Attivit cardiaca Attivit elettrica del cuore Nel cuore

Attività cardiaca

Attività elettrica del cuore

Nel cuore ci sono due tipi di risposte elettriche Risposta rapida: tipica del miocardio comune atriale e ventricolare e delle fibre del Purkinje. Il tempo di insorgenza è simile a quello dei potenziali neuronali e muscolari. Queste risposte sono determinate dall’azione dei canali rapidi del Na+ e, in più (caratteristica del cuore), sono caratterizzate dall’attivazione di canali del Ca 2+ che determinano particolarità che vedremo.

Risposta lenta: tipica del miocardio di conduzione del nodo seno-atriale (SA) e atrio-ventricolare (AV). Queste risposte sono determinate da conduttanze ioniche molto particolari. I canali rapidi del Na+ non entrano in gioco

RAPIDA LENTA

Vediamo quali sono le principali differenze fra i due tipi di risposta. Rispetto alle risposte lente, le risposte rapide hanno: i. potenziale di riposo più negativo (-80 m. V vs -55 m. V) ii. maggiore pendenza della fase 0 depolarizzante (d. V/dt 100 -200 V/s vs 1020 V/s) iii. maggiore ampiezza di ∆V (110 m. V vs 70 m. V) iv. maggiore overshoot (+20 m. V vs +10 m. V)

I punti ii e iii influenzano la velocità di conduzione e quindi il tessuto cardiaco caratterizzato da risposte rapide ha una velocità di conduzione superiore a quella di zone a risposta lenta (1 -4 m/s vs 0. 05 m/s).

Una differenza fondamentale è che, mentre le cellule a risposta lenta (nodo SA e nodo AV) sono dotate di automaticità e ritmicità, cioè generano esse stesse gli spikes, le cellule del miocardio comune sono stimolate solo se uno spike arriva a propagarsi fino a quella cellula attraverso una conduzione cellula-a-cellula.

Risposte rapide Il potenziale di riposo del muscolo cardiaco atriale e ventricolare varia fra -80 e -90 m. V, mentre quello delle fibre di conduzione specializzate varia fra -90 e -100 m. V. Questo tipo di tessuto è caratterizzato da risposte rapide con un overshoot di circa +20 m. V. La depolarizzazione è seguita da una fase di plateau della durata di 200 ms nell’atrio e 300 ms nel ventricolo che è responsabile: 1) di una contrazione temporalmente più sostenuta (3 -15 volte più lunga) che nello scheletrico 2) assenza di tetania nella contrazione cardiaca

Nel muscolo scheletrico la tetania si verifica perché il periodo refrattario di una fibra muscolare scheletrica è molto più breve del tempo necessario per completare un ciclo di contrazione – rilassamento.

In skeletal muscle the action potential (AP) duration is about 2 ms and is over long before the peak of the twitch.

Cosa succede quando un secondo potenziale d’azione viene generato prima che la scossa sia terminata? La fibra risponde generando una seconda scossa che si sovrappone parzialmente alla prima dando origine a una tensione maggiore. Si ha sommazione temporale di scosse che danno origine a forme diverse a seconda della frequenza di stimolazione

Uno stato di contrazione prolungata, causato da ripetute stimolazioni ravvicinate nel tempo è detto contrazione tetanica, o tetano. Se la frequenza di stimolazione non è eccessiva, la tensione può oscillare e la fibra muscolare rilassarsi parzialmente tra 2 stimoli, causando un tetano incompleto. Nel tetano completo, prodotto da stimolazioni a frequenza massimale, la fibra non si rilassa tra stimoli successivi.

