Μοντελοποίηση του υναµικού ράσης (Action Potential) σε καρδιακά κύτταρα για περιπτώσεις γενετικής βλάβης στα ιοντικά κανάλια Νατρίου και Καλίου

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΥΓΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Μοντελοποίηση του υναµικού ράσης (Action Potential) σε καρδιακά κύτταρα για περιπτώσεις γενετικής βλάβης στα ιοντικά κανάλια Νατρίου και Καλίου ΝΙΚΑΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ ιπλωµατική Εργασία ιατµηµατικό Πρόγραµµα Μεταπτυχιακών Σπουδών στη ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΤΡΑ, Ιούλιος 2007

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΥΓΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Μοντελοποίηση του υναµικού ράσης (Action Potential) σε καρδιακά κύτταρα για περιπτώσεις γενετικής βλάβης στα ιοντικά κανάλια Νατρίου και Καλίου ΝΙΚΑΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ ιπλωµατική Εργασία ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ 1. κ. Α. Μπεζεριάνος, Καθηγητής, Τµήµα Ιατρικής, Πανεπιστήµιο Πατρών, Επιβλέπων 2. κ. Α. Μπούντης, Καθηγητής, Τµήµα Μαθηµατικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, Μέλος 3. κ. Ι. Χειλαδάκης, Επίκ. Καθηγητής, Τµήµα Ιατρικής, Πανεπιστήµιο Πατρών, Μέλος

Πίνακας περιεχοµένων Πίνακας περιεχοµένων Πίνακας περιεχοµένων... 2 Ευχαριστίες... 3 1. Εισαγωγή... 4 2. Ηλεκτροφυσιολογία της καρδιάς... 5 2.1 Φυσιολογία, ανατοµία και θέση της καρδιάς... 5 2.2 Ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς... 6 3. Κυτταρική φυσιολογία... 8 3.1 Κυτταρική µεµβράνη... 8 3.2 Μεταφορά ουσιών διαµέσου της κυτταρικής µεµβράνης... 10 3.2.1 Γενικά... 10 3.2.2 Η αντλία Na + -K +... 11 3.2.3 Ιοντικά κανάλια... 13 3.2.4 Ηλεκτροχηµικά κανάλια κατιόντων... 16 3.3 Το υναµικό ράσης (Action Potential, AP)... 18 3.4 Το υναµικό ράσης στο καρδιακό κύτταρο... 20 4. Παθοφυσιολογία της καρδιάς... 23 4.1 Καρδιακές αρρυθµίες... 23 4.2 Σύνδροµο αιφνιδίου θανάτου λόγω αρρυθµίας (Sudden Arrhythmic Death Syndrome,SADS)... 24 4.3 Καρδιακές ιοντικές καναλοπάθειες (Cardiac Ion Channelopathies)... 25 4.3.1 Το σύνδροµο Long QT (LQTS)... 28 4.3.2 Το σύνδροµο Brugada... 31 4.3.3 Το σύνδροµο Short QT (SQTS)... 33 5. Το µαθηµατικό µοντέλο του υναµικού ράσης (Action Potential) στο καρδιακό κύτταρο... 36 5.1 Ιστορικό... 36 5.2 Το θεωρητικό υπόβαθρο της µοντελοποίηση του υναµικού ράσης κυττάρων. 36 5.3 Το µοντέλο Luo-Rudy... 40 6. Χρήση του Μοντέλου του υναµικού ράσης σε καρδιακές καναλοπάθειες Νατρίου και Καλίου... 42 6.1 Υλικά και µέθοδοι... 42 6.2 Εξοµοίωση του LQTS-1... 43 6.3 Εξοµοίωση του LQTS-2... 44 6.4 Εξοµοίωση του LQTS-3... 46 6.5 Εξοµοίωση του συνδρόµου Brugada... 47 6.6 Εξοµοίωση του SQTS... 49 7. Μελλοντικοί στόχοι... 51 Βιβλιογραφία... 52 2

Ευχαριστίες Ευχαριστίες Κατά πρώτον θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή µου, κ. Αναστάσιο Μπεζεριάνο που µου έδωσε την δυνατότητα να υλοποιήσω τη µεταπτυχιακή µου εργασία στον τοµέα της εξοµοίωσης φαινοµένων παθογένειας σε καρδιακό ιστό. Χωρίς τις συµβουλές και την παρότρυνσή του αυτή η εργασία δεν θα ήταν εφικτή. Επίσης είµαι ευγνώµων για την υποτροφία που δέχθηκα από το Ίδρυµα Κρατικών Υποτροφιών, ΙΚΥ, χωρίς του οποίου την χρηµατική ενίσχυση η εργασία αυτή ίσως να µην ήταν αρκετά ικανοποιητική. Θα ήθελα να ευχαριστήσω επίσης όλο το προσωπικό του εργαστηρίου του κ. Μπεζεριάνου για τις συµβουλές και την καθοδήγηση που µου προσέφεραν ώστε να µπορέσω να ενταχθώ πιο εύκολα στον ρόλο µου ως ερευνητής, µε όσο το δυνατόν καλύτερο αποτέλεσµα. Τέλος η εργασία αυτή αφιερώνεται στους γονείς µου για να τους ευχαριστήσω για την ανυπολόγιστη υποστήριξη που µου παρείχαν κατά τη διάρκεια των µεταπτυχιακών σπουδών και στην αδερφή µου, η οποία ως σπουδάστρια του τµήµατος βιολογίας του πανεπιστηµίου Πατρών, µε βοήθησε να αποκτήσω καλύτερη κατανόηση σε θέµατα βιολογίας 3

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1. Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια γίνεται πολύς λόγος για ασθένειες οι οποίες προκαλούνται από µεταλλάξεις στο DNA. Ένα τέτοιο είδος ασθενειών αποτελούν και οι καναλοπάθειες οι οποίες επηρεάζουν την ηλεκτρική λειτουργία των κυττάρων. Στην παρούσα εργασία θα ασχοληθούµε µε τις καρδιακές καναλοπάθειες οι οποίες αρκετές φορές εκτός από λιποθυµίες αποτελούν και σοβαρό κίνδυνο για την ζωή και υπάρχει µεγάλη δυσκολία στον εντοπισµό τους. Σκοπός µας είναι να µπορέσουµε να χρησιµοποιήσουµε ένα µαθηµατικό µοντέλο ώστε να αναπαραστήσουµε το υναµικό ράσης που προκαλούν συγκεκριµένες καναλοπάθειες. Στην αρχή θα µιλήσουµε για την ηλεκτροφυσιολογία της καρδιάς ώστε να πάρουµε µία ιδέα για το πως λειτουργεί η καρδιά. Μετά θα περάσουµε να δούµε πως λειτουργεί ένα φυσιολογικό κύτταρο και µετά το καρδιακό κύτταρο και το υναµικό ράσης του. Κατόπιν θα αναφερθούµε στο σύνδροµο του αιφνίδιου θανάτου και στις καναλοπάθειες γενικά και µετά θα επικεντρωθούµε σε κάποιες συγκεκριµένες τέτοιες παθήσεις. Μετά θα προσπαθήσουµε να περιγράψουµε µε ποιον τρόπο µπορούµε να µοντελοποιήσουµε το υναµικό ράσης σε ένα κύτταρο και να δηµιουργήσουµε ένα τέτοιο µοντέλο. Ύστερα θα αναφερθούµε ειδικότερα στο µοντέλο Luo-Rudy. Στο τέλος θα χρησιµοποιήσουµε το προαναφερθέν µοντέλο ώστε να αναπαραστήσουµε γραφικά το υναµικό ράσης των συνδρόµων LQTS, SQTS και Brugada για καρδιακά κύτταρα. 4

Κεφάλαιο 2 Ηλεκτροφυσιολογία της καρδιάς 2. Ηλεκτροφυσιολογία της καρδιάς 2.1 Φυσιολογία, ανατοµία και θέση της καρδιάς Η καρδιά, µαζί µε τον εγκέφαλο, είναι ένα από τα σηµαντικότερα όργανα στο σώµα µας. Βασικά είναι µια αντλία που διατηρεί την κυκλοφορία του αίµατος και λειτουργεί συνεχώς µε έναν µέσο όρο κτύπων κατά την διάρκεια της ζωής µας γύρω στα 2,5 δισεκατοµµύρια. Μαζί µε το αίµα παρέχει οξυγόνο και θρέφει τους διαφορετικούς ιστούς του σώµατός µας και γενικά βοηθάει στις µεταβολικές ανάγκες και τον κανονισµό της θερµοκρασίας του σώµατος µας. Η θέση της είναι περίπου 2/3 στο αριστερό και 1/3 στο δεξιό µέρος πίσω από το στήθος και το µέγεθός της είναι ίσο µε αυτό µιας πυγµής µε βάρος γύρω στα 250 µε 300 γραµµάρια. Εσωκλείεται σε έναν περικαρδιακό σάκο του οποίου το εσωτερικό στρώµα της πορώδους µεµβράνης διαµορφώνει το επικάρδιο. Τα τοιχώµατα της καρδιάς αποτελούνται από τον παχύ καρδιακό µυ αποκαλούµενο µυοκάρδιο κι έχει τέσσερις χωριστούς θαλάµους. Ο ανώτερος θάλαµος σε κάθε πλευρά της καρδιάς, που καλείται κόλπος, λαµβάνει και συλλέγει το αίµα που έρχεται στην καρδιά. Έπειτα µεταδίδει το αίµα στον ισχυρό χαµηλότερο θάλαµο, αποκαλούµενο και κοιλία, η οποία ωθεί το αίµα µακριά από την καρδιά µέσω ισχυρών, ρυθµικών συστολών. Σχήµα 2.1 Οι κόλποι και οι κοιλίες της καρδιάς και η κυκλοφορία του αίµατος 5

