Fiziologia aparatului cardio-vascular

Transcript

1 LEGEA FRANK-STARLING DE ADAPTARE A INIMII PRIN MECANISM INTRINSEC ASPECTE TEORETICE Aparatul cardiovascular este supus continuu reglării prin mecanisme intrinseci şi extrinseci, care acţionează atât la nivelul cordului cât şi la nivelul vaselor. Scopul reglării este adaptarea debitului cardiac la activitatea complexă a organismului şi redistribuirea sa moment cu moment la organe şi ţesuturi în funcţie de necesităţile permanent variabile ale acestora. Cele două tipuri de mecanisme acţionează intricat in vivo, astfel încât, efectele mecanismelor de reglare intrinseci nu pot fi individualizate, identificate şi evaluate separat. Mecanismele intrinseci de reglare cardiacă acţionează direct la nivelul cordului, independent de sistemul neuro-endocrin. Cordul este reglat preponderent prin mecanisme intrinseci doar în puţine situaţii şi acestea sunt patologice, ca de exempu: cordul denervat din transplantul cardiac; cordul în insuficienţă cardiacă cronică severă cu epuizarea mediatorilor din terminaţiile simpatice din miocard. Totuşi, şi în aceste situaţii acţionează mecanisme de reglare umorale, concomitent cu mecanismele intinseci. În condiţii fiziologice, reglarea cordului este reglată pe cale nervoasă, prin intervenţia sistemului nervos vegetativ, simpatic şi parasimpatic şi pe cale umorală. MECANISMELE INTRINSECI DE REGLARE A CORDULUI Mecanismele intrinseci de reglare aale cordului sunt: mecanismul heterometric descis prin Legea Frank-Starling, care stabileşte relaţia dintre forţa de contracţie şi lungimea iniţiala a sarcomerului; mecanismele homeometrice (adaptarea se realizează fără modificarea lungimii fibrei miocardice). Acestea sunt: mecanismul Anrep realizează adaptarea cordului prin modificarea contractilităţii miocardice; mecanime care realizează adaptarea cordului prin modificarea frecvenţei cardiace. LEGEA FRANK- STARLING Legea Frank-Starling se referă la unul dintre cele mai importante şi mai bine studiate mecanisme de adaptare ale cordului, şi anume, la relaţia dintre variaţia lungimii de repaus a fibrei miocardice şi forţa sa de contracţie. Se cunoaşte faptul că un muşchi striat, scheletic, cu cât este mai întins, mai alungit în repaus, înainte de contracţie, cu atât răspunsul său, contracţia, respectiv scurtarea sa vor fi mai ample. Capacitatea de travaliu a muşchiului scheletic creşte paralel (în anumite limite) cu creşterea sarcinii sale (demonstrat de O. Frank pe muşchiul scheletic). O. Frank şi apoi E. Starling au extins această relaţie fundamentală şi la studiul performanţei cardiace. Această lege fiziologică fundamentală a fost demonstrată mai întâi pe cord de broască de către Frank în 1895, apoi pe cord de mamifere de către Paterrson, Piper şi Starling în

