Basic mechanisms of heart defibrillation. An investigation by optical high-resolution potential mapping and methematicalmodelling

Ein erfolgreicher Defibrilliervorgang, der das gefährliche Kammerflimmern im Herzen beendet, erfordert eine elektrische Beeinflussung auch von jenen Herzmuskelzellen, die weit von Elektroden entfernt sind. Da aber im homogenen Gewebe mit zunehmender Entfernung die vom Defibrillierschock erzeugte Spannung an der Zellmembran drastisch abnimmt, muß es zusätzliche Effekte geben, die das Auftreten von solchen Spannungen auch weit entfernt von den Elektroden ermöglichen. Unsere Experimente ergaben, daß mikroskopische Inhomogenitäten (0,1 - 0,7 mm) im Gewebe ausreichen, die für einen erfolgreichen Defibrilliervorgang notwendigen Membranspannungen zu verursachen. Um den Vorgang des Defibrillierens besser zu verstehen, haben wir Laborexperimente an isolierten Herzmuskelzellen und Herzteilpräparaten von Meerschweinchen durchgeführt. Mittels der optischen Spannungsmessung, die erlaubt, Änderungen der Membranspannung von lebenden Zellen zu erfassen, konnten wir die Auswirkung von elektrischen Pulsen (ähnlich denen beim Defibrillieren) messen. Bei den Messungen an isolierten Zellen wurden die Resultate mit entsprechenden Simulationen am Computer verglichen; dies erlaubte auch Aussagen über solche Größen zu machen, die nicht direkt meßbar sind (z.B. die Stromdichten). Zusätzlich wurden Versuche mit Voltage-Clamp unter gleichzeitiger optischer Kontrolle der Membranspannung durchgeführt. Die Versuche ergaben, daß in höheren Spannungsbereichen Ströme auftreten, die in mathematischen Standardmodellen (Luo-Rudy) nicht enthalten, für eine korrekte Beschreibung der Versuche mit elektrischen Pulsen aber unerlässlich sind. Als multizelluläres Standardpräparat wurden Papillarmuskeln vom Meerschweinchen verwendet. Die Membranspannungen, die während des Anlegens von elektrischen Feldern entstehen und die dadurch hervorgerufenen elektrischen Antworten wurden mittels optischen Vielpunktmessungen (meist 8 x 8 Messstellen) mit hoher zeitlicher Auflösung (< 0.1 ms) erfasst; die örtliche Auflösung erreichte Zellabmessungen (0.01 - 0.1 mm). Durch die Wahl verschiedener Objektive konnten die Meßareale zwischen 1 x 1 mm und 0,1 x 0,1 mm variiert werden. Die Resultate ergaben, daß in allen untersuchten Arealen Polarisationsspannungen auftraten, die mehr oder weniger auf örtliche Inhomogenitäten zurückzuführen waren. Durch Computereinsatz konnten diese lokalen Effekte herausgerechnet werden und ergaben ein "Bild" dieser Inhomogenitäten des Gewebes. Die Größenverteilung der dafür verantwortlichen Strukturen zeigten ein Maximum bei etwa 0.6 mm und 0.1 mm. Während letzteres gut mit der Größe einzelner Zellen korreliert, sind die Strukturen, die ein Maximum bei 0.6 mm verursachen, unbekannt, wahrscheinlich aber auf Bindegewebseinlagen zurückzuführen. In zwei Versuchen an unterschiedlichen Präparaten mit unterschiedlichen Meßarealen (1 x 1 mm und 0,16 x 0,16 mm) war die durch örtliche Inhomogenitäten entstandene Polarisationsspannung so stark, daß sie ab einer Feldstärke von etwa 4 V/cm eindeutig die Ursache von Aktionspotentialen war, die an dieser Stelle entstanden. Dies ist als ein starker Hinweis anzusehen, daß Inhomogenitäten in dieser kleinen Größenordnung ausreichen, die für das Defibrillieren nötigen Membranspannungen fernab von Elektroden zu erzeugen. In einer Reihe von Versuchen wurde der Meßplatz für multizelluläre Präparate auf Konfokal-Betrieb durch das Einbringen von Pinholes umgerüstet und erlaubte für maximal 6 Meßpunkte zeitaufgelöste Membranspannungsmessungen mit einer Tiefenauflösung von etwa einer Zellage (ca. 0.015 mm). Ein derartiger Versuch ergab eindeutig, daß innerhalb einer Tiefe von nur 0,04 mm (etwa 2-3 Zellagen) gleichzeitig positive und negative Polarisationsspannungen auftreten können. Auch derartige Inhomogenitäten könnten einen Beitrag für ein erfolgreiches Defibrillieren leisten. Auch in diesem Projekt hat die optische Membranspannungsmessung bewiesen, daß sie in vielen Fragestellungen der Grundlagenforschung wertvolle Beiträge liefern kann.