Κεφάλαιο 2 Ηλεκτροφυσιολογία της καρδιάς Στην πραγµατικότητα η ανθρώπινη καρδιά περιλαµβάνει δύο αντλίες σε µία. Η δεξιά πλευρά λαµβάνει το αίµα που είναι φτωχό σε οξυγόνο από τις διάφορες περιοχές του σώµατος και το παραδίδει στους πνεύµονες. Στους πνεύµονες, το οξυγόνο απορροφάται στο αίµα. Η αριστερή πλευρά της καρδιάς λαµβάνει το πλούσιο σε οξυγόνο αίµα από τους πνεύµονες και το παραδίδει στο υπόλοιπο του σώµατος. Λόγω της πίεσης στη συστηµατική κυκλοφορία, που είναι πολύ υψηλότερη από την πνευµονική κυκλοφορία, το αριστερό κοιλιακό τοίχωµα είναι πολύ παχύτερο από το δεξιό κοιλιακό τοίχωµα. Γενικά οι αντλίες χρειάζονται ένα σύνολο βαλβίδων για να κρατήσουν το ρευστό σε µια κατεύθυνση και η καρδιά δεν αποτελεί εξαίρεση. Η καρδιά έχει δύο τύπους βαλβίδων που κρατούν το αίµα στη σωστή κατεύθυνση. Οι δύο βαλβίδες µεταξύ των κόλπων και των κοιλιών καλούνται κολποκοιλιακές βαλβίδες ενώ υπάρχουν και δύο στις βάσεις των µεγάλων αγγείων. Η δεξιά κολποκοιλιακή βαλβίδα ονοµάζεται τριγλώχινα βαλβίδα. Η αριστερή κολποκοιλιακή βαλβίδα είναι η µιτροειδής βαλβίδα. Η βαλβίδα µεταξύ της δεξιάς κοιλίας και της πνευµονικής αρτηρίας είναι η πνευµονική βαλβίδα. Η βαλβίδα µεταξύ της αριστερής κοιλίας και της αορτής είναι η αορτική βαλβίδα. Όταν οι κοιλίες συστέλλονται, οι κολποκοιλιακές βαλβίδες κλείνουν αποτρέποντας έτσι την κίνηση του αίµατος πίσω στους κόλπους. Όταν οι κοιλίες χαλαρώνουν, οι βαλβίδες που ενώνουν τους κόλπους µε τις κοιλίες κλείνουν αποτρέποντας έτσι την κίνηση του αίµατος πίσω στους κόλπους από τις κοιλίες. 2.2 Ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς Η ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς ξεκινάει από τους βηµατοδότες της. Ο κανονικός βηµατοδότης είναι ο κοµβοκοιλιακός (SA) κόµβος που αποτελείται από ειδικευµένα κύτταρα µυών και τα κύτταρά του είναι αυτοδιεγερόµενα κύτταρα βηµατοδοτών. Εκεί ο παλµός διαδίδεται και αρχίζει τον ερεθισµό των µυοκυττάρων της καρδιάς. Όταν το µυοκάρδιο ερεθίζεται, συστέλλεται. Με κάθε συστολή το αίµα αντλείται σε ολόκληρο το σώµα µέσω των αρτηριών και των φλεβών. Εάν για διάφορους λόγους ο κοµβοκοιλιακός κόµβος δεν µεταδίδει τους ηλεκτρικούς παλµούς ο επόµενος βηµατοδότης θα πάρει το ρόλο του κύριου βηµατοδότη. 6

Κεφάλαιο 2 Ηλεκτροφυσιολογία της καρδιάς Σχήµα 2.2 Η ηλεκτρική διάδοση από τον κοµβοκοιλιακό (SA) και κολποκοιλιακό (AV) κόµβο στην υπόλοιπη καρδιά Σχήµα 2.3 Οι βηµατοδότες της καρδιάς και οι συχνότητές τους Ο κοµβοκοιλιακός κόµβος βρίσκεται στον δεξιό κόλπο. Παράγει ηλεκτρικές ώσεις σε κανονική, ρυθµική ηλεκτρική διαµόρφωση για να ρυθµίσει το ρυθµό της καρδιάς. Στέλνει τα σήµατα στο υπόλοιπο της καρδιάς έτσι ώστε οι µύες να συστέλλονται µε µια κανονική συχνότητα 60-70 σφυγµούς/λεπτό Έπειτα το ηλεκτρικό σήµα κινείται στην περιοχή που συνδέει τους κόλπους µε τις κοιλίες. Αυτή η ηλεκτρική σύνδεση είναι κρίσιµη. Χωρίς αυτή, το σήµα δεν θα έφθανε ποτέ στις κοιλίες, τους σηµαντικότερους θαλάµους άντλησης της καρδιάς. Η πρώτη δοµή στην οποία φθάνει είναι ένας άλλος φυσικός βηµατοδότης αποκαλούµενος και κολποκοιλιακός κόµβος (AV) που έχει µια εγγενή συχνότητα 50 σφυγµών/λεπτό. Μια δοµή αποκαλούµενη δοµή του His προκύπτει από τον κολποκοιλιακό κόµβο και διαιρείται σε λεπτές δοµές καλωδίου που επεκτείνονται στην δεξιά και αριστερή κοιλία. Το ηλεκτρικό σήµα µετά ταξιδεύει κάτω µε τις λεπτές ίνες γνωστές ως ίνες Purkinje. Αυτές οι ίνες διανέµουν την ηλεκτρική ώση στους µυς των κοιλιών αναγκάζοντάς τους να συσταλλούν και να αντλήσουν το αίµα στις αρτηρίες [1]. 7

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία 3. Κυτταρική φυσιολογία 3.1 Κυτταρική µεµβράνη Στο προηγούµενο κεφάλαιο είδαµε την καρδιά και τη λειτουργία της µακροσκοπικά ως µία οντότητα. Τώρα θα δούµε την λειτουργία της καρδιάς από µια διαφορετική, πιο µικροσκοπική σκοπιά, την πλευρά της κυτταρικής της λειτουργίας. Γενικά υπάρχουν δύο τύποι κυττάρων: τα ζωικά και τα φυτικά. Φυσικά τα κύτταρα της ανθρώπινης καρδιάς ανήκουν στα ζωικά κύτταρα. Η καρδιά περιέχει µυικά κύτταρα που παράγουν, διευθύνουν και αποκρίνονται στις ηλεκτρικές ώσεις. Τα πρώτα διαµορφώνουν τους βηµατοδότες της καρδιάς ενώ τα τελευταία διαµορφώνουν το µυοκάρδιο. Το σηµαντικό, για εµάς, κοµµάτι της κυτταρικής φυσιολογίας είναι η µεµβράνη. Η µεµβράνη αυτή (κυτταρική µεµβράνη ή µεµβράνη πλάσµατος) είναι µια λεπτή ελαστική δοµή (7,5 µε 10 nm πάχος) που αποτελείται από δύο στρώµατα: των φωσφολιπιδίων και των πρωτεϊνικών µορίων που τυλίγουν το κύτταρο. Η µεµβράνη αυτή χωρίζει το εσωτερικό ενός κυττάρου από το εξωτερικό του και ελέγχει την κίνηση µέσα και έξω από αυτό. Οι µεµβράνες των επιφανειακών κυττάρων περιέχουν τις πρωτεΐνεςυποδοχής (receptor proteins) και τις πρωτεΐνες-προσκόλλησης (adhesion proteins). Υπάρχουν επίσης και άλλες πρωτεΐνες µε ποικίλες λειτουργίες. Αυτές οι µεµβρανικές πρωτεΐνες είναι σηµαντικές για τον κανονισµό της συµπεριφοράς των κυττάρων και την οργάνωση τους σε ιστούς. Η µεµβράνη αποτελείται από διάφορες πρωτεΐνες που η τοποθέτησή τους είναι παρόµοια µε αυτή των τούβλων στα σπίτια. Τα διαστήµατα µεταξύ τους γεµίζουν µε τα ρευστά φωσφολιπίδια. Το φωσφολιπίδιο αποτελείται από τα υδρόφιλα κεφάλια, τα οποία βρίσκονται προς το εξωτερικό περιβάλλον και το κυτταρόπλασµα. Οι υδροφοβικές ουρές απωθούν το νερό και βρίσκονται προς τα µέσα. Κατά συνέπεια, τα φωσφολιπίδια διαµορφώνουν ένα διπλό στρώµα (bilayer) που ενεργεί όπως ένα εµπόδιο µεταξύ του κυττάρου και του περιβάλλοντος. Το φωσφολιπιδιακό διπλό αυτό στρώµα επίσης περιέχει χοληστερόλη, η όποια καθιστά το στρώµα αυτό ισχυρότερο, πιο εύκαµπτο και διαπερατό. 8

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία Σχήµα 3.1 Η κυτταρική µεµβράνη και τα στοιχεία που την αποτελούν Η κυτταρική µεµβράνη λαµβάνει τα σήµατα µέσω δεκτών από το εξωτερικό περιβάλλον και διαβιβάζει τα σήµατα αυτά στα οργανίδια µέσα στο κύτταρο. Αυτή η διαδικασία είναι εξαιρετικά σηµαντική επειδή ρυθµίζει τις αλλαγές στην διευθέτηση των γονιδίων. Ο κύριος λόγος ύπαρξης της µεµβράνης είναι να ελέγχει τι κινείται προς και από το κύτταρο. Οι ουσίες που εισέρχονται στο κύτταρο είναι ιδιαίτερα συγκεκριµένες. Η µεµβράνη επικοινωνεί επίσης και µε άλλα κύτταρα µε την βοήθεια των υποδοχέων (receptors) στην επιφάνεια ή µε την προσκόλληση (adhesion) από κύτταρο σε κύτταρο. Οι πρωτεΐνες που βρίσκονται στο διπλό στρώµα είναι: πρωτεΐνες υποδοχείς, οι οποίες εξετάζουν την επικοινωνία, πρωτεΐνες αναγνώρισης και πρωτεΐνες µεταφορείς που ρυθµίζουν τη µετακίνηση του νερού και των διαλυτών µορίων µέσω της µεµβράνης. Η µεταφορά των ουσιών µπορεί να είναι είτε ενεργητική είτε παθητική. Η ενεργός µεταφορά κινεί τα µόρια ενάντια στο δυναµικό συγκέντρωσης και χρειάζεται ενέργεια υπό µορφή ATP η οποία προσφέρεται από ειδικές διαµεµβρανικές πρωτεΐνες. Η παθητική µεταφορά κινεί τα µόρια χρησιµοποιώντας το δυναµικό συγκέντρωσης, δεν 9