2 Lucrări practice Particularităţile anatomo-funcţionale ale miocardului ca muşchi care circumscrie o cavitate, face dificilă transpunerea datelor fiziologiei muşchiului striat la miocard. Din acest motiv, în experiment, Starling şi, ulterior alţi cecetători au utilizat echivalenţe ale noţiunilor de lungime şi forţă. Aceste echivalenţe sunt: Volumul telediastolic sau enddiastolic (V.T.D) sau de umplere a cavităţilor ventriculare şi presiunea telediastolică sunt parametri cardiaci care modifică lungimea de repus a fibrei miocardice şi sunt folosiţi ca echivalenţe pentru alungirea iniţială a fibrei musculare. Acesti parametri determină presarcina. Volumul sistolic de ejecţie (VS) sau presiunea sistolică sunt parametri cardiaci echivalenţi cu forţa de contracţie a miocardului. Rezistenţa periferică sau tensiunea dezvoltată în miocard reprezintă postsarcina. o La cordul uman V.T.D. are o valoare de circa 130 ml. Din aceasta, se evacuează 70 ml. (volumul sistolic), rămânând în cord o cantitate de sânge (volum telesistolic V.T.S. sau endsistolic) de aproximativ ml. Acesta este alcătuit din volum sistolic de rezervă şi din volum rezidual de cca.10 ml. care nu poate fi expulzat de inimă, oricât ar creşte forţa de contracţie a miocardului. În efort fizic, stimularea sistemului nervos vegetativ simpatic, eliberează mediatorii - adrenalina şi noradrenalina care acţionează asupra cordului crescând forţa de contracţie, deci crescând volumul sistolic (de la 70 la 120 ml). Acum, inima se contractă mai puternic, evacuând o cantitate mai mare de sânge (pe seama volumului sistolic de rezervă). PREPARATUL EXPERIMENTAL CORD-PLAMÂN REALIZAT DE STARLING Starling a studiat modalitatea de adaptate a lucrului mecanic al inimii, pe un preparat cord-pulmon de câine. Inima şi plămânii, cu mica circulaţie rămân în funcţie. Circulaţia sistemică este înlocuită, plecând din aortă printr-un sistem de tuburi care permit realizarea unei rezistenţe la curgere, modificabilă de experimentator pentru obţinerea de valori variabile ale presiunii arteriale. Din acest sistem de tuburi, sângele oxigenat şi încălzit la 37 0 C, este recoltat într-un rezervor ce comunică cu una din venele cave. Ridicând rezervorul faţă de atriu, se poate regla astfel afluxul venos. Inima, în aceste condiţii îşi poate continua activitatea, datorită mecanismelor intrinseci (lipsa de inervaţie înlătură orice fel de influenţă a sistemului nervos asupra cordului). Modificând pe rând, fie afluxul venos la cord, fie rezistenţa la curgere a sângelui se urmăreşte adaptarea cordului la noile condiţii de lucru: Dacă se creşte afluxul venos la cord (ridicând rezervorul, sau mărind numărul de picături pe minut care intră prin vena cavă în cord) şi lăsând rezistenţa la curgere nemodificată, se constată că volumul de umplere a cavităţilor ventriculare V.T.D. creşte, deci creşte presarcina, care va determina o alungire a fibrei miocardice. În consecinţă va creşte forţa de contracţie în sistolă, realizând un volum sistolic mai mare (proporţional cu creşterea afluxului venos). o În acest caz, cordul s-a adaptat la creştera presarcinii şi funcţionează în regim staţionar atunci când debitul de sânge sau soluţie pompat este egal cu debitul care intrară în vena cavă. Adaptarea implică, însă, un 2

