Fisiologia Cardiaca

Fisiologia del sistema cardiovascolare

Appunti per la preparazione del modulo “Fisiologia dell’apparato cardiovascolare”, nel corso di Fisiologia Umana II 29

Sommario

• Capitolo 0: introduzione
• ANATOMIA DEL CUORE (Micro e Macroscopica) _______________________________________________________________________ 3
• Capitolo 1: fisiologia elettrica del cuore
• MECCANISMI IONICI DEL POTENZIALE D’AZIONE delle cellule muscolari cardiache ___________________________________________ 4
• Potenziale d’azione nei cardiomiociti di lavoro. _____________________________________________________________________ 4
• Potenziale d’azione nelle cellule di pacemaker _____________________________________________________________________ 4
• Effetti della pompa Na/K sul potenziale d’azione ___________________________________________________________________ 5
• Refrattarietà ________________________________________________________________________________________________ 5
• PROPAGAZIONE DEL POTENZIALE D’AZIONE e CONTRAZIONE CARDIACA___________________________________________________ 6
• Tessuti e velocità di conduzione dell’impulso ______________________________________________________________________ 6
• Percorso del potenziale _______________________________________________________________________________________ 6
• Progressione della contrazione cardiaca __________________________________________________________________________ 7
• REGOLAZIONE DELL’ATTIVITA’ CARDIACA DA PARTE DEL SNA ____________________________________________________________ 7
• Differenze tra sistema orto e parasimpatico _______________________________________________________________________ 7
• Cronotropismo ______________________________________________________________________________________________ 8
• Dromotropismo______________________________________________________________________________________________ 8
• Inotropismo _________________________________________________________________________________________________ 8
• Visione generale (alla luce dei meccanismi molecolari affrontati) ______________________________________________________ 9
• Potenziale d’azione in condizioni non fisiologiche: meccanismi protettivi ________________________________________________ 9
• Farmaci che intervengono nella regolazione dei canali ionici _________________________________________________________ 10
• Riflessi nervosi cardiaci non regolati dal SNA ______________________________________________________________________ 10
• Aritmia sinusale respiratoria __________________________________________________________________________________ 10
• Relazione tra durata del potenziale d’azione (APD) e durata dell’intervallo diastolico (AID) ________________________________ 10
• Capitolo 2: elettrocardiogramma
• ELETTROCARDIOGRAMMA DI EINTHOVEN ___________________________________________________________________________ 12
• Fasi dell’elettrocardiogramma _________________________________________________________________________________ 13
• DERIVAZIONI UNIPOLARI E PRECORDIALI ____________________________________________________________________________ 15
• Derivazioni di Goldberg (unipolari degli arti) ______________________________________________________________________ 15
• Derivazioni precordali ________________________________________________________________________________________ 16
• Vettorcardiogramma ________________________________________________________________________________________ 16
• APPLICAZIONI CLINICHE DELL’ELETTROCARDIOGRAMMA ______________________________________________________________ 16
• Stima dell’asse cardiaco ______________________________________________________________________________________ 16
• Valori fisiologici: frequenza cardiaca. ____________________________________________________________________________ 16
• Disturbi nella conduzione: patologie rilevabili tramite ECG __________________________________________________________ 17
• Capitolo 3: Fisiologia meccanica del cuore
• LA CONTRAZIONE CARDIACA A LIVELLO CELLULARE ___________________________________________________________________ 19
• MECCANICA DEL CICLO CARDIACO _________________________________________________________________________________ 19
• Fasi del ciclo cardiaco __________________________________________________________________________________________ 19
• Differenze nei due cicli cardiaci (dx e sx) _________________________________________________________________________ 20
• Toni cardiaci _______________________________________________________________________________________________ 21
• Variazioni di pressione a livello atriale: la danza delle giugulari _______________________________________________________ 21
• Rapporto pressione-volume durante il ciclo cardiaco _______________________________________________________________ 21
• FUNZIONE CARDIACA ____________________________________________________________________________________________ 22
