Il cuore, meccanica cardiaca, legge di Starling

LEZIONE 24

Il cuore Per parlare del cuore è necessario, innanzitutto, studiare quali siano le caratteristiche dello stato di contrazione del cuore sia dal punto di vista elettrico che dal punto di vista meccanico. Nella figura (la prima a sinistra), in nero, è indicato come è disposto il tessuto di conduzione cardiaco, chiamato anche miocardio differenziato, che si configura in un complesso sistema di cellule che compongono il nodo senoatriale, il nodo atrioventricolare (collegato da un setto al nodo senoatriale), e una serie di fascicolazioni di tessuto miocardico differenziato che si dipartono dal nodo atrioventricolare e compongono quello che si chiama fascio di His. Il fascio di His si approfonda nel setto atrioventricolare per poi risalire in corrispondenza dell’apice cardiaco. Il tessuto differenziato rappresenta quello che si chiama pacemaker cardiaco (in inglese pace = ritmo) è quell’elemento che impone il ritmo e determina la frequenza (siamo abituati a pensare al pacemaker intendendo quello costruito dai bioingegneri elettronici per impostare artificialmente il ritmo cardiaco). Il tessuto differenziato funziona da pacemaker fisiologico. Esso è un tessuto muscolare dotato della proprietà di autoeccitarsi. Autoeccitandosi impone un’onda di eccitazione a tutto il miocardio. Il miocardio non è fatto solamente dal miocardio differenziato ma è composto anche dal miocardio comune; quest’ultimo deriva la sua eccitazione dal miocardio differenziato. Il ritmo si genera nel miocardio differenziato e poi si propaga al miocardio comune che sottostà a quanto impartito dal miocardio differenziato. Il potenziale d’azione di un nervo o di un muscolo scheletrico dura circa 1msec; il potenziale d’azione del miocardio differenziato, ed anche del miocardio comune, dura un tempo molto più lungo: tra i 200 e i 250msec. Nella zona B della figura è rappresentata una serie di onde che ripercorrono la strada che l’impulso fa dal punto in cui nasce (nodo senoatriale) al nodo atrioventricolare fino ad arrivare alle propaggini del fascio di His, alle fibre del purkinji, e, poi, alle fibre del miocardio comune del ventricolo. L’andamento del potenziale nel nodo senoatriale e nel nodo atrioventricolare non solo ha una forma diversa dal potenziale d’azione classico ma, inoltre, ha un tempo molto più lungo e, soprattutto, presenta uno slivellamento. A differenza del tessuto miocardico comune (sia nell’atrio, che nel ventricolo, che nel fascio di His) dove c’è una pausa in cui il potenziale rimane costante, nel nodo senoatriale e nel nodo atrioventricolare questo fenomeno del mantenimento per un tratto del potenziale di riposo non si verifica. Si parla, invece, di una zona di autoeccitazione; lo slivello determina l’attività di pacemaker del tessuto differenziato perché, siccome questo slivellamento è spontaneo, una volta che il potenziale si è sviluppato e ritorna al suo punto basale, dove il potenziale è minimo, non rimane (come succede nell’atrio o nel miocardio comune) al suo valore di riposo, ma slivella di nuovo fino a quando non 1