3 compromis, şi anume alungirea fibrei miocardice şi menţinerea alungirii în condiţiile menţinerii presarcini crescute. o Situaţiile patologice în care defectul nu dispare şi presarcina continuă să crească solicită acest mecanism de adaptare până când alungirea excesivă a fibrei miocardice nu mai permite creşterea forţei de contracţie. Reducerea severă a forţei de contracţie concomitent cu dilatarea cordului produc scăderea debitului cardiac şi intrarea ventriculului în stare de insuficienţă. Dacă menţinem afluxul venos nemodificat, în schimb creştem rezistenţa opusă evacuării sângelui din cord (deci creştem postsarcina), vom constata la început, o scădere a volumului sistolic, urmată după câteva sistole de evacuarea unui volum sistolic constant, egal cu cel dinaintea modificării rezistenţei la curgere. o iniţial, inima nu reuşeşte să evacueze în întregime volumul sistolic în faţa acestei noi rezistenţe, şi va expulza o cantitate mai mică de sânge. Va rămâne astfel în cord, după această primă sistolă, un volum de sâge, numit volum telesistolic (V.T.S.) sau endsistolic, la care se va adăuga un volum asemănător la a doua sistolă. În decurs de câteva cicluri cardiace creşterea V.T.D. va alungi fibra miocardică. Drept consecinţă, forţa de contracţie va creşte şi cordul va expulza aceeaşi cantitate de sânge ca şi înainte de creşterea postsarcinii, dar împotriva unei rezistenţe la ejecţie mai mare; o menţinerea defectului şi solicitarea excesivă a acestui mecanism de adaptare poate conduce, ca şi în cazul anterior la instalarea insuficienţei venticulului ca pompă. Pe baza acestor experimente, Starling împreună cu Frank au enunţat legea inimii la Cambridge, în 1915 şi anume: forţa de contracţie a miocardului este proporţională cu gradul de umplere a cavităţilor cardiace, deci cu întinderea iniţială a fibrelor miocardice. Mecanismul Frank- Starling a fost demonstrat şi printr-un experiment efectuat pe inima de broscuţă, prezentat în lucrarea practică. LUCRAREA PRACTICĂ Obiective Se urmăreşte adaptarea inimii în condiţiile creşterii succesive a: afluxului venos (întoarcerii venoase - presarcina) rezistenţei periferice - postsarcina NOTĂ! În paragrafele următoare este descris modelul experimental în care se foloseşte inima de broască. Materiale necesare: broască, ace de seringă,planşetă de lemn, aţă, foarfece, ace cu gămălie, pensă fină anatomică, tăviţă de material plastic, hârtie de filtru; borcan cu soluţie Ringer 0,6% la care se conectează un tub de plastic cu perfuzor şi la capul terminal o canulă de sticlă; canule de sticlă pentru canulat aorta de broască; tub de sticlă cu ieşiri laterale Tehnica de lucru Se spinalizează o broască, se fixează pe planşetă (fig.1), se disecă tegumentele, muşchii abdominali, se taie claviculele, se descoperă cordul. Se introduce un fir de aţă pe sub vena cavă care se va lega apoi pe o canulă de sticlă introdusă în vena cavă printr-o incizie făcută cu foarfeca. Canula are distal o mică umflătură, care împiedică ieşirea sa din venă, după ce s-a legat firul de aţă. Capul celălalt al canulei este în legătură printr-un tub de plastic cu un borcan ce conţine soluţia Ringer, care va perfuza cordul de broască. Una din crosele aortei se leagă, iar cealaltă se canulează cu o canulă de sticlă ce comunică 3

4 Lucrări practice printr-un tub de material plastic, cu un tub de sticlă vertical ce prezintă din loc în loc nişte căi laterale. Astfel, obligatoriu ce intră în cord prin vena cavă, va ieşi pe această crosă aortică canulată pe prima ieşire laterală a tubului vertical. În acest experiment, numărul de picături (soluţie Ringer) de la perfuzor este echivalent cu afluxul venos, iar tubulatura laterală pe unde va înainta lichidul pompat de cord, reprezintă rezistenţa periferică. Fig. 1. Schiţă reprezentând montajul lucrării practice Rezultate: creşterea numărului de picături de la perfuzor (deci creşterea afluxului venos) este urmată de creşterea numărului de picături (respectiv creşte volumul sistolic) pompate de cord pe prima ieşire laterală a tubului vertical de sticlă; inima se va mări, datorită creşterii volumului de umplere ventricular. dacă lăsăm ritmul de perfuzie nemodificat, dar de această dată obturăm (cu o bilă de sticlă sau punem o pensă) prima ieşire laterală a tubului de sticlă, vom obliga inima să pompeze lichidul primit, pe o distanţă mai mare (până la a 2-a ieşire laterală a tubului de sticlă), deoarece a crescut rezistenţa în faţa evacuării cordului. În această situaţie, la început va scădea frecvenţa cardiacă şi debitul pompat de inimă, inima se va mări şi în final, dacă se va adapta va reuşi să evacueze atât cât a primit de la perfuzor, deci debitul sistolic va rămâne constant. Fenomenul descris de legea Frank-Starling este explicat prin schimbările structurale produse ca urmare a alungirii sarcomerului, care induc modificări în mecanismul contracției. În condiții fiziologice lungimea sarcomerului la miocard este de 2-2,2 μm, aceasta fiind lungimea optimă pentru dezvoltarea forței de contracție eficiente, corespunzătoare funcționării cordului în regim staționar. Modificarea lungimii va avea următoarele efecte: o scurtarea sarcomerului sub 2 μm produce suprapunerea excesivă a miofilamentelor de actină și miozină cu reducerea numărului de punți formate între cele două miofilamente și în consecință reducerea forței de contracție dezvoltate; o 4

