первую помощь. Бригада врачей отвезла его в больницу, но на следующий день мальчик скончался.

Две эти истории объединяет один феномен — commotio cordis, или сотрясение сердца. В определенный момент сердечного ритма из-за удара в грудь — будь то мячик или партнер на ринге — сердце человека останавливается. Такое случается довольно редко. В середине 1990-х годов в США был создан Национальный реестр commotio cordis, и ежегодно он пополняется всего 10-20 подтвержденными случаями. Жертвами чаще всего становятся молодые мужчины, которые занимаются спортом.

Ученые не до конца понимают механизм сотрясения сердца, но кое-что уже известно наверняка. Например, что удар по грудной клетке вызывает дезорганизацию электрического сигнала, который проходит через сердце, — желудочки начинают быстро и несогласованно сокращаться. Это называется фибрилляцией желудочков. Исправить ее довольно легко с помощью дефибриллятора: он поражает сердце электрическим током и таким образом «перезапускает» его, восстанавливая кровообращение и сердечный ритм.

Мы знаем, как действовать в таких случаях, только благодаря достижениям кардиологии. Долгое время врачей занимал один и тот же вопрос: почему бьется сердце?

Тайна сердца и восемь ученых

Описание сердца стало вершиной анатомических исследований Леонардо да Винчи. Итальянский мыслитель писал, что оно движется само, а не по воле божества или святого духа, а значит, причины движения познаваемы. Да Винчи бросил вызов закостенелым представлениям общества и проложил дорогу будущим исследованиям, результатом которых спустя 300 лет стало открытие проводящей системы.

В XVIII веке английский врач Уильям Гарвей открыл систему кровообращения. Ученый обнаружил также источник сердечных сокращений — правое предсердие, — но понять механизмы сердцебиения не сумел.

В 1839 году чешский врач Ян Пуркинье обнаружил в сердце овцы сеть серых студенистых волокон. Оказалось, что это мышечная ткань, но ее назначение Пуркинье понять не смог. Сегодня эти волокна носят его имя, но о том, какова их главная функция, — способность проводить электрические импульсы — науке станет известно лишь в начале XX века.

Важный вклад в исследования физиологии сердца внес британский физиолог Уолтер Гаскелл. Он показал, что биение сердца обусловлено ритмическими сокращениями сердечной мышцы и волной возбуждения, идущей от одного мышечного волокна к другому. «[Удары сердца] начинаются с той части, которая наиболее ритмична, т. е. спонтанно бьется с наибольшей частотой, — писал Гаскелл в 1899 году, — и распространяется в виде волны сокращения по остальной части сердца со скоростью которые различаются в разных частях в зависимости от природы мышечной ткани». Исследования Гаскелля заложили фундамент современного понимания физиологии сердца. А еще он показал, что специализированные мышечные волокна соединяют предсердия с желудочками.

Именно это стало основой для исследований Вильгельма Гиса. В 1888 году он получил степень доктора медицины и стал ассистентом в клинике. Изучая эмбриологические срезы, Гис проследил развитие сердечно-сосудистой системы у разных позвоночных и показал, что сердцебиение начинается раньше, чем развиваются спинномозговые нервы. В 1893 году он обнаружил мышечный пучок, который соединяет стенки межпредсердной и межжелудочковой перегородок. Позже ученые доказали, что этот пучок, теперь носящий его имя, передает электрический импульс.

Несколько открытий в начале XX века сделал японский врач Сунао Тавара. Он обнаружил атриовентрикулярный узел рядом с пучком Гиса. Ученый пришел к выводу, что узел — начало электрической проводящей системы, которая продолжалась через пучок Гиса, далее разделялась на правую и левую ножки пучка и оканчивалась волокнами Пуркинье. А еще Тавара понял, что волокна Пуркинье — проводящая ткань, которая доставляет импульс к желудочкам.