raggiungerà un potenziale, che sarà il potenziale soglia, al quale partirà un nuovo potenziale. L’onda eccitatoria nasce dal nodo senoatriale non presenta una fase in cui il potenziale sia fermo sul valore di riposo; ma c’è una fase in cui c’e uno slivellamento spontaneo del potenziale, che, una volta raggiunta una soglia (intorno a –40 mV), di colpo innesca il potenziale d’azione vero e proprio; quando il potenziale raggiunge un valore superiore a 0 c’è l’inversionae del potenziale, seguita dal ritorno del potenziale verso valori più negativi (intorno ai –65 -70 mV). Vi è, quindi, una prima grossa differenziazione tra il potenziale del tessuto differenziato del nodo senoatriale e di quello atrioventricolare rispetto a quello atriale o ventricolare: il fatto che solo nel tessuto differenziato c’e questo slivellamento spontaneo e automatico del potenziale. La frequenza con cui il nodo senoatriale si autoeccita è stabilita dalle caratteristiche della fibrocellula muscolare differenziata e dai suoi canali, ma, può essere modificata dall’intervento del sistema nervoso autonomo. Il parasimpatico tende a diminuire la frequenza mentre l’ortosimpatico (con il nervo cardiaco simpatico) tende ad aumentarla. Non tutto il tessuto differenziato ha una stessa frequenza di contrazione. Il tessuto differenziato del nodo senoatriale ha una frequenza di attivazione tra i 60 e i 70 battiti al minuto (è quello che ha frequenza maggiore) il nodo atrioventricolare ha una frequenza di scarica più bassa, intorno ai 45/50 battiti al minuto, (in condizioni normali) ancora più bassa è la frequenza di attivazione del pacemaker che può essere visualizzato in alcune fibre del fascio di His. Quindi, siccome la frequenza del nodo senoatriale è superiore alla frequenza di scarica del nodo atrioventricolere e del fascio di His, la frequenza di attivazione dell’intero miocardio è legata all’attività di pacemaker del nodo senoatriale (circa 60/70 battiti al minuto). Nel miocardio comune sia del ventricolo sia dell’atrio si nota la presenza di una fase di platou (la si vede bene particolarmente nel ventricolo). Una volta che il ventricolo viene eccitato, e raggiunge il suo potenziale, una volta raggiunto il potenziale di inversione, il potenziale non torna immediatamente giù ma rimane elevato intorno a 0 per un tempo abbastanza lungo (intorno ai 200msec) quindi scende, e ritorna al valore basale (il fatto che rimanga elevato dipende dai canali del calcio). Vi è, quindi, una zona dove il potenziale insorge, il nodo senoatriale, seguito dal nodo atrioventricolare che partecipa a questo fenomeno di autoeccitazione; questo potenziale viene poi propagato attraverso il fascio di His e da qui, con lo sfiocamento delle fibre del purkinji, arriva a contatto con tutte le fibrocellule miocardiche, del miocardio comune, le quali sono cellule muscolari che, così come le cellule del muscolo scheletrico, vengono eccitate dall’eccitazione portata loro dal tessuto di conduzione. Nel ventricolo e nell’atrio non c’è autoeccitazione ma l’eccitazione è portata o dall’eccitazione diretta dell’atrio, tramite la vicinanza con le cellule del nodo senoatriale, oppure tramite il fascio di His e le fibre del Purkinji se stiamo parlando di ventricolo. Quando le fibre ventricolari vengono eccitate si spostano dal loro potenziale di riposo e si autoeccitano. La necessità di avere un potenziale così lungo deriva dal fatto che vi sono delle fasi di refrattarietà. Vi è una fase di refrattarietà assoluta che dura dall’inizio del potenziale fino alla fine della fase di platou. E’ una fase in cui, data la caratteristica apertura dei canali che fanno entrare gli ioni, la cellula si trova in uno stato dove tutti i canali che sono responsabili del raggiungimento del potenziale positivo sono aperti, quindi, anche se noi stimoliamo di nuovo la fibra in questa fase, essa non può essere stimolata perché è già al massimo di ciò che il potenziale può raggiungere. Non può esserci una risposta aggiuntiva. Se, invece, stimoliamo nel periodo compreso tra la fine della fase di platou e il ritorno al potenziale di riposo, siamo in una fase chiamata di refrattarietà relativa; in essa per poter stimolare nuovamente il miocardio dobbiamo imporre uno stimolo più elevato del normale.

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Questo fenomeno elettrico si accompagna alla fase meccanica della contrazione cardiaca. C’è un accoppiamento temporale molto stretto tra la fase di attività elettrica del miocardio e la fase di contrazione. Per tutta la durata dell’attività elettrica il ventricolo è in sistole. La sistole ventricolare si accompagna alla presenza nelle fibrocellule del potenziale d’azione. Durante la prima fase della sistole ventricolare il miocardio non può essere stimolato a dare una seconda sistole. La sistole deve essere quasi completa perché uno stimolo, più intenso del normale, possa causare l’insorgenza di una seconda sistole. Queste vengono chiamate extrasistoli. Vengono causate da stimoli di intensità molto superiore al normale ed estranei al normale andamento della frequenza cardiaca. Un ciclo cardiaco elettrico corrisponde ad un ciclo cardiaco meccanico. Se nel ciclo cardiaco elettrico si raggiunge la soglia in corrispondenza nel miocardio comune si comincia la contrazione del ventricolo. Nella fase di sistole il ventricolo è contratto (esiste anche una sistole atriale che ha un significato molto più modesto). La fase di sistole ventricolare è temporalmente accoppiata alla fase della stimolazione elettrica del miocardio differenziato ed anche di quello comune perché l’impulso passa immediatamente dal miocardio differenziato a quello comune. Alla fase di sistole segue una fase di diastole che è quella del rilasciamento ventricolare; vi sono, quindi, fasi alternate in cui il ventricolo è contratto oppure il ventricolo è rilasciato. La diastole ha una durata molto più lunga della sistole. A riposo in un soggetto normale ci sono 60/70 battiti/minuto (in un atleta allenato anche 40/45). La frequenza può aumentare fino a 200 battiti/minuto (in media la frequenza massima è di 220 meno l’età). Quanto durano sistole e diastole? Se si considerano 60 battiti/minuto significa che c’è 1 battito al secondo se la fase della sistole è di circa 250/300msec la diastole dura gli altri 700msec, quindi è più lunga la diastole della sistole. Quando aumenta la frequenza cardiaca il tempo di un ciclo cardiaco diminuisce, se da 60 si passa a 180 battiti/minuto la frequenza aumenta di tre volte quindi avremo 3 battiti al secondo ne consegue che ogni battito dura circa 330msec. La sistole potrà ridursi un pochino (invece di 300 diventerà 250) ma quello che si riduce in maniera drastica non è la sistole perché quest’ultima deve comunque verificarsi e si verifica sempre sulla base del potenziale di autoeccitazione che prevede una sequela complessa di apertura di canali del calcio e del sodio che non può variare. Quello che si accorcia molto è la diastole. Per accorciare la diastole basta slivellare con una pendenza maggiore. Per aumentare la frequenza aumentiamo la pendenza di questa fase di slivellamento. Aumentando la pendenza della fase di slivellamento il potenziale soglia viene raggiunto prima. Raggiungendo la soglia il potenziale parte e decorre sempre nello stesso modo.Vedremo che l’incidenza del sistema nervoso autonomo sia del vago che dell’ortosimpatico agiscono modificando questa pendenza: il vago la diminuisce in modo che il potenziale si raggiunga più lentamente e la frequenza diminuisca; l’ortosimpatico l’aumenta di modo che il potenziale soglia venga raggiunto prima e quindi diminuisca la fase di diastole aumentando la frequenza cardiaca.