• Definizione di gittata cardiaca _________________________________________________________________________________ 22
• Misura della gittata cardiaca (stima in vivo) ______________________________________________________________________ 22
• Concetto: la contrattilità del miocardio __________________________________________________________________________ 22
• Rapporto tensione-lunghezza: la Legge di Frank-Starling ____________________________________________________________ 23
• Rapporto tensione-lunghezza-velocità (contrattilità) _______________________________________________________________ 25
• Rapporto frequenza cardiaca-forza di contrazione: effetto Bowditch __________________________________________________ 25
• Regolazione della funzione cardiaca ____________________________________________________________________________ 25
• Adattamento della funzione cardiaca allo sforzo. __________________________________________________________________ 26
• 1 Potenziamento post-extrasistolico ______________________________________________________________________________ 26
• La GC si adatta a modifiche delle richieste periferiche ______________________________________________________________ 26
• METABOLISMO DEL CUORE _______________________________________________________________________________________ 27
• Il lavoro svolto da cuore ______________________________________________________________________________________ 27
• Consumo energetico _________________________________________________________________________________________ 27
• Capitolo 4: La periferia: principi di emodinamica
• PRINCIPI GENERALI ______________________________________________________________________________________________ 29
• Relazione Area-velocità ______________________________________________________________________________________ 29
• Equazione di Bernoulli _______________________________________________________________________________________ 29
• LA RESISTENZA VASCOLARE _______________________________________________________________________________________ 29
• La viscosità di un fluido _______________________________________________________________________________________ 30
• La Legge di Poiseuille e legge di Darcy. __________________________________________________________________________ 30
• LE PROPRIETÀ ELASTICHE DEI VASI ________________________________________________________________________________ 31
• La legge di Hooke e Young ____________________________________________________________________________________ 31
• EMODINAMICA PERIFERICA_______________________________________________________________________________________ 32
• Flusso laminare e flusso turbolento _____________________________________________________________________________ 32
• Relazione tra pressione e flusso ________________________________________________________________________________ 33
• La compliance vascolare ______________________________________________________________________________________ 33
• Il modello Windkessel ________________________________________________________________________________________ 34
• Polsi arteriosi _______________________________________________________________________________________________ 35
• L’onda sfigmica _____________________________________________________________________________________________ 36
• Pressione arteriosa media ____________________________________________________________________________________ 36
• Capitolo 5: Funzione cardiocircolatoria
• La pressione arteriosa ________________________________________________________________________________________ 38
• Determinanti del ritorno venoso _______________________________________________________________________________ 38
• Grafici della funzione cardiocircolatoria _________________________________________________________________________ 39
• Capitolo 6: Microcircolo e sistema linfatico
• MICROCIRCOLO ________________________________________________________________________________________________ 41
• Panoramica generale ________________________________________________________________________________________ 41
• Cellule endoteliali ___________________________________________________________________________________________ 41
• La tensione della parete capillare_______________________________________________________________________________ 42
• Scambi microvascolari: modalità _______________________________________________________________________________ 43
• Variazione della pressione idrostatica capillare ____________________________________________________________________ 44
• Ruolo della vasomotilità arteriolare _____________________________________________________________________________ 45
• Meccanismo di controllo del flusso ematico locale _________________________________________________________________ 45
• SISTEMA LINFATICO _____________________________________________________________________________________________ 47
• Struttura e fisiologia del sistema linfatico ________________________________________________________________________ 47

