Зміст:
Фізіологія серця
Серце складається з двох окремих м’язових насосів — правого та лівого. До складу кожного входять передсердя та шлуночок, розділені клапаном. До кожного з насосів кров вільно притікає з відповідних вен, та відтікає до відповідної артерії через півмісяцевий клапан, який унеможливлює зворотний тік крові до серця.
Лівий шлуночок — це насос тиску, а правий шлуночок — насос об’єму. Лівий шлуночок також грає роль і у спорожненні правого шлуночка, в який вдається випукла під час систоли міжшлуночкова перетинка.
Серце качає кров до судинного ложа завдяки повторним циклам наповнення та спорожнення серцевих камер — спершу передсердь, а потім і шлуночків. Процеси, що відбуваються у серці від початку одного скорочення до початку наступного, називаються гемодинамічним циклом серця або серцевим циклом (рис. I.A.1-1), у якому вирізняють період діастоли та період систоли.
У період діастоли клапани аорти та легеневої артерії закриті, а передсердно-шлуночкові клапани — відкриті. Кров пасивно (згідно з градієнтом тисків) притікає з вен, через передсердя до шлуночків, спочатку швидко ( фаза швидкого наповнення шлуночків ), далі повільніше ( фаза повільного наповнення ), і наприкінці систола передсердя (зубець P на ЕКГ) активно збільшує на 10–25% об’єм крові у шлуночках. Збільшення об’єму крові у шлуночках супроводжується невеликим зростанням тиску у шлуночках і розтягненням стінок шлуночків, що запускає механізм Франка-Старлінга (див. нижче).
У період систоли електричне збудження клітин серця викликає скорочення шлуночків (комплекс QRS на ЕКГ). Тиск у шлуночках зростає, і передсердно-шлуночкові клапани закриваються ( І тон серця ). Надалі тиск у шлуночках стрімко росте, при незміненому об’ємі шлуночків ( фаза ізоволюмічного скорочення ), і дорівнюватиме тиску в аорті та легеневій артерії, відповідно. Після відкриття клапанів аорти та легеневої артерії розпочинається викид крові до аорти та легеневої артерії ( фаза вигнання ). У подальшому відбувається реполяризація кардіоміоцитів (зубець T на ЕКГ), міокард шлуночків релаксує і тиск у шлуночках знижується нижче рівня тиску у великих артеріях. Після закриття клапанів аорти та легеневої артерії ( ІІ тон серця ) настає фаза ізоволюмічної релаксації . Як тільки тиск у шлуночках упаде нижче тиску у передсердях — відкриються передсердно-шлуночкові клапани та розпочнеться черговий серцевий цикл.
При частоті ритму серця ≈70/хв серцевий цикл триває ≈800 мс, з яких 1/3 припадає на систолу шлуночків. Прискорення серцевого ритму призводить переважно до скорочення періоду діастоли та відносного подовження періоду систоли, що погіршує наповнення шлуночків, та асоціюється з ростом компресійного опору коронарних судин.
У здоровому серці об’єм крові у лівому шлуночку наприкінці періоду діастоли ( кінцево-діастолічний об’єм ) становить 110–120 мл та знижується наприкінці фази вигнання до 40–50 мл ( кінцево-систолічний об’єм ). Об’єм крові, що закачується до аорти за один серцевий цикл ( ударний об’єм ) становить 70–80 мл, що складає 65% кінцево-діастолічного об’єму лівого шлуночка. Це т. зв. фракція викиду лівого шлуночка (ударний об’єм/кінцево-діастолічний об’єм × 100%) — корисний клінічний показник збереження функції серця як насоса.
Серце дорослої людини прокачує 4–5 л крові на хвилину ( хвилинний об’єм серця; серцевий викид ), а у період інтенсивного фізичного навантаження навіть 20–25 л/хв. Хвилинний об’єм здорового серця залежить від (рис. I.A.1-2):
1) ударного об’єму — обумовленого скоротливістю міокарду та величиною післянавантаження серця
Скоротливість — це здатність м’язу до виконання скорочення. Серце людини збудоване з ≈5,5 млрд. поперечно посмугованих клітин міокарду (кардіоміоцитів). Про скоротливість міокарду в цілому свідчать:
1) кількість та якість кардіоміоцитів
2) скоротливість кардіоміоцитів
3) електрофізіологічні механізми, що забезпечують ритмічність скорочення окремих кардіоміоцитів, просторову упорядкованість скорочення (передсердя скорочуються перед шлуночками) та скоординованість у часі (кардіоміоцити шлуночка скорочуються майже одночасно)
4) механізми, що забезпечують кардіоміоцит енергією для скорочення
Потенціали дії та генерування скорочення клітин
Робочі клітини міокарду володіють від’ємним і сталим потенціалом спокою, що становить близько -85 мВ, та не здатні (клітини) до самостійної збудливості. Їх збуджує електричний струм, який проникає через т. зв. щілинні контакти [нексуси] від сусіднього збудженого кардіоміоциту. Якщо сила цього струму є достатньо високою, щоб викликати деполяризацію клітинної мембрани до -65 мВ ( пороговий потенціал ), поетапно розвиваються:
1) зміни проникності мембранних іонних каналів
2) переміщення через мембрану деполяризаційних іонних потоків — натрієвого та кальцієвого L-типу, а у подальшому — реполяризаційних калієвих потоків. Це супроводжується короткотривалим миттєвим зростанням клітинного потенціалу ( потенціал дії ) — рис. I.A.1-3.