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E’ necessario esaminare l’andamento del potenziale nel miocardio differenziato prendendo come punto cardine il potenziale che troviamo nel nodo senoatriale da cui insorge tutto il resto. Il potenziale è intorno ai –70/-75 slivella automaticamente, raggiunge una soglia che è intorno ai – 35/-40mV, quando questa soglia viene raggiunta parte il potenziale d’azione che arriva fino a circa +20/+25mV, quindi scende lentamente per arrivare ad un potenziale che non possiamo chiamare potenziale di riposo perché è una condizione instabile è una condizione che raggiunge in maniera transiente per poi risalire con un altro slivellamento automatico. Quali sono gli ioni e quali sono le correnti implicate nel generare questo strano tipo di potenziale? Sono implicati vari tipi di correnti. Le correnti più importanti sono delle correnti di sodio entranti ma, soprattutto, delle correnti di calcio (in più c’è anche la solita corrente di potassio). Il potenziale minimo raggiunto dalla cellula miocardica differenziata è intorno ai –70/–75mV; è meno negativo di quello che abbiamo osservato nella fibra scheletrica o nel muscolo (–80/–90mV) . Questo è dovuto al fatto che le cellule miocardiche, sia differenziate che del miocardio comune, sono abbastanza positive e hanno una permeabilità allo ione sodio più elevata di quella della cellula scheletrica muscolare o del nervo. Il potenziale di slivellamento è presente anche in alcuni muscoli lisci per esempio è presente in alcuni muscoli lisci dell’endotelio del sistema linfatico iniziale. Questo è un sistema di autocontrazione che consente ai vasi linfatici di fungere continuamente da pompa. A cosa è legata questa fase di autodepolarizzazione? E’ una depolarizzazione legata a una corrente entrante che si attiva quando il potenziale tende ad essere inferiore ai -50mV. Si attiva una corrente entrante che è una corrente strana composta da sodio la quale utilizza dei canali del sodio molto particolari. Questa corrente è stata denominata IF (F=funny strano/bizzarro) fu denominata così dal suo scopritore Dario Difrancesco elettrofisiologo milanese.

Questa corrente IF non è la corrente responsabile della depolarizzazione finale e dell’inversione del potenziale. Questa corrente entrante (se è negativa è entrante se è positiva è in uscita) inizia quando il potenziale è –70 e termina quando il potenziale è –20 non può, quindi, essere questa corrente a portare il potenziale a +20/+30 perché si esaurisce quando il potenziale è –20. (nelle altre cellule, invece, il sodio porta il potenziale a +20 +30). Chi causa allora la depolarizzazione e l’inversione del potenziale? Il calcio. Ci sono due correnti: la corrente del calcio T e la corrente del calcio L . La corrente del calcio T è cosi chiamata perché viene definita tiny and transient (piccola e transitoria) è rapida e si esaurisce in fretta. La corrente L è così chiamata perché è definita large and lasting è ampia e dura tanto.