Capitolo 0. Introduzione alla fisiologia cardiaca

Anatomia del cuore (micro e macroscopica)

Anatomia macroscopica del cuore

Il cuore è una pompa a riempimento passivo costituita da 4 camere in comunicazione a due a due: atri e ventricoli. In condizioni fisiologiche il gruppo di cellule del NSA detta il ritmo di contrazione dell’intero miocardio, ma in condizioni di una sua alterata funzionalità possono sopperire alla sua mancanza il NAV, le cellule di Purkinje o addirittura il miocardio di lavoro (si tratta di un meccanismo di sicurezza, spiegato meglio più avanti nel testo).

Anatomicamente sarebbe corretto descrivere le due pompe cardiache come pompe in parallelo, ma dal punto di vista fisiologico esse lavorano in serie.

Elemento fondamentale dell’anatomia cardiaca, dal punto di vista fisiologico, sono le valvole cardiache. Queste impediscono il riflusso del sangue in direzione antidromica, fenomeno che ridurrebbe l’efficienza della contrazione cardiaca. Le valvole sono soggette alle leggi della pressione: vengono aperte dal flusso sanguigno che segue il gradiente pressorio e vengono chiuse quando la pressione che agisce su di loro supera la pressione che le tiene aperte.

Durante la diastole le valvole atrioventricolari saranno dunque aperte perché la pressione nell’atrio è superiore a quella vigente nel ventricolo. Al contrario durante la sistole si chiuderanno, perché la pressione generata dalla contrazione del miocardio ventricolare è nettamente superiore a quella che troviamo nell’atrio. Il ribaltamento dei lembi valvolari nell’atrio stesso è impedito dalle corde tendinee, strutture tendinee associate ai muscoli papillari, che fanno parte dell’endocardio ventricolare e che con esso si contraggono durante la sistole.

Durante tutta la diastole e durante la prima fase della sistole le valvole semilunari sono chiuse, in quanto la pressione presente nelle arterie è superiore a quella presente nei ventricoli. Quando la pressione generata dalla contrazione ventricolare supera quella vigente nelle arterie (cioè nella parte finale della sistole), le valvole si aprono.

Le quattro valvole cardiache sono distribuite su una struttura fibrosa pressappoco planare detta scheletro fibroso del cuore. Si tratta di uno scheletro connettivale che dà sostegno agli osti valvolari e alle fibre del miocardio, e che separa le fibre degli atri da quelle dei ventricoli. Non c’è dunque continuità tra le fibre delle due camere cardiache: questo sarà di fondamentale importanza quando verrà trattata la fisiologia della conduzione dell’impulso elettrico nel miocardio. L’unica via di comunicazione elettrica tra atrio e ventricolo è il nodo atrioventricolare, situato nel triangolo di Koch, atrio destro. (Si rimanda al capitolo 1 per una trattazione più approfondita della fisiologia elettrica del cuore.)

Altro elemento anatomico di interesse fisiologico è lo spessore della parete ventricolare: molto maggiore nel ventricolo di sinistra rispetto a quello di destra. Questo causa una notevole disparità nella forza di contrazione delle due camere: la pressione generata dal cuore di sinistra sarà nettamente superiore confrontata a quella di destra.

Tipologie cellulari del miocardio (anatomia microscopica)

A comporre il cuore troviamo varie tipologie di cellule. La maggior parte di queste sono cellule muscolari, dette cardiomiociti di lavoro, dotate di alcune caratteristiche peculiari ma in fondo approssimabili alle cellule muscolari striate. Altre cellule sono invece specializzate nella generazione e nella conduzione dell’impulso nervoso.

1) Cellule pacemaker

Sono cellule a depolarizzazione spontanea, in grado di generare automaticamente e periodicamente potenziali d’azione. Sono raccolte nel NSA, nel NAV, nelle fibre di Purkinje e disseminate nel tessuto di conduzione cardiaco.

2) Cellule di conduzione

Sono cellule capaci di trasmettere l’impulso nervoso in maniera estremamente rapida. Costituiscono uno scheletro elettrico che consente l’efficace propagazione del potenziale d’azione generato dalle cellule pacemaker. Le cellule di conduzione costituiscono i tre fasci che connettono il NSA al NAV, il fascio di Bachman, il fascio di His, le due branche dx e sx e le fibre di Purkinje.