5 o alungirea la 2,4 μm este favorabilă formării unui număr mai mare de punți între miofilamentele de actină și miozină, ceea ce va duce la dezvoltarea unei forțe maxime de contracţie; o alungirea, în continuare a sarcomerului dispune miofilamentele în poziții îndepărtate care scad numărul punților dintre acestea. La o lungime de 2,6 μm, forța de contracție scade, iar presiunea dezvoltată este mult redusă. Notăm (vezi fig. 4) că distensibilitatea sarcomerului la fibra miocardică (1,8-2,6 μm) este mult mai mică decât în cazul fibrei musculare striate (1,4-3 μm). SEMNIFICAŢIEA FIZIOLOGICĂ A MECANISMULUI FRANK STARLING Mecanismul heterometric Frank-Starlig intră în acţiune atunci când V.T.D. şi/sau presiunea telediastolică sunt suficient de crescute încât să producă întinderea fibrei musculare. Maximul forţei de contracţie este dezvoltat de miocard la presiunea telediastolică de aproximativ 12 mmhg, iar la 15 mmhg mecanismul este ineficient. În condiţii fiziologice, notăm că valorile presiunilor telediastolice sunt: pentru ventriculul stâng 6 mmhg, iar pentru ventriculul drept 2,5 mmhg. Reglarea prin mecanismul Frank-Starling se realizează la nivelul fiecărui ventricul, independent de celălalt ventricul şi de sistemele nervos şi umoral, care influenţează miocardul în întregul său. În condiţii fiziologice, adaptarea prin mecanismului Frank-Starling realizează corelarea, practic egalizarea debitelor celor doi ventriculi, rapid, în decursul câtorva cicluri cardiace. Explicaţie: ventriculii drept şi stâng funcţionează ca două pompe aşezate în serie, care, pentru a menţine sistemul cardivascular în regim staţionar de funcţionare, trebuie să pompeze sângele cu debite egale. Deoarece există diferenţe structurale şi hemodinamice între cei doi ventriculi şi între marea şi mica circulaţie, parametrii hemodinamici se modifică moment cu moment în condiţii fiziologice (alimentaţie, activitate, efort fizic, modificări ale temperaturii mediului,somn, poziţia corpului, etc.). Din aceste considerente debitele celor doi ventriculi sunt uşor şi rapid variabile. FIZIOLOGIE INTEGRATIVĂ Mecanismul Frank-Starling intervine în reglarea cordului, concomitent cu mecanismele nervoase şi umorale în situaţii patologice în care creşte presarcina sau postsarcina. Creşterea presarcinii supraîncărcarea prin volum ) se întâlneşte în: afecţiuni cardiace: insuficienţe valvulare, şunturi arterio- venoase; afecţiuni extracardiace: volemie crescută, întoarcere venoasă crescută şi /sau rezistenţă periferică scăzută; alte situaţii: creşterea volemiei prin ingestie voluntară, excesivă de lichide sau în diabetul insipid; trecerea din ortostatism în clinostatism: creşte întoarcerea venoasă la atriul drept; trecerea din clinostatism în ortostatism: creşte întoarcerea venoasă din teritoriul venei cave; perfuzie cu ritm rapid; expunerea la temperaturi scăzute; eforturi fizice intense, prelungite. Creşterea postsarcinii (supraîncărcarea prin creşterea rezistenţei periferice) se întâlneşte în: 5