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La corrente T si attiva quando il potenziale è attorno ai –50 quindi quando si sta esaurendo la fase di depolarizzazione indotta dalla corrente funny. Questa corrente di calcio è piccola, ha un picco intorno ai –50 picoampere e poi si esaurisce. Quando siamo nella fase del potenziale la corrente IT si sta già esaurendo, quindi neanche questa corrente da sola riesce a portare il potenziale a + 30. Però questa corrente di calcio T è una corrente che sostiene la depolarizzazione ulteriore della membrana quando la corrente funny sta per esaurirsi. La corrente di calcio T determina l’attivazione a catena di altri canali del calcio che sono più ampi e si aprono più a lungo e quindi danno luogo alla corrente di calcio large and lasting. Questa corrente L è la più ampia di tutte, essa determina l’ingresso di una notevole quantità di ioni calcio che spostano il potenziale verso il valore positivo fino a +30 mV. La depolarizzazione è, quindi, indotta: automaticamente dalla corrente funny che si attiva quando il potenziale è tra i –50/–70mV. Quando il potenziale torna a –70mV questi canali si aprono e consentono la reimmissione di sodio nella cellula. Per questo il potenziale non rimane fermo a – 70mV ma subito ritorna verso valori più positivi. Questa corrente non è pero sufficiente a portare il potenziale a +30mV ma attiva in sequela due canali per il calcio: prima quelli che consentono un piccolo slivellamento, quello slivellamento verso il positivo che basta per aprire i canali long and lasting, questi si attivano ad un valore di potenziale intorno ai –45/–40mV e si aprono completamente al raggiungimento della soglia facendo entrare molto calcio. Dopo di che la corrente entrante si esaurisce. Quando la corrente entrante si esaurisce, con una sua tempistica abbastanza lenta perché rimangono aperti i canali del calcio, incominciano ad aprirsi gradualmente i canali del potassio i quali determinano una corrente uscente (il potassio è più concentrato nella cellula rispetto all’esterno) l’uscita del potassio, che ha il suo picco di corrente intorno a 0 ed accompagna la fase di ritorno del potenziale al potenziale minimo, si esaurisce in concomitanza all’attivazione della corrente funny. Il potassio finisce di uscire e nel contempo incomincia ad attivarsi la corrente funny che riporta la depolarizzazione automaticamente al suo valore soglia.( e cosi via). L’andamento delle correnti ci consente anche di capire come mai possiamo avere una refrattarietà assoluta ed una refrattarietà relativa. Nel momento in cui ho la corrente funny entrante ed il picco di depolarizzazione portato dalla corrente di calcio long and lasting tutti i canali sono aperti; quindi se io stimolo in questa prima fase non riesco a stimolare ulteriormente; ho una fase di refrattarietà assoluta. Ma se stimolo successivamente potrò indurre una stimolazione estranea. E’ presente una serie di atti elettrici ripetuti che si presentano in modo regolare uno rispetto all’altro e questa condizione viene chiamata ritmo sinusale perché è imposto dal nodo senoatriale quindi è un ritmo regolare basato sull’attività regolare del pacemaker. Se aggiungo una sistole tra due regolari la stimolazione parte subito e interrompe la ritmicità di contrazione si parlerà quindi di extrasistole perché è una sistole che viene ad inframezzarsi tra due sistoli regolari rompendo il ritmo sinusale. L’extrasistole è possibile stimolando il miocardio con un’intensità di stimolazione superiore a quella che normalmente viene applicata. Nella zona di refrattarietà assoluta non è possibile il verificarsi delle extrasistoli. Più ci allontaniamo dalla fase del picco di inversione del potenziale minore sarà l’intensità dello stimolo che dobbiamo dare per suscitare delle extrasistoli. Perché ci allontaniamo progressivamente dalla fase di refrattarietà assoluta.