3) Miocardio di lavoro

Sono cellule molto piccole, la cui lunghezza non supera i 10 mm e il cui diametro si aggira attorno ai 100 micron (differentemente dalle cellule muscolari striate che hanno dimensioni molto maggiori). Sono spesso ramificate, e presentano una gran quantità di dischi intercalari, canali elettrici a bassissima resistenza che consentono l’accoppiamento elettronico delle cellule. Sono presenti anche desmosomi, strutture di adesione intercellulare che consentono l’accoppiamento meccanico tra le cellule.

Sono cellule muscolari striate dotate di alcune peculiarità, incapaci di generare automaticamente potenziali d’azione.

Si rivelano origine ectopica di potenziali d’azione solo in condizioni non fisiologiche come l’ipossia: si assiste ad una depolarizzazione che dà origine ad una extrasistole.

Per le caratteristiche elettriche delle varie cellule che compongono il cuore vedere il paragrafo “propagazione del potenziale d’azione”.

Capitolo 1: Fisiologia elettrica del cuore

Meccanismi ionici del potenziale d’azione delle cellule muscolari cardiache

Potenziale d’azione nei cardiomiociti di lavoro

1. Potenziale a riposo

Il potenziale a riposo della membrana del cardiomiocita è molto negativo: -90 mV.

È determinato dalla presenza di peculiari canali del K, detti Inward rectifying (Kir): sono canali passivi, aperti in background, che consentono il passaggio di K verso l’esterno della cellula a potenziali molto negativi, ma si chiudono quasi del tutto a potenziali vicini allo 0, non consentendo il passaggio di ioni.

Il cardiomiocita presenta un numero elevatissimo di questi canali: a potenziali molto negativi la conduttanza del K è talmente elevata che il potenziale di membrana è quasi pari al potenziale di Nernst del K. (Il rapporto tra la conduttanza al K e agli altri ioni è di circa 100:1)

Il meccanismo molecolare che sovrintende alla rettificazione in entrata dipende da ioni Mg intracellulari: quando la membrana si depolarizza questi cationi entrano all’interno del poro e ostruiscono il passaggio del K, riducendo la conduttanza del canale. Quando invece la membrana si polarizza lo ione Mg viene scalzato dal canale, che torna pervio e percorribile dal K.

La rettificazione in entrata è un meccanismo di sicurezza: la fuoriuscita di K durante il potenziale d’azione è lasciata all’azione di altri canali specifici, meno numerosi dei Kir. Se il K potesse infatti attraversare i canali Kir durante la depolarizzazione, a causa dell’enorme forza elettromotrice data dalla distanza dal potenziale di Nernst la corrente di K sarebbe abnorme, sicuramente non compensabile dalla fond

I canali sono detti “transient outward” (K_to): hanno una cinetica di apertura voltaggio dipendente e una disattivazione spontanea molto rapida (come i canali sopra descritti). Consentono una forte corrente uscente di K, polarizzante, in quanto in questa fase il potenziale di membrana è molto lontano dal potenziale di Nernst del K.

3) Fase 3: plateau, sostenuta da pari correnti di Ca e di K, che si compensano a dare una variazione di potenziale nulla

I canali del K coinvolti in questa fase sono canali a cinetica ritardata, detti Kr e Ks (canali “delayed rectifying”). Si attivano in maniera voltaggio dipendente, ma in ritardo rispetto ai K_to, e non presentano cinetica di disattivazione.

I canali del Ca che si aprono in questa fase del potenziale sono canali a lenta attivazione, detti “canali L”. La loro cinetica di disattivazione è mista: in parte sono inattivati dal Ca stesso che grazie a loro entra nella cellula, in parte sono inattivati a causa della variazione di potenziale. Si tratta di una sorta di meccanismo a feedback positivo: i primi canali CaL sono inattivati dallo ione che ingombra il poro, il che causa una riduzione della corrente entrante di Ca che sarà surclassata dalla corrente uscente di K. Ciò si traduce in una lieve ma importante ripolarizzazione, secondo evento necessario affinché si chiudano i canali CaL.

La fase di plateau è fondamentale per consentire il giusto ingresso di Ca nel cardiomiocita,