Основные факторы и механизмы регуляции насосной функции сердца

Три взаимосвязанных фактора детерминируют величину УО и соответственно СВ, т. е. фактически — насосную функцию сердца (преднагрузка, инотропное состояние миокарда и постнагрузка).

Кардиомиогенная ауторегуляция

Ведущим механизмом регуляции насосной функции сердца является кардиомиогенная ауторегуляция. Существуют два способа реализации данного механизма:

1. гетерометрический — его основу составляет прямая зависимость силы сокращения сердечной мышцы от предварительного изменения длины кардиомиоцитов. Установлено, что сила каждого сердечного сокращения зависит от величины объема растяжения его камер поступающей кровью и определяется конечно-диастолической длиной кардиомиоцитов;

2. гомеометрический — его основу составляет изменение «механического напряжения» сердечной мышцы (отдельных кардиомиоцитов или миокардиальной стенки камер сердца) при ее сокращении в так называемом изометрическом режиме, т. е. без изменения длины миофибрилл. Вообще «механическое напряжение» — это научное понятие, которое трактуется как мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием различных факторов. В кардиологии такое напряжение ассоциируют с понятием «инотропное состояние (или сократимость) сердечной мышцы».

Оба способа кардиомиогенной ауторегуляции реализуются во всех камерах сердца. Считается, что миогенный механизм наиболее важен для регуляции зависимости силы сокращения сердца от давления в аорте (эффект Анрепа). Данный эффект состоит в том, что при увеличении давления в аорте («на выходе» из сердца) сила и скорость сердечных сокращений возрастают, что позволяет сердцу преодолевать возросшее сопротивление «на выходе» и поддерживать оптимальным сердечный выброс.

Преднагрузка

Преднагрузка является мерой объема крови, поступающей в камеры сердца, который создает давление наполнения полостей сердца (прежде всего, желудочков), необходимое для растяжения кардиомиоцитов по отношению к их исходной длине. Увеличение преднагрузки наблюдают при гиперволе-мии и недостаточности сердечных клапанов. В этом случае независимо от инотропного состояния сердечной мышцы ее работу регулирует в основном длина мышечных волокон желудочка в конце диастолы, т. е. конечно-диастолический объем желудочка.

Закон Франка—Старлинга

 

Еще в XVIII в. было установлено, что повышение наполнения желудочка, т.е. увеличение конечного диастолического объема или преднагрузки, приводит к возрастанию силы сердечных сокращений и УО. Это свойство сердца является проявлением закона Франка—Старлинга. В экспериментах на изолированных мышечных клетках с их растягиванием (увеличением длины) подвешенными грузиками было доказано, что при последовательном увеличении преднагрузки [на рисунке — это сила тяги (вес) подвешенных гирь — А, В, С, D] в активированном миоците повышается его напряжение без реального сокращения.

Закон Франка—Старлинга: сила сокращения желудочков сердца, измеренная любым способом, является функцией длины мышечных волокон перед сокращением

В графической форме показана зависимость силы сердечного сокращения от величины конечного диастолического объема. При кровенаполнении интактного левого желудочка в умеренном количестве (объемы А, В, С) внутриполостное давление медленно повышается, что затем обеспечивает увеличение силы сердечных сокращений. Давление, создаваемое в период изоволюмической (начальной) фазы систолы, отражает увеличение сократимости желудочка. При увеличении инотропного состояния желудочка кривая изоволюмического систолического давления смещается вверх (пунктирная линия)].

Это так называемое изометрическое сокращение (фрагмент I). Создаваемое напряжение мышц в ответ на воздействие каждой из четырех преднагрузок показано на фрагменте И. Воздействие увеличивающихся преднагрузок А, В и С вызывает возрастание напряжения миоцита. Однако при дальнейшем увеличении преднагрузки (гиря D) перекрытие толстых и тонких филаментов начинает уменьшаться, что выражается в падении напряжения активированного миоцита во время его изометрического сокращения (фрагменты I и II, фрагмент III).

Если левый желудочек будет наполняться кровью в возрастающем количестве, но при этом сохранять свой объем неизменным, ход кривой изоволюмического систолического давления будет отражать напряжение, т.е. сократительную способность, син: инотропное состояние) желудочков. Эта кривая аналогична кривой напряжения (изометрического сокращения), установленной для изолированных мышечных клеток.

В физиологических условиях наполнение желудочка в возрастающем объеме приводит к повышению внутриполостного давления, которое детерминирует увеличение силы сокращения желудочков.

Если на сердце действуют симпатомиметики, которые, опосредуя свои эффекты через (1-адренорецепторы, повышают концентрацию внутриклеточного Са2+, то это приводит к увеличению сократимости миокарда. Чем больше повышается внутриполостное давление крови при данном неизменном объеме наполнения желудочков, тем больше смешается вверх кривая изоволюмического давления отражая повышение сократимости стенки желудочка.

