Gå tilbake

 

Hjertets mekaniske fysiologi

 

Eksitasjons-kontraksjons kobling

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-22 kl. 14.35.21.png

 

Denne mekanismen ligner i stor grad på aktivering av skjelettmuskulatur der AP aktiverer myocyttene til kontraksjon.

 

En bølge av depolarisering spres langs sarcolemma og når det indre av muskelfibrene via ”transvers tubules”. T-tubules vil lede AP til sarcoplasmatisk reticulum (SR) som frigjør Ca2+ til økning av intracellulært Ca2+. Ca2+ binder seg til troponin C slik at myosin-bindingssetet kan binde seg til actin (krever ATP). Dette vil igangsette cross-bridge syklusen slik at actin og myosin kan gli over hverandre og skape kontraksjon. En forskjell fra skjellettmusklene er at Ca2+ også frigjøres fra direkte T-tubulene (L-type Ca-kanaler, spenningssensitive), som i neste omgang aktiverer calcium release channels som trigger frigjøring av Ca2+ inn i sarcoplasma. Denne mekanismen er viktig fordi SR er mindre utviklet i hjertemusklene.

 

Vi har aktin-myosin overlapp i cellen under systole når Ca2+ slipper inn og diastole når Ca2+ slipper ut. Ca2+ forlater cellen via Na/Ca-exchanger (NCX), Ca2+-pumpe (ATP dependent) og SERCA (reopptak av Ca2+ tilbake til SR).

 

Som vi vet kan myocytter overføre signaler mellom hverandre fordi de er i et syncytium. Hver myocytt er forbundet og adskilt via en såkalt intercalated disc (en type cellemembran) med gap junctions. Dermed kan ioner diffunderer mellom myocytter.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-22 kl. 13.55.26.png

Myocyttene består av myofibriller som hver inneholder myofilamenter som består av actin og myosin. Myosin er forankret til en z-linje vha. proteinet titin. Avstanden mellom to z-linjer er en sarcomer. Sarcomeren er den kontraktile enheten som forlenges ved relaksjon (Ca2+ fjernes) og forkortes ved kontraksjon (Ca2+ frigjøres).

 

Inotropi

 

Inotropi er endringer i hjertets kontraksjon (+/-) forårsaket av endret Ca2+-handling og myosin ATPase aktivitet i myocytten.

 

Inotropi kan moduleres ved:

 

1.      Ca2+ opptak i cellen gjennom L-type Ca2+-kanaler

2.      Ca2+ frisetting fra SR

3.      Ca2+ binding til TN-C

4.      Myosin fosforylering

5.      SERCA aktivitet

6.      Ca2+ efflux over sarcolemma

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-22 kl. 15.08.18.png

Sympaticus stimulering av β1-adrenerge reseptorer (via NE) gir cAMP dannelse som hjelper til med å åpne Ca2+-kanaler og øke reopptak til SERCA. Derfor kan cAMP påvirke hjertekontraksjon.

 

En annen intracellulær forbindelse, IP3, stimulerer reopptak til SERCA. Dannes etter stimulering fra reseptorer som aktiveres av NE, AII og ET-1.

 

Digitalis

 

Digitalis er et legemiddel fremstilt fra planten revbjelle. Den ble tidligere brukt i behandlingen av hjerteflimmer og hjertesvikt. Digitalis inhiberer Na/K ATP-ase ved Na/K-exchanger, slik at Na ikke fraktes ut av myocytten og det intracellulære Na-nivået øker. Na/Ca-exchanger jobber da motsatt slik at Ca fraktes inn og Na ut. Dermed øker intracellulært Ca slik at hjertemusklene har noe å bruke til å kontrahere. Gjør hjertet sterkere slik at det kan kontrahere bedre.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-22 kl. 15.20.53.png

 

Kardiodynamikk og hjerteregulering

 

Hjertesyklus

 

Under ser vi et hjertesyklusdiagram, kalt Wiggers/Lewis-diagram, som viser endringer i VVs trykk og volum, VA trykket og aorta trykket (kateter plassert i ascenderende aorta og VV). Dette sammenlignes med EKG og PKG (phonokardiogram). Sistnevnte er brukes til å registrere hjertelyder.

Fylling av ventrikkelen: Vi ser at når P-tacen utløses, øker volumet i VV. Dette skjer naturlig nok pga. atrie kontraksjon, også kjent som atrial systole. Det kan være interessant å merke seg at 80% av blodet som entrer atriene går rett over i ventriklene før atriene rekker å kontrahere. Derfor blir atrienes oppgave å pumpe de resterende 20% og dermed øke ventriklenes pumpe effektivitet med 20%. Fordi denne %-andelen er nokså liten kan et hjerte enkelt fungere med defekt atriepumping under ikke-stressende situasjoner (ikke-trening). Dette er mulig fordi ventriklene pumper 300-400% mer blod enn hva som trengs under hvile.