• Il potenziale d’azione cardiaco è un evento tutto-o -nulla della durata di 200 -400 ms. • La forza di contrazione inizia durante il plateau di depolarizzazione (sistole) e termina durante la fase di riposo che segue la ripolarizzazione (diastole)

Poiché nel muscolo cardiaco il periodo refrattario è più lungo di un intero ciclo di contrazione del muscolo, la tetania non può avere luogo.

m. scheletrico p. d’azione forza m. cardiaco m. liscio

Prima di vedere le conduttanze responsabili dei diversi tipi di risposta ricordiamo le concentrazioni extra- ed intra-cellulari dei principali ioni coinvolti e cioè Na+, K+ e Ca 2+. Ione Extra Intra Na+ 140 m. M 15 m. M K+ 4 m. M 140 m. M Ca 2+ 2 m. M 10 -7 M

atri 1) K+to and 2) Ca 2+ L-type channels e K+v 0) Na+ channel 3) K+Ca-dep channels

i. Na+ i. Kto+ i. Ca 2+ i. Kto+ i. K + i K 1+

Va notato che la corrente di K+ transiente presente al plateau è una corrente ridotta di intensità, anche se il gradiente chimico per il potassio è molto favorevole. Sono canali che a potenziali positivi hanno bassa conduttanza. Se la corrente fosse troppo elevata, l’ingresso di Ca 2+ sarebbe sfavorito e il plateau non potrebbe essere mantenuto. La piccola corrente in uscita è sufficiente a controbilanciare l’ingresso del calcio e mantenere il plateau per circa 300 ms.

Nella fase di ripolarizzazione finale, in cui entrano pesantemente in gioco i canali del potassio, il calcio in eccesso è eliminato dallo scambiatore Na+ / Ca 2+ (3: 1)

La durata del periodo refrattario per il ventricolo è 0. 25 -0. 30 s, cioè la durata del potenziale d’azione, mentre per l’atrio è circa 0. 15 s, quindi molto più corto. Questo fa sì che la frequenza ritmica di contrazione degli atri possa essere più rapida di quella dei ventricoli.

Risposte lente Le risposte lente sono tipiche del tessuto nodale del cuore e hanno basi ioniche completamente diverse dalle risposte rapide. Presentano una fase 0 di depolarizzazione lenta e una fase 3 di ripolarizzazione. Non esiste una fase 4 stabile al valore di riposo, ma il potenziale continua ad oscillare in maniera automatica e ritmica. Sono detti anche potenziali pacemaker

1. A -55 m. V si attivano canali cationici (If) che permettono l’ingresso di ioni Na+ depolarizzando la membrana.

2. A circa -30 m. V si attiva la conduttanza del Ca 2+ tipo T (LVA= low voltage activated) che fa entrare calcio con ulteriore depolarizzazione

3. A -10 m. V circa si attiva la conduttanza del Ca 2+ tipo L (HVA, DHP -sensitive) con altro ingresso di calcio e depolarizzazione.

4. Infine il calcio che si accumula nella cellula attiva canali K+ Cadipendenti. Il K+ comincia ad uscire dalla cellula ripolarizzando la membrana e riportando il potenziale verso i -55 m. V.

5. Il Ca 2+ libero è immagazzinato nella cellula e il ciclo riprende.

ICa. L ICa. T IK If

Vedremo più avanti come questo diverso tipo di comportamento elettrico nelle diverse zone del cuore, influenza le caratteristiche di propagazione e velocità dello stimolo e di conseguenza della contrazione cardiaca.

Si intende come ciclo cardiaco l’insieme degli eventi compresi fra un battito cardiaco e il successivo. Ciascun ciclo ha inizio spontaneamente con uno spike a livello del nodo SA. Il nodo SA è localizzato nell’atrio dx vicino all’apertura della vena cava superiore. Abbiamo detto che esiste fra contrazione degli atri e contrazione dei ventricoli uno sfasamento temporale di circa 1/6 di secondo. Per questo motivo si parla degli atri come pompe primarie.

Il ciclo cardiaco comprende: ü un periodo di rilassamento detto diastole della durata di circa 500 ms, durante il quale il cuore si riempie di sangue ü un periodo di contrazione detto sistole della durata di circa 300 ms durante il quale il sangue è pompato fuori dal cuore. Un intero ciclo ha una durata media di 800 ms e pertanto in un individuo normale si contano all’incirca 72 -75 battiti al minuto.

In corrispondenza di diverse fasi del ciclo cardiaco è possibile registrare i cosiddetti toni cardiaci. Sono 4 e corrispondono a momenti precisi del ciclo. Similmente è riportato l’elettrocardiogramma (ECG) che discuteremo in seguito e che registra l’attività elettrica del cuore. I parametri che prenderemo in considerazione si riferiscono al cuore sx in cui vigono i valori maggiori di pressione. I meccanismi sono identici per quanto riguarda il cuore dx.

Vediamo quali sono i parametri da considerare: Pressione ventricolare (mm. Hg) Volume ventricolare (ml) Pressione aortica (mm. Hg) Pressione atriale (mm. Hg)

Il ciclo cardiaco ha inizio quando una depolarizzazione al nodo SA determina una contrazione atriale. Fino a questo punto il flusso di sangue dagli atri ai ventricoli è stato passivo, ma la contrazione atriale aumenta il riempimento ventricolare di un 20 -30%. L’aumento di pressione causa la chiusura delle valvole AV (1˚ tono). Siccome le valvole semilunari (aortica a sx e polmonare a dx) sono ancora chiuse la contrazione è isometrica, cioè la pressione aumenta senza variazione di volume

120 60 30

La pressione nel ventricolo sale fino a circa 80 mm. Hg e nel momento in cui la pressione ventricolare diviene superiore a quella aortica la valvola semilunare si apre con inizio della fase di eiezione. Questa comprende una fase di:

Eiezione rapida: la pressione ventricolare sale fino a 120 mm. Hg, rimanendo superiore alla pressione aortica. Il 70% del volume totale di sangue espulso durante la sistole (circa 70 ml) è espulso in questa fase (circa 50 ml). Eiezione lenta: la pressione ventricolare comincia a diminuire per la diminuzione del volume e quando la pressione ventricolare scende al di sotto di quella aortica, la valvola semilunare si chiude (2˚ tono). Il rimanente 30% di volume espulso è riversato nell’aorta in questa fase.

Bisogna notare che la pressione aortica aumenta fino a 120 mm. Hg mano a mano che riceve sangue dal ventricolo e, grazie alla sua elevata componente elastica, immagazzina energia elastica che restituirà durante la diastole per mantenere continuo il flusso. Alla chiusura della valvola aortica si nota sul tracciato un’incisura aortica dovuta ad un effetto rebound sulla pressione alla chiusura della valvola.

Il volume di sangue espulso dal ventricolo durante la sistole è circa 70 ml e prende il nome di volume sistolico. Nel ventricolo rimane un volume residuo di circa 50 ml. Ha termine in questa fase la sistole.

A questo punto il ventricolo inizia a rilassarsi e la pressione scende. Si parla di rilassamento isovolumetrico perché le valvole AV e semilunari sono chiuse e quindi il ventricolo è isolato. Quando la pressione scende tanto da andare al di sotto della pressione atriale, la valvola AV (mitrale) si apre dando inizio alla fase di riempimento (3˚ tono).

Durante tutta la fase di riempimento la pressione atriale è superiore alla pressione ventricolare a causa del ritorno venoso al cuore. Si distinguono: Riempimento rapido in cui il volume ventricolare aumenta rapidamente Riempimento lento o diastasi in cui il ventricolo raggiunge circa 120 ml.

L’ultima parte della diastole comprende la sistole atriale che rende conto dell’ulteriore 25% di riempimento del ventricolo (4˚ tono). A questo punto la pressione nel ventricolo inizia ad aumentare e ricomincia il ciclo. A tutto ciò bisogna aggiungere che durante la diastole l’aorta restituisce l’energia immagazzinata e la sua pressione scende nuovamente a circa 80 mm. Hg.

Vediamo adesso il significato della curva della pressione atriale

L’onda a è causata dalla contrazione atriale (4 -6 mm. Hg atrio dx, 7 -8 mm. Hg atrio sx). L’onda c dipende da una sorta di effetto rebound sui lembi della valvola AV che si chiude per aumento della pressione ventricolare. L’onda v è dovuta al ritorno venoso fino a quando la valvola AV rimane chiusa. Quando questa si apre il sangue defluisce nel ventricolo e la pressione scende.

Vediamo come rappresentare più semplicemente il ciclo cardiaco in un diagramma che tenga conto soltanto di pressione e volume Variabile indipendente (asse x): volume ventricolare in ml Variabile dipendente (asse y): pressione ventricolare in mm. Hg.

LVP mm. Hg E Chiusura F v. aortica Apertura D v. aortica Apertura mitrale A LVV 60 B C Chiusura mitrale 150 ml ABC= riempimento diastolico (AB rapido, BC lento) CD= contrazione isovolumetrica (up to 80 mm. Hg) DE= eiezione rapida (up to 120 mm. Hg) EF= eiezione lenta FA= rilasciamento isovolumetrico

In base a questo grafico è anche possibile valutare il lavoro esterno compiuto dal cuore per spingere il sangue fuori dai ventricoli. L’area racchiusa sotto il diagramma rappresenta il lavoro esterno (componente statica) (pressione sistolica x gittata sistolica) fatto dal ventricolo per pompare il sangue nell’aorta, cioè per pompare sangue da un sistema a bassa pressione (s. venoso) ad un sistema ad alta pressione (s. arterioso).

La misura del lavoro cardiaco è spesso utilizzata come indice di buon funzionamento del cuore. Per fare questo è necessario introdurre due parametri fondamentali.

Si intende come pre-carico ventricolare lo stiramento del ventricolo sx prima che inizi la contrazione (correlata alla lunghezza del sarcomero). Questo parametro è influenzato dal ritorno venoso, dalla contrattilità atriale, da alterazioni del ritmo sinusale. Si intende come post-carico il valore della pressione aortica a valvola aortica aperta.

Il pre-carico può aumentare aumentando il riempimento del ventricolo in diastole. Se la pressione aortica (post-carico) aumenta, la pressione ventricolare aumenta per poter spingere il sangue. Se il post-carico aumenta tanto che la valvola semilunare non si apre, la sistole ventricolare è totalmente isometrica: la max pressione (forza) sviluppata dal ventricolo in questo caso è la max forza isometrica di cui il ventricolo è capace per un dato pre-carico.

Analisi grafica dell’azione della pompa ventricolare Curva della pressione diastolica Curve = si ottiene riempiendo il pressione-volume ventricolo con quantità crescenti di sangue e misurando la pressione subito prima. Curva dell’inizio della pressione sistolica = della contrazione (pressione teleimpedendo l’efflusso di si ottiene -diastolica del ventricolo) sangue dal ventricolo e misurando la pressione sistolica max raggiunta durante la contrazione per ogni volume di riempimento.

Qual’è la fonte di energia del cuore?

Il lavoro di pompa del cuore richiede un notevole consumo di energia in termini di ATP e il cuore ha quindi bisogno di un costante apporto di O 2 e nutrienti. Nel cuore normale l’ATP necessario a mantenere la funzione contrattile deriva principalmente da un metabolismo ossidativo a livello mitocondriale, con una piccola quota derivata dalla glicolisi. Il cuore può utilizzare vari substrati (acidi grassi, glucosio, lattato, aa), ma l’ATP mitocondriale deriva in massima parte dall’ossidazione di acidi grassi e piruvato

Il rapporto: è definito efficienza del cuore, il cui valore max si aggira sul 20 -25% e può diminuire fino al 510% in gravi patologie cardiache.

Eccitabilità e conduzione cardiaca

Il cuore svolge automaticamente la propria attività. È comunque possibile modulare: la frequenza di scarica automatica del cuore (azione cronotropa) l’eccitabilità delle cellule cardiache (azione batmotropa) la velocità di propagazione degli impulsi (azione dromotropa) forza contrattile (azione inotropa)

Il cuore è fornito di un sistema specializzato per: generare impulsi elettrici in maniera autonoma che causano una contrazione ritmica del muscolo cardiaco condurre questi impulsi attraverso il cuore

Quando questo sistema funziona in maniera corretta, gli atri si contraggono circa 1/6 di secondo prima dei ventricoli permettendo un corretto riempimento ventricolare prima che il sangue venga pompato attraverso i polmoni e il circolo sistemico. Inoltre tale sistema consente a tutte le porzioni del ventricolo di contrarsi simultaneamente.

Questo sistema comprende: § nodo seno-atriale (SA), focus principale del cuore, localizzato nell’atrio dx vicino allo sbocco della cava superiore § vie interatriali § vie internodali (anteriore di Bechman, media di Wenckebach e posteriore di Thorel) che conducono l’impulso dal nodo SA al…. .

§ …. nodo atrio-ventricolare (AV) § fascio di His § fasci dx e sx delle fibre del Purkinje che portano l’impulso a tutte le parti del ventricolo (vie a velocità di conduzione maggiore).

Teniamo presente che la conduzione nervosa della membrana avviene sempre per circuiti locali. L’overshoot determina un’inversione della polarità della membrana che genera flussi locali di corrente di intensità sufficiente da depolarizzare a soglia le zone limitrofe.

La velocità di conduzione è influenzata da: • ampiezza del potenziale d’azione (questo determina l’ampiezza delle correnti locali depolarizzanti) • d. Vm/dt che determina la rapidità della depolarizzazione (fase di ascesa) • potenziale di riposo che determina la disponibilità di canali del Na+ per la depolarizzazione. La velocità di conduzione è di 0. 3 -1 m/s nel miocardio e 1 -4 m/s nelle fibre specializzate di conduzione. Per le risposte lente la velocità di conduzione è molto più bassa ed è circa 0. 05 -0. 1 m/s.

La regione del cuore che ha il livello più elevato di automaticità è il nodo SA. Altre regioni del cuore (foci ectopici) possono dare inizio al battito in circostanze particolari come: § aumento della loro ritmicità intrinseca § depressione dell’attività del nodo SA § blocco di conduzione fra focus principale e regioni ad elevata ritmicità

Il nodo SA è una striscia di tessuto piccola, appiattita e a forma di ellisse di circa 3 mm di larghezza x 15 mm di lunghezza x 1 mm di spessore. È localizzata nella parte superiore laterale dell’atrio dx vicino allo sbocco della vena cava superiore. Comprende cellule allungate forse di conduzione e cellule tonde PRIVE di elementi contrattili

Vedremo che la frequenza di scarica di queste cellule dette cellule pacemaker (o segnapassi) può essere modificata dall’azione del sistema nervoso autonomo o dall’utilizzo di sostanze farmacologiche variando: F la velocità di depolarizzazione del pacemaker F il livello di soglia F il potenziale di riposo

Vediamo adesso come si propaga l’impulso a livello cardiaco.

Dal nodo SA l’impulso si propaga con una velocità di 1 m/s all’atrio sx attraverso la banda interatriale anteriore. In questo modo si garantisce una contrazione sincrona dei due atri. Le vie internodali (anteriore, media e posteriore) propagano l’impulso al nodo AV che, come già detto, ha la funzione di ritardare la propagazione dell’impulso ai ventricoli.

1 m/s 0. 05 m/s 4 m/s

Il nodo AV si trova nella parete posteriore del setto dell’atrio dx, subito dietro alla tricuspide e adiacente all’apertura del seno coronarico. Il nodo AV è allungato ed è circa 22 mm l x 10 mm w x 3 mm t. Comprende tre zone dette: regione AN fra atrio e nodo regione N zona centrale del nodo regione NH fra nodo e fascio di His Le regioni AN e NH hanno caratteristiche intermedie fra risposte rapide e risposte lente.

Varie sono le ragioni per cui nel nodo AV si ha un ritardo di conduzione: • poche gap junctions fra le fibre e quindi elevata resistenza • fibre con potenziale di riposo poco negativo e basso overshoot • fibre di piccolo calibro rispetto a quelle del miocardio comune Per queste ragioni nel nodo AV si ha un ritardo complessivo di circa 0. 16 s nella conduzione e questo consente agli atri di terminare lo svuotamento prima che i ventricoli inizino a contrarsi.

Infine dal nodo AV l’impulso si propaga, attraverso il fascio di His al sistema del Purkinje. Il fascio di His passa nel setto interventricolare (da sx a dx) e si porta verso l’apice del cuore dividendosi (sistema del Purkinje) in una branca dx e in una branca sx che si trovano sotto all’endocardio sui due lati rispettivi del setto. All’apice del cuore queste branche si ramificano moltissimo e nel ventricolo sx danno origine ulteriormente ad una branca anteriore e ad una branca posteriore.

Trasmissione dell’impulso attraverso il cuore e relativi tempi di comparsa (in frazione di secondo). Notare il ritardo (> 0. 1 s) fra atri e setto interventricolare e la rapida trasmissione a livello del sistema di Purkinje.

Va ricordato che le fibre del Purkinje sono fibre di 70 -80μm di diametro, caratterizzate da molti sarcomeri allineati e con un elevatissimo numero di gap junctions. Dobbiamo infine vedere come si propaga l’onda di eccitamento.

Attivazione atriale e internodale Attivazione del miocardio ventricolare Attivazione settale da sx a dx Attivazione antero settale del miocardio ventricolare Attivazione tardiva della parte postero-basale del ventricolo sx e del cono polmonare

Principali tappe della diffusione dell’eccitamento della massa cardiaca: 1. Attivazione del nodo SA 2. Eccitazione atriale (da sx a dx) 3. Eccitazione del nodo AV ( con ritardo atrioventricolare) 4. Eccitazione del fascio di His 5. Attivazione del setto interventricolare ( da sinistra verso destra )

6. Attivazione dell’apice 7. Attivazione delle pareti ventricolari (dall’endocardio verso l’epicardio, perché le fibre di Purkinje sono interne alla massa muscolare) 8. Attivazione della base ventricolare (l’ultima parte ad essere attivata è la parete postero basale del ventricolo).

http: //www. rnceus. com/ psvt/contractmov. html

Abbiamo già detto che il nodo SA rappresenta il focus principale del cuore perché la sua ritmicità intrinseca è più elevata rispetto a quella degli altri potenziali pacemaker e li mantiene quindi soppressi (soppressione da overdrive) Un caso assai pericoloso è quello in cui intervenga un blocco AV per cui l’impulso non riesce più a passare dagli atri ai ventricoli.

In questo caso atri e ventricoli si contraggono in maniera autonoma (i primi per azione del nodo SA con una frequenza di circa 70 battiti/min, i secondi con la frequenza intrinseca delle fibre del Purkinje di circa 40 battiti/min).

Quando interviene il blocco AV, le fibre del Purkinje non iniziano a inviare impulsi subito, ma solo dopo circa 5 -30 s, perché, prima del blocco, erano mantenute soppresse dall’azione del nodo SA. Si parla di soppressione da overdrive o sindrome di Stokes-Adams. Il cuore non riesce a pompare sangue al cervello. Se il periodo di soppressione è lungo, questa situazione risulta letale. In cosa consiste la soppressione da overdrive?

Quando un possibile pacemaker ectopico sta depolarizzando ad una frequenza superiore alla sua intrinseca automaticità perché è guidato in questo dal focus principale (nodo SA in condizioni normali), l’elevata frequenza di depolarizzazioni determina un accumulo di Na+ all’interno della cellula. Questo stimola la Na+-K+ ATPasi ad aumentare la sua attività per espellere il sodio in eccesso, scambiandolo con K+.

Ma, poiché la pompa è elettrogenica, la sua aumentata attività aumenta l’iperpolarizzaione della membrana creando così una sorta di offset della corrente pacemaker, rendendo quindi più difficile il raggiungimento della soglia e quindi prevenendo la generazione spontanea di spikes.