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία απαιτείται ενέργεια και διαµεσολαβούν οι πρωτεΐνες καναλιών (channel). Θα δούµε αργότερα περισσότερες λεπτοµέρειες για την µεταφορά αυτή. Τέλος, η κυτταρική µεµβράνη είναι σηµαντική για την σύνδεση µεταξύ των κυττάρων. Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικοί τύποι αυτών των συνδέσεων: δεσµοσώµατα (desmosomes), σφιχτές συνδέσεις (tight junctions), συνδέσεις προσκόλλησης (adherens) και χασµοσυνδέσεις (gap junctions). Αυτές επιτρέπουν την ελεύθερη διάβαση των κυττάρων σε ιόντα και µικρά µόρια 3.2 Μεταφορά ουσιών διαµέσου της κυτταρικής µεµβράνης 3.2.1 Γενικά Η µεµβράνη αφήνει µόνο ορισµένες ουσίες να περάσουν µέσα από αυτή και αυτό µόνο σε καθορισµένες στιγµές. Θα µπορούσε να αφήσει την ουσία Χ κατευθείαν την µια στιγµή, αλλά λίγο πιο µετά να την απορρίψει. Υπάρχουν τέσσερις κύριοι παράγοντες που καθορίζουν εάν µια ουσία µπορεί ή όχι να περάσει µέσω της κυτταρικής µεµβράνης: Εάν είναι λιπίδια ή διαλυτά µόρια λιπιδίων, τα µικρότερα µόρια θα περάσουν ευκολότερα από τα µεγάλα µόρια, τα µόρια µε ουδέτερο φορτίο θα περάσουν ευκολότερα από τα µόρια µε φορτίο (ιόντα) και όντας ζωντανή η µεµβράνη έχει τη δυνατότητα να περάσει το διαφορετικά µόρια οποιαδήποτε στιγµή. Υπάρχουν δύο σηµαντικές κατηγορίες πρωτεϊνών µεταφοράς στην µεµβράνη: µεταφορικές και πρωτεΐνες καναλιών. Ο ρόλος αυτών των πρωτεϊνών έχει αποδειχθεί πως είναι πολύ σηµαντικός επειδή το διπλό στρώµα της µεµβράνης δεν είναι περατό για τα ιόντα. Οι µεταφορικές πρωτεΐνες (επίσης αποκαλούµενες ως µεταφορείς ή και αντλίες) δεσµεύουν τη συγκεκριµένη διαλυτή ουσία που µεταφέρεται και την υποβάλουν σε µια σειρά διαµορφωτικών αλλαγών για να τη µεταφέρουν διαµέσου της µεµβράνης. Οι µεταφορείς µπορούν να συνδεθούν µε µια πηγή ενέργειας, όπως στην περίπτωση της αντλίας Na + -K +, για να καταλύσουν την ενεργό µεταφορά. Τα κανάλια διαµορφώνουν τους υδρόφιλους πόρους που εκτείνονται διαµεµβρανικά όπου, µόλις ανοίξουν, αφήνουν τις διαλυτές ουσίες να περάσουν µέσα τους. Τα κανάλια, και µερικοί µεταφορείς, µεσολαβούν µόνο στην παθητική µεταφορά των διαλυτών ουσιών. Με άλλα λόγια, η κατευθυντήρια δύναµη για τη µεταφορά παρέχεται από το ηλεκτροχηµικό δυναµικό 10

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία (διαφορές στη συγκέντρωση και το φορτίο) της διαλυτής ουσίας µεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κυττάρου. Η ενεργός µεταφορά, από την άλλη πλευρά γίνεται πάντα µέσα από τους µεταφορείς οι οποίοι χρησιµοποιούν ενέργεια (µεταβολική ή ηλεκτροχηµική) για να κινήσουν τις διαλυτές ουσίες ακόµα κι ενάντια στο ηλεκτροχηµικό τους δυναµικό Αυτός ο συνδυασµός εκλεκτικής ενεργητικής διαπερατότητας και ενεργής µεταφοράς καθιστά τη κυτταρική µεµβράνη ικανή να αποθηκεύει την ενέργεια υπό µορφή ηλεκτροχηµικού δυναµικού, το οποίο χρησιµοποιείται για να καθοδηγήσει διάφορες διεργασίες. Τέτοιες διεργασίες είναι η µεταγωγή ηλεκτρικών σηµάτων στα διάφορα κύτταρα κι η δηµιουργία ATP στα µιτοχόνδρια, το «εργοστάσιο» ενέργειας των κυττάρων. 3.2.2 Η αντλία Na + -K + Η συγκέντρωση των ιόντων K + είναι χαρακτηριστικά 10 έως 20 φορές υψηλότερη µέσα στα κύτταρα από ότι έξω από αυτό ενώ ισχύει το αντίθετο για την συγκέντρωση των Na + (πίνακας 3.1). Αυτές οι διαφορές της συγκέντρωσης διατηρούνται µε µια αντλία Na + -K + που βρίσκεται στη µεµβράνη πλάσµατος ουσιαστικά όλων των ζωικών κυττάρων. Ιόν Ενδοκυττάρια συγκέντρωση (mm) Εξωκυττάρια συγκέντρωση (mm) Na + 5-15 145 K + 140 5 Mg 2+ 0.5 1-2 Ca 2+ 10-4 1-2 H + 7 10-5 4 10-5 Cl - 5-15 110 Πίνακας 3.1 Σύγκριση τυπικών συγκεντρώσεων των σηµαντικότερων ιόντων µέσα και έξω από το κύτταρο σε ένα τυπικό ζωικό κύτταρο Η αντλία Na + -K + σε γενικές γραµµές κινεί ενεργά το Na + έξω από το κύτταρο ενάντια στο απότοµο ηλεκτροχηµικό του δυναµικό και κινεί το K + µέσα σε αυτό. Σχεδόν το ένα τρίτο της ενέργεια που χρειάζεται ένα απλό ζωικό κύτταρο καταναλώνεται στην 11

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία τροφοδότηση αυτής της αντλίας, ενώ αγγίζει τα δύο τρίτα στις περιπτώσεις των νευρικών κυττάρων. Επειδή η αντλία υδρολύει το ATP (Na + έξω και K + µέσα), είναι επίσης γνωστή και ως ATPase Na + -K +. Λόγω αυτής της αντλίας το 1997 ο Jens C Skou έλαβε το βραβείο Νόµπελ στη χηµεία (µαζί µε τον Paul D Boyer και τον John E. Walker). Σχήµα 3.2 Η αντλία Na + -K + σε λειτουργία Τώρα πιο συγκεκριµένα η αντλία Na + -K + λειτουργεί µε τον παρακάτω τρόπο: Η αντλία, µε την χρήση ATP, δεσµεύει 3 ενδοκυτταρικά ιόντα Na +. Κατόπιν το ATP υδρολύεται, οδηγώντας σε φωσφορυλίωση της αντλίας και στην συνέχεια σε απελευθέρωση υπό την µορφή ADP. Κατόπιν µια διαµορφωτική αλλαγή στην αντλία εκθέτει τα ιόντα Na + στο εξωκυττάριο υλικό. Η µορφή φωσφορυλίωσης της αντλίας δεν µπορεί να συγκρατήσει τα ιόντα αυτά κι έτσι τα ιόντα Na + απελευθερώνονται. Ύστερα η αντλία δεσµεύει 2 εξωκυττάρια ιόντα K + και οδηγεί σε αποσφωρυλίωση της αντλίας. Το ATP δεσµεύεται και η αντλία επανακατευθύνεται ώστε να απελευθερώσει τα ιόντα K + µέσα στο κύτταρο. Μετά η όλη διαδικασία είναι έτοιµη να επαναληφθεί. 12

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία Η κανονική λειτουργία αυτής της αντλίας είναι κρίσιµη για τη συντήρηση των συγκεντρώσεων των ιόντων Na + και K + διαµέσου της µεµβράνης. Εάν αυτή η αντλία σταµατήσει ή αν εµποδιστεί η λειτουργία της τότε συσσωρεύεται Na + µέσα στο κύτταρο ενώ η συγκέντρωση του K + µέσα στο κύτταρο πέφτει. Αυτό προκαλεί την εκπόλωση του δυναµικού βάσης της κυτταρικής µεµβράνης (resting membrane potential). Επιπλέον, είναι σηµαντικό να σηµειωθεί ότι αυτή η αντλία είναι ηλεκτρικής φύσης επειδή εξωθεί 3 άτοµα Na + για κάθε 2 άτοµα K + που εισάγει στο κύτταρο. Αυτή η διαδικασία τείνει να δηµιουργήσει ένα ηλεκτρικό δυναµικό µε το εσωτερικό πιο αρνητικό σχετικά µε το εξωτερικό του κυττάρου. Αυτή η επίδραση της αντλίας σπάνια συµβάλλει περισσότερο από 10% ολόκληρού του δυναµικού της µεµβράνης. Επίσης αυτή η αντλία έχει έναν άµεσο ρόλο στη ρύθµιση του όγκου και τη διατήρηση της οσµωτικής ισορροπίας αλλά εµείς ενδιαφερόµαστε περισσότερο για την ηλεκτρική δραστηριότητα της. 3.2.3 Ιοντικά κανάλια Οι πρωτεΐνες των καναλιών, αντίθετα από τους µεταφορείς, σχηµατίζουν υδρόφιλους πόρους στις µεµβράνες. Μια κατηγορία πρωτεϊνών καναλιών που βρίσκεται σε ουσιαστικά όλα τα ζωικά κύτταρα διαµορφώνει τις χασµοσυνδέσεις (gap junctions) µεταξύ δύο παρακείµενων κυττάρων και κάθε κυτταρική µεµβράνη συµβάλλει εξίσου στο σχηµατισµό του καναλιού το όποιο συνδέει το κυτταρόπλασµα των δύο κυττάρων. Οι πρωτεΐνες διαµόρφωσης των εξωτερικών µεµβρανών των βακτηριδίων, των µιτοχονδρίων και των χλωροπλάστων έχουν σχετικά µεγάλους πόρους οι οποίοι θα ήταν καταστροφικοί εάν συνέδεαν άµεσα το εσωτερικό ενός κυττάρου µε το εξωκυττάριο περιβάλλον Οι περισσότερες πρωτεΐνες καναλιών έχουν στενούς και ιδιαίτερα εκλεκτικούς πόρους που µπορούν να ανοίγουν και να κλείνουν. Επειδή αυτές οι πρωτεΐνες επικεντρώνονται συγκεκριµένα στην ανόργανη ιοντική µεταφορά, αναφέρονται και ως ιοντικά κανάλια. Για την αποδοτικότερη µεταφορά, τα κανάλια αυτά έχουν ένα πλεονέκτηµα σε σχέση µε τους µεταφορείς όσον αφορά την ταχύτητα: µέχρι 100 εκατοµµύριο ιόντα µπορούν να περάσουν µέσω ενός ανοικτού καναλιού ανά δευτερόλεπτο, 105 φορές µεγαλύτερη από τη γρηγορότερη µεταφορά που µεσολαβεί 13