Когда давление в полости левого желудочка поднимается выше давления крови в аорте, аортальный клапан открывается и кровь изгоняется из левого желудочка. При повышении аортального давления сила сокращения желудочка должна также увеличиваться — это ответ на увеличение постнагрузки. В определенном лимитированном диапазоне наполнение желудочка в возрастающих количествах приводит к увеличению силы его сокращения благодаря возрастанию внутриполосгного давления.

Инотропное состояние миокарда

В качестве синонима данного понятия часто используют термин «сократимость» миокарда. Сократимость желудочка, например, характеризуется его способностью без увеличения конечно-диастолического объема, те. без участия механизма Франка—Старлинга, выбрасывать в аорту больший объем крови.

Инотропный эффект может быть положительным или отрицательным. Положительный инотропный эффект может проявиться в условиях увеличения притока крови к камерам сердца, например, при усиленной мышечной работе, централизации кровообращения в условиях развития экстремальных состояний организма, гиперволюмии различного генеза, пороках сердца -недостаточности клапанного аппарата. Отрицательный инотропный эффект может быть вызван изменением кровообращения при переходе из горизонтального в вертикальное положение (ортостатическая проба).

При снижении инотропности (сократимости) растяжение сердечной мышцы (увеличение конечно-диастолического объема) не сопровождается увеличением напряжения миокарда, т.е. для реализации данного способа регуляции не имеет значения степень конечно-диастолического растяжения кардиомиоцитов.

Сократимость детерминирует силу сердечных сокращений, которую на молекулярном уровне определяет интегративная активность саркомеров. Сократительная сила, генерируемая саркомером, зависит от степени взаимоперекрытия в них толстых и тонких нитей. Увеличение степени перекрытия и перекрестного взаимодействия нитей приводит к повышению силы сокращения. При достижении порогового уровня дальнейшее перекрытие взаимодействия нитей прекращается, что останавливает процесс увеличения сократительной силы.

При какой-либо фиксированной (постоянной) длине кардиомиоцитов (например, при неизменяющимся конечно-диастолическом объеме) сократительная сила зависит от их текущего функционального состояния и влияния на него целого ряда регулирующих факторов. К этим факторам относят:

• Катехоламины. Их количество определяется активностью симпатической нервной системы, которая свои положительные хронотропный и инотропный эффекты реализует через p-адренорецепторы миокарда. Этот механизм является наиболее важным в регуляции насосной функции сердца в физиологических условиях. Сократительная способность усиливается также катехоламинами, поступающими к сердцу с кровью из ганглиев симпатической нервной системы и хромаффинной ткани мозгового слоя надпочечников.

• Ионы кальция. Увеличение концентрации внутриклеточного Са2+ способствует усилению взаимодействия между тонкими и толстыми нитями, что увеличивает сократительный потенциал кардиомиоцитов.

• Кардиотропные симпатомиметические препараты (сердечные гликозиды, изопротеренол, кофеин, теофиллин и их производные) способны улучшать взаимоотношения между силой и скоростью сокращения кардиомиоцитов, что предопределяет использование таких препаратов в терапевтических целях для усиления работы сердца при любом конечнодиастолическом объеме.

Постнагрузка

Постнагрузка — это сопротивление изгнанию крови из желудочков в аорту и легочную артерию. Основным фактором постнагрузки является увеличение общего периферического сосудистого сопротивления (ОПСС). Причинами повышения постнагрузки, препятствующей изгнанию крови из сердца, могут быть артериальные гипертензии, стеноз аортального отверстия, коар-кгация аорты и сужение просвета легочной артерии, гидроперикардит.

Величина ударного объема напрямую зависит от степени укорочения волокон миокарда желудочка. Скорость и степень укорочения мышечных волокон стенки желудочка при том или ином значении длины миокардиального волокна в диастолу и сократимости миокарда обратно пропорциональны постнагрузке, испытываемой миокардом.

Величина постнагрузки при здоровом сердце зависит от уровня давления в аорте, но постнагрузка может быть определена и как напряжение или сила, развиваемые стенкой желудочка во время выброса крови. Следовательно, постнагрузка, испытываемая волокнами сердечной мышцы, также зависит от размеров сердца, что согласуется с законом Лапласа, в соответствии с которым напряжение мышечных волокон равно произведению давления в полости желудочка на радиус желудочка, деленному на толщину стенки желудочка.

Таким образом, при одном и том же аортальном давлении постнагрузка, испытываемая дилатированным желудочком, выше, чем желудочком с нормальными размерами. Более того, при любом давлении в аорте и объеме левого желудочка постнагрузка на миокард обратно пропорциональна толщине его стенки.

