Proprietatile Mecanice ale Cordului Dr. Adelina Vlad Disciplina de Fiziolgie si Neurostiinte UMF Carol Davila Bucuresti
Proprietatile Mecanice ale Miocardului Contractilitate Relaxare functia inotropa functia lusitropa
I. Proprietati Mecanice ale Fibrei Miocardice
Organizarea Aparatului Contractil Fibrele miocardice de lucru prezinta un aspect microscopic striat, si au o structura similara fibrei musclulare scheletice, dar nu identica
Cardiac Muscle vs Skeletal Muscle
Muschiul Scheletic
Sarcomerul
Sarcomerul
Organizarea Ultrastructurala Sarcomerul este alcatuit din agregate proteice, grupate in trei categorii functionale: Proteine contractile: miozina actina Proteine reglatoare: tropomiozina (Tm), troponina (Tn) C, I, T Proteine structurale: atasate filamentelor groase: conectina sau titina, myosin binding protein C, proteina M, myomesina, creatinfosfokinaza MM atasate filamentelor subtiri: nebulina, tropomodulina atasate liniilor Z: alfa-actinina si cap Z
Structura Filamentelor Contractile
Complexul Troponina - Tropomiozina
Proteinele Structurale ale Sarcomerului
Titina
Mecanismul Contractiei
Distributia Calciului
Triada
Tetrada 2 Patru canale de calciu de tip L din membrana tubilor T sunt localizate in proximitatea unui singur receptor rianodinic din membrana cisternelor RS
Cuplul Electro - Contractil
Importanta Ionilor de Calciu in Cuplul E - C In muschiul scheletic cuplul EC nu necesita influx de Ca 2+ prin canalele de tip L din membrana tubilor T, legatura dintre acestea in forma lor activata si receptorii rianodinici prin care Ca va fi eliberat din RS in citosol fiind mecanica Contractia miocitelor depinde de un influx de Ca 2+ per se in cursul PA pentru activarea receptorilor rianodinici din membrana cisternelor RS. Influxul de Ca prin canalele sarcolemale de tip L contribuie la cresterea [Ca 2+ ] i, dar nu este suficient pentru a initia contractia. Este mult amplificat prin eliberarea de Ca 2+ indusa de Ca 2+ din RS prin receptorii rianodinici, care raman deschisi o perioada mult mai lunga de timp decat canalele de tip L
Eliberarea de Calciu Indusa de Calciu 2
Particularitati ale Cuplului EC Initierea Miocardic In muschiul scheletic se realizeaza prin PA transmis de motoneuron prin jonctiunea neuro-musculara, mediata de Ach In miocit PA generat de celule pacemaker este transmis de la o celula la alta prin jonctiuni gap Tubii T: miocitele prezinta in plus fata de fibra scheletica si tubi T orientati axial care interconecteaza tubii T radiari adiacenti Contractia cardiaca necesita influx de Ca 2+ pentru activarea receptorilor rianodinici Cardiomiocitele, bogate in mitocondrii, sunt capabile sa sintetizeze mari cantirati de ATP, necesar atat pentru contractia cat si pentru relaxarea fibrelor
Cuplarea EC in Muschiul Scheletic
Cuplarea EC in Fibra Miocardica
Eliminara Ca 2+ din Citosol After you activate your book, you will get
Relaxarea Fibrei Miocardice Relaxarea proteinelor contractile depinde de: (1) efluxul Ca 2+ catre fluidul extracelular (2) recaptarea Ca 2+ din citosol in RS (3) disocierea Ca 2+ legat la troponina C
2 si 3 depind de mecanisme de reglatoare importante: Fosfolambanul (phospholamban, PLN), o proteina prezenta in membrana RS, inhiba SERCA2a. Fosforilarea PLN sub actiunea anumitor kinaze reduce efectul inhibitor al acestuia asupra SERCA2a, accelerand astfel recaptarea Ca 2+ creste rata relaxarii miocardice (e. g. sub actiunea agonistilor β 1 -adrenergici) Agonistii β 1 -adrenergici accelereaza relaxarea si prin stimularea fosforilarii troponinei I, urmata de o disociere crescuta a Ca 2+ legat la troponina C. Agonistii beta1-adrenergici fosforileaza pompa sarcolemala de Ca si stimuleaza activitatea schimbatorului de Na/Ca prin fosforilarea ATP-azei Na/K creste efluxul de Ca 2+ catre mediul extracelular (1)
Fosforilarea PLN si a TnI Acclereaza Relaxarea
Modularea Fortei Contractile in Cardiomiocit In muschiul scheletic, forta de contractie este controlata prin sumarea temporala si/ sau spatiala a impulsurilor motorii In cardiomiocit sumarea (tetanus, recrutare) nu poate fi folosita ca mecanism de control forta de contractie a miocardului este controlata prin modificarea fortei contractile a fiecarei fibre Functia contractila a cardiomiocitului este reglata prin: Modularea nivelurilor [Ca 2+ ] i Modificarea afinitatii proteinelor reglatoare pentru Ca 2+
Efectele Mediatorilor Chimici Asupra Contractilitatii Norepinefrina creste forta de contractie a miocardului astfel: Actioneaza prin receptori β-adrenergici stimuleaza sinteza AMPc activeaza PKA fosforilarea canalelor de Ca 2+ de tip L = creste influxul de Ca 2+ creste forta de contractie Activarea caii AMPc creste si afinitatea aparatului contractil pt Ca 2+ prin fosforilarea proteinelor reglatoare cresterea fortei generate la o [Ca 2+ ] i data.
Efectele Stimularii Simpatice asupra Contractiei si Relaxarii
Efectele ACh asupra Contractilitatii ACh, actionand asupra receptorilor muscarinici, creste GMPc intracelular fosforilarea GMPc-dependenta a canalelor de Ca 2+ de tip L, la nivelul unor situsuri diferite de cele acesate de kinaza AMPcdependenta scadera influxului de Ca 2+ pe parcursul PA cardiac reducerea fortei de contractie Stimularea parasimpatica are un efect slab asupra functiei contractile datorita distributiei reduse a fibrelor vagale catre miocardul contractil, in schimb injectarea ACh exercita efecte inotrop negative
Glicozizii Cardiaci (Digitala) Inhiba ATP-aza Na/K scade gradientul transmembranar al Na+ este inhibat schimbatorul Na/Ca creste [Ca++]i = efect inotrop pozitiv Digitala
Antagonisti si Agonisti ai Canalelor de Ca 2+ de Tip L After you activate your book, you will get
Agenti Inotropi Pozitivi, cresc [Ca++]i prin: - Stimularea canelor de Ca++ - Inhibarea schimbatorului Na-Ca - Inhibarea pompei sarcolemale de Ca++ Exemple: agonisti adrenergici, glicozizi cardiaci (derivati de digitala), hipercalcemie, hiponatremie, cresterea frecventei de stimulare a fibrelor Negativi, scad [Ca++]i Exemple: blocanti ai canalelor de Ca++ (verapamil, diltiazem), hipocalcemie, hipernatremie, agonisti colinergici, antagonisti betaadrenergici
Relatia Lungime - Tensiune Alungirea fibrei miocardice inaintea initierii contractiei creste forta de contractie Cum? In muschiul scheletic, intinderea precontractila a fibrei confera o mai buna suprapunere a fibrelor de actina si miozina > 2.2 mm 2.2 mm 2 mm 1.4-2 mm
In fibra miocardica, la 85% din lungimea optima este atinsa doar 10-15% din forta maxima Modificarile ultrastructurale nu explica decat partial portiunea ascendenta a relatiei lungime - tensiune Se presupune ca mecanismele responsabile pt acest fenomen implica modificari ale afinitatii TnC pt Ca++ ori ale [Ca++]i
Crestrea fortei de contractie (f, curba rosie) dezvoltata la lungimi crescute ale sarcomerului (SL, sarcomere length) (2.15 mm vs 1.65 mm) in miocardiocit se datoreaza probabil unei sensibilizari induse de lungime pentru Ca++; dimensiuni reduse ale sarcomerului reduc afinitatea TnC pentru Ca++ [Ca++]i (c, curba verde) nu sunt afectate semnificativ de lungimea sarcomerului
Caracteristicile Metabolismului Este predominant aerob Miocardic ATP necesar contractiei si relaxarii miocardice este produs prin fosforilare oxidativa - glicoliza anaeroba Substrat energetic major: acizi grasi, glucoza, lactat; - in inanitie sau in cetoacidoza diabetica: corpi cetonici In conditiile unui aport optim de oxigen: combustia mitocondriala a acizilor grasi niveluri crescute ale ATP-ului si citratului inhiba glicoliza anaeroba
Tulburari Metabolice in Miocardul Ischemic Cand aportul de oxigen este insuficient scade productia de ATP si citrat glicoliza accelerata cresc nivelurile lactatului, scade ph-ul Concentratia mare de lactat si H+ inhiba enzimele caii glicolitice depletie energetica severa moarte celulara In concluzie, in cordul ischemic glicoliza poate genera energie doar cata vreme fluxul sangvin este suficient pentru a preveni acumularea de lactat si protoni = limita dintre hipoperfuzie moderata si severa
II. Proprietatile Mecanice ale Cordului
Contractia Miocardului Ventricular Contractia fibrelor circulare reduce diametrul transversal al cavitatii, scurtarea fibrelor longitudinale reduce axul longitudinal, iar contractia fibrelor oblice stoarce sangele, propulsand-ul din ventricul catre vasele mari Mitrala AP Ao Tricuspida Secventa depolarizarii ventriculare induce intai contractia septului, a apexului, apoi a peretilor liberi si in final scurtarea bazelor, ceea ce favorizeaza expulzarea sangelui in sens ascendent, inspre aorta (Ao) si artera pulmonara (AP) VS VD
O miscare discreta a peretelui liber produce ejectia unui volum important de sange datorita suprafetei sale mari VD expulzeaza o cantitate mare de sange la presiuni ventriculare mici Geometria Contractiei VD
Geometria Contractiei VS Forma conica a cavitatii sale confera VS un raport suprafata/ volum mai mic fata de VD 1 in cursul sitolei VS devine globular, dimensiunea cavitatii reducanduse genereaza presiuni inalte 2
Presiunea sistolica max: 30 mm Hg RIGHT VENTRICULAR PRESSURE AND FLOW LEFT VENTRICULAR PRESSURE AND FLOW Presiunea sistolica max: 130 mm Hg Presiunea telediastolica: 3 mm Hg RV LV Presiunea telediastolica: 10 mm Hg
Aparatul Valvular Valvele cardiace permit deplasarea sangelui intr-un singur sens: A V si V Ao, AP Se deschid pasiv cand presiunea in amonte este mai mare decat presiunea in aval Se inchid pasiv cand presiunea in aval depaseste presiunea din amonte.
Gradiente de Presiune
Ciclul Cardiac Secventa evenimentelor mecanice si electrice care se repeta cu fiecare bataie este numita ciclu cardiac. Consta dintr-o perioada de relaxare numita diastola, in timpul careia cordul se umple cu sange, urmata de o perioada de contractie numita sistola, in cursul careia este expulzata o parte din sangele acumulat in cavitatile cardiace. Durata unui ciclu cardiac este invers proportionala cu frecventa cardiaca (numarul de batai/ minut): Ciclul cardiac = 60 sec/ Frecventa cardiaca La o frecventa de 75 de batai/min, durata unui ciclu cardiac este de 0.8 s
La individul sanatos, durata ciclului cardiac este determinata de pacemakerul sino-atrial Proprietatile electrice ale sistemului de conducere si ale cardiomiocitelor determina durata relativa a contractiei si relaxarii miocardice
Ciclul Cardiac Atrial In cursul diastolei atriile se comporta ca rezervoare de sange; in timpul sistolei ventriculare si al relaxarii izovolumetrice valvele AV sunt inchise, sangele se acumuleaza in atrii iar presiunea intraatriala creste usor, pregatind momentul umplerii ventriculare Sistola atriala Contribuie la umplerea ventriculara (25 30% din aceasta) si la debitul cardiac. Presiuna in AS atinge 7 8 mm Hg, iar in AD, 4 6 mm Hg Desi orificiile de varsare ale venelor nu sunt prevazute cu valve, sangele atrial nu reflueaza in venele mari datorita fibrelor circulare atriale periorificiale si al progresiei contractiei atriale de sus in jos La o frecventa cardiaca de 75 batai/ min (durata ciclului cardiac = 0,8 s), sistola atriala este de 0,1 s, iar diastola atriala, de 0,7 s
Ciclul Cardiac Ventricular Poate fi impartit in patru faze: 1. Contractia izovolumetrica 2. Ejectia 3. Relaxara izovolumetrica 4. Umplera ventriculara Sistola cuprinde fazele 1 si 2, iar diastola, fazele 3 si 4. Pentru un ciclu cardiac de 0,8 s (frecventa cardiaca = 75 batai/ min), sistola ventriculara dureaza aproximativ 0,3 s, iar diastola ventriculara, in jur de 0,5 s
Contractia izovolumetrica (0,05 s) Imediat dupa debutul contractiei, presiunea intraventricuara depaseste presiunea intraatriala valvele atrioventriculare se inchid Presiunea intraventriculara este insa mai mica decat cea din Ao, respectiv AP valvele sigmoide sunt inchise - ventriculul este cavitate inchisa = volumul ramane constant, presiunea creste abrupt - Unele fibre se scurteaza, altele se alungesc ingrosarea peretilor ventriculari, modificarea formei cordului contractia fibrelor nu este izometrica
Faza de ejectie, incepe in momentul deschiderii valvelor semilunare si se desfasoara in doua etape: Ejectia rapida: 0,09 s (1/3 din durata acestei faze); 70% din volumul sistolic este expulzat acum Este atinsa presiunea maxima sistolica (120 130 mm Hg in VS, 25 30 mm Hg in VD) Ejectia lenta: 0,13 s; cuprinsa intre momentul atingerii presiunii maxime ventriculare si inchiderea valvelor semilunare Este expulzat 30% din volumul sistolic Presiunea scade datorita incetinirii contractiei, scaderii volumului de sange din ventriculi si a cresterii acestuia in vasele mari Volumul de sange care trece din ventricul in Ao sau AP se numeste volum sistolic sau volum bataie si este de aprox. 70 ml; este egal pt VS si VD in cursul aceluiasi ciclu cardiac La sfarsitul sistolei in ventriculi ramane o cantitate de sange numita volum telesistolic (50 60 ml)
Relaxarea izovolumetrica (0,08 s) Incepe o data cu inchiderea valvelor semilunare, determinata de scaderea presiunii ventriculare sub cea din Ao, respectiv AP Valvele AV si semilunare fiind inchise, volumul ventricular ramane constant Presiunea scade abrupt datorita relaxarii peretilor ventriculari Se incheie in momentul deschiderii valvelor AV, ca urmare a scaderii presiunii ventriculare sub cea atriala
Umplerea ventriculara Incepe o data cu deschiderea valvelor atrioventriculare Se desfasoara in trei etape: Umplerea ventriculara rapida (0,11 s) Sangele patrunde cu viteza in ventriculi, gradientul presional AV fiind maxim acum Responsabila pentru 2/3 din umplerea ventriculara Umplerea ventriculara lenta (diastazis) (0,19 s) Gradientul presional AV scade prin golirea atriilor si umplerea ventriculilor Volumul si presiunea ventrculara cresc lent Sistola atriala (0,11 s) (vezi ciclul cardiac atrial) Volumul de sange acumulat in ventriculi la sfarsitul acestei faze se numeste volum telediastolic (120 130 ml), si insumeaza volumul bataie si volumul telesistolic
Variatii de volum si presiune in cursul ciclului cardiac al inimii stangi (diagrama Wiggers)
Discret Asincronism intre VS si VD E CI RI Z1: MTPA Z2: APTM
Tensiunea Parietala, Stresul Parietal Tensiunea parietala (T) forta care actioneaza asupra unei felii ipotetice de ventricul, tinzand sa traga marginile acesteia una spre cealalta. Genereaza presiune (p), este principalul determinant al consumului miocardic de oxigen Stresul parietal forta care actioneaza pe unitatea de suprafata p pressure R radius h wall thickness
Legea lui Laplace exprima interrelatia T p in functie de raza (r) si grosimea peretilor (h): Presarcina Postsarcina Frecventa cardiaca Tensiune parietala Contractilitate Consum de oxigen T = pr/2h Presiunea sistolica ventriculara (p) depinde de presiunea din Ao, respectiv AP, numita postsarcina Raza cavitatii venticulare (r) depinde de umplerea ventriculara (VTD), numita presarcina
Legea lui Laplace este utila pentru a intelge conditiile de care depinde necesarul miocardic de oxigen; acesta este - Crescut de: - Cresterea presiunii ventriculare (hipertensiune, stenoza aortica) - Dilatatia ventriculara (crestere diametrului ventricular) - Scazut de: - Hipertrofia venriculara (crestera grosimii peretilor ca raspuns la o suprasolicitare mecanica) - Presiune ventriculara scazuta T = pr/ 2h Normal LV Dilated LV
Volume Ventriculare VS volum sistolic = VTD VTS = 70 ml VTD volum telediastolic = volumul ventricular maxim = 120 ml VTS volum telesistolic = volumul ventricular minim = 50 ml Fractia de ejectie: reprezinta proportia din volumul telediastolic care este expulzata in cursul fazei de ejectiei ventriculara: FE = VS/ VTD = VTD VTS/ VTD Este cel mai utilizat indice care caracterizeaza functia ventriculara Trebuie sa fie mai mare de 0.55
Valori Presionale in Cordul Drept si Stang Presiuni (mm Hg) Presiuni (mm Hg) Atriu drept Atriu stang Media 2 Media 8 Ventricul drept Valoare sistolica max. Valoare telediastolica 25 6 Ventricul stang Valoare sistolica max. Valoare telediastolica 130 10 Artera pulmonara Aorta Media Valoare sistolica max. Valoare telediastolica 25 8 15 Media Valoare sistolica max. Valoare telediastolica 130 80 95 Capilare pulmonare Capilare sistemice Media 10 25
Angiografia Determinarea Volumelor Ventriculare - Este standardul de referinta pentru masurarea volumelor ventriculare - Metoda invaziva - Se injecteaza o substanta radioopaca in ventriculi prin cateterism cardiac drept sau stang - Se obtine o proiectie bidimensionala a volumelor ventriculare functie de timp; permite calcularea valorilor absolute ale volumelor ventriculare
Angiografie Ventriculara Stanga
Cateterism Cardiac Stang si Drept Capilare pulmonare Artera brahiala Artera femurala
Ecocardiografia transtoracica (standard) - Utilizeaza undele ultrasunete, reflectate la limita de separare dintre structuri biologice cu densitati acustice diferite; permite vizualizarea cordului si a vaselor mari - Neinvaziva Modul M (motion) - inregistreaza imagini unidimensionale a componentelor cordului - valorile volumelor ventriculare sunt aproximate grosier Modul B (brightness) - bidimensional, inregistreaza sectiuni reale - Permite masurarea mai precisa a volumelor ventriculare prin sumarea informatiei obtinute din mai multe sectiuni paralele, sau din planuri orientate unul fata de altul sub unghiuri
Ecocardiografie Standard M-mode (Motion) B-mode (Brightnes)
Gated radionuclide imaging - Se obtin imagini ale cavitatilor cardiace cu ajutorul unei camere g dupa injectarea izotopului tehnetiu 99m, care emite unde g - Imaginile au rezolutie scazuta se masoara valori relative ale volumului ventricular - Permite estimarea fractiei de ejectie Rezonanta magnetica nucleara - Inregistraza imagini de rezonanta magnetica nucleara (RMN) a protonilor din apa prezenta in tesutul miocardic si-n sange - Rezolutia temporala este slaba datorita duratei lungi de achizitie
Masurarea Presiunilor Intracardiace Se realizeaza prin cateterism cardiac drept sau stang. Cateter Swan-Ganz Cateter Swan-Ganz inserat intr-o artera pulmonara mica Capilare pulmonare
Cateterism Cardiac Stang si Drept Capilare pulmonare Artera brahiala Artera femurala
Curba Volum - Presiune A C: umplerea ventriculara C D: contractia izovolumetrica D E: ejectia rapida E F: ejectia lenta F A: relaxarea izovolumetrica
Curbe Volum - Presiune Sunt reprezentari grafice ale ciclului cardiac in functie de interrelatia dintre volumul si presiunea ventriculara, care exclud parametrul timp Permit evaluarea conditiilor mecanice in care functioneaza cordul si a eficientei pompei ventriculare in cursul unor situatii fiziologice sau patologice in care interrelatia V P se modifica In conditii experimentale, pe cord izolat, ilustreaza limitele distensiei ventriculare si efectele volumelor ventriculare asupra presiunilor sistolice si diastolice
Lucrul Mecanic Ventricular Cantitatea de energie pe care cordul o converteste in lucru mecanic in cursul fiecarei sistole Lucrul mecanic extern efectuat pentru a mobiliza o greutate pe o anumita distanta este estimat ca produsul dintre forta si distanta: L = F Dx In cazul cordului, presiunea mobilizeaza volume, iar expresia lucrului mecanic extern este: LME = P DV
Aria buclei volum presiune este folosita pentru a calcula lucrul mecanic extern este un parametru de estimare a consumului miocardic de O2
Aria volum presiune necesita monitorizare invaziva pentru obtinerea unor valori cat mai exacte ale V si P In practica medicala lucrul mecanic extern efectuat intr-un minut poate fi aproximat prin calcularea produsului dintre volumul sistolic (VS), valoarea medie a presiunii arteriale (PAS) si frecventa cardiaca (FC): LME = PAS x VS x FC LME este echivalent cu energia convertita in lucru mecanic/minut
Lucrul mecanic extern total insumeaza lucrul V P (aria buclei V P) si energia cinetica sau lucrul kinetic (LK) LMEt = P DV + ½ mv 2 Energia cinetica ½ mv 2, unde m este masa sangelui ejectat iar v, velocitatea ejectiei - reprezinta energia necesara accelerarii coloanei de sange in cursul ciclului cardiac; acopera mai putin de 1% din lucrul extern total in cordul sanatos, dar creste abrupt in stenoza aortica (= ingustarea orificiului valvular aortic)
Lucrul Mecanic Intern LMI este energia potentiala generata de miocard care nu este convertita in lucru extern, ci mentine tensiunea activa si se exteriorizeaza prin energie termica Este costul energetic pentru contractia izometrica Presiunea pe care ventriculul trebuie sa o invinga in cursul ejectiei (presiunea Ao sau din AP) este determinantul major al LMI Formula: k T Dt, unde T este tensiunea in peretele ventricular, Dt timpul in care ventriculul mentine aceasta tensiune, iar k constanta de proportionalitate
Consumul Energetic Total Energia totala transformata pe parcursul unui ciclu cardiac este egala cu suma lucrului mecanic extern total exercitat asupra sangelui si energia potentiala (LMI): CET = P DV + ½ mv 2 + k T Dt Energia provine in special din metabolizarea oxidativa a acizilor grasi, lactatului sau glucozei CET se coreleaza direct cu consumul miocardic de oxigen (QO2)
Randamentul Mecanic al Cordului Este raportul dintre lucrul extern efectuat si costul energetic total din cursul sitolei, LMEt/CET Poate fi definita si ca relatia dintre lucrul mecanic efectuat de miocard si consumul miocardic de oxigen (LMEt/ QO2) Eficienta maxima a cordului sanatos este cuprinsa intre 20 si 25%; in insuficienta cardiaca aceasta poate sa scada pana la 5-10%! Nu trebuie confundata cu eficienta ejectiei ventriculare, care este estimata de fractia de ejectie (FE = VS/ VTD).
Debitul Cardiac Reprezinta cantitatea de sange pompata de fiecare ventricul timp de un minut: Debitul cardiac = Volum sistolic x Frecventa cardiaca DC = 70 ml x 72 batai/ min aprox. 5 litri/ min in conditii de repaus Indicele cardiac = DC raportat la suprafata corporala; valori normale in conditii de repaus: 3.2 ± 0,5 l/ min/ mp de suprafata corporala Este considerat un indicator global al eficientei pompei cardiace
Principiul Conservarii Masei Rata de intrare a masei intr-un sistem in care miscarea este continua, si cresterea masei acumulate in unitatea de timp este nula, trebuie sa fie egala cu rata cu care masa paraseste sistemul Aplicatii in hemodinamica: Pentru a respecta principiul conservarii masei, in doua circuite vasculare conectate in serie, cantitatea de sange care iese dintr-un circuit pe unitatea de timp, trebuie sa fie inlocuita cu un volum egal care provine din cel de-al doilea circuit debitul cardiac al VS si VD trebuie sa se mentina riguros egale pe termen lung
Determinarea Debitului Cardiac Principiul Fick Metoda dilutiei unui indicator Metoda termodilutiei