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία οποιαδήποτε γνωστή πρωτεΐνη µεταφορέων. Εντούτοις, τα κανάλια δεν µπορούν να συνδεθούν µε µια πηγή ενέργειας για να εκτελέσουν την ενεργό µεταφορά, έτσι η µεταφορά που µεσολαβεί είναι πάντα παθητική. Η λειτουργία των ιοντικών καναλιών είναι να επιτρέπει σε συγκεκριµένα ανόργανα ιόντα - πρωτίστως Na +, K +, Ca2 + ή Cl - - να περάσουν γρήγορα κάτω από τα ηλεκτροχηµικά τους δυναµικά τους πέρα από το διπλό λιπιδιακό στρώµα. Αυτή η δυνατότητα να ελέγχονται οι ιοντικές ροές µέσω αυτών των καναλιών είναι ουσιαστική για πολλές λειτουργίες των κυττάρων. Σχήµα 3.3 Ανοικτά και κλειστά ιοντικά κανάλια ύο σηµαντικές ιδιότητες ξεχωρίζουν τα ιοντικά κανάλια από τους απλούς υδάτινους πόρους. Κατά πρώτον δείχνουν ιοντική επιλεκτικότητα, επιτρέποντας έτσι σε κάποια ανόργανα ιόντα να περάσουν και σε κάποια όχι. Αυτό δείχνει πως οι πόροι τους πρέπει να είναι αρκετά στενοί σε συγκεκριµένα σηµεία ώστε να εξαναγκάζουν τα ιόντα να έχουν επαφή µε τα τοιχώµατα τους έτσι ώστε µόνο ιόντα συγκεκριµένου µεγέθους και φορτίου να είναι σε θέση να τα διαπεράσουν. Κατά δεύτερον τα ιοντικά κανάλια δεν 14

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία παραµένουν συνέχεια ανοιχτά. Αντί για αυτό δρουν σαν πύλες οι οποίες ανοίγουν για λίγο και ύστερα κλείνουν ξανά. Τις περισσότερες φορές η πύλη ανοίγει αντιδρώντας σε συγκεκριµένο ερέθισµα. Τα κυριότερα γνωστά ερεθίσµατα εξαιτίας των οποίων ανοίγουν οι πύλες είναι η διαφορά δυναµικού (voltage-gated channels), η µηχανική πίεση (mechanically gated channels) ή η πρόσδεση ειδικού µορίου (ligand-gated channels). Το µόριο αυτό µπορεί να είναι είτε ένας εξωκυττάριος µεσολαβητής - συγκεκριµένα, ένας νευροδιαβιβαστής (transmitter-gated channels) ή ένας ενδοκυτταρικός µεσολαβητής, όπως ένα ιόν (ion-gated channels) ή ένα νουκλεοτίδιο (nucleotide-gated channels). Τα πιο κοινά ιοντικά κανάλια είναι αυτά τα οποία είναι διαπερατά κυρίως στα ιόντα K +. Αυτά βρίσκονται στην κυτταρική µεµβράνη σχεδόν όλων των ζωικών κυττάρων. Ένα βασικό χαρακτηριστικό αυτών των καναλιών είναι πως παραµένουν ανοιχτά ακόµα και όταν δεν δέχονται κάποιο ερέθισµα και για αυτό κάποιες φορές ονοµάζονται και κανάλια διαρροής K +. Αν και αυτή η κατηγορία καλύπτει µια ποικιλία διαφορετικών καναλιών K + όλα αυτά έχουν έναν κοινό σκοπό: έχουν έναν σηµαντικό ρόλο στην διατήρηση του δυναµικού σε όλα τα είδη των κυτταρικών µεµβρανών κάνοντας την κυτταρική µεµβράνη πιο διαπερατή στα ιόντα K + σε σχέση µε τα άλλα ιόντα Όπως αναφέρθηκε ήδη η αντλία Na + -K + βοηθάει στην διατήρηση της οσµωτικής ισορροπίας στην ζωική κυτταρική µεµβράνη κρατώντας την ενδοκυττάρια συγκέντρωση του Na + σε χαµηλά επίπεδα. Επειδή υπάρχουν λίγα ενδοκυττάρια ιόντα Na + άλλα κατιόντα πρέπει να υπάρχουν σε επαρκείς ποσότητες ώστε να κρατούν σε ισορροπία το φορτίο από τα ανιόντα µέσα στο κύτταρο. Αυτόν τον ρόλο τον αναλαµβάνουν κυρίως τα ιόντα K + τα οποία εισέρχονται µέσα στο κύτταρο µέσω της αντλίας Na + -K + και µπορούν να κινούνται εύκολα µέσα και έξω από το κύτταρο διαµέσου των καναλιών διαρροής K +. Εξαιτίας της παρουσίας αυτών των καναλιών η συγκέντρωση του K + επέρχεται σχεδόν σε µια δυναµική ισορροπία από όπου στην µια µεριά έχουµε τα ανιόντα να έλκουν τα ιόντα K + µέσα στο κύτταρο και από την άλλη τα ιόντα K + να εξέρχονται από το κύτταρο λόγω της διαφοράς ενδοκυττάριας και εξωκυττάριας συγκέντρωσης. Το δυναµικό της µεµβράνης οφείλεται κυρίως σε αυτήν υλοποίηση της ηλεκτρικής δύναµης της οποίας η τιµή ισορροπίας µπορεί να υπολογιστεί από την απότοµη κλίση της διαφοράς συγκέντρωσης K +. 15

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία 3.2.4 Ηλεκτροχηµικά κανάλια κατιόντων Έναν ειδικό τύπο ιοντικών καναλιών αποτελούν τα ηλεκτροχηµικά κανάλια κατιόντων. Αυτά τα κανάλια είναι ειδικά διότι εξαιτίας αυτών έχουµε την δηµιουργία του δυναµικού στα κύτταρα. Γενικά το υναµικό ράσης προκαλείται από την εκπόλωση της κυτταρικής µεµβράνης η οποία συνεπάγεται µετατροπή του δυναµικού της µεµβράνης σε µια πιο αρνητική τιµή. Στα νευρικά και µυϊκά κύτταρα ένα ερέθισµα το οποίο προκαλεί µία αισθητή εκπόλωση για λίγο εξαναγκάζει τα ηλεκτροχηµικά κανάλια Na + να ανοίξουν επιτρέποντας έτσι ένα µικρό ποσό ιόντων Na + να εισέλθει στο κύτταρο προκαλώντας µία ελάττωση του ηλεκτροχηµικού δυναµικού. Έτσι η εισαγωγή στο κύτταρο θετικού φορτίου εκπολώνει την µεµβράνη ακόµα περισσότερο προκαλώντας το άνοιγµα ακόµα περισσότερων καναλιών Na + και η οποία διαδικασία αυτή προκαλεί επιπλέον εκπόλωση. Αυτή η διαδικασία επαναλαµβάνεται και αυτοενισχύεται µέχρι που το ηλεκτρικό δυναµικό στην τοπική περιοχή της µεµβράνης να µετατοπιστεί από την τιµή ηρεµίας (περίπου -70 mv) σχεδόν στην τιµή ιοντικής ισορροπίας του Na + (περίπου +50 mv). Σε αυτό το σηµείο όταν η ηλεκτροχηµική δύναµη κίνησης της ροής Na + φτάσει σχεδόν να µηδενιστεί, το κύτταρο φτάνει σε µία νέα κατάσταση ηρεµίας µε όλα τα κανάλια Na + µονίµως ανοιχτά. Το κύτταρο σώζεται από µία τέτοια µόνιµη κατάσταση ηλεκτρικού σπασµού από δύο µηχανισµούς που δρουν σε συντονισµό µεταξύ τους: απενεργοποιούνται τα κανάλια Na + και ανοίγουν τα ηλεκτροχηµικά κανάλια K +. Τα κανάλια Na + διαθέτουν έναν αυτόµατο µηχανισµό απενεργοποίησης ο οποίος προκαλεί τα κανάλια να κλείσουν ακόµα κι εάν η µεµβράνη είναι εκπολωµένη. Τα κανάλια αυτά παραµένουν σε αυτήν την απενεργοποιηµένη κατάσταση µέχρι να περάσουν µερικά msec από την στιγµή που το δυναµικό της µεµβράνης ξαναπάρει την αρχική του αρνητική τιµή. Με αυτόν τον τρόπο ένα τέτοιο κανάλι νατρίου µπορεί να βρίσκεται σε µία από τις τρεις εξής καταστάσεις: κλειστό, ανοιχτό και απενεργοποιηµένο. 16