В 1906 году, изучая сердца кротов, крыс и мышей, ученые Мартин Флэк и Артур Кит нашли в синоаурикулярном соединении структуру, напоминающую атриовентрикулярный узел. Волокна тесно связаны с блуждающими и симпатическими нервами и имеют особое артериальное кровоснабжение. «Существует замечательный остаток примитивных волокон, сохраняющихся в синусно-аурикулярном соединении во всех исследованных сердцах млекопитающих... — писали ученые, — считается, что в них обычно возникает доминирующий ритм сердца». Найденные волокна они назвали синоаурикулярным узлом.

Открытие Флэка и Кита стало кульминацией более чем 300-летней истории экспериментов и кропотливых исследований сердца. Ответ на вопрос «почему же оно бьется?» заключался в слаженной работе тканей и клеток, по которым проходит электрический ток.

Живой источник

Представьте себе дом, который целиком работает на электричестве. Благодаря ему тепло поступает по батареям, свежий воздух — по вентиляции, а в кране всегда есть вода. Но если все системы зависят от одного источника энергии, то перестанут работать, если с ним что-то случится. В нашем теле роль такого источника отводится сердцу — и генерировать энергию оно способно само через проводящую систему.

Как работает проводящая система?

Собственный электрический импульс сердца вырабатывается в синусовом узле — иногда врачи называют его анатомическим кардиосимулятором. Импульс проходит через клетки миокарда предсердий, создавая волну сокращения, которая быстро распространяется по обоим предсердиям.

Следующая остановка — атриовентрикулярный узел. Здесь импульс задерживаются примерно на десятую долю секунды. Это позволяет предсердиям сокращаться и опорожнять свое содержимое в желудочки. Клапаны между ними и предсердиями закрываются, а последние наполняются кровью.

Затем импульс передается пучку Гиса, который разветвляется надвое — по этим путям он проводится к левому и правому желудочкам. У основания сердца атриовентрикулярные пучки начинают делиться на волокна Пуркинье. Импульсы достигают этих волокон и вызывают сокращение желудочков. Правый посылает кровь в легкие через легочную артерию, а левый перекачивает кровь в аорту.

Правда, иногда проводящая система начинает сбоить. Электрические сигналы не генерируются должным образом, либо не проходят через ткани. Проблемы с проводимостью обычно называются блокадой сердца — ее впервые описал Уолтер Гаскелл. У одних нарушения проводимости наблюдается с рождения, у других — в позднем возрасте. А лечение зависит от типа нарушения.

Другая проблема возникает, когда нарушается ритм сердцебиения: оно может быть слишком быстрым, слишком медленным или нерегулярным. Этот вид патологий называют аритмиями. Не все аритмии опасны для жизни или вызывают осложнения, но некоторые могут быть признаком заболевания — в таком случае требуется вмешательство врача. Один из самых распространенных видов аритмии — мерцательная.

Дела сердечные

«Когда пульс нерегулярный и дрожащий, а удары происходят с интервалами, тогда порыв жизни угасает» — считается, что так звучит первое описание мерцательной аритмии. Оно упоминается в древней китайской книге «Классика внутренней медицины Желтого императора», написанной 4000 лет назад.

Мерцательную аритмию вызывает нерегулярный и быстрый сердечный ритм. Учащенное сердцебиение сопряжено с одышкой, усталостью, головокружением и болью в груди. Иногда симптомы и вовсе не проявляются. Однако, если не уделять должного внимания, она может привести к серьезным осложнениям — среди них инсульт и сердечная недостаточность.

В 2017 году ученые опубликовали исследование, в котором связали длинную рабочую неделю с риском развития мерцательной аритмии. Работающие более 55 часов в неделю сотрудники (5 процентов от всего числа участников исследования) имели риск развития аритмии на 40 процентов выше, чем работавшие по 35-40 часов (приблизительно 63 процента участников). Однако ученые отмечают, что для изучения механизмов, лежащих в основе связи между длинным рабочим днем ​​и развитием аритмии, необходимы дальнейшие исследования.

Умеренное употребление алкоголя тоже приводит к развитию мерцательной аритмии. В исследовании на эту тему приняли участие 108 тысяч мужчин и женщин, чей средний возраст был на уровне 47 лет. Ученые наблюдали за ними 14 лет и отметили, что люди, выпивающие всего 12 грамм этанола в день (приблизительно 350 миллилитров пива, 150 миллилитров вина), на 16 процентов чаще заболевали мерцательной аритмией, чем те, кто не пил алкоголь вовсе.
Риск развития мерцательной аритмии увеличивается с возрастом. У женщин она возникает чаще — все потому, что они живут дольше мужчин. Ученые подсчитали, что к 2050 году число людей с мерцательной аритмией удвоится, а то и утроится. К счастью, ее легко выявить с помощью ЭКГ, а ученые разрабатывают все новые способы борьбы с сердечно-сосудистыми заболеваниям.

Электрическое сердце

В 1958 году инженера Арне Ларссона госпитализировали в Каролинский институт со смертельным диагнозом — полная блокада сердца с синдромом Стокса-Адамса. Его сердце билось около 30 раз в минуту: к мозгу приходило мало крови и мужчина терял сознание. Врачи реанимировали пациента по 20 раз на дню, а иногда больше. Прогноз был неутешительным — каждый приступ мог стать последним.

Эльза Мари Ларссон не желала мириться со скорой смертью мужа. Из газеты она узнала, что пара исследователей — хирург Аке Сеннинг и инженер Руне Эльмквист — проводят эксперименты на животных с использованием инвазивного кардиостимулятора. Тогда она обратилась к ним за помощью — и хотя кардиостимулятор еще не прошел клинических испытаний, врачи не смогли ей отказать. Сеннигу и Эльмквисту пришлось в спешке дорабатывать устройство.

Операция прошла 8 октября. Сенниг разрезал грудную клетку Ларссона и имплантировал кардиостимулятор. Правда, аппарат проработал всего несколько часов. Утром его пришлось заменить на резервную копию, которую приходилось перезаряжать. Второе устройство отлично проработало неделю, а потом начались проблемы с электродами. Однако Арне Ларсон не жаловался: его выписали из больницы и он прожил еще 43 года.

Бум в развитии кардиостимуляторов произошел после Второй мировой войны. Срок их службы увеличился, а размер уменьшился — вместо больших ящиков появились компактные аппараты, которые пациенты могли носить на шее. С каждым годом они становятся безопаснее, меньше и долговечнее.

Например, ученые разрабатывают беспроводной кардиостимулятор, который способен растворяться в организме. Такое устройство должно послужить временной мерой, призванной отрегулировать сердцебиение. Изобретение хорошо показало себя в экспериментах, проведенных на сердцах мышей, крыс, кроликов, собак и человека. Но еще предстоят дальнейшие тестирования.

Появлением кардиостимуляторов технологические новации не закончились: место в кардиологии нашлось искусственному интеллекту и большим данным. Компания Arterys используют ИИ для точной медицины: алгоритмы извлекают полезную информацию из медицинских снимков, чтобы повысить клиническую ценность и выбрать лучший способ диагностики. ИИ уже помогает проводить МРТ-анализ сердца: если он обнаруживает аритмию, то отправляет пациенту предупреждение на смартфон или умные часы.

Свои достижения есть и у ученых из Сеченовского Университета. Они разработали 3D-модель сердечно-сосудистой системы. С ее помощью можно узнать о состоянии сосудов и артерий с учетом персональных особенностей пациента, чтобы затем подобрать подходящую терапию.

И это всего несколько примеров того, как ученые используют новые технологии, чтобы вовремя находить болезни и лечить пациентов. Сердечно-сосудистые заболевания сегодня — ведущая причина смерти во всем мире, поэтому важно вовремя озаботиться здоровьем, иначе время будет упущено. Ведь в конечном счете цель одна — чтобы сердце продолжало биться.