В свою очередь давление в аорте во многом зависит от периферического сосудистого сопротивления, физических характеристик артериального русла и объема крови, находящегося в нем в момент выброса крови из желудочка. При любом значении конечно-диастолического объема желудочка и уровне сократимости миокарда величина ударного объема левого желудочка находится в прямой зависимости от постнагрузки.

Как уже отмечено выше, повышение преднагрузки и сократимости миокарда стимулирует укорочение волокон миокарда, а постнагрузки замедляет этот процесс. Основными детерминантами ударного объема являются степень укорочения волокон миокарда и размеры левого желудочка.

Артериальное давление — это функция сердечного выброса и системного периферического сосудистого сопротивления. Величина постнагрузки зависит от размеров левого желудочка и уровня артериального давления. Повышение артериального давления, вызванное вазоконстрикцией, например, приводит к возрастанию постнагрузки, что по механизму обратной связи оказывает депрессивное влияние на процесс укорочения волокон миокарда, снижает величину ударного объема и сердечного выброса. Это в свою очередь способствует восстановлению артериального давления до исходного уровня.

Таким образом, миогенные механизмы регуляции деятельности сердца могут обеспечивать значительные изменения силы его сокращений.

Петля «давление-объем» — графический образ насосной функции сердца

Для удобства и объективизации анализа сердечной деятельности взаимосвязь преднагрузки, инотропного состояния и постнагрузки, т.е. факторов, определяющих насосную функцию сердца, нередко взаимоотношения между давлением и объемом крови в полостях сердца, интегрируют графически в виде соответствующих диаграмм (син: петель) «давление-объем» [в контексте излагаемого материала «петля» — это научное понятие (син.: цикл Карно), которое используют для обозначения обратимого кругового процесса (исторически оно вошло в научный лексикон при изучении термодинамики)].

Динамика «построения» такой петли (на примере насосной функции левого желудочка) представлена ниже.

Когда открывается митральный клапан, левый желудочек начинает заполняться кровью. Объем желудочка постепенно растет, а в конце его диастолы происходит систола левого предсердия, которая активно увеличивает наполнение желудочка и соответственно давление в его полости — это преднагрузка. Наклон кривой диастолического давления является показателем диастолической «жесткости» (сопротивляемости, растяжимости) левого желудочка.

Затем начинается систола (период изоволюмического сокращения): давление в желудочке резко возрастает (кривая идет вверх) и когда оно превысит давление в аорте, открываются аортальные клапаны, а кровь начинает поступать в аорту. Сопротивление току крови в момент открытия аортальных клапанов — это постнагрузка (сопротивление опорожнению сердца). Далее кровь поступает в сосуды, объем желудочка уменьшается сначала медленно, а затем быстро падает давление в его полости. Окончание систолы зависит от сократительной способности миокарда (чем лучше сократимость, тем левее будет расположен этот угол и шире петля объем—давление).

Площадь петли численно равна работе, т.е. насосной функции, левого желудочка за один сердечный цикл, а форма петли отражает механизмы выполнения данной работы. Разумеется, площадь и форма петли зависят от конкретных условий функционирования сердечной помпы.

Таким образом, петля «объем — давление» позволяет визуализировать, т. е. формировать зрительный образ насосной функции сердца,проводить объективный анализ состояния внутрисердечной гемодинамики и ее изменений под влиянием различных факторов, в т.ч. лекарственных средств, действующих на инотропное состояние миокарда, преднагрузку и постнагрузку. В интегрированном виде данное утверждение проиллюстрировано на рис. 1.16.

При увеличении постнагрузки петля «объем-давление» перемещается вверх. Такой сдвиг связан с тем, что аортальные клапаны (правый верхний угол петли) открываются лишь тогда, когда систолическое изоволюмическое давление желудочка превысит давление в аорте. Сопротивление току крови в момент открытия аортальных клапанов — это постнагрузка, которая определяется двумя факторами: сопротивлением опорожнению сердца и напряжением волокон миокарда. В изоволюмическую фазу систолы напряжение волокон должно увеличиваться для преодоления сопротивления току крови. При этом очевидно, что чем меньше сократимость миокарда, тем меньше будет ширина петли и правее расположен ее левый верхний угол (окончание систолы).

При увеличении преднагрузки петля «объем-давление» смещается вправо. Левый нижний угол петли — время открытия митрального клапана (начало диастолического наполнения левого желудочка).Объем левого желудочка постепенно растет, а в конце диастолы увеличивается также давление в его полости (правый нижний угол петли соответствует окончанию диастолы) — это преднагрузка. Данный угол смещается вправо из-за повышения конечного диастолического давления в левом желудочке.

Таким образом, на приведенном примере можно убедиться, что петля «объем — давление», а точнее — ее площадь графически (количественно) отражает насосную функцию левого желудочка по преодолению аортального давления крови, а форма петли, т. е. ее структура, — механизм выполнения данной работы.