Реполяризація є наслідком інактивації натрієвих і кальцієвих каналів, а також відкриття калієвих каналів. Взаємоструктура іонних потоків через ці канали свідчить про тривалість потенціалу дії, рефрактерного періоду (період незбудливості клітини під час активності потенціалу дії) та про довжину інтервалу QT на ЕКГ. Порушення цієї рівноваги (лікарськими засобами, що блокують калієві, натрієві чи кальцієві канали, а також внаслідок генетично обумовлених дефектів у будові цих каналів [напр., вроджені форми синдрому подовженого інтервалу QT]) викликає зміни тривалості потенціалів дії та рефрактерного періоду.
В окремій клітині потенціал дії відіграє роль стартового механізму для скорочення, ініціюючи ланцюг внутрішньоклітинних процесів, т. зв. електромеханічне спряження [cardiac excitation-contraction coupling], яке складається з наступного:
1) зростання внутрішньоклітинної концентрації іонів кальцію (Ca 2+ )
2) активація скоротливих білків
3) скорочення кардіоміоциту
4) видалення Ca 2+ з цитоплазми
5) релаксація кардіоміоциту
Кожен потенціал дії супроводжується відкриттям (активацією) мембранних кальцієвих каналів типу L та переміщенням іонів кальцію за електрохімічним градієнтом всередину клітини. Ca 2+ переміщується до вузького підмембранного простору (“діада”), затиснутого між клітинною мембраною (Т-трубочка) та мембранами термінальних цистерн саркоплазматичного ретикулуму, який є внутрішньоклітинним “складом” Ca 2+ (рис. I.A.1-4). Підвищення концентрації Ca 2+ у діаді викликає наступне: відкриття кальцієвих каналів у мембрані саркоплазматичного ретикулуму (т. зв ріанодинових рецепторів), вивільнення з ретикулуму нагромадженого там Ca 2+ та стрімке підвищення концентрації Ca 2+ у цитоплазмі. У скоротливому апараті Ca 2+ зв’язується зі своїм білковим рецептором — тропоніном C, що уможливлює взаємодію скоротливих білків (актину та міозину) та скорочення клітини пропорційно до кількості комплексів Ca 2+ -тропонін. У подальшому іони Ca 2+ видаляються з цитоплазми, що призводить до релаксації клітини. Більшість іонів Ca 2+ знову захоплюються кальцієвою АТФ-азою саркоплазматичного ретикулуму (SERCA), де і зберігаються до виникнення наступного потенціалу дії, що ініціюватиме наступний цикл кругообігу Ca 2+ у клітині. Решта Ca 2+ видаляється за межі клітини за допомогою мембранного іонного обмінника, що транспортує один іон Ca 2+ з клітини в обмін на проникнення до неї 3 іонів натрію (Na + /Ca 2+ обмінник). Певну роль у видаленні Ca 2+ з клітини відіграє також і кальцієва АТФ-аза клітинної мембрани.
Існує 2 фізіологічні механізми регуляції скоротливості кардіоміоцитів:
1) нейрогенний механізм, при якому клітинний обіг Ca 2+ підлягає модифікації (усі відомі ЛЗ з інотропною дією модифікують клітинний обіг Ca 2+ )
2) механізм Франка-Старлінга, при якому зміни виникають на рівні білків скоротливого апарату.
Однією з причин зниження скоротливості міокарду при серцевій недостатності є процес його ремоделювання. Цей процес включає в себе зміну експресії та/або функції білків внутрішньоклітинного обігу Ca 2+ , у т. ч. зменшення експресії SERCA, зменшення щільності ріанодинових рецепторів та підвищення експресії Na 3+ /Ca 2+ обмінника. Це призводить до зменшення вмісту Ca 2+ у саркоплазматичному ретикулумі та погіршення скоротливості кардіоміоцитів. Поліпшення клінічного стану в результаті лікування супроводжується частковою нормалізацією цих змін, що вказує на центральну роль названих білків у регуляції скоротливості.
Симпатичні та парасимпатичні нервові закінчення розміщені поряд з клітинами синусового вузла і атріовентрикулярного вузла ( AV ), а також у міокарді передсердь, натомість у міокарді шлуночків наявні переважно закінчення симпатичних нервів. Вегетативна нервова система регулює функцію серця шляхом впливу на частоту серцевого ритму, швидкість проведення у AV-вузлі, а також на скоротливість робочих кардіоміоцитів передсердь та шлуночків.
Нейрогенна регуляція скоротливості серця відбувається переважно за посередництвом симпатичної нервової системи. Її медіатори (норадреналін і адреналін), діючи шляхом активації мембранних β-адренергічних рецепторів, викликають активацію протеїнкінази А та фосфорилювання різноманітних білків, відповідальних за клітинну дію цих медіаторів. Фосфорилювання білків іонних каналів у клітинах синусового вузла викликає прискорення їх автоматизму і функції серця. Сила скорочень кардіоміоцитів зростає разом з частотою ритму (у фізіологічних умовах), бо паралельно зі зменшенням тривалості періоду діастоли видалення Ca 2+ з кардіоміоцитів не встигає за поступленням цих іонів; кількість Ca 2+ , що зберігається “на складі” в клітині, збільшується. У робочих кардіоміоцитах фосфорилювання білків викликає зростання активності кальцієвих каналів типу L, SERCA та ріанодинових рецепторів, завдяки чому підвищуються відповідно: поступлення Ca 2+ до клітини, захоплення Ca 2+ за допомогою SERCA та легкість вивільнення Ca 2+ із саркоплазматичного ретикулуму. Наслідком стимуляції симпатичної нервової системи є зростання скоротливості кардіоміоцитів ( позитивний інотропний ефект ), прискорення їх релаксації ( позитивний люзитропний ефект ), прискорення ритму серця ( позитивний хронотропний ефект ), та додатково — прискорення проведення у атріовентрикулярному вузлі ( позитивний дромотропний ефект ).