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία Σχήµα 3.4 Τα ηλεκτροχηµικά κανάλια κατιόντων και η λειτουργία τους Τα ηλεκτροχηµικά κανάλια K + προσφέρουν έναν δεύτερο µηχανισµό στα περισσότερα νευρικά κύτταρα για να επανέλθει το ηλεκτρικό δυναµικό της µεµβράνης γρηγορότερα πίσω στην αρχική του αρνητική τιµή και τα καθιστά µε αυτόν τον τρόπο έτοιµα να δεχτούν έναν δεύτερο παλµό. Αυτά τα κανάλια ανοίγουν κι έτσι η προσωρινή εισροή των ιόντων Na + σαρώνεται από την εκροή των K + που µε την σειρά τους οδηγεί γρήγορα το δυναµικό της µεµβράνης πίσω στην τιµή ηρεµίας του καλίου ακόµα και πριν πραγµατοποιηθεί τελείως η απενεργοποίηση των καναλιών Na +. Αυτά τα κανάλια K + ανταποκρίνονται στις αλλαγές του δυναµικού της µεµβράνης όπως και τα κανάλια Na + αλλά µε ελάχιστα µικρότερη ταχύτητα και για αυτόν το λόγο ονοµάζονται κάποιες φόρες καθυστερηµένα κανάλια K + (delayed K + channels). Όπως τα κανάλια Na + έτσι κι αυτά µπορούν να απενεργοποιηθούν. Η περιγραφή που µόλις δόθηκε για το υναµικό ράσης αφορά µόνο ένα µικρό κοµµάτι της κυτταρικής µεµβράνης. Η αυτοενισχυόµενη εκπόλωση της περιοχής αυτής είναι ικανή να εκπολώσει µε την σειρά της τις γειτονικές περιοχές και οι οποίες µε την σειρά τους δρουν µε τον ίδιο τρόπο µεταδίδοντας το κύµα της εκπόλωσης σε όλη την κυτταρική µεµβράνη. 17

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία 3.3 Το υναµικό ράσης (Action Potential, AP) Τώρα ερχόµαστε στο πιο σηµαντικό κοµµάτι της ηλεκτροφυσιολογίας του κυττάρου το οποίο σχετίζεται µε την καρδιά: το υναµικό ράσης (AP). Μέχρι τώρα έχουµε αναφέρει για την ηλεκτρική δραστηριότητα των κυττάρων για να παρουσιάσουµε την δραστηριότητα των ηλεκτροχηµικών καναλιών χωρίς να µας απασχολεί η αιτία τη ηλεκτρικής αυτής συµπεριφοράς. Όταν έχουµε συνθήκες ισορροπίας, κατά τις οποίες δεν υφίσταται µεταφορά ιόντων διαµέσου της κυτταρικής µεµβράνης, µπορούµε να µιλήσουµε για το δυναµικό ισορροπίας της κυτταρικής µεµβράνης (resting membrane potential) σε ένα ιδανικό κύτταρο. Αυτό το δυναµικό λαµβάνει τιµές από 50 µέχρι 100 mv µε το εσωτερικό του κυττάρου να έχει πιο αρνητική τιµή σε σχέση µε τον εξωκυττάριο χώρο. Αυτό το δυναµικό δηµιουργείται από µία µικρή ανισοκατανοµή των ιόντων µέσα κι έξω από ένα ζωντανό κύτταρο και διατηρείται από διάφορους παράγοντες ένας εκ των οποίων παρουσιάστηκε και πριν, η αντλία Na + -K +. Η αντλία αυτή αντλεί συνεχώς Na + έξω από το κύτταρο και K + µέσα σε αυτό. Με αυτόν τον τρόπο προκαλείται η ενδοκυττάρια συγκέντρωση των ιόντων K +, [K + ] i, να είναι 35 φορές µεγαλύτερη σε σχέση µε την εξωκυττάρια συγκέντρωση αυτών και από την άλλη µεριά η ενδοκυττάρια συγκέντρωση των ιόντων Na +, [Na + ] i, να είναι 20 φορές χαµηλότερη σε σχέση µε την εξωκυττάρια συγκέντρωση αυτών. Επιπλέον η χαµηλή αγωγιµότητα της κυτταρικής µεµβράνης για τα ιόντα Na + σε συνθήκες ισορροπίας προκαλεί την µεµβράνη να είναι ελάχιστα διαπερατή στα ιόντα αυτά. Για αυτό τον λόγο η διαφορά της συγκέντρωσης των ιόντων Na + δεν µπορεί να εξαλειφθεί µε άµεση διάχυση των ιόντων αυτών πίσω στον ενδοκυττάριο χώρο. Από την άλλη πλευρά η υψηλή αγωγιµότητα της κυτταρικής µεµβράνης για τα ιόντα Na + σε συνθήκες ισορροπίας προκαλεί την µεµβράνη να είναι αρκετά διαπερατή στα ιόντα αυτά έτσι ώστε να διαχέονται διαµέσου της µεµβράνης από το ενδοκυττάριο υγρό (ICF) προς το εξωκυττάριο υγρό (ECF). Αυτή η διάχυση µε την βοήθεια της θετικής φόρτισης των ιόντων K + οδηγεί στην δηµιουργία ενός ηλεκτρικού δυναµικού ανάµεσα στις δύο επιφάνειες της κυτταρικής µεµβράνης. Σαν αποτέλεσµα αυτού του γεγονότος το δυναµικό της µεµβράνης l, E m, παίρνει περίπου την τιµή του δυναµικού 18

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία ισορροπίας των ιόντων K +, E K, και εξαιτίας της µικρής διάχυσης των ιόντων Na + το δυναµικό σε συνθήκες ισορροπίας είναι ελάχιστα πιο αρνητικό από το E K. Γενικά το δυναµικό της µεµβράνης αποτελεί ιδιότητα όλων των ζωντανών κυττάρων αλλά ο ερεθισµός είναι ιδιότητα µόνο κάποιων εξειδικευµένων κυττάρων: των νευρικών και των µυϊκών. Αυτού του είδους τα κύτταρα ανταποκρίνονται σε ένα ερέθισµα προκαλώντας αλλαγές στις τιµές της αγωγιµότητας των ιόντων και του δυναµικού της µεµβράνης. Αν το ερέθισµα αυτό πάρει µια τιµή πάνω από ένα συγκεκριµένο όριο, κατώφλι, µε σύνηθες τιµές από 10 µέχρι 20 mv πάνω από το δυναµικό ισορροπίας,, δηµιουργείται ένα υναµικό ράσης. Αυτό το δυναµικό για την περίπτωση των νευρικών κυττάρων είναι το ηλεκτρικό σήµα που µεταφέρεται από αυτά και οδηγεί τα µυϊκά κύτταρα σε σύσπαση. Σχήµα 3.5 Οι κινήσεις των ιόντων κατά την διάρκεια του υναµικού ράσης Ένα ερέθισµα πρώτα προκαλεί τα κανάλια των ιόντων Na + να ανοίξουν. Επειδή υπάρχουν πιο πολλά ιόντα Na + στο εξωτερικό, και επειδή το εσωτερικό είναι σχετικά πιο αρνητικό σε σχέση µε το εξωτερικό, τα ιόντα αυτά κυλάνε µέσα στο κύτταρο. Έτσι το 19

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία εσωτερικό αποκτά ολοένα και πιο θετικό φορτίο εξαιτίας των θετικά φορτισµένων ιόντων Na + και τελικά εκπολώνεται. Τα κανάλια των ιόντων K + αργούν να ανοίξουν αλλά µόλις συµβεί αυτό ιόντα K + φεύγουν έξω από το κύτταρο αντιστρέφοντας έτσι την διαδικασία εκπόλωσης. Επίσης περίπου την στιγµή αυτή τα κανάλια Na + αρχίζουν να κλείνουν. Αυτό προκαλεί το υναµικό ράσης να προσπαθεί να επανακτήσει την αρχική του τιµή ισορροπίας και αυτή η διαδικασία λέγεται επαναπόλωση. Το υναµικό ράσης στην πραγµατικότητα ξεπερνάει την τιµή της ισορροπίας, υπερπόλωση, εξαιτίας των καναλιών K + τα οποία παραµένουν ανοιχτά λίγο παραπάνω. Σταδιακά οι συγκεντρώσεις των ιόντων και το δυναµικό της µεµβράνης επιστρέφει στις τιµές ισορροπίας. Για ένα µικρό χρονικό διάστηµα µετά τη φάση της εκπόλωσης το νεύρο ή ο µυς δεν µπορεί να ερεθιστεί ούτε και από το πιο ισχυρό ερέθισµα. 3.4 Το υναµικό ράσης στο καρδιακό κύτταρο Μέχρι τώρα έχουµε δει τα γενικά χαρακτηριστικά του κυττάρου. Από εδώ και πέρα θα αναφερθούµε πιο συγκεκριµένα σε αυτό το είδος κυττάρου που µας ενδιαφέρει στην παρούσα µελέτη: στο καρδιακό κύτταρο. Παρατηρούµε πως σε ένα καρδιακό µυϊκό κύτταρο η ιοντική κατανοµή στην κυτταρική µεµβράνη είναι η ίδια σε σχέση µε άλλου είδους διεγέρσιµα κύτταρα αλλά το υναµικό ράσης είναι διαφορετικό και ιδιαίτερα η διάρκεια του. Η διάρκεια του υναµικό ράσης στα µυϊκά καρδιακά, στα νευρικά και στα απλά µυϊκά κύτταρα είναι αντίστοιχα της τάξης των 200 ms, 1 ms και 10. Η αιτία για την περισσότερη διάρκεια αυτή είναι η επιρροή των ιόντων του ασβεστίου τα οποία δεν παίζουν τόσο σηµαντικό ρόλο στα υπόλοιπα κύτταρα. Το συγκεκριµένο υναµικό ράσης έχει 5 στάδια (0-4): Στάδιο 4: Εδώ έχουµε το δυναµικό ηρεµίας και περιγράφει το δυναµικό στην κυτταρική µεµβράνη όταν δεν υφίσταται κανένα ηλεκτρικό ερέθισµα το κύτταρο. Από την στιγµή που δηµιουργηθεί κάποιο είδος ερεθισµού ξεκινάει µια σειρά µετακινήσεων, εισροών και εκροών, πολλαπλών ιόντων,θετικών και αρνητικών, που όλα µαζί προκαλούν το υναµικό ράσης στο κύτταρο µεταφέροντας έτσι τον ηλεκτρικό ερεθισµό και στα υπόλοιπα κύτταρα που είναι προσκολληµένα γύρω του. Έτσι µε αυτόν τον τρόπο µεταφέρεται η ηλεκτρική εκκένωση σε όλα τα µυϊκά κύτταρα της καρδιάς. Το στάδιο αυτό συσχετίζεται µε την διαστολή των θαλάµων της καρδιάς. 20