6 Lucrări practice afecţiuni cardiace: stenoze valvulare, cardiomiopatie obstructivă hipertrofică, hipertensiune arterială etc.; afecţiuni extracardiace: hipertensiune arterială în mica şi marea circulaţie, hipervâscozitatea sângelui, tireotoxicoză, embolii pulmonare etc. Reprezentarea grafică a mecanismului Frank-Starling Mecanismul F. Starling, se poate reprezenta grafic cu următoarele coordonate: pe abscisă : lungimea fibrei miocardice respectiv V.T.D. sau presiunea telediastolică; pe ordonată : forţa de contracţie, respectiv tensiunea sau presiunea ventriculară sau travaliul sistolic ( lucrul mecanic efectuat). Pe graficele din figurile 2, 3 și 4 sunt reprezentate curbele de performanță ale fibrelor miocardice și cordului în totalitate, în contracția din sistolă (starea activă) și în repaus (stare pasivă). Sarnoff şi Mitchell au arătat că în condiţii normale sau patologice, mecanismul F. Starling se reprezintă mai corect printr-o serie de curbe funţionale şi nu printr-o singură curbă. Deplasarea spre stânga a curbei, arată o creştere a contractilităţii cardiace (vezi fig. 3 și fig. 4 C). Fig. 2. Relaţia tensiune lungime Curba punctată reprezintă creşteri presionale corespunzătoare la fiecare creştere a volumului diastolic Curba plină reprezintă diferite niveluri presionale sistolice dezvoltate la fiecare valoare a umplerii (după Pasteur, 1981) Fig. 3. Curba funcţei ventriculare Un efect inotrop pozitiv deplasează curba în sus şi la stânga; un efect inotrop negativ deplasează curba în jos şi la dreapta (după Kleineman, 1986). 6

7 Procent din valoarea maximă a tensiunii active Lungime sarcomer (m) A. Diagrama Lungime-Tensiune (izometrică) Fig. 4. Graficele A, B și C reprezintă curbele corespunzătoare relației lungime-tensiune pentru cordul uman (după W. Boron și E. L. Boulpaep, 2009) 7

8 Lucrări practice Studiu individual 1. Consultaţi un dicţionar medical, cursul de fizilogie şi materialele indicate în bibliografie pentru a defini termenii: miocard, miofibrile, sarcomer, intrinsec, extrinsec, heterometric, homeometric, in vivo, in vitro, volum telediastolic, presiune telediastolică, presiune sistolică. 2. Revedeţi cursul Fiziologia muşchiului striat, din anul I. FIŞĂ DE LUCRU ÎN LABORATOR 1. Enunţaţi legea elaborată de Frank şi Starling Explicaţi termenii: presarcină şi postsarcină. 3. Precizaţi care sunt echivalenţele noţiunilor de lungime şi forţă, utilizate de Starling în experiment Descrieţi pe scurt cele două etape de lucru ale experimentului Frank-Starling şi indicaţi rezultatele. 5. Notaţi valorile normale pentru: volumul telediastolic, volumul sistolic şi presiunea telesistolică în ventriculul stâng şi în ventriculul drept Explicaţi modificările care apar prin alungirea sarcomerului. 8

9 7. Notaţi valoarea presiunii telediastolice şi lungimea sarcomerului la care forţa de contracţie dezvoltată este maximă. 8. Reprezentaţi grafic şi comentaţi relaţia lungimea sarcomerului-tensiune pentru întregul cord Explicaţi reprezentarea grafică a curbelor de performanţă ale miocardului ca o familie de curbe. 10. Enumeraţi câteva situaţii fiziologice în care intervine mecanismul de reglare intrinsec heterometric Frank-Starling. 11. Enumeraţi şi explicaţi câteva situaţii patologice în care intervine mecanismul de reglare intrinsec heterometric Frank-Starling. 12. Comentaţi rolul mecanismului Frank-Starling în reglarea cordului. 9