 

Dette betyr at AV-klaffene (mitral og tricuspidal) åpner før atriekontraksjon, slik at det meste av atrie systolen (og dermed ventrikkel diastole) er passiv. Kun den siste delen av ventrikkel diastolen er aktiv pumping.

 

Isovolumisk kontraksjon: AV-klaffene lukkes rett etter at ventrikkelkontraksjon har begynt. Dette er 1. hjertelyd (”lub”). Ventrikkelkontraksjon pågår i ca. 0,03 sek for å bygge opp et trykk som åpner semilunarklaffene (pulmonar og aorta). Vi har altså en kort periode med kontraksjon (egentlig økt tensjon) uten volum tap.

 

Ejeksjon: Når VV-trykket går over 80 mmHg åpnes aortaklaffen og blod klemme ut i en rask ejeksjon (70% av volum) og en treg ejeksjon (30% av volum). Dette er ventrikkel systole.

Det er viktig å merke seg aorta kan pumpe blod videre alene via recoil etter å ekstensjon fra blod. Dermed slipper VV å over-jobbe for å fordele blod til resten av kroppen.

 

Isovolumisk relaksasjon: Mot slutten av systolen vil trykket falle til under aortatrykket. Økt trykk i aorta pga. blodtilførsel trykker blod tilbake mot aorta (”inflow”). Dette fyller aortaklaffens cusper, og de lukkes (gjelder også pulmonarklaffene). Dette er 2. hjertelyd (”dub”). Etter at de lukkes er det en kort periode der ventriklene ikke mottar noe mer blod. Da faller trykket i ventriklene til sitt lav-diastoliske trykk slik at trykk-forskjellen mellom atriene og ventriklene øker og AV-klaffene åpner på nytt for en ny syklus.

 

 

Venstre ventrikkels trykk-volum sløyfe

 

Dette diagrammet tar for seg VV under a. Fylling, b. Isovolemtrisk kontraksjon, c. Tømming og d. Isovolumetrisk relaksasjon.

 

 

AV-klaffen åpner ved 80 mmHg.

 

MAP=93

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-23 kl. 14.14.38.png

 

CO og de to faktorene som regulerer den

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-23 kl. 16.50.40.png

Hvilke faktorer bestemmer direkte hjertets minuttvolum? Beskriv kort hvordan disse to fysiologiske størrelsene er regulert? Eksamen 2012, oppg. 1b

 

Hjertets minuttvolum (CO) er produktet av hjertets slagvolum og pulsen (antall hjerteslag per minutt) (SV x HF). I hvile er slagvolumet hos voksne 70-80 ml og pulsen 60-75 per minutt. Minuttvolumet blir da ca. 5 liter per minutt. Endringer av minuttvolumet bestemmes av SV (preload og afterload), HF (autonomt nervesystem) og ionotropi.

SV-regulering

 

SV er differansen mellom endediastoliske volum (EDV) og endesystoliske volum (ESV) à SV=EDV-ESV.

o   ESV er mengde blod som er igjen etter kontraksjon (dvs. tømningsgrad). ESV er ca. 60 ml.

o   EDV (preload) er mengde blod rett før kontraksjon. Er ca. 130 ml.

o   Dette gir en SV på ca. 70 ml/slag. Av EDV utgjør dette ca. 60% (ejeksjonfraksjon).

o   ESV og EDV kan påvirke hverandre.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-23 kl. 17.03.15.png

Preload

 

Preload er grad av tensjon eller strekk i myocyttene i VV rett før kontraksjon og dette kan ansees for å være det samme som EDV. Preload er derfor svært sentralt innenfor Frank-Starling mekanismen. The increased volume of blood stretches the ventricular wall (strekker sarcomeren), causing cardiac muscle to contract more forcefully.

 

Ved økende EDV vil SC-lengde øke opp til et punkt, såkalt optimal sarcomerlengde, dvs. avstand mellom myosin og aktin for kontraksjon. En har et optimalt volum i hjertet for å oppnå godt slagvolum.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-23 kl. 16.34.03.png

 

Øker vi preload, øker vi SV og CO.

 

Preload påvirkes av:

1.  Atrie-kontraktilitet (é)

2.  Passiv fylling (é)

3.  Inflow motstand (ê)

4.  HF (ê)

5.  Sentralt venetrykk. Påvirkes av ventrikkel compliance (ê) og venøst volum (é, vi øker venous return).

6.  Ventrikkelsvikt