A szív élettana 27. A szívizom strukturális és funkcionális sajátságai, a szívizom anyagcseréje; az akciós potenciál jellemzése; elektromechanikai csatolás; a szívizom kontrakciós erejének befolyásolása. 28. A mechanikai szívciklus. A szív munkavégzése (bal kamra munkadiagramja. 29. A keringési perctérfogatot meghatározó tényezők. Frank- Starling-szívtörvény. 30. A szívizom celluláris elektrofiziológiája. Elektrokardiográfia. Dr. Kékesi Gabriella I. Anatómiai ismeretek II. A szív celluláris elektrofiziológiája III. Szívizom összehúzódásának élettana IV. Mechanikai szívciklus V. Szívműködés szabályozása VI. Elektrokardiogramm EKG 1
Szív Zárt keringési rendszer pumpája Nyomásgrádienst generál, mely a vér áramlási irányát meghatározza Passzív billentyű funkció Feladata: Változó szöveti igények kielégítése a mindennapi élet során Az orvosi élettan tankönyve Fonyó Attila (2011) 9-1. ábra. A nagy és a kis vérkör soros és párhuzamos kapcsolása I. a) A szív mérete, elhelyezkedése, felépítése 4 g/ttkg (250-350 g) 150 mm x 110 mm ökölnyi Mellkasban, szegycsont mögött, középvonaltól kissé balra (situs inversus) Határai: tüdő, rekeszizom, nyelőcső, mellkasfal septum cordis 2
I. b) A szívfal szerkezete Pericardium (szívburok): fali és viszcerális lemez (epicardium) Védőhártya; szalagok segítségével rögzítés Szívfal: Myocardium - izomréteg Endocardium (szív belhártya) - kötőszövet I. c) Szívbillentyűk Semilunáris / zsebes Cuspidális / vitorlás (vitorla, ínhúrok, szemölcsizmok) Bicuspidális / mitrális (bal) Tricuspidális (jobb) Szívbillentyűk zárt/nyitott helyzetét a két oldaluk felől rájuk nehezedő nyomás különbsége határozza meg PASSZÍV Nyitott helyzetben a billentyűk mögötti és előtti nyomás párhuzamosan változik 3
nervus vagus I. d) Szív vegetatív beidegzése nyúltvelő Nervus vagus (X.) Szimpatikus posztganglionáris rostok (Th1-4) Harántcsíkolt izom A rostokban jellegzetes a csíkolat. Több sejtmag a rostok perifériáján van. A rost átmérője: 50-100 mm. A rostok akár 10-20 cm hosszúak. I.e) Szívizom simaizom Megnyúlt orsó alakú rostok a jellemzői. Megnyúlt sejtmag a rost közepén helyeződik. A rost átmérője: 5-6 mm, a rosthossz néhány cm lehet. Csak a szívben található izomtípus. A rostjai összeolvadnak, és a sejtmagok a rost közepén helyezkednek el. A rost átmérője: 10-15mm, ami elágazó és néhány cm hosszú is lehet. Aktin és miozin szarkomerekbe rendeződik Intercalaris korongok gap junction - syncytium 4
intercalaris korongok sejtmag szívizom sejt mitokondrium I. Anatómiai ismeretek II. A szív celluláris elektrofiziológiája III. Szívizom összehúzódásának élettana IV. Mechanikai szívciklus V. Szívműködés szabályozása VI. Elektrokardiogramm EKG VII. Coronaria keringés 5
II. A szív celluláris elektrofiziológiája Pacemaker sejtek Munkaizomzat syncytium Az orvosi élettan tankönyve. Fonyó Attila (2011) 10-1. ábra. Az emberi szív ingerképző és ingerületvezető rendszere. Shepherd, J. T., Vanhoutte, P. M. (1979): The Human Cardiovascular System: Facts and Concepts. Raven Press, New York, 1979 alapján módosítva. A) Az emberi szív ingerképző (pacemaker) és ingerületvezető rendszere. B) A sinuscsomó és az AV-csomó közötti lehetséges gyors ingerületvezetési utak. Az ábrán bemutatjuk az AVcsomó eltérő vezetési tulajdonságú különböző részeit Myocyta/rost Vezetési sebesség (m/s) Ingerképzési frekvencia Sinus(SA)csomó <0,01 100/perc Pitvari myocyta 1,0-1,2 Atrioventricularis (AV)csomó 0,02-0,05 40-55/perc His-köteg 1,2-2,0 25-40/perc Purkinje-rostok 2,0-4,0 Kamrai myocyták 0,3-1,0 Szív ingervezetése Sir Arthur Keith (skót anatómus) SA csomó felfedezése Karl Albert Ludwig Aschoff (német patológus) AV csomó Wilhelm His, Jr. (svájci kardiológus és anatómus) His-köteg Jan Evangelista Purkyně (cseh anatómus és fiziológus) Purkinje-rostok 6
10-4. ábra. A különböző szívrészek intracellulárisan elvezetett lassú és gyors akciós potenciáljai (Fonyó A. 2011) Nodális szövet: SA- és AV-csomó Spontán depolarizáció Fluktuáló nyugalmi membránpotenciál: nem működnek a gyors ff. Na+ csatornák Akcióspotenciál Lassú - ff. Ca2+ csatornák Kis amplitúdó Lassan terjed Bbbbbbbbbbbbbbbbbbv munkaizomzat (pitvari és kamrai myocyták) + Purkinje-rendszer (Hisköteg?, Tawara-szárak, Purkinje rostok) Akcióspotenciál Gyors ff. Na+ és Ca2+ csatornák Plató Nagy amplitúdó Gyorsan terjed Bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb v 7
Szív munkaizomzatának akciós potenciálja idegsejt vázizom simaizom SZÍVIZOM Nyugalmi membránpotenciál (mv) -80-90 -80-90 -40-60 -80-90 AP időtartama (ms) 0,2-2 1-5 20-300 200-300 Késés ideje (ms) 1-4 50 0 Kontrakció időtartama (ms) 10-100 200-3000 300 Akciós potenciál mechanizmusa Na + beáramlás Na + beáramlás Ca ++ beáramlás Na + és Ca ++ beáramlás Beidegzés szomatikus vegetatív vegetatív I. Anatómiai ismeretek II. A szív celluláris elektrofiziológiája III. Szívizom összehúzódásának élettana IV. Mechanikai szívciklus V. Szívműködés szabályozása VI. Elektrokardiogramm EKG VII. Coronaria keringés 9-1. ábra. A nagy és a kis vérkör soros és párhuzamos kapcsolása 8
Elektromechanikai csatolása a szívizomban 1. Akciós potenciál a szívizomsejt membránján 2. L-típusú kalcium csatorna (ff.) nyílása Ca ++ -tranziens (10%) 3. Kalcium-calmodulin komplex 4. Kalcium-indukált kalcium felszabadulás (SR-ryanodin r.) (90%) 5. IC kalcium szint emelkedés 6. Ca ++ -troponin C kapcsolódás; ATP 7. Akto-miozin komplex 8. Elcsúszás - kontrakció Nyugalmi kalcium szint visszaállítása Primer kalcium pumpa (SERCA) Na + -Ca ++ -cserélő a sejtmembránban Szívizom ellazulása 9
1. Vázizomban a nyugalmi rosthosszúság megközelíti az optimális hosszt, mely maximális kontrakciót eredményez 2. A passzív feszülés hamarabb jelentkezik és meredekebben emelkedik szívizomban 3. Az aktív hossz-feszülés görbe szívizom esetén azt mutatja, hogy kismértékű sarcomerhosszváltozás jelentősen befolyásolja a feszülést: a) Jobb átfedés a kontraktilis filamentumok között b) Filamentumok kalcium-szenzitivitása emelkedik nagyobb szarcomerhossznál több Troponin C köt kalciumot, ezzel emelve a kereszthídkötési ciklusok számát 4. Normálisan a görbének csak a felszálló szárán működik a szívizom (2.6 µm felett szakadás veszélye) Szívizom kontrakciós erejének befolyásolása 1. Kezdeti sarcomerhossz Frank-Starling szívtörvény heterometriás szabályozás 2. SY idegrendszer homometriás szabályozás (β1 receptor) 3. Extracelluláris kalcium koncentráció emelése (Coffein: SR Ca ++ felszabadulás NŐ) a) Kevés: csak szisztolé alatt b) Sok: diasztolé alatt is ellazulást rontja 4. Na-K-pumpa részleges gátlása (szívglikozidok) 10
Szívglikozidok Digitalis purpurea Piros gyűszűvirág (digitoxin) Az akciós potenciál és a mechanikai válasz időbeli lefolyása 11
I. Anatómiai ismeretek II. A szív celluláris elektrofiziológiája III. Szívizom összehúzódásának élettana IV. Mechanikai szívciklus V. Szívműködés szabályozása VI. Elektrokardiogramm EKG VII. Coronaria keringés A mechanikai szívciklus során lejátszódó változások Diasztole Szisztole A szív nem raktároz vért! 12
Nyomás (Hgmm) Térfogat (ml) 2017. 11. 02. Mechanikai szívciklus DIASZTOLE 530 ms fázisok Időtarta m (ms) Semilunaris billentyű Atrioventricularis billentyű Nyomásváltozás Térfogatváltozás Protodiasztole 40 Záródik Zárt Nem változik Izovolumetriás relaxáció 80 Zárt Zárt Nem változik Izotóniás relaxáció Gyors telődés 100 Zárt Nyitott Nem változik SZISZTOLE 270 ms Pitvari szisztole Izovolumetriás kontrakció Ejekció Lassú telődés Gyors ejekció Lassú ejekció 210 Zárt Nyitott Nem változik 100 Zárt Nyitott Enyhén 50 Zárt Zárt Nem változik 90 Nyitott Zárt Enyhén 130 Nyitott Zárt Nem változik Izovolumetriás kontrakció Ejekció (gyors, lassú) Izovolumetriás relaxáció Izotóniás relaxáció Gyors telődés Pitvar szisztole Lassú telődés Aorta nyomása pitvar nyomása Bal kamra nyomása Kamra térfogata EKG Szívhangok szisztole diasztole szisztole 13
10-6. ábra. A szívciklus során lejátszódó változások (Fonyó A. 2011) Jugularis pulzus (anulus fibrosus felfelé mozdul, mely növeli a pitvari nyomást) 10-7. ábra. A jobb pitvari nyomásingadozások és a vena jugularis externa térfogatingadozásai a szívciklus alatt. Little, R. C., Little, W. C. (1989): Physiology of the Heart and Circulation. 4. kiadás, Year Book Medical Publ. Chicago ILL alapján. A felső (színes) görbén a v. jugularis externán regisztrált térfogatváltozás (vénapulzus), az alsó (fekete) görbén a jobb pitvar nyomásingadozásai láthatók. A függőleges szaggatott vonalak jelzik, hogy a vénapulzus később következik be, mint az azt létrehozó pitvari nyomásváltozás 14
Szívhangok Bú-Tup S1: atrioventricularis billentyűk záródásakor Mitrális billentyű M Tricuspidalis billentyű - T S2: semilunaris billentyűk záródásakor Aorta billentyű - A Pulmonalis billentyű - P szívhang ideje oka S1 Izovolumetriás kontrakció Atrioventriculáris billentyűk záródása S2 S3 Izovolumetriás relaxáció Korai kamrai telődés Semilunaris billentyűk záródása Gyerekekben, kamrai dilatációval összefüggésben S4 Pitvari kontrakció Kamrai hipertrófiában SZISZTOLE szisztole DIASZTOLE diasztole SZISZTOLE DIASZTOLE S1 S2 S1 S2 S1 15
Ejekció Izovolumetriás relaxáció Izovolumetriás kontrakció Diasztolés telődés 10-13. ábra. A bal kamrai nyomás-térfogat diagram származtatása. A) A bal kamrai nyomás- és térfogatváltozások. A felső görbe a kamrai nyomás-, az alsó görbe a kamrai térfogatváltozás időbeli ábrázolása. Billentyűzűrás és -nyílás: a a bicuspidalis billentyű záródása; b az aortabillentyű nyílása; c az aortabillentyű záródása és d a bicuspidalis billentyű nyílása. B) A bal kamrai nyomás-térfogat (munka)diagram, amelyet az ábra bal oldalán szereplő adatokból szerkeszthetünk meg. Az a b vonal az izovolumetriás összehúzódásnak, a b c vonal a gyors és csökkent ejekciónak, a c d vonal az izovolumetriás ellazulásnak és a d a vonal a gyors és csökkent diasztolés telődésnek felel meg. Az abszcisszán jelöltük a verőtérfogatot és a kamrai rezervtérfogatot Alapja: UH hullámos visszaverődésén alapuló képalkotó eljárás Előnye: nem invazív Echokardiográfia Mire használható? Működő szív és nagyerek geometriai adatainak meghatározása szív térfogatváltozásainak nyomonkövetése verőtérfogat meghatározás billentyűk mozgásának megfigyelése 16
Végdiasztolés térfogat (EDV): 110-160 ml Végszisztolés térfogat (ESV): 40-80 ml Pulzus térfogat (SV): 70-80 ml (fizikai munka: 125 ml) Ejekciós frakció=sv/edv (0,5-0,7) Bal Kamra nyomás: Szisztole: 110 Hgmm diasztole: 6-8 Hgmm Bal Pitvar nyomás: 6-8 Hgmm Jobb Kamra nyomás: Szisztole: 24 Hgmm diasztole: 0-2 Hgmm Jobb Pitvar nyomás: 0-2 Hgmm Szívfrekvencia: 70/min (fizikai munka: 180/min) Keringési Perctérfogat (PT): 5,5 l/min (fizikai munka: 24 l/min) Szívindex=PT/testfelszín 3,2 l/minxm 2 I. Anatómiai ismeretek II. A szív celluláris elektrofiziológiája III. Szívizom összehúzódásának élettana IV. Mechanikai szívciklus V. Szívműködés szabályozása VI. Elektrokardiogramm EKG VII. Coronaria keringés 9-1. ábra. A nagy és a kis vérkör soros és párhuzamos kapcsolása 17
Perctérfogatot (PT) befolyásoló tényezők PT=Szívfrekvencia x verőtérfogat (SV) Szívfrekvencia x (EDV-ESV) Szívindex: PT/testfelszín (ffi, nyugalom, fekvés: 3,2 l/m 2 ) PSY idegek Artériás középnyomás szívfrekvencia verőtérfogat perctérfogat SY idegek Kontrakció ereje nyújtás EDV Frank-Starling szívtörvény Perctérfogat meghatározása Intakt kisvérkör BK-JP összekötése egy mesterséges csőrendszerrel Nincs idegi hatás!! változtatható perifériás ellenállás (utóterhelés) Állítható magasságú vénás tartály (előterhelés) Coronariakeringés megtartott 18
Pozitív chronotrop hatás Th1-4 Negatív chronotrop hatás 10-3. ábra. A szívfrekvencia autonóm idegrendszeri szabályozása. A) Szimpatikus ideg ingerlésének hatása a sinuscsomó ingerképzésére. B) Vagusingerlés hatása a sinuscsomó ingerképzésére Verőtérfogatot meghatározó tényezők PRELOAD - előterhelés Vértérfogat Vénás rendszer rezisztenciája (SY) Mellűri nyomás Légzési pumpa Vázizom kontrakció izompumpa Szívó-nyomó pumpa Vis-a-fronte: szívó erő, mely a nagyerekből segíti a vér beáramlását a szívbe Kamrai szisztole bázissík lefelé mozdul pitvari nyomás csökken Kamrai diasztole cuspidális billentyű nyílása vér közvetlenül a kamrába áramolhat Vis-a-tergo: nyomó erő, mely a szívből kipumpálja a vért (kontrakció ereje, szélkazán funkció) AFTERLOAD - utóterhelés Artériás rendszer rezisztenciája (nyomási terhelés) 19
Szívműködés szabályozása Frank-Starling-féle szívtörvény Otto FRANK békaszív Nyugvó izomrost nyújtása előterhelés Rosthosszúság feszülés összehúzódás ereje közti összefüggés E.H. STARLING emlősszív Szív törvénye Frank-Starling-mechanizmus - Heterometriás szabályozás Ok: Myocyták kontraktilis filamentumainak kalciumérzékenysége hosszúságuktól függ Starling szívtörvénye a munkadiagrammok tükrében 10-14. ábra. A bal kamra nyomás-térfogat diagramja a vénás beáramlás növelését követően (előterhelés). A vízszintes tengely a kamratérfogat, a függőleges tengely a kamrán belüli nyomás: a kezdeti és végső verőtérfogatot vízszintes téglalapok jelzik 10-15. ábra. A bal kamra nyomás-térfogat diagramja az aortanyomás növelését követően (utóterhelés). A fekete kihúzott vonal a kiindulási állapot nyomás-térfogat összefüggése. A szaggatott színes vonallal jelzett diagramon közvetlenül az aortanyomás növekedése utáni nyomás-térfogat összefüggés látható. A folytonos színes vonal jelzi azt az állapotot, amelyben a kamra a növekedett ellenállással szemben kiürítette az eredeti verőtérfogatot 20
Szívműködés szabályozása Vegetatív idegrendszer hatása Szimpatikus (SY) Pozitív chronotrop camp szint emelése If áram meredekebb gyorsabb AP (β1) Pozitív inotrop és luzitrop β1 receptor, camp nő, fehérje foszforiláció Ca ++ beáramlás nő, SR Ca-pumpa aktivitása nő, homometriás szabályozás: változatlan rosthosszúság mellett szabályozza az összehúzódás erejét Rövidebb ideig tart a kontrakció, gyorsabb relaxáció Pozitív dromotrop (AV csomó) Ca ++ -csatorna foszforiláció, Ca ++ -áram fokozódása Pozitív bathmotrop Paraszimpatikus (PSY) Negatív chronotrop ACh-érzékeny K + -csatorna (M2) hyperpolarizáció lassabban éri el a küszöbingert mach (M2) camp csökken, If áram csökken, lasabb depolarizáció Negatív dromotrop Ach-érzékeny K + -csatorna hiperpolarizáció Negatív bathmotrop Szívműködés szabályozása Hormonok Pajzsmirigy hormonok: pozitív inotrop és chronotrop hatás Fokozott 1 receptor szám és érzékenység Inzulin: pozitív inotrop hatás Glukagon: pozitív inotrop és chronotrop hatás (camp ) Növekedési hormon: pozitív inotrop hatás 21
I. Anatómiai ismeretek II. A szív celluláris elektrofiziológiája III. Szívizom összehúzódásának élettana IV. Mechanikai szívciklus V. Szívműködés szabályozása VI. Elektrokardiogramm EKG VII. Coronaria keringés 9-1. ábra. A nagy és a kis vérkör soros és párhuzamos kapcsolása A szív elektromos tevékenységének grafikus megjelenítése A szívben terjedő akciós potenciál időben változó elektromos töltéskülönbséget (dipólust) hoz létre a szív egyes részei között, mely a test felszínére helyezett elektródákkal potenciálingadozásokként (mv) regisztrálható Ezen potenciálingadozás időfüggvénye az EKG - elektrokardiogramm az elvezetett potenciálkülönbségeket a pitvarok és kamrák munkaizomzata generálja (nem az ingerületvezető rostok) Elvezetések fajtái 1. Unipoláris 2. Bipoláris 1. Végtagelvezetés 2. Mellkasi elvezetés 22
Szív akciós potenciálja Időfüggvénye Helyfüggvénye a szívizomrost dipólus a pólusok közti potenciálkülönbség vektorral jellemezhető: irány, nagyság integrálvektor EINTHOVEN-elvezetés 1906 (Nobel-díj 1924) Bipoláris végtagelvezetés 3 db. standard bipoláris elvezetés elektródok helye: jobb kar bal kar bal láb Frontális sík GOLDBERGER-féle elvezetés Felerősített (augmented) unipoláris végtagelvezetés avr, avl, avf referencia elektród: másik két elektród összekötve nagy ellenálláson keresztül WILSON-féle mellkasi elvezetés Frank N. Wilson - 1946 Unipoláris mellkasi elvezetés referencia elektród: végtagi elektródák nagy ellenálláson keresztül mérő elektródák: V1-V6 Horizontális sík 23
Einthoven-szabály Jobb deviáció 11-8. ábra. A szívizom egyes területeiről elvezetett akciós potenciál és az EKG-görbe viszonya. A sinus- (SA-) csomó akciós potenciálja nem valósághű (hiányzik a lassú diasztolés depolarizáció), csak jelzi az időviszonyokat 11-9. ábra. A sinus- (SA-) csomótól a kamráig történő ingerületterjedés időösszetevői. AV: atrioventricularis csomó 24
depolarizáció repolarizáció 1. Pitvari depolarizáció - P hullám 4. Teljes kamrai depolarizáció ST szakasz 2. Teljes pitvari depolarizáció, késés (AV csomó) PQ szakasz 5. Kamrai repolarizáció a szívcsúcson kezdődik - T hullám 3. Kamrai depolarizáció kezdete QRS komplex (egyidejűleg pitvari repolarizáció) 6. Teljes kamrai repolarizáció Klinikai rutin EKG 12 elvezetés 6 mellkasi V1-V6, 6 végtagi elvezetés: I, II, III, avr, avl, avf 25
P hullám: pitvari depolarizáció; <100 ms PQ szakasz: pitvari plató fázis PQ intervallum: 120-200 ms átvezetési idő QRS komplexum: kamrai depolarizáció; 80 ms (<100 ms) ST szakasz: kamrai plató fázis T hullám: kamrai repolarizáció QT intervallum: 320-390 ms kamrai deés repolarizáció teljes időtartama (nyugalmi szívfrekvencia esetén) Sebesség: 25 mm/s idő: 1 mm=0.04 s Amplitudó: 10 mm/mv potenciálváltozás: 1 mm=0.1 mv EKG relevanciája Kardiológiai diagnosztika Ingerképzés és ingervezetés zavarai: ritmicitás, arritmia, vezetési blokk hemodinamikai változások szív tengelyállása infarktus ionháztartás gyógyszerhatások kamrai hipertrófia 26
Bainbridge-reflex / sinus arrhythmia Belégzés mellűri nyomás csökken vénás visszaáramlás nő pitvari feszítési receptorok aktiválódnak nyúltvelői vegetatív kp. SY aktiváció szívfrekvencia emelkedik (kisebb R-R távolság) Kilégzés: mellűri nyomás kevésbé negatív, ami kisebb szívó erőt jelent R-R távolság R-R* távolság Belégzés Kilégzés EC kalcium szint (2,5 mmol/l) (QT intervallum) Emelkedett: szívmegállás szisztoléban Csökkent: csökken a kontrakció ereje EC kálium szint (4 mmol/l): Emelkedett: csökken a kontrakció ereje - szívmegállás diasztoléban (oka: membránpotenciál pozitívabb lesz => csökkent ingerlékenység => csökkent vezetés, csökkent kontrakció => keringési elégtelenség) cardioplégiás oldat Csökkent: kamrai extraszisztolék => keringési elégtelenség Ionháztartás zavarai az EKG tükrében 27
Szív elektromos főtengelye Jobb Bal Normál 30-90 Bal deviáció 30-90 BK hipertrófia, bal első szárblokk Jobb deviáció +90 - +180 JK hipertrófia, bal hátsó szárblokk 28