Молекулярний механізм скорочення
Скорочення кардіоміоцитів можливе завдяки наявності білків скоротливого апарату, що складається з розміщених шеренгою вздовж клітини саркомерів (видимі у мікроскоп структури, що знаходяться між черговими Z-лініями), збудованих з тонких ( актин ) та товстих ( міозин ) філаментів, натягнутих поміж Z-дисками. Під час скорочення філаменти “всуваються” один поміж другого, що призводить до взаємного зближення Z-дисків та зменшення довжини саркомерів. Оскільки скоротливий апарат формує з’єднання з клітинною мембраною (костамери), укорочення саркомерів призводить до укорочення (скорочення) всієї клітини. Клітинна мембрана кардіоміоцитів формує з’єднання з густою сіткою елементів сполучної тканини, що обплітає її. Тому скорочення кардіоміоцитів викликає зміни форми та об’єму в цілому передсердь і шлуночків серця.
Укорочення саркомерів настає у результаті багаторазового повторення циклу формування з’єднань (т. зв. поперечних “місточків” між міозиновими та актиновими філаментами. Викликане потенціалом дії 10-разове зростання концентрації Ca 2+ у цитоплазмі (0,1–1,0 мкмоль/л) та формування комплексів Ca 2+ -тропонін C спричиняє конформаційні зміни у регуляторних білках, з’єднаних з актиновим філаментом (тропоміозин, а також тропоніни: T, I та C). Також відкриваються місця на актині, з якими можуть взаємодіяти т. зв міозинові голівки. Результатом цих взаємодій є пересування відносно себе актинових та міозинових філаментів. Релаксація потребує роз’єднання філаментів та залежить від темпу видалення Ca 2+ з цитоплазми.
Про силу скорочення кардіоміоцитів свідчить кількість “місточків” між міозиновими та актиновими філаментами. Чинники, що обумовлюють кількість “місточків” (і скоротливість) — це:
1) концентрація Ca 2+ у цитоплазмі
2) взаєморозміщення відносно себе актинових та міозинових філаментів на момент початку скорочення
Скоротливість кардіоміоцитів (та всього міокарду) зростає у міру їх пасивного розтягнення у спокої. Механізм Франка-Старлінга регуляції скоротливості міокарду полягає в тому, що саме подовження саркомерів у спокої створює умови для утворення більшої кількості міозинових “місточків”. У самому серці цей механізм працює за допомогою притоку крові до шлуночків у спокої. Це викликає пропорційне до нього [притоку крові] розтягнення у спокої міокарду шлуночків та зростання сили скорочення. Венозне повернення впливає на скоротливість серця через механізм Франка-Старлінга (рис. I.A.1-5). Про регуляторну ефективність механізму Франка-Старлінга свідчить той факт, що у осіб з трансплантованим (і денервованим) серцем добре збережена регуляція хвилинного об’єму.
Автоматизм та проведення електричних збуджень у серці
Джерелом електричних збуджень у серці є пейсмейкерні клітини, тобто спеціалізовані клітини серця, які мають здатність до спонтанного збудження ( автоматизм ). Потенціал спокою пейсмейкерних клітин не є постійним, як у робочих кардіоміоцитів, проте він самостійно зростає у напрямку порогового потенціалу (рис. I.A.1-3). Після його досягнення пейсмейкерна клітина сама збуджується, тобто генерує потенціал дії, який надалі стає джерелом струму, що збуджує сусідні клітини.
Пейсмейкерні клітини серця знаходяться переважно у провідній системі серця. До її складу входять 2 скупчення пейсмейкерних клітин, відомих як синусовий вузол та AV-вузол, а також провідна система шлуночків (пучок Гіса, його ніжки, а також волокна Пуркіньє), створена з клітин Пуркіньє. Фізіологічним пейсмейкером серця є синусовий вузол, оскільки частота його спонтанних збуджень — найвища.
Ритмічне електричне збудження, що спонтанно генерується у синусовому вузлі, локалізованому у правому передсерді, збуджує сусідні клітини правого передсердя, а потім розповсюджується на весь міокард передсердь, щоб наприкінці досягнути AV-вузла, який є єдиним електричним з’єднанням між передсердям та шлуночком (при синдромі преекзитації таких з’єднань більше). Потім через шлуночкову провідну систему збудження досягає міокарду шлуночків. Завдяки швидкому проведенню робочі кардіоміоцити шлуночків збуджуються та змушені скорочуватися майже в один і той самий час (збудження шлуночків триває 80–100 мс). Серцева недостатність супроводжується порушеннями внутрішньошлуночкового проведення, викликаними у т. ч. блокадою лівої ніжки пучка Гіса. У випадку блокади вільна стінка лівого шлуночка збуджується значно пізніше, аніж міжшлуночкова перетинка, результатом чого є диссинхронія систоли шлуночка. Погіршення гемодинамічної функції шлуночка – її негайний наслідок. Віддалені наслідки – зміни у фрагменті вільної стінки з диссинхронією, а саме: активація його скоротливості згідно з механізмом Франка-Старлінга, зростання споживання кисню, порушення експресії та функції білків внутрішньоклітинного обігу Ca 2+ , апоптоз, фіброз та інші зміни, типові для процесу ремоделювання міокарду. Ресинхронізаційна терапія ( CRT ), відповідно рано розпочата, корегує функцію серця та викликає реверсію процесу ремоделювання. Це свідчить про те, що електрична функція є важливою детермінантою гемодинамічної функції серця.
Частота спонтанних збуджень клітин синусового вузла є комбінацією власного ритму клітин синусового вузла та одночасних впливів симпатичної нервової системи (що прискорює синусовий ритм), а також парасимпатичної нервової системи (що сповільнює синусовий ритм). У дорослих осіб у стані спокою вплив симпатичної нервової системи на ритм невеликий. Про це свідчить факт, що блокада β-адренергічних рецепторів сповільнює синусовий ритм на кільканадцять збуджень на хвилину. Натомість атропін, який блокує холінергічні рецептори, в аналогічних умовах викликає підвищення частоти збуджень на ≈40%. Це вказує, що синусовий ритм залишається під домінуючим, сповільнюючим впливом блукаючого нерва.
Швидкість проведення електричних збуджень у тканині серця підвищується разом зі зростанням амплітуди потенціалів дії кардіоміоцитів та електричної провідності щілинних контактів між сусідніми кардіоміоцитами (білкові структури у клітинній мембрані, що формують канали, які поєднують сусідні кардіоміоцити), напр. одна з причин повільного проведення у серці при його недостатності — зменшена експресія конексонів, тобто білків, що формують щілинні контакти.
Амплітуда потенціалів дії є тим вища, чим у клітини більш негативний потенціал спокою. Тому всі чинники, що спричиняють деполяризацію серцевих клітин, викликають зменшення амплітуди їх потенціалів дії та сповільнення проведення. У робочих кардіоміоцитах передсердь та шлуночків, а також у системі Гіса та Пуркіньє — дуже висока амплітуда потенціалів, оскільки залежить від натрієвого потоку. В цих зонах проведення швидке (0,5–2 м/с) і на нього впливають втручання, що модифікують активність натрієвих каналів (антиаритмічні ЛЗ І класу сповільнюють проведення, оскільки блокують натрієві канали). Натомість у клітинах синусового вузла та AV-вузла амплітуда потенціалів невелика, оскільки залежить від кальцієвого потоку типу L. Тому проведення в обох вузлах є дуже повільним (
Енергетика серця та коронарний кровотік
Серце продукує ≈5 кг АТФ на добу і 70–80% цієї кількості використовується для генерації скорочення. Серцевих запасів високоенергетичних сполук (АТФ та креатинфосфату) вистачає тільки на кільканадцять чергових скорочень. З метою підтримки скоротливої функції серця необхідно, щоб вироблення АТФ постійно не відставало від його споживання. Вироблення АТФ у великій кількості безперервно триває усе життя. Його забезпечує аеробне окиснення жирних кислот, глюкози та молочної кислоти, що відбувається у мітохондріях. Серце пристосоване до аеробної продукції АТФ, тому мітохондрії займають 30–40% об’єму кардіоміоцитів, а судини мікроциркуляторного русла — 30–40% об’єму усієї тканини серця. Специфіка коронарного кровообігу полягає в тому, що екстракція кисню з крові серцем складає 60–70%, і в ситуаціях, коли збільшується навантаження на серце і його потреба у кисні — екстракція кисню уже практично не може зростати. Підвищення коронарного кровотоку — це єдиний спосіб підвищення подачі кисню до серця. У здоровому серці коронарний кровотік зростає лінійно, разом зі зростанням навантаження на серце.
Коронарний кровотік (Q) залежить від перфузійного тиску (ΔP, тобто різниці між тиском у аорті та у правому передсерді) та від судинного опору (R), що описується формулою Q = ΔP/R.
Судинний опір обернено пропорційний до четвертого степеня радіуса судини (закон Пуазейля). Оскільки перфузійний тиск у коронарному кровообігу — це радше стала величина, коронарний кровотік регулюють зміни судинного опору.
Коронарний кровообіг можна поділити на 4 функціональні сегменти:
1) великі епікардіальні артерії
2) субендокардіальні артерії (відходять від епікардіальних артерій перпендикулярно углиб міокарду, де багаторазово поділяються на дрібніші судини)
3) мікроциркуляторне русло (артеріоли та венули з діаметром
Загальний опір коронарного кровообігу — це сума опорів, що виникають в усіх судинних сегментах. При нормальному коронарному кровообігу мікроциркуляторне русло, а саме діаметр його судин, визначає 80% судинного опору. Регуляція кровотоку у здоровому серці відбувається переважно шляхом змін поточного напруження гладких м’язів, що формують стінки судин мікроциркуляторного русла (функціональна складова опору). Додатково на опір мікроциркуляторного русла впливає тиск ззовні, створений міокардом, який скорочується (компресійна складова опору).
Поточне напруження гладких міоцитів судин є результатом взаємодії одночасно діючих чинників — вазоспастичних та вазодилятуючих. Головним вазоспастичним чинником судин мікроциркуляторного русла є міогенна активність гладких м’язів, яка полягає в тому, що гладкі міоцити скорочуються пропорційно до зростання перфузійного тиску та розтягнення судинної стінки. Це призводить до того, що загалом кровотік у різних судинних ложах, у т.ч. і коронарний кровотік, залишається незмінним ( феномен ауторегуляції кровотоку ) — рис. I.A.1-6.
Сполуки, які викликають максимальну вазодилятацію та максимальне зростання кровотоку (аденозин, дипіридамол), нівелюють ауторегуляцію, тому залежність між коронарним кровотоком та перфузійним тиском у присутності цих сполук стає лінійною — рис. I.A.1-6.
Коронарний резерв — це максимально можливе зростання коронарного кровотоку, виражене як відсоток коронарного кровотоку (в нормі 300–600%). У здоровому серці коронарний резерв не є фактором, що обмежує фізичне навантаження (в момент максимального навантаження коронарним судинам безперервно доступний ще дилятаційний резерв).
Коронарний резерв зменшується разом із:
1) падінням перфузійного тиску (рис. I.A.1-6)
2) прискоренням ритму серця (див. нижче)
3) ступенем погіршення функції ендотелій-залежної вазодилятації (т. зв. дисфункція ендотелію)
4) зменшенням густини судин мікроциркуляторного русла або їх ремоделюванням (напр., при артеріальній гіпертензії), а також
5) під впливом чинників, які підвищують коронарний кровотік у спокої (напр., анемія).
Зменшення тканинної концентрації кисню, що супроводжує зростання навантаження на серце (перевантажені кардіоміоцити споживають більше кисню), є ключовим стимулом, що викликає дилятацію судин мікроциркуляторного русла (метаболічна регуляція кровотоку). Це відбувається шляхом обмеження проникнення Ca 2+ до гладких міоцитів. Дилятація судин мікроциркуляторного русла тягне за собою падіння загального коронарного опору та пропорційне зростання коронарного кровотоку. Цей механізм забезпечує негайне пристосування коронарного кровотоку до метаболічних потреб серця.
Зростання кровотоку, що залежить від метаболічного чинника, одночасно активує залежну від ендотелію складову регуляції коронарного кровотоку. Ендотелій частково бере на себе тягар регуляції кровотоку та уможливлює подальше реагування мікроциркуляції на метаболічний стимул. Пропорційно до величини кровотоку зростає і т. зв. зсувна сила (сила тертя в’язкої крові по поверхні ендотелію, що вистилає коронарні судини) [shear force], яка стимулює ендотеліоцити до підвищеної продукції оксиду азоту ( NO ), який викликає виражену вазодилятацію.
Численні сполуки, такі як катехоламіни, ацетилхолін, серотонін, АДФ, гістамін та ендотелін 1 виявляють вазодилятуючу чи вазоспастичну дію залежно від функціонального стану ендотелію. У судинах зі здоровим ендотелієм переважає їх ефект, що є наслідком вивільнення NO — тому розвивається дилятація судин. Натомість у судинах з пошкодженим ендотелієм дані сполуки викликають вазоспазм.
Коронарні судини знаходяться в товщі міокарду, який під час систоли стискає судини мікроциркуляторного русла, підвищуючи їх опір. Ця зовнішньосудинна компресія невелика у правому шлуночку, проте дуже велика у субендокардіальному шарі лівого шлуночка (у період систоли шлуночка кровотік у мікроциркуляторному руслі повністю зупиняється!), і знижується у напрямку епікарду. Тому перфузія субендокардіального шару лівого шлуночка можлива лише у період діастоли шлуночка.
Загальний коронарний опір — це сума функціонального та компресійного опору. У здоровому серці метаболічна регуляція судинного опору повністю зрівноважує зростання опору, що супроводжує прискорену ЧСС, а отже серцевий ритм не обмежує коронарний кровотік. Однак це відбувається за рахунок зменшення коронарного резерву. Вплив компресійного опору проявляється натомість у ділянках серця, в яких вичерпаний дилятаційний резерв мікроциркуляторного русла, напр. у місцях, яким забезпечують кровопостачання звужені епікардіальні артерії. У такій ситуації препарати, що сповільнюють ритм серця (напр., β-блокатори), — зменшують компресійну складову опору та поліпшують перфузію ділянки міокарду, що розміщена дистальніше від місця звуження артерії.
Продуктивність серцевого насосу є результатом взаємодії ударного об’єму та частоти серцевого ритму. Ударний об’єм залежить від відношення максимальної сили скорочення м’язу (скоротливості) до величини його навантаження (рис. I.A.1-2).
У камерах серця переважає тиск, який тисне на стінки та генерує в них складову частину сили, що викликає їх розтягнення. Загальна сила, що розтягує стінку, описується терміном “ напруження стінки ” (τ) і є виміром навантаження на стінку як на ціле. В кулястих або циліндричних судинах величину напруження описує закон Лапласа : τ = P × r (τ — напруження, P — тиск у судині, r — радіус її кривизни). З поміж камер серця лише лівий шлуночок має досить постійну форму (середнє між кулею та циліндром), тому тільки у його випадку можлива у певній мірі точна оцінка напруження (навантаження) стінки.
Кардіоміоцити “вписані” у кривизну камер серця та розтягнені під дією напруження стінки. У товстій стінці напруження поділяється на більшу кількість кардіоміоцитів, тому кожен з них розтягується слабше, натомість у тонкій стінці окремі кардіоміоцити більш розтягнені при даному напруженні. Тому виміром сили, що розтягує окремі клітини лівого шлуночка серця (виміром навантаження на них), є напруження лівого шлуночка (τ) поділене на площу поверхні перерізу його міокарду. Ця величина описується терміном “ напруження стінки ” (σ); це є сила, що розтягує окремі кардіоміоцити у період діастоли шлуночка, а також сила, супроти якої відбувається скорочення. Напруження (σ) стінки судини також описує закон Лапласа, який має інший вигляд у випадку кулястих та циліндричних судин. При клінічних дослідженнях зазвичай оцінюють т. зв. циркулярне ( vs поздовжнє) напруження лівого шлуночка, яке розраховують на підставі ехокардіографічного вимірювання короткої вісі лівого шлуночка та товщини його стінки. При наукових дослідженнях розраховують циркулярне напруження лівого шлуночка, використовуючи як рівняння для кулі (σ к ), так і рівняння для циліндра (σ ц ). Ці рівняння мають наступний вигляд:
1) σ к (г/см) = [P × D/4 h (1 + h/D)] × 1,36
(P — тиск у лівому шлуночку, D — коротка вісь лівого шлуночка [D = 2 × радіус кривизни шлуночка], h — товщина стінки лівого шлуночка).
Навантаження на кардіоміоцити лівого шлуночка (σ) зростає разом з тиском у шлуночку і довжиною його короткої вісі (що збільшується разом з об’ємом шлуночка), і є тим більше [навантаження], чим тонша стінка шлуночка. При станах, що супроводжуються зростанням напруження у стінках шлуночків, серце прагне до нормалізації напруження шляхом активації механізму зростання товщини стінки шлуночка. Серцева недостатність — це стан, при якому гіпертрофія міокарду не встигає за зростанням напруження. Споживання кисню серцем, у перерахуванні на грам серцевої тканини, тісно корелює з величиною напруження у лівому шлуночку. Це демонструє, що напруження — зручний вимір навантаження на міокард шлуночка.
Тиск у шлуночку, радіус та товщина стінки, а разом з ними напруження у стінці — невпинно змінюються під час серцевого циклу. Тому з огляду на легкість вимірювання та функціональне значення, напруження лівого шлуночка аналізують зазвичай лише на початку та в кінці ізоволюмічного скорочення шлуночка.
Переднавантаження — це сила, з якою стінка шлуночка розтягується кров’ю наприкінці періоду діастоли (в момент закриття стулок AV-клапану). Його величина є відповідно пропорційна до кінцево-діастолічного тиску та об’єму шлуночка (до радіуса його кривизни). З функціональної точки зору, переднавантаження є чинником, що характеризує рівень активності механізму Франка-Старлінга.
Післянавантаження — це сила, з якою стінка шлуночка розтягується у момент відкриття півмісяцевого клапану аорти. Його величина пропорційна до систолічного тиску та об’єму шлуночка в цей момент. На післянавантаження має вплив саме серце (через об’єм та товщину стінок шлуночка), а також система артерій через зміни судинного опору, які характеризують діастолічний тиск в аорті: тиск в аорті = хвилинний об’єм серця × загальний судинний опір.
Післянавантаження лівого шлуночка — це сила, супроти якої його міокард скорочується у фазі вигнання та виштовхує кров до аорти. Ударний об’єм крові залежить від кінцево-діастолічного об’єму шлуночка, проте переважно від амплітуди укорочення міокарду шлуночка у фазі вигнання.
Часта причина зростання післянавантаження лівого шлуночка — різкий підйом артеріального тиску, що викликає миттєве зменшення ударного об’єму лівого шлуночка, його фракції викиду та одночасне зростання кінцево-діастолічного об’єму, а також розтягнення стінки лівого шлуночка. Таким чином запускається механізм Франка-Старлінга, завдяки якому ударний об’єм та фракція викиду повертаються до початкового стану. Однак це відбувається за рахунок зростання роботи викиду та підвищення енергетичної потреби міокарду. Зростання тиску погіршують спорожнення шлуночка більшою мірою у великих, аніж у малих серцях. Саме тому у осіб зі збільшеним серцем підвищення тиску можуть викликати гостру серцеву недостатність.
Енергетична продуктивність серця як насосу складає 5–20%; тільки такий відсоток енергії, спожитої серцем, використовується для виконання гемодинамічної роботи, а решто перетворюється на тепло. Найбільше енергії потребує створення напруження у стінці шлуночка під час ізоволюмічного скорочення. Енергетичне навантаження на серце росте пропорційно до серцевого ритму, а зростання скоротливості міокарду пов’язане з падінням енергетичної продуктивності серця. Енергетична продуктивність гемодинамічної роботи найвища у осіб, які мають: повільний серцевий ритм, невеликі розміри шлуночка, низький артеріальний тиск та низьку скоротливість міокарду.
19.3: Серцевий цикл
Період часу, який починається зі скорочення передсердь і закінчується шлуночковою релаксацією, відомий як серцевий цикл (рис. \(\PageIndex\) ). Період скорочення, який проходить серце, поки воно перекачує кров в кровообіг, називається систолою. Період розслаблення, який відбувається в міру заповнення камер кров’ю, називається діастолою. І передсердя, і шлуночки піддаються систолу і діастолу, і важливо, щоб ці компоненти були ретельно регульовані та узгоджені, щоб забезпечити ефективне перекачування крові в організм.
Малюнок \(\PageIndex<1>\) : Огляд серцевого циклу. Серцевий цикл починається з систоли передсердь і прогресує до систоли шлуночків, діастоли передсердь і діастоли шлуночків, коли цикл починається знову. Виділяються кореляції з ЕКГ.
Анімація: Серце і серцевий цикл
Натисніть на серце нижче, щоб завантажити анімацію б’ється тепла з діаграмою віггера.
Тиск і витрата
Рідини, будь то гази чи рідини, – це матеріали, які течуть відповідно до градієнтів тиску – тобто вони рухаються з регіонів, які мають вищий тиск, до регіонів, які нижчі за тиском. Відповідно, при розслабленні камер серця (діастоли) кров буде надходити в передсердя з вен, які вище за тиском. У міру надходження крові в передсердя тиск буде підвищуватися, тому кров спочатку буде пасивно рухатися з передсердь в шлуночки. Коли потенціал дії запускає м’язи передсердь скорочуватися (систола передсердь), тиск всередині передсердь підвищується далі, перекачуючи кров в шлуночки. Під час систоли шлуночків підвищується тиск в шлуночках, перекачуючи кров в легеневий стовбур з правого шлуночка і в аорту з лівого шлуночка. Знову ж таки, коли ви розглядаєте цей потік і пов’язуєте його з провідним шляхом, витонченість системи повинна стати очевидною.
Фази серцевого циклу
На початку серцевого циклу розслабляються і передсердя, і шлуночки (діастола). Кров надходить в праве передсердя з верхніх і нижніх порожнистих вен і коронарного синуса. Кров надходить в ліве передсердя з чотирьох легеневих вен. Два атріовентрикулярних клапана, трикуспідального і мітрального клапана, обидва відкриті, тому кров безперешкодно надходить з передсердь і в шлуночки. Приблизно 70-80 відсотків наповнення шлуночків відбувається цим методом. Два півмісячних клапана – легеневий і аортальний клапани – закриті, перешкоджаючи зворотному надходженню крові в правий і лівий шлуночки з легеневого стовбура справа і аорти зліва.
Систола передсердь і діастола
Скорочення передсердь слід за деполяризацією, представленої зубцем Р ЕКГ. Оскільки м’язи передсердь скорочуються від верхньої частини передсердь до атріовентрикулярної перегородки, тиск підвищується всередині передсердь і кров закачується в шлуночки через відкриті атріовентрикулярні (трикуспідальні, і мітральні або двостулкові) клапани. На початку передсердної систоли шлуночки в нормі заповнюються приблизно на 70-80 відсотків своєї ємності за рахунок припливу під час діастоли. Скорочення передсердь, також іменоване «ударом передсердь», сприяє решті 20-30 відсотків наповнення (див. Рис. \(\PageIndex\) ). Систола передсердь триває приблизно 100 мс і закінчується до шлуночкової систоли, так як передсердний м’яз повертається до діастоли.
Систола шлуночків
Шлуночкова систола (див. Рис. \(\PageIndex\) ) слідує за деполяризацією шлуночків і представлена комплексом QRS на ЕКГ. Його можна зручно розділити на дві фази, тривалістю в цілому 270 мс. В кінці передсердної систоли і безпосередньо перед скороченням передсердь шлуночки містять приблизно 130 мл крові у дорослого, що відпочиває в положенні стоячи. Цей обсяг відомий як кінцевий діастолічний об’єм (EDV) або попереднє навантаження.
Спочатку в міру скорочення м’язів шлуночка тиск крові всередині камери підвищується, але воно ще недостатньо високо, щоб відкрити півмісяцеві (легеневі та аортальні) клапани і викидатися з серця. Однак артеріальний тиск швидко піднімається вище артеріального тиску передсердь, які зараз розслаблені і в діастолі. Це підвищення тиску змушує кров текти назад до передсердь, закриваючи трикуспідальний і мітральний клапани. Оскільки кров не викидається з шлуночків на цій ранній стадії, обсяг крові всередині камери залишається постійним. Отже, ця початкова фаза систоли шлуночків відома як ізоволюмічне скорочення , також зване ізоволюметричним скороченням (див. Рис. \(\PageIndex\) ).
У другій фазі систоли шлуночків, фазі викиду шлуночків, скорочення шлуночкової м’язи підвищило тиск всередині шлуночка до такої міри, що воно більше тиску в легеневому стовбурі і аорті. Кров перекачується з серця, відкриваючи легеневий і аортальний півмісяцеві клапани. Тиск, що генерується лівим шлуночком, буде помітно більше, ніж тиск, що створюється правим шлуночком, оскільки існуючий тиск в аорті буде набагато вище. Проте обидва шлуночка перекачують однакову кількість крові. Ця величина називається об’ємом ходу. Обсяг ходу, як правило, буде знаходитися в діапазоні 70—80 мл. Оскільки шлуночкова систола почалася з ЕДВ приблизно 130 мл крові, це означає, що в шлуночку все ще залишається 50-60 мл крові після скорочення. Цей обсяг крові відомий як кінцевий систолічний об’єм (ESV).
Діастола шлуночків
Шлуночкова релаксація, або діастола, слід за реполяризацією шлуночків і представлена зубцем Т ЕКГ. Він також розділений на дві різні фази і триває приблизно 430 мс.
Під час ранньої фази діастоли шлуночків у міру розслаблення шлуночкового м’яза починає падати тиск на кров, що залишилася всередині шлуночка. Коли тиск всередині шлуночків падає нижче тиску як в легеневому стовбурі, так і в аорті, кров тече назад до серця, виробляючи дикротичну виїмку (невелике падіння), що спостерігається в слідах артеріального тиску. Напівмісячні клапани закриваються, щоб запобігти зворотному потоку в серце. Оскільки атріовентрикулярні клапани залишаються закритими в цій точці, зміни обсягу крові в шлуночку не відбувається, тому ранню фазу діастоли шлуночків називають ізоволюмічної фазою розслаблення шлуночків, яку також називають ізооб’ємною фазою розслаблення шлуночків (див. Малюнок \(\PageIndex\) ).
У другій фазі діастоли шлуночків, званої пізньої діастолою шлуночків, так як шлуночковий м’яз розслабляється, тиск на кров всередині шлуночків падає ще далі. Зрештою, він опускається нижче тиску в передсердях. Коли це відбувається, кров надходить з передсердь в шлуночки, штовхаючи відкривати тристулковий і мітральний клапани. Коли тиск падає всередині шлуночків, кров надходить з основних вен в розслаблені передсердя і звідти в шлуночки. Обидві камери знаходяться в діастолу, атріовентрикулярні клапани відкриті, а півмісяцеві клапани залишаються закритими (рис. \(\PageIndex\) ). Серцевий цикл завершений. Малюнок \(\PageIndex\) ілюструє взаємозв’язок між серцевим циклом і ЕКГ.
Малюнок \(\PageIndex<2>\) : Зв’язок між серцевим циклом і ЕКГ. Спочатку розслаблені і передсердя, і шлуночки (діастола). Зубець Р являє собою деполяризацію передсердь і супроводжується скороченням передсердь (систолою). Систола передсердь поширюється до комплексу QRS, в цей момент передсердя розслабляються. Комплекс QRS являє собою деполяризацію шлуночків і супроводжується скороченням шлуночків. Зубець Т являє собою реполяризацію шлуночків і знаменує собою початок шлуночкової релаксації.
Звуки серця
Однією з найпростіших, але ефективних діагностичних методик, що застосовуються для оцінки стану серця пацієнта, є аускультація за допомогою стетоскопа.
У нормальному здоровому серці звучать всього два чутних серцевих звуку : S 1 і S 2. S 1 – це звук, створений закриттям атріовентрикулярних клапанів під час скорочення шлуночків і зазвичай описується як «луб», або перший звук серця. Другий серцевий звук, S 2, є звуком закриття напівмісячних клапанів під час діастоли шлуночків і описується як «дуб» (рис. \(\PageIndex\) ). В обох випадках при закритті клапанів отвори всередині атріовентрикулярної перегородки, що охороняються клапанами, зменшуватимуться, а кровотік через отвір стане більш турбулентним, поки клапани не будуть повністю закриті. Є третій звук серця, S 3, але він рідко чути у здорових осіб. Це може бути звук крові, що надходить в передсердя, або кров, що хитається вперед і назад у шлуночку, або навіть напруження хорди tendineae. S 3 можна почути в молодості, деяких спортсменів і вагітних жінок. Якщо звук чути пізніше в житті, це може свідчити про застійну серцеву недостатність, що вимагає подальших тестів. Деякі кардіологи називають колективні звуки S 1, S 2 і S 3 як «Кентуккі галоп», оскільки вони імітують ті, що виробляються скачущим конем. Четвертий серцевий звук, S 4, є результатом скорочення передсердь, що штовхає кров в жорсткий або гіпертрофічний шлуночок, що свідчить про недостатність лівого шлуночка. S 4 відбувається до S 1 і колективні звуки S 4, S 1 і S 2 називаються деякими кардіологами як «Теннессі галоп», через їх схожість зі звуком, що видається скаче конем з іншою ходою. Кілька людей можуть мати як S 3, так і S 4, і цей комбінований звук називається S 7.
Малюнок \(\PageIndex\) : Звуки серця і серцевий цикл. На цій ілюстрації вісь х відображає час із записом звуків серця. Вісь Y являє собою тиск.
Термін шум використовується для опису незвичайного звуку, що виходить від серця, який викликаний турбулентним потоком крові. Шуми оцінюються за шкалою від 1 до 6, причому 1 є найпоширенішим, найскладнішим звуком для виявлення та найменш серйозним. Найважчим є 6. Фонокардіограми або аускультограми можна використовувати для запису як нормальних, так і аномальних звуків за допомогою спеціалізованих електронних стетоскопів.
Під час аускультації клініцист є звичайною практикою просити пацієнта глибоко дихати. Ця процедура не тільки дозволяє прослуховувати повітряний потік, але також може посилити серцеві шуми. Вдихання збільшує приплив крові в праву частину серця і може збільшувати амплітуду правобічних серцевих шумів. Видих частково обмежує приплив крові в ліву частину серця і може посилюватися лівосторонні серцеві шуми. Малюнок \(\PageIndex\) вказує на правильне розміщення дзвінка стетоскопа для полегшення аускультації.
Малюнок \(\PageIndex\) : Розміщення стетоскопа для аускультації. Правильне розміщення дзвінка стетоскопа полегшує аускультацію. На кожному з чотирьох локацій на грудях чути різний клапан.
Огляд глави
Серцевий цикл включає повне розслаблення і скорочення як передсердь, так і шлуночків, і триває приблизно 0,8 секунди. Починаючи з усіх камер в діастолу, кров пасивно надходить з вен в передсердя і повз атріовентрикулярних клапанів в шлуночки. Передсердя починають скорочуватися (передсердна систола), слідуючи за деполяризацією передсердь, і перекачувати кров в шлуночки. Шлуночки починають скорочуватися (систола шлуночків), підвищуючи тиск всередині шлуночків. Коли шлуночковий тиск піднімається вище тиску в передсердях, кров тече до передсердь, виробляючи перший серцевий звук, S 1 або lub. Оскільки тиск у шлуночках піднімається над двома основними артеріями, кров виштовхує два півмісячних клапана і рухається в легеневий стовбур і аорту у фазі викиду шлуночків. Після реполяризації шлуночків шлуночки починають розслаблятися (діастола шлуночків), а тиск всередині шлуночків падає. Коли шлуночковий тиск падає, спостерігається тенденція до того, що кров витікає назад в передсердя з основних артерій, виробляючи дикротичну виїмку на ЕКГ і закриваючи два півмісячних клапана. Другий серцевий звук, S 2 або dub, виникає при закритті півмісячних клапанів. Коли тиск падає нижче тиску передсердь, кров рухається з передсердь в шлуночки, відкриваючи атріовентрикулярні клапани і відзначаючи один повний серцевий цикл. Клапани перешкоджають зворотному потоку крові. Нездатність клапанів працювати належним чином виробляє турбулентний кровотік всередині серця; результуючий серцевий шум часто можна почути за допомогою стетоскопа.
Переглянути питання
В. Серцевий цикл складається з чітко вираженої фази розслаблення і скорочення. Який термін зазвичай використовується для позначення скорочення шлуночків, поки кров не викидається?
D. ізоволюмічне скорочення