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Per aumentare la frequenza cardiaca è necessario raggiungere la soglia più in fretta mentre per diminuire la frequenza cardiaca bisogna raggiungere la soglia più lentamente. Mettiamo che un soggetto abbia una frequenza di 70 battiti/minuto e uno slivellamento con la pendenza indicata in “a” se io rallento questo slivellamento il potenziale arriverà alla stessa soglia di attivazione in un tempo più lungo, poi partirà il potenziale che è esattamente uguale. Se il potenziale viene raggiunto più lentamente ci saranno meno battiti e quindi la frequenza diminuirà. Quindi una possibilità è quella di agire sulla pendenza: diminuendo la pendenza diminuisce la frequenza; aumentando la pendenza aumenta la frequenza. L’eccitazione del sistema parasimpatico, ed in particolare del vago che innerva il miocardio differenziato, determina questo fenomeno. L’attività vagale o l’applicazione di acetilcolina (l’acetilcolina è il mediatore chimico del parasimpatico) determina una diminuzione della pendenza della fase di slivellamento. Potremmo cambiare la frequenza cardiaca anche in un altro modo, è possibile tenere costante la pendenza dello slivellamento ma portare più in basso il potenziale. Per portare più in basso il potenziale devo o aumentare la permeabilità della cellula agli ioni potassio oppure diminuire la permeabilità agli ioni sodio. Se si aumenta la permeabilità agli ioni potassio il potenziale tende ad andare verso l’alto, tende ad essere un po’ meno negativo quindi la cellula miocardica tende ad essere più facilmente eccitabile perché è più vicina alla soglia. Il contenuto di potassio nei liquidi extracellulari miocardici e nel plasma è molto critico per il funzionamento cardiaco perché uno squilibrio di potassio porta ad una modificazione della frequenza cardiaca e quindi della sua attività. Un abbassamento del potenziale minimo e un’eccitazione della frequenza vagale che abbassi la pendenza della fase di eccitazione determinerà un rallentamento della frequenza cardiaca e, viceversa, l’aumento della pendenza dello slivellamento determina un abbassamento della frequenza cardiaca. Il primo caso è la stimolazione parasimpatica mentre il secondo è la stimolazione ortosimpatica. Il cuore è normalmente sotto egida del parasimpatico e così viene mantenuta bassa la frequenza cardiaca. La rimozione dell’attività parasimpatica e la stimolazione dell’attività ortosimpatica inducono un aumento della frequenza cardiaca. Quindi è più facile che il cuore subisca un aumento della frequenza cardiaca piuttosto che una diminuzione. La diminuzione nell’atleta allenato deriva dalle conseguenze di una modificazione meccanica del ventricolo.

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Il miocardio comune ha un potenziale di riposo. Il potenziale è più negativo rispetto a quello del miocardio differenziato che ha le fibrocellule più spostate verso una maggiore permeabilità al Na e, quindi, è un po’ più alto. Nel potenziale d’azione del miocardio comune è ben evidente una fase di platou legata alla presenza del calcio. Non esiste più la fase di slivellamento. Perché manca la corrente funny la quale è responsabile della fase di slivellamento. C’è un potenziale stabile che viene modificato da uno stimolo che proviene dal miocardio differenziato. Lo stimolo, che arriva dal miocardio differenziato, determina l’apertura dei canali voltaggio dipendenti del Na (è presente infatti una corrente di Na entrante molto rapida). Il Na è responsabile soltanto dello slivellamento rapido ma, mentre nel nervo e nel muscolo scheletrico alla fine di quest’ingresso rapido del Na incomincia ad entrare il K portando il potenziale verso il suo –90, qui si instaura una corrente entrante di calcio. Essa è responsabile e accompagna la fase di platou. Il fatto che il potenziale non torni giù subito come nel nervo ma rimanga ad un valore positivo per circa 200msec è legato alla presenza di questa corrente di calcio che non c’è nella cellula nervosa o nel muscolo scheletrico.(nel muscolo scheletrico c’è all’interno del sarcolemma ma è un fenomeno che riguarda l’eccitazione e la contrazione non è un fenomeno che riguarda il potenziale d’azione). Il decremento del potenziale verso valori di riposo è portato da una corrente uscente di potassio.

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Il calcio che entra determina la liberazione, da parte del reticolo sarcoplasmatico, del calcio normalmente immagazzinato nelle riserve intracellulari. Questo calcio uscendo attiva tutti i meccanismi meccanici di contrazione che abbiamo visto a livello del muscolo scheletrico. Le fasi finali della contrazione sono uguali, quello che cambia è questo canale del calcio che sostiene questa fase perdurante di platou. Le catecolamine simulano l’attività del sistema ortosimpatico e l’eccitazione da parte delle catecolamine, mediante un’adenilciclasi e un’AMPc proteinchinasi, determina un’accelerazione dell’associazione del calcio intracellulare con la troponinaC e, quindi, le catecolamine accelerano l’ingresso di calcio accelerando anche la fase di contrazione. Accelerando l’ingresso di calcio accelerano i meccanismi di attivazione e, quindi, la frequenza cardiaca. L’azione delle catecolamine sulla frequenza cardiaca si chiama azione cronotropa. L’azione cronotropa è l’azione per cui è possibile cambiare la frequenza cardiaca. L’ortosimpatico ha un’azione cronotropa positiva perché aumenta la frequenza cardiaca mentre il sistema parasimpatico ha un’azione cronotropa negativa perché, quando eccitato, riduce la frequenza cardiaca. Le catecolamine hanno anche il cosiddetto effetto inotropo positivo. L’effetto inotropo è dovuto al fatto che viene modificata la forza con cui il miocardio si contrae. L’attivazione ortosimpatica, o delle catecolamine che è simile a quella ortosimpatica, induce un effetto inotropo positivo in quanto aumenta la forza di contrazione. Il vago, invece, induce una diminuzione della forza di contrazione e, quindi, ha un effetto inotropo negativo. L’effetto inotropo positivo dell’ortosimpatico e delle catecolamine deriva dal fatto che la presenza della catecolamina, mediante l’AMPciclico , la proteinchinasi e la fosforilazione induce un aumento dell’ingresso del calcio dal suo canale e, nello stesso tempo, favorisce il legame del calcio con la troponina e, quindi, favorisce una maggiore attività meccanica di contrazione muscolare (effetto inotropo positivo).

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L’elettrocardiogramma è analogo all’elettomiogramma e all’elettroencefalogramma. (L’encefalogramma è la registrazione dell’attività elettrica di più cellule piramidali viste dall’elettrodo posto su varie zone corticali). L’elettrocardiogramma è una registrazione composita fatta sulla superficie corporea (non è una procedura invasiva) che registra i potenziali proiettati sulla superficie corporea con particolare riferimenti ad alcuni punti di repere. L’elettrocardiogramma può essere registrato in vari modi, da vari punti, quindi avremo varie derivazioni ognuna delle quali fornisce delle informazioni diverse dalle altre. Mettendo insieme tutte le derivazioni possiamo avere una visuale completa di tanti aspetti dell’attività cardiaca (anche di come è fatto il cuore o di come è puntato l’apice cardiaco). Tutte queste derivazioni hanno però lo stesso andamento comune e sono fatte da una sequela di onde che vengono definite onde P, onda QRS (chiamata anche complesso rapido), e onda T. Questi 3 gruppi di onde corrispondono rispettivamente: l’onda P alla fase di depolarizzazione atriale; l’onda QRS alla rappresentazione dell’attività elettrica del ventricolo e l’onda T alla fase di ripolarizzazione ventricolare. Esiste anche un’onda di ripolarizzazione atriale che è successiva all’onda P (non la vediamo perché è mascherata dalla presenza del complesso rapido che è un fenomeno dimensionalmente molto maggiore). I picchi delle onde sono distanziati in maniera molto regolare e l’allungamento o l’accorciamento della distanza reciproca di queste onde ha dei significati clinici molto importanti.

ATTIVITA’ MECCANICA DEL CUORE L’immagine rappresenta un paragone tra muscolo scheletrico e miocardio. Una fibra muscolare del muscolo scheletrico ha una dimensione di circa 50 μm. Ogni capillare ematico ha una fibra molto grande da irrorare. La densità dei capillari del muscolo scheletrico, anche del muscolo scheletrico meglio perfuso, è di circa 400 capillari per mm². Nel miocardio ci sono delle differenze sostanziali, innanzitutto perché le fibre miocardiche (del miocardio comune) hanno un diametro che è meno della metà rispetto a quello delle fibre muscolari scheletriche. I capillari sono molto più vicini ad ogni singola fibra. La densità (numero di capillari per unità di superficie di sezione del muscolo) è molto più alta: 2500 capillari per mm². Il miocardio è quindi molto meglio perfuso del muscolo scheletrico e dispone di una migliore irrorazione. Questo è dovuto al fatto che il consumo di ossigeno del miocardio ammonta a ben il 6% del consumo di ossigeno totale. Il consumo di ossigeno è il volume di ossigeno che viene consumato dall’organismo in un minuto. E’ un flusso quindi è un volume nel tempo.

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Tutti i tessuti dell’organismo estraggono ossigeno dal sangue e lo utilizzano. Il totale dell’ossigeno che viene estratto dal sangue e consumato da tutti i tessuti in un minuto è di circa 250ml. Il consumo di ossigeno a riposo in un soggetto normale è di circa 250ml/min. In un organismo di 70k (togliendo ossa e acqua) ci sono 50k di tessuto che devono consumare ossigeno di cui 40k circa sono formati da muscolo. Il cuore pesa solo 300g è quindi 1centesimo del peso corporeo ma consuma il 6% del consumo di ossigeno. ( è uno dei tessuti con il maggiore consumo di ossigeno; probabilmente è superato solo dal tessuto che compone i glomi carotidei che è un tessuto specifico in quanto essi sono deputati a rilevare la composizione dei gas nel sangue). Quindi la densità di capillari così elevata è motivata dal fatto che il cuore ha un elevato consumo di ossigeno. Se nel tessuto miocardico si verifica una stasi (per esempio un’occlusione delle coronarie) ci sarà una zona del miocardio che non riceve sangue e, quindi, ossigeno questo porterà prima ad un’ischemia miocardica seguita da una necrosi miocardica (infarto miocardio). (fumare nuoce anche alle coronarie oltre che al polmone).

COMPORTAMENTO MACCANICO DEL VENTRICOLO Se prendiamo il miocardio di un animale da esperimento, lo mettiamo sul tavolo e facciamo come abbiamo fatto per il muscolo (nel muscolo lo tiravamo , qui non si può tirarlo ma bisogna riempirlo perché mentre il muscolo è una struttura che può essere messa in tensione e tirata il ventricolo è costituito da strutture cave: può essere il miocardio che è una cavità o può essere un vaso: sono tutte strutture elastiche cave; quindi non possiamo tirarle ma possiamo riempirle). Possiamo prendere il miocardio rilasciato e mettere dentro nel miocardio dei volumi progressivamente maggiori in modo da aumentare il volume del liquido che c’è nel miocardio.(ci riferiamo sempre al ventricolo quando parliamo di meccanica). Nel muscolo se io tiro gli elementi elastici li metto in tensione e, quindi, questi sviluppano una tensione; nel caso degli organi cavi non si parla di tensione, ma, di forza sviluppata su una superficie quindi si parla di pressione. Per questo, invece di avere il diagramma tensione su lunghezza, avremo un grafico analogo ma con in ordinata la pressione e in ascissa il volume. Il diagramma è però uguale (al diagramma forza lunghezza del muscolo). Nel ciclo cardiaco c’è una fase di rilasciamento che è la diastole seguita da una fase di attivazione che è la sistole lo stesso comportamento che troviamo nel muscolo messo sul tavolo lo troviamo nel caso del rilasciamento diastolico . Anche nella fase di diastole come nel ventricolo spiantato e rilasciato, se aumentiamo il volume iniziale aumenta la pressione che c’è dentro nel ventricolo. Per questo nel grafico si può mettere in ascissa o la lunghezza della fibra miocardia (se stiamo facendo l’esperimento) oppure parleremo di variazione del volume ventricolare detto anche volume ventricolare telediastolico (appena prima della sistole) ovvero di fine diastole cioè quando il riempimento è completo. Quando contraggo il muscolo tanto maggiore è la lunghezza tanto maggiore è la tensione espressa; anche nel miocardio se aumento la lunghezza iniziale della fibra aumento la forza che sviluppo. 10

L’andamento è, quindi, uguale a quello che c’è nel muscolo scheletrico ma con alcune differenze. Questa è una delle curve più importanti della fisiologia cardiovascolare (ha detto che se non la sappiamo all’esame …è un problema!) sia dal punto di vista della comprensione che dell’applicazione clinica.

SIGNIFICATO FUNZIONALE DELLA LEGGE DI STARLING DEL CUORE Il cuore è fatto da quattro cavità 2 fanno parte del cuore destro e 2 del cuore sinistro. Il cuore si contrae 60-70 volte al minuto (frequenza cardiaca). Ogni volta che il ventricolo si contrae (perché deve espellere il sangue che ha dentro per mandarlo in circolo ) butta fuori un certo volume di sangue. Il volume di sangue che viene espulso dal ventricolo ad ogni atto sistolico prende il nome di gettata pulsatoria o gettata sistolica. Questa ammonta in un soggetto normale, a riposo, sedentario, a circa 70ml. Dato che la gettata pulsatoria è di 70ml e il cuore si contrae circa 70 volte al minuto il volume di sangue espulso è di circa 5000ml al minuto. Questo valore, essendo un volume diviso un tempo, è un flusso e prende il nome di gettata cardiaca GC (chiamata anche portata cardiaca). Il problema è che i ventricoli sono 2 e ognuno butta fuori questo volume di sangue ad ogni contrazione. La gettata cardiaca del cuore destro e del cuore sinistro sono uguali? (lo scoprirete osservando la simpatica immagine della pagina seguente)

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L’immagine rappresenta il sistema cardiovascolare. Non bisogna confondere la gettata cardiaca con il volume di sangue (sangue contenuto nel sistema) visto che sono entrambi di 5l. La gettata cardiaca a riposo è di 5l al minuto ma può aumentare fino a 30l al minuto; mentre il volume di sangue rimane sempre di 5l. Dei 5l di sangue che ci sono in circolo 3,3l sono contenuti nel circolo sistemico mentre 1,7l sono contenuti nel circolo polmonare. C’è più sangue nel circolo sistemico che in quello polmonare. Immaginiamo (come nel disegno) che la gettata cardiaca sia di 5l al minuto ma che la gettata del cuore di destra sia un po’ di più (per esempio 5,1l al minuto) rispetto alla gettata del cuore di sinistra. Quindi il cuore di destra, in questa condizione, butta fuori 100ml di sangue in più, per volta, rispetto a quello di sinistra. Con questa differenza dopo 10 minuti ci sarà uno spostamento di sangue dal circolo sistemico al circolo polmonare (uno perde un litro e l’altro si arricchisce di un litro perché il totale deve essere sempre di 5l) avremo 2,7l nel circolo polmonare e 2,3l nel circolo sistemico. Avremo quindi ipotensione ortostatica (il paziente sviene perché ha una pressione troppo bassa), ma, soprattutto, avremo un ingorgo ematico nel circolo polmonare; i vasi polmonari saranno sovradistesi, la pressione nel circolo polmonare aumenterà, verrà prodotto liquido che filtra dai capillari polmonari verso l’interstizio polmonare si forma l’edema interstiziale polmonare il quale sfocerà in edema alveolare (schiuma dalla bocca). Morte dopo soli 2 giorni per una differenza di soli 100ml tra cuore destro e cuore sinistro. Non ci deve, quindi, essere differenza nella gettata cardiaca tra cuore destro e sinistro.

LEGGE DI STARLING(FISIOLOGO INGLESE DELLA FINE DELL’800) PER IL CUORE Dice che: (considerando la parte sistolica) tanto più elevato è il volume di sangue nel ventricolo alla fine della diastole tanto più sarà la forza con cui il cuore si contrae. Se arriva più sangue le fibre si distendono di più e distendendosi di più si contrarranno con una forza maggiore e butteranno fuori il sangue con una forza maggiore. Se per qualche motivo (ad esempio cambiamo posizione) c’è un aumento o una diminuzione del volume di sangue che arriva al ventricolo, il ventricolo adeguerà la forza di contrazione al volume che c’è. Se c’è tanto volume si contrae con una forza maggiore ed espelle il volume in più che è entrato, se gliene arriva di meno riduce la forza di contrazione ed espelle soltanto quel poco che gli arriva. Questo vale sia per il cuore di destra che per il cuore di sinistra.

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Per questo, istante per istante, battito per battito, il volume di sangue espulso dal cuore di destra è sempre uguale al volume di sangue espulso dal cuore di sinistra. Questo è legato alla biomeccanica del muscolo che vale anche per il miocardio. La fase in cui all’aumentare del volume telediastolico aumenta la forza di contrazione del cuore viene chiamata fase di compenso. E’ una fase in cui il cuore è compensato. Durante la nostra vita normale ci sono delle variazioni di ritorno venoso del sangue al cuore il volume di sangue che esce dal ventricolo varia continuamente però continuamente viene adeguata la forza di contrazione. Quando, invece, all’aumentare ulteriore del volume di riempimento diastolico la forza, invece che continuare a salire, scende ci troviamo in una fase di scompenso (che può essere più o meno reversibile). E’ l’atteggimento di quello che viene definito in clinica cuore scompensato; perché arriva tanto sangue al cuore ma il miocardio non ha la forza sufficiente per buttare fuori tutto il sangue che gli è arrivato; si ha quindi una progressiva dilatazione del miocardio . Cosa causa lo scompenso? In parte riflette il fatto che a lunghezze troppo eccessive i ponti di actina e miosina sono così distanziati tra di loro che non riescono a sviluppare una forza sufficiente. Quindi, così come nel sarcomero, così come nel muscolo scheletrico, così anche nel muscolo cardiaco c’è quest’abbassamento. In parte bisogna considerare la legge di LA PLACE che si applica alle strutture elastiche cave. T(tensione)=F/l (forza su lunghezza) La legge di LaPlace applicata ad una struttura sferica (analogia con il ventricolo anche se non è perfettamente sferico) ed elastica dice che la pressione è uguale a due volte la tensione che si sviluppa nella parete diviso R. P=2T/r P=2F/l * 1/r = 2F/r² (perché la lunghezza nel nostro caso è il raggio del cuore). All’aumentare del volume di riempimento aumenta il raggio, ma, all’aumentare del raggio scompenso il cuore, perché, all’aumentare del raggio, per sviluppare una pressione uguale devo far aumentare la forza di 4 volte (perché il raggio è al quadrato). Il muscolo ad un raggio doppio non riesce a sviluppare una forza 4 volte più grande perché i sarcomeri sono ad una lunghezza tale per cui non c’è più abbinamento tra i ponti di actina e di miosina. Per cui in una situazione in cui io avrei bisogno di una forza 4 volte più grande in realtà c’è una forza che è ben più ridotta e quindi il cuore si scompensa. La legge di Starling ci consente di comprendere come viene adeguata la gettata pulsatoria e quindi la gettata cardiaca del cuore destro e del cuore sinistro. Mentre siamo ad un volume telediastolico nei limiti della norma si parla di cuore compensato. Nel cuore scompensato (anche perché la struttura del miocardio è malata) si ha una rapida regressione verso strutture non fisiologiche.

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