а) Энергетический баланс сердца. Основной источник энергии для сердца — окисление жирных кислот и глюкозы. Когда поступление О2 ограничено, преобладает метаболизм глюкозы, так как при этом образуется больше АТФ на каждую потребленную молекулу О2. Сердце практически не обладает способностью к анаэробному метаболизму (то есть гликолизу), следовательно, его функционирование зависит от О2. Так, функция сердца сразу ухудшается в условиях гипоксии, ишемии, отравления угарным газом.
Метаболизм в состоянии покоя, общая механическая работа, выполняемая сердцем, сократительная способность, сердечный ритм определяют потребление О2 и энергии сердцем. Во время электромеханического сопряжения потребление энергии (гидролиз АТФ) необходимо на двух основных этапах: высвобождение головок миозина из взаимодействия с актином и обратное поступление кальция в саркоплазматический ретикулум.
Механическая работа сердца определяется на диаграмме общей площадью давление-объем, связанной с количеством поперечных мостиков актина-миозина, образующихся во время сокращения. Эта величина зависит от внешней работы, выполняемой сердцем для перекачивания крови из желудочка в аорту (представленная площадью внутри петли давление-объем), плюс энергия, сохраненная в миокарде в конце сокращения.
Для усиления сократимости необходимо увеличение потребления О2, потому что повышенное количество кальция, выделяемого из саркоплазматического ретикулума, требует возросшего потребления АТФ и О2 для перекачки высвобожденного кальция обратно в саркоплазматический ретикулум с помощью АТФ-фазы саркоплазматического ретикулума. Исходя из этих принципов, увеличение ЧСС требует повышенного расхода О2. Если ЧСС увеличивается от 70 до 140 ударов/мин во время ФН/стресса, потребление О2 возрастает почти в 2 раза по сравнению с исходным значением.
б) Сокращение и расслабление:
1. Сердечный цикл. В состоянии покоя сердце человека сокращается с частотой ~1 р/с. При каждом сокращении сердце циклически проходит серию из четырех гемодинамических событий, представленных изменениями давления и объема (рис. 1), а также электрической активности, отражающейся на ЭКЕ Когда сердечная мышца расслаблена в конце диастолы, давление в желудочках находится на уровне покоя (КДД), а объемы желудочков достигают своего максимального значения (КДО).
Рисунок 1. Диаграмма Уиггерса. На диаграмме представлена синхронизированная запись электрокардиограммы, давления в аорте, левом предсердии, левом желудочке и шкалы времени
Давление в аорте снижается, так как кровь, выброшенная в аорту во время предыдущего сокращения желудочка, поступает в периферический кровоток. Сокращение предсердий обеспечивает дополнительное увеличение объема желудочков непосредственно перед систолой желудочков. Сокращение желудочка повышает давление в нем; когда это давление превышает давление в предсердии, митральный клапан закрывается. Но так как давление в ЛЖ остается ниже, чем давление в аорте, аортальный клапан остается закрытым, и во время этой первой фазы сердечного цикла, фазы изоволюметрического сокращения, кровь не поступает и не покидает желудочек.
Во время систолы давление в ЛЖ в итоге превышает давление в аорте — в этот момент аортальный клапан открывается, кровь выбрасывается в аорту, а объем желудочка уменьшается во время фазы выброса сердечного цикла. В конце систолы, когда сокращение достигает максимума, выброс крови прекращается и объемы желудочков минимальны (КСО). Объем выброшенной крови, который называется ударным объемом, определяется как разница между КДО и КСО. ФВ — показатель функции сердца, определяемый как процент КДО, выбрасываемого во время сокращения (ФВ =100 х Ударный объем/КДО). Следующая фаза в цикле наступает, когда сердечная мышца расслабляется, давление в желудочке становится меньше давления в аорте, аортальный клапан закрывается.
Во время этой фазы изоволюметрического расслабления объемы желудочков остаются неизменными, так как митральный и аортальный клапаны снова закрыты. Когда давление в желудочках падает ниже давления в предсердиях, митральный и трикуспидальный клапаны открываются, кровь поступает из предсердий в желудочки во время фазы наполнения.
Эти четыре фазы сердечного цикла можно представить в виде диаграммы объем-давление (рис. 2), которая отображает одномоментное давление в желудочке в зависимости от объема для расчета петли давление-объем. В левых и правых камерах сердца отмечаются схожие эффекты, но в левых отделах давление выше (табл. 1).
Рисунок 2. Петля давление-объем. Левый желудочек начинает заполняться, когда давление в нем падает ниже давления в левом предсердии, и открывается митральный клапан (точка А). Давление в желудочке медленно повышается, так как мышечные волокна растягиваются под действием возрастающего объема. Когда миокард сокращается (точка В), давление в левом желудочке повышается, в результате чего митральный клапан закрывается, кровь остается внутри камеры (фаза изоволюметрического сокращения). Когда давление в левом желудочке становится выше давления в аорте, аортальный клапан открывается (точка С), кровь выбрасывается из левого желудочка. Когда левый желудочек перестает сокращаться, давление в аорте становится выше, чем в левом желудочке, аортальный клапан закрывается (точка D). В течение фазы изоволюметрического расслабления желудочек быстро расслабляется, пока не начнет заполняться снова. Во время физической нагрузки высвобождение норадреналина из симпатических нервных окончаний приводит к усилению сократимости миокарда. В результате в левом желудочке при каждом сокращении создается более высокое давление и выбрасывается больший объем крови
2. Взаимосвязь давления и объема. Объем желудочка коррелирует с длиной его мышц и саркомеров. В ЛЖ с циркулярным поперечным сечением закон Лапласа определяет соотношение между давлением в камере (Р), мышечным напряжением (Т, сила/единица площади поперечного сечения мышцы), толщиной стенки камеры (h) и внутренним радиусом камеры (R):
Р = 2 х Т х h/R.
Силу сокращения определяют кальций и длина сердечной мышцы (рис. 3). Каждая мышца состоит из линейной совокупности саркомерных пучков. Максимальное усилие достигается при длине саркомера ~2,2-2,3 мкм, что приводит к оптимальному сопряжению толстых и тонких нитей. Когда длина саркомера составляет <2,0 мкм, концы тонких нитей соприкасаются друг с другом, что приводит к снижению силы. И наоборот, когда саркомеры растягиваются >2,3 мкм, сила снижается из-за уменьшения степени перекрытия между головками миозина и нитями актина.
Рисунок 3. Закон Франка-Старлинга. Сердечный выброс, представленный в виде ударного объема (конечно-диастолический объем минус конечно-систолический объем), как функция исходного растяжения саркомера. Чем больше исходное растяжение волокон во время диастолы, называемое преднагрузкой, тем большая сила их сокращения во время систолы
Взаимосвязи между длиной и силой, которые определяются с помощью измерения силы, развиваемой при разной длине мышц при одновременном предотвращении сокращения мышцы (изометрические сокращения), характеризуют систолические и диастолические сократительные свойства сердечной мышцы. По мере увеличения длины мышц конечно-систолическая сила возрастает в большей степени, чем конечно-диастолическая сила. Разница в силе между концом диастолы и концом систолы увеличивается по мере возрастания длины мышцы в результате большей силы, развиваемой растянутой мышцей. Это отношение силы к длине сердечной мышцы называется законом Франка-Старлинга.
3. Работа сердца. Эффективность работы ССС отражается на АД, сердечном выбросе (среднем артериальном кровотоке), которые, в свою очередь, зависят от четырех факторов: пред-нагрузки, постнагрузки, сократимости желудочков, ЧСС.
Преднагрузка — степень растяжения саркомеров непосредственно перед систолой, определяется как КДД/КДО. Закон Франка-Старлинга для сердца гласит, что давление в желудочках и сердечный выброс изменяются в зависимости от преднагрузки, поэтому снижение преднагрузки приводит к уменьшению КДО, КДД, пикового давления, ударного объема. И наоборот, повышенная преднагрузка приводит к увеличению давления в желудочке, сердечного выброса в пределах, до которых можно увеличивать давление преднагрузки. Увеличение КДД в ЛЖ от >20-25 мм рт.ст. приводит к экссудации жидкости в альвеолы, отеку легких.
Постнагрузка — напряжение, которое желудочек должен преодолеть, чтобы вытолкнуть кровь. Пиковое АД отражает максимальное напряжение, которое испытывают кардиомиоциты, в соответствии с законом Лапласа (ранее описано как Р =2 х Т х h/R). В отсутствие обструкции выносящего тракта ЛЖ АД отражает постнагрузку кардиомиоцитов, ОПСС, что соответствует тонусу резистивных сосудов. ОПСС — соотношение между средним давлением в артериальной системе (среднее АД минус среднее ЦВД) и сердечным выбросом (СВ): ОПСС = (среднее АД - ЦВД)/СВ. Когда ОПСС увеличивается, соотношение давление-объем смещается таким образом, что пиковое давление увеличивается, тогда как ударный объем и ФВ уменьшаются.
Сократимость сердечной мышцы (сократимость миокарда) или желудочка (сократимость желудочка) — внутренняя способность генерировать силу, независимо от преднагрузки или постнагрузки. Когда сократимость желудочка повышается, соотношение давление-объем изменяется таким образом, что давление, ударный объем, фракция выброса увеличиваются при постоянном объеме преднагрузки и артериальном сопротивлении. Для сравнения: сократимость желудочков уменьшается при ДКМП, сократимость предсердий уменьшается при миопатии предсердий, которая может предшествовать ФП и часто возникать вследствие этой аритмии.
Сердечный выброс измеряется в л/мин и равен количеству крови, выбрасываемой при каждом сокращении сердца (ударный объем в литрах на один удар), умноженному на количество ударов в минуту. В результате сердечный ритм — важный фактор, определяющий работу сердца. Сердечный выброс и среднее АД могут быть связаны с преднагрузкой, постнагрузкой, сократимостью, ЧСС с помощью кривых Франка-Старлинга, которые отображают КДД в зависимости от сердечного выброса/среднего АД.
в) Реакции сердечно-сосудистой системы на стрессовые факторы:
1. Физическая нагрузка (ФН). ФН требует резкого увеличения работы сердца в сочетании с ремоделированием периферического кровообращения, чтобы удовлетворить повышенные метаболические потребности жизненно важных органов и перенаправить кровоток в эти органы. Действительно, потребление О2 при ФН может возрасти в 18 раз. Около трети повышенной потребности в О2 удовлетворяется за счет повышенного извлечения О2 из крови в мышцах (снижение сатурации венозной крови ~с 75 до 25%), а остальное — в результате увеличения сердечного выброса до шести раз.
Увеличение интенсивности работы сердца достигается в основном за счет симпатической стимуляции и снижения тонуса блуждающего нерва, что в совокупности повышает ЧСС, сократимость, ФВ, скорость наполнения, систолическое АД и уменьшает сопротивление (импеданс) аорты.
У молодых здоровых людей ЧСС может повышаться от 60-70 уд./мин в состоянии покоя до 170-200 уд./мин при ФН. Чтобы при такой высокой ЧСС, которая может ограничивать наполнение желудочков и ударный объем, сердечный выброс увеличивался, а не уменьшался, сократимость также должна возрастать за счет феномена Боудича (увеличение силы сердечных сокращений при увеличении ЧСС). Наряду с повышенной сократимостью сердца дилатация аорты и других крупных артерий снижает сопротивление выбросу крови из сердца.
Как усиление сократимости сердца, так и дилатация аорты запускаются одними и теми же сигналами симпатической НС. При увеличении сердечного выброса венозный возврат также должен возрастать для сохранения преднагрузки с целью улучшения сердечной функции по механизму Франка-Старлинга.
В ответ на регулярную ФН (например, у тренированных спортсменов) в сердце может развиваться физиологическая гипертрофия, которую следует отличать от патологической гипертрофии, вызываемой АГ, ИМ, хронической активацией нейрогормональных путей (например, РААС) (рис. 4).
Рисунок 4. Ремоделирование сердца в ответ на нагрузку. Сердце может подвергаться физиологическому ремоделированию в ответ на нормальную физическую нагрузку (регулярная физическая активность) или патологическому ремоделированию (например, при инфаркте миокарда либо в ответ на хроническую артериальную гипертензию). При микрогравитации (полете в космос), потере веса, раковой кахексии, других состояниях, при которых насосная функция сердца уменьшается, возможна атрофия или уменьшение размеров сердца
2. Сердечная недостаточность (СН). СН — неспособность сердца обеспечить достаточный кровоток для удовлетворения метаболических потребностей органов. СН может быть вызвана систолической дисфункцией с перегрузкой объемом, чаще как следствие ИБС (ИМ) или как терминальное последствие АГ. Систолическая СН характеризуется дилатацией камер сердца (смещение вправо взаимосвязи КДД-КДО). При диастолической СН сердце не всегда увеличивается в размерах, а систолическая функция сохраняется. Результаты новых исследований свидетельствуют о нарушении регуляции концентрации кальция внутри кардиомиоцитов в патогенезе слабости как сердечной, так и скелетной мышц, что наблюдается при СН.
3. Старение. Увеличение времени сокращения и расслабления сердечной мышцы, которое часто наблюдается у пожилых людей, может быть связано с гипертрофией миокарда как следствие роста распространенности АГ с возрастом. Постепенное «повышение жесткости» крупных артерий с возрастом увеличивает сосудистое сопротивление, хотя механизм, лежащий в основе этого изменения, неясен. ЧСС, реакция сократительной функции на симпатические сигналы снижаются, что приводит к уменьшению способности приспосабливаться к состояниям с острой перегрузкой, например повышение АД или острый ИМ.
4. Регенерация сердца. Некоторые животные, например рыбки данио-рерио («Дамский чулок»), способны восстанавливать значительные части сердца после травмы за счет того, что предсердные миоциты замещают поврежденные миоциты желудочков. Однако у млекопитающих пролиферация кардиомиоцитов прекращается сразу после рождения. Любое последующее увеличение сердца в ответ на нагрузку (например, АГ) или потеря части миокарда (например, ИМ) сопровождается только гипертрофией уже имеющихся кардиомиоцитов. Исследования показали, что микро-РНК могут активировать пролиферацию и репарацию кардиомиоцитов, позволяя кардиомиоцитам, прошедшим путь дифференцировки, повторно входить в клеточный цикл и пролиферировать.
Микро-РНК — короткие некодирующие РНК, которые уменьшают образование мРНК-мишеней за счет связывания с частично комплементарными последовательностями и снижения экспрессии кодируемых белков. У мышей микро-РНК способны индуцировать регенерацию сердца и предотвращать потерю сердечной функции после ИМ. Эти данные потенциально могут быть использованы для лечения заболеваний сердца. Однако на сегодняшний день терапия стволовыми клетками не оправдала ожиданий при СН и остром ИМ.
Видео физиология регуляции сердца - профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин