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία Στάδιο 0: Στο στάδιο αυτό έχουµε µία γρήγορη ηλεκτρική εκπόλωση και η κλίση της καµπύλης στο σηµείο αυτό µας δείχνει το µέγιστο ρυθµό εκπόλωσης στο κύτταρο και το δυναµικό εκεί παίρνει την τιµή V max. Αυτό συµβαίνει εξαιτίας του ανοίγµατος των γρήγορων καναλιών του Na + και την επακόλουθη γρήγορη αύξηση της αγωγιµότητας της µεµβράνη στο Na + (g Na ) και της γρήγορης εισροής του ιοντικού ρεύµατος I Na. Η ικανότητα του κυττάρου να ανοίγει τα γρήγορα κανάλια Na + κατά την διάρκεια του Σταδίου 0 συσχετίζεται µε το δυναµικό της µεµβράνης την στιγµή της διέγερσης. Εάν το δυναµικό της µεµβράνης βρίσκεται στην βασική του στάθµη (περίπου -85 mv), όλα τα γρήγορα κανάλια Na + είναι κλειστά και η διέγερση αυτή θα τα ανοίξει όλα προκαλώντας µε αυτόν τον τρόπο την µεγάλη εισροή ιόντων Na +. Εάν όµως το δυναµικό της µεµβράνης είναι λιγότερο αρνητικό από την παραπάνω τιµή κάποια από τα γρήγορα κανάλια Na + θα είναι σε απενεργοποιηµένη κατάσταση κι έτσι µη ικανά για να ανοίξουν, προκαλώντας µε αυτόν τον τρόπο µια µικρότερης κλίµακας αντίδραση στην διέγερση της κυτταρικής µεµβράνης και µικρότερο δυναµικό V max. Για αυτόν τον λόγο αν το δυναµικό της µεµβράνης σε κατάσταση ηρεµίας πάρει πολύ θετική τιµή το κύτταρο παύει να είναι ικανό να διεγερθεί. Στάδιο 1: Το στάδιο 1 προκύπτει µε το κλείσιµο των γρήγορων καναλιών Na Τα στάδια 0 και 1 µαζί αντιστοιχούν στα κύµατα R και S του ηλεκτροκαρδιογράµµατος (ECG). Στάδιο 2: Το στάδιο 2 αντιστοιχεί στο τµήµα ST του ECG. Αυτό το σηµείο σταθεροποίησης του καρδιακού δυναµικού διατηρείται από µια ισορροπία ανάµεσα στην κίνηση των ιόντων Ca ++ προς τα µέσα (I Ca ) διαµέσου των L-τύπου καναλιών ασβεστίου και την κίνηση των ιόντων K + (I Ks ) προς τα έξω διαµέσου των αργών ανορθωτικών καναλιών καθυστέρησης ασβεστίου (slow delayed rectifier potassium channels). Το ρεύµα από τον ανταλλαγέα Na-Ca (sodium-calcium exchanger current), (I NaCa ) και το ρεύµα της αντλίας Na/K (I NaK ) παίζουν επίσης κάποιον µικρό ρόλο κατά την διάρκεια του σταδίου 2. Στάδιο 3: Κατά την διάρκεια του σταδίου 3 του υναµικού ράσης τα κανάλια Ca ++ L-τύπου κλείνουν ενώ τα αργά ανορθωτικά κανάλια K + παραµένουν ακόµη ανοιχτά. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται ένα συνεχές κέρδος στο ρεύµα που ρέει προς τα έξω επιτρέποντας έτσι το άνοιγµα περισσότερων ειδών καναλιών K +. Αυτά είναι 21

Κεφάλαιο 3 Κυτταρική φυσιολογία κυρίως τα γρήγορα ανορθωτικά κανάλια καθυστέρησης K + (rapid delayed rectifier channels K + ) (I Kr ) και τα ενδόµυχα ανορθωτικά κανάλια K + (inwardly rectifying K + channels) (I K1 ). Αυτό το συνεχές θετικό κέρδος στο ρεύµα προκαλεί το κύτταρο να επαναπολωθεί. Τα ανορθωτικά κανάλια καθυστέρησης K + κλείνουν όταν το δυναµικό της µεµβράνης αποκατασταθεί στα -80 µε -85 mv ενώ τα ενδόµυχα ανορθωτικά κανάλια K + συνεχίζουν να παραµένουν ανοιχτά και κατά την διάρκεια του σταδίου 4. Το στάδιο 3 αντιστοιχεί στο κύµα Τ στο ECG. Σχήµα 3.6 Σχηµατικό διάγραµµα των σταδίων στο καρδιακό υναµικό ράσης σε σχέση µε την ιοντική κίνηση κατά την διάρκεια αυτού 22

Κεφάλαιο 4 Παθοφυσιολογία της καρδιάς 4. Παθοφυσιολογία της καρδιάς 4.1 Καρδιακές αρρυθµίες Με τον όρο καρδιακές αρρυθµίες καλούµε γενικά τις παθολογικές καταστάσεις στις οποίες δεν έχουµε φυσιολογική δηµιουργία ή διάδοση ηλεκτρικού ερεθίσµατος στην καρδιά. Κανονικά ο φλεβόκοµβος, ως ο φυσιολογικός βηµατοδότης, εκπολώνεται στέλνοντας το κύµα εκπόλωσης στον καρδιακό κόλπο περνώντας από τον κολποκοιλιακό κόµβο, ύστερα από τις ίνες Purkinje και τέλος εκπολώνοντας την κοιλία µε έναν συστηµατικό τρόπο. Στις περιπτώσεις αρρυθµίας η παραπάνω διαδικασία δεν ακολουθείται πλήρως δηµιουργώντας έτσι προβλήµατα. Κάποιες αρρυθµίες αποτελούν κίνδυνο ζωής και θανάτου και µπορούν να αποτελέσουν καρδιακή ανακοπή. Κάποιες άλλες απλά παρουσιάζουν ενοχλητικά συµπτώµατα όπως την επίγνωση διαφορετικού καρδιακού παλµού και δεν είναι επικίνδυνες. Κάποιες άλλες είναι καλοήθεις και φυσιολογικές. Η φλεβοκοµβική αρρυθµία παρουσιάζεται ως αύξηση της καρδιακής συχνότητας κατά την εισπνοή και ελάττωση κατά την εκπνοή. Ο φυσιολογικός καρδιακός παλµός καθορίζεται από τον φλεβόκοµβο ο οποίος είναι µία περιοχή στο πάνω θάλαµο της καρδιάς. Εκεί ειδικευµένα κύτταρα προκαλούν αυθόρµητα ηλεκτρική δραστηριότητα. Στους ενήλικες ένας φυσιολογικός καρδιακός παλµός κυµαίνεται από 60 έως 100 παλµούς το λεπτό. Όταν έχουµε παραπάνω από 100 παλµούς το λεπτό έχουµε ταχυκαρδία. Αυτός ο αριθµός δεν είναι σταθερός κι εξαρτάται από την ηλικία, σε µικρότερες ηλικίες ο ρυθµός αυτός είναι µεγαλύτερος διότι η καρδιά των νέων χτυπάει πιο γρήγορα. Με την γυµναστική ο φλεβόκοµβος αυξάνει τον ρυθµό µε τον οποίο προκαλεί ηλεκτρική δραστηριότητα κι έτσι επιταχύνεται ο ρυθµός. Ο φυσιολογικός γρήγορος αυτός ρυθµός ονοµάζεται φλεβοκοµβική ταχυκαρδία. Οι αρρυθµίες οι οποίες προκαλούνται από γρήγορη και µη φυσιολογική ηλεκτρική δραστηριότητα και προκαλούν ταχυκαρδία είναι επικίνδυνες. Συνήθως όµως οι ταχυκαρδίες είναι ακίνδυνες. Από την άλλη µεριά ένας αργός καρδιακός ρυθµός, βραδυκαρδία, δεν απειλεί συνήθως την ζωή του ασθενή αλλά µπορεί να προκαλέσει 23

Κεφάλαιο 4 Παθοφυσιολογία της καρδιάς συµπτώµατα. Από την στιγµή όµως που θα προκαλέσει συµπτώµατα ίσως θα πρέπει να γίνει εµφύτευση βηµατοδότη. Μια επικίνδυνη µορφή αρρυθµίας είναι η µαρµαρυγή. Η µαρµαρυγή προκαλείται όταν ο καρδιακός µυς έχει µια τρεµουλιαστή κίνηση σε σχέση µε την υγιή ρυθµική κίνηση που παρέχει συνήθως. Η µαρµαρυγή µπορεί να επηρεάσει τους κόλπους (κολπική) ή τις κοιλίες (κοιλιακή). Η κοιλιακή µαρµαρυγή είναι συνήθως επικίνδυνη για την ζωή του ασθενούς. Οι καρδιακές αρρυθµίες συχνά πρώτα ανιχνεύονται µε τον απλό τρόπο της ακρόασης της καρδιάς µε στηθοσκόπιο ή µε την ψηλάφηση του περιφερειακού παλµού. Συνήθως έτσι δεν µπορεί να ανιχνευθεί ο ακριβής τύπος της αρρυθµίας αλλά µπορεί να δοθεί µια γενική κατεύθυνση της καρδιακής συχνότητας κι εάν είναι κανονική ή όχι. εν προκαλούν όλοι οι ηλεκτρικοί παλµοί της καρδιάς ήχο κι έτσι ο καλύτερος τρόπος για να γίνει ένα διαγνωστικό τεστ σχετικά µε την εύρεση του καρδιακού ρυθµού είναι το ηλεκτροκαρδιογράφηµα (ECG). 4.2 Σύνδροµο αιφνιδίου θανάτου λόγω αρρυθµίας (Sudden Arrhythmic Death Syndrome,SADS) Περίπου η 1 στις 20 περιπτώσεις αιφνιδίου θανάτου, 500 περιπτώσεις ετησίως στην Αγγλία, παραµένει χωρίς να βρεθεί η αιτία παρόλο την εξέταση της καρδιάς από ειδικό καρδιολόγο. Έτσι ο πραγµατικός λόγος θανάτου παραµένει ανεξακρίβωτος. Αυτό ονοµάζεται σύνδροµο αιφνιδίου θανάτου λόγω αρρυθµίας (Sudden Arrhythmic Death Syndrome, SADS ) Οι λόγοι για τους οποίους µπορεί το σύνδροµο αυτό να προκαλέσει θάνατο σε ένα νέο άνθρωπο είναι συνήθως κάποια καρδιακή πάθηση όπως καρδιοµυοπάθεια, συγγενής καρδιακή νόσος, µυοκαρδίτιδα, ασθένεια του συνδετικού ιστού (connective tissue disease), πρόπτωση της µιτροειδούς βαλβίδας (mitral valve prolapse) όπως και διάφορες άλλες. Οι ασθένειες τις καρδιάς είναι ο πιο συνηθισµένος λόγος για την παρουσίαση του εν λόγου συνδρόµου ασχέτως ηλικίας. Στους πάνω από 30 χρονών η καρδιακή πάθηση οφείλεται κυρίως σε µπλοκαρίσµατα των αρτηριών που προµηθεύουν την καρδιά µε αίµα., πχ νόσος στεφανιαίας αρτηρίας. Στα νεαρότερα άτοµα και στα παιδιά όµως η αιτία 24

Κεφάλαιο 4 Παθοφυσιολογία της καρδιάς συνήθως δεν βρίσκεται εκεί και θα αναλυθούν ξεχωριστά αργότερα. Κάποιες από αυτές τις ασθένειες κληροδοτούνται και κάποιες άλλες όχι. Κάποιες µπορούν πολύ εύκολα να εντοπιστούν ενώ το άτοµο είναι ζωντανό ενώ κάποιες άλλες παραµένουν αφανείς µέχρι την ώρα του αιφνίδιου θανάτου. Οι συνθήκες που είναι υπεύθυνες για το SADS προκαλούν καρδιακή αναστολή προκαλώντας µία κοιλιακή αρρυθµία (διαταραχή του ρυθµού της καρδιάς) ακόµα κι εάν το άτοµο δεν έχει καµία καρδιακή πάθηση που να οφείλεται στην δοµή της καρδιάς. Υπάρχει µια οµάδα σχετικά σπάνιων παθήσεων που ονοµάζονται ιοντικές καναλοπάθειες (ion channelopathies) οι οποίες επηρεάζουν την ηλεκτρική λειτουργία της καρδιάς χωρίς όµως να µεταβάλουν την δοµή της. Αυτό σηµαίνει πως µπορούν να ανιχνευθούν µόνο σε εν ζωή ασθενείς και όχι µε την µέθοδο της νεκροψίας. Αυτές οι ιοντικές καναλοπάθειες είναι πιθανώς υπεύθυνες για τις 3 µε 4 σε κάθε 10 περιπτώσεις SADS. Στο παρελθόν το SADS ονοµαζόταν Sudden Adult Death Syndrome (Σύνδροµο Αιφνίδιου Θανάτου Ενήλικα) αλλά επειδή επηρεάζει και παιδία ο όρος Sudden Arrhythmic Death Syndrome (Σύνδροµο Αιφνιδίου Θανάτου λόγω Αρρυθµίας) υπερισχύει. 4.3 Καρδιακές ιοντικές καναλοπάθειες (Cardiac Ion Channelopathies) Οι ιοντικές καναλοπάθειες είναι σπάνιες γενετικές καταστάσεις οι οποίες προκαλούνται από ανωµαλίες στο DNA γνωστές και ως µεταλλάξεις. Αυτές οι µεταλλάξεις επηρεάζουν συγκεκριµένα γονίδια, τµήµατα του DNA, τα οποία είναι υπεύθυνα για την παραγωγή των καρδιακών ιοντικών καναλιών. Καθώς ένα ιόν είναι µία χηµική ουσία, όπως νάτριο ή κάλιο, η οποία µεταφέρει ένα ηλεκτρικό φορτίο αν τα κανάλια δεν συµπεριφερθούν µε οµαλό τρόπο τότε δηµιουργείται πρόβληµα στο ηλεκτρισµό που παρέχεται σε έναν µυ άρα και στην ίδια τη λειτουργία του. Το άτοµο τότε µπορεί να παρουσιάσει αρρυθµίες, λιποθυµίες και σε µερικές περιπτώσεις ακόµη και ξαφνικό θάνατο. Συνήθως αυτές οι παθήσεις κληρονοµούνται από τους γονείς αν και µπορούν να εµφανιστούν για πρώτη φορά σε µια οικογένεια και τότε περιγράφονται ως σποραδικές (sporadic). Οι κληρονοµούµενες καναλοπάθειες είναι σε θέση να µας βοηθήσουν να κατανοήσουµε περισσότερα πράγµατα σχετικά µε την παθοφυσιολογία κάποιων πιο 25

Κεφάλαιο 4 Παθοφυσιολογία της καρδιάς κοινών ασθενειών. Όποιος κι εάν είναι ο λόγος για τον οποίο εµφανίζονται σε κάποιον τα πιο κοινά συµπτώµατα είναι η αδυναµία του ασθενή να αθληθεί και η ανεπάρκεια αναπνοής και αυτά οφείλονται στην µη επαρκώς σύσπαση της καρδιάς που προκαλείται µε την σειρά της από την µείωση της λειτουργίας των ιοντικών αντλιών. Η θνησιµότητα παραµένει υψηλή παρά την ήδη υπάρχουσα θεραπεία υπερβαίνοντας το 10% των προχωρηµένων ασθενών ανά χρόνο. Ακόµη κι αν το όνοµα καρδιακή ανακοπή υπονοεί πως η βαθµιαία ελάττωση της καρδιακής ισχύς είναι η πιο πιθανή αιτία θανάτου φαίνεται τελικά πως ο θάνατος των περισσότερων ασθενών που πεθαίνουν ξαφνικά έχει ως αιτία την καρδιακή αρρυθµία. Υπάρχουν αρκετά είδη ιοντικών καναλοπαθειών όπως τα σύνδροµα Long QT (LQTS), Brugada και Short QT (SQTS), η ιδιοπαθής κοιλιακή µαρµαρυγή (Idiopathic Ventricular Fibrillation, IVF) κλπ Πρωτεΐνη Γονίδιο Πιθανή Καναλοπάθεια Nav1.5 SCN5A LQTS, Brugada KCNQ1 KCNQ1 LQTS, SQTS KCNH2 KCNH2 LQTS, SQTS Kir2.1 KCNJ2 LQTS HERG KCNH2 LQTS Πίνακας 4.1 Παραδείγµατα πρωτεϊνών και γονιδίων που προκαλούν καρδιακές καναλοπάθειες 26

Κεφάλαιο 4 Παθοφυσιολογία της καρδιάς Σχήµα 4.1 Μεταλλάξεις αλλάζουν το µονοπάτι από το οποίο κινούνται τα ιόντα κι έτσι εµποδίζουν την κίνηση των ιόντων Σχήµα 4.2 Μεταλλάξεις τροποποιούν τον τρόπο που λειτουργεί η ιοντική πύλη αλλάζοντας τη διαδικασία µε την οποία το κανάλι ανοίγει Σχήµα 4.3 Μεταλλάξεις τροποποιούν τον τρόπο που λειτουργεί η ιοντική πύλη αλλάζοντας την διαδικασία µε την οποία το κανάλι κλείνει Σχήµα 4.4 Όταν το γονίδιο SCN5A αυξάνει την επίδραση του έχουµε το σύνδροµο Long QT 3 (LQTS 3) και όταν έχουµε ελάττωση της επίδρασης του έχουµε το σύνδροµο Brugada ή ιδιοπαθής κοιλιακή µαρµαρυγή (Idiopathic Ventricular Fibrillation,IVF) Σχήµα 4.5 Όταν το γονίδιο KCNQ1 αυξάνει την επίδραση του έχουµε το σύνδροµο Short QT (SQTS) και όταν έχουµε ελάττωση της επίδρασης του έχουµε το σύνδροµο Long QT 1 (LQTS 1) Σχήµα 4.6 Όταν το γονίδιο KCNH2 αυξάνει την επίδραση του έχουµε το σύνδροµο Short QT (SQTS) και όταν έχουµε ελάττωση της επίδρασης του έχουµε το σύνδροµο Long QT 2 (LQTS 2) 27

Κεφάλαιο 4 Παθοφυσιολογία της καρδιάς 4.3.1 Το σύνδροµο Long QT (LQTS) Το σύνδροµο LQT αποτελεί µία σπάνια πάθηση του καρδιακού ηλεκτρικού συστήµατος. Θεωρείται πως επηρεάζει 1 στα 5000 άτοµα µε 3000 θανάτους ετησίως στις Ηνωµένες Πολιτείες. Καθώς η καρδιά αντλεί το αίµα το ηλεκτρικό της σύστηµα χρειάζεται να επαναφορτίζεται ανάµεσα στους χτύπους. Στα άτοµα µε LQTS αυτή η επαναφόρτιση χρειάζεται παραπάνω χρόνο. Αυτό το γεγονός κάνει την καρδιά πιο επιρρεπή σε προβληµατικούς ρυθµούς, αρρυθµίες, που είναι σε θέση να σταµατήσουν την καρδιά να αντλεί το αίµα από και προς όλο το σώµα. Αν η καρδιά τελικά φτάσει να έχει κάποιο τέτοιο είδος προβληµατικού ρυθµού µπορεί το άτοµο να ζαλιστεί ή και να λιποθυµήσει και αν η καρδιά δεν επανέλθει στον φυσιολογικό της ρυθµό αυτό µπορεί να οδηγήσει και στο θάνατο. Προβληµατικοί καρδιακοί ρυθµοί προκύπτουν όταν τα ηλεκτρικά σήµατα της καρδιάς γίνονται ανοργάνωτα κι έτσι υπάρχει ανεπάρκεια ροής του αίµατος. Κάποιοι τέτοιοι ρυθµοί που συσχετίζονται µε το LQTS είναι πολύµορφη κοιλιακή ταχυκαρδία (Torsades de Pointes), κοιλιακή ταχυκαρδία (ventricular tachycardia) και κοιλιακή µαρµαρυγή (ventricular fibrillation). Αν η καρδιά επέλθει σε µία από αυτές τις καταστάσεις µπορεί να προκύψει θάνατος µέσα σε λίγα λεπτά. Ευτυχώς τα άτοµα που πάσχουν από LQTS δεν βιώνουν συνήθως τέτοιους επικίνδυνους καρδιακούς ρυθµούς σε καθηµερινή βάση. Όµως από την άλλη βρίσκονται σε µόνιµο κίνδυνο να βιώσουν κάποιον τέτοιον ρυθµό. Γεγονότα τα οποία προκαλούν στο σώµα εκρήξεις αδρεναλίνης είναι σε θέση να προκαλέσουν αυτούς τους ρυθµούς σε άτοµα LQTS. Έτσι καλό είναι για αυτά τα άτοµα να απέχουν από έντονη φυσική δραστηριότητα και να προσπαθούν να παραµένουν ήρεµα κατά την διάρκεια έντονων συναισθηµατικά γεγονότων. Οι δύο πιο κοινές αιτίες του LQTS είναι γενετικές και συνυφασµένες µε την χρήση φαρµάκων. Το γενετικό LQTS µπορεί να προέλθει από µεταλλάξεις κάποιων γονιδίων. Οι µεταλλάξεις αυτές τείνουν να επιµηκύνουν την διάρκεια του κοιλιακού υναµικού ράσης (ventricular action potential, APD) και µε αυτό τον τρόπο επιµηκύνεται και το διάστηµα QT. 28

Κεφάλαιο 4 Παθοφυσιολογία της καρδιάς Σε µια φυσιολογική καρδιά η εκπόλωση έχει φυσιολογική διάρκεια. Το κάλλιο ρέει έξω από το κύτταρο ώστε να εκπολώσει την καρδιά και το νάτριο ρέει προς τα µέσα ώστε να ενεργοποιήσει την καρδιά Στα άτοµα µε LQTS η εκπόλωση έχει µεγαλύτερη διάρκεια κι έτσι και το διάστηµα QT. Η ροή του καλίου είναι συνήθως µειωµένη και σε κάποιες περιπτώσεις η ροή του νατρίου µπορεί να αυξηθεί Σχήµα 4.7 Σύγκριση ECG και της ιοντικής ροής σε µια φυσιολογική καρδιά και σε µία καρδία που πάσχει από LQTS Έχουµε πολλά είδη LQTS αλλά εµείς θα δούµε λίγο πιο αναλυτικά το καθένα από τα τρία πρώτα, και πιο γνωστά, σύνδροµα LQT: 4.3.1.1 LQTS-1 Το LQTS-1 αποτελεί το πιο κοινό είδος του συγκεκριµένου συνδρόµου αποτελώντας το 40% µε 55% όλων των περιπτώσεων του. Το γονίδιο υπεύθυνο για αυτό είναι το KCNQ1 το οποίο έχει αποµονωθεί στο χρωµόσωµα 11p15.5. Το KCNQ1 κωδικοποιεί το ηλεκτροχηµικό κανάλι καλίου KvLQT1 που εκφράζεται σε υψηλό βαθµό στην καρδιά. Οι µεταλλάξεις του KCNQ1 µπορούν να κληρονοµηθούν µε υπερέχουσα ή υποτελή αυτοσωµατική κληρονοµικότητα µέσα στην οικογένεια 29

Κεφάλαιο 4 Παθοφυσιολογία της καρδιάς Θεωρείται πως το γονίδιο KCNQ1 παράγει µία υποµονάδα άλφα (alpha subunit) που αλληλεπιδρά µε άλλες πρωτεΐνες ώστε να δηµιουργηθεί το κανάλι I Ks που είναι υπεύθυνο για το ρεύµα από τα ανορθωτικά κανάλια καθυστέρησης καλίου (delayed potassium rectifier current) στο καρδιακό υναµικό ράσης. 4.3.1.2 LQTS-2 Αυτό είναι το δεύτερο πιο κοινό είδος του LQTS αποτελώντας το 35% µε 45% των περιπτώσεων του συνδρόµου αυτού. Αυτή η µορφή του LQTS κατά πάσα πιθανότητα περιλαµβάνει µεταλλάξεις στο γονίδιο HERG (Human Ether-a-Go-go Related Gene) στο χρωµόσωµα 7. Το προϊόν του συγκεκριµένου γονιδίου, επίσης γνωστό κι ως KCNH2, αποτελεί µέρος του γρήγορου κοµµατιού στο ανορθωτικό ρεύµα καλίου (IKr). Το συγκεκριµένο ρεύµα είναι η κύρια αιτία για τον τερµατισµό του καρδιακού υναµικού ράσης και για αυτό επιµηκύνει και το διάστηµα QT. Το φυσιολογικό γονίδιο HERG προστατεύει ενάντια στις πρώιµες επαναπολώσεις (early after depolarizations, EADs). Τα περισσότερα φάρµακα που προκαλούν το σύνδροµο αυτό το κάνουν µπλοκάροντας το ρεύµα I Kr µέσώ του γονιδίου HERG. Αυτά περιλαµβάνουν την ερυθροµυκίνη, την τερφεναδίνη και την κετοκοναζόλη. Το κανάλι αυτό είναι πολύ ευαίσθητο 4.3.1.3 LQTS-3 Αυτό το σύνδροµο περιλαµβάνει µετάλλαξη του γονιδίου που κωδικοποιεί την άλφα υποµονάδα του καναλιού νατρίου. Αυτό το γονίδιο βρίσκεται στο χρωµόσωµα 3p21-24 και είναι γνωστό ως SCN5A (όπως επίσης και ως hh1 και NaV1.5). Οι µεταλλάξεις που περιλαµβάνονται στο LQTS3 καθυστερούν την απενεργοποίηση του καναλιού νατρίου έχοντας ως αποτέλεσµα την επιµήκυνση της εισροής νατρίου κατά την διάρκεια της εκπόλωσης. Ένας µεγάλος αριθµός µεταλλάξεων έχει χαρακτηριστεί πως οδηγεί ή επηρεάζει το LQTS3. Το ασβέστιο έχει προταθεί σαν ένας ρυθµιστής του SCN5A και τα αποτελέσµατα του ασβεστίου ίσως αρχίσουν να εξηγούν τον µηχανισµό πίσω από κάποιες µεταλλάξεις που προκαλούν το LQTS3. 30

Κεφάλαιο 4 Παθοφυσιολογία της καρδιάς 4.3.1.4 Θεραπεία Υπάρχουν προς το παρόν δύο κύριες θεραπείες για τα άτοµα που πάσχουν από LQTS: φάρµακα (βήτα δεσµευτές) και εµφυτεύσεις βηµατοδότη. Σε γενικές γραµµές η εµφύτευση χρησιµοποιείται για ασθενείς µε υψηλό ρίσκο ξαφνικού θανάτου. 4.3.2 Το σύνδροµο Brugada 4.3.2.1 Γενικά Το σύνδροµο Brugada είναι µία γενετική διαταραχή που εκδηλώνεται µε ανώµαλα ευρήµατα στο ECG και µε αυξηµένο ρίσκο αιφνίδιου καρδιακού θανάτου. Αποτελεί την πιο κοινή αιτία θανάτου ανάµεσα στους νέους στην Ταϊλανδή και στο Λάος. Αν και τα ευρήµατα σε ECG είχαν πρωτοαναφερθεί από επιζώντες προσωρινής καρδιακής ανακοπής 1989 ήταν µόλις το 1992 που τα αδέρφια Brugada αναγνωρίσανε σε αυτά µία ξεχωριστή κλινική οντότητα ικανή να προκαλέσει αιφνίδιο θάνατο προκαλώντας κοιλιακή µαρµαρυγή στην καρδιά. Το σύνδροµο αυτό οφείλεται σε µία µετάλλαξη στο γονίδιο που κωδικοποιεί το ιοντικό κανάλι νατρίου της κυτταρικής µεµβράνης στα µυϊκά κύτταρα της καρδιάς. Το γονίδιο αυτό, SCN5A όπως και παραπάνω, βρίσκεται στο τρίτο χρωµόσωµα (3p21). Αύξηση της λειτουργίας του γονιδίου αυτού οδηγεί σε επιµήκυνση του καρδιακού υναµικού ράσης. Ο λόγος πίσω από αυτή την επιµήκυνση πιστεύεται πως είναι η αδυναµία του καναλιού νατρίου να προσδέσει όπως θα έπρεπε την ankyrin-g, µια σηµαντική πρωτεΐνη η οποία συνεισφέρει στην αλληλεπίδραση ανάµεσα στα ιοντικά κανάλια και τα στοιχεία του κυτταρικού σκελετού. Αυτή η πάθηση κληρονοµείται µε αυτοσωµατική επικράτεια. Σε µερικές περιπτώσεις η ασθένεια µπορεί να ανιχνευθεί παρατηρώντας χαρακτηριστικά πρότυπα στο ECG που είναι συνεχή ή που µπορούν να έρθουν στην επιφάνεια µε την χρήση συγκεκριµένων ουσιών ή και µε µέχρι τώρα αγνώστους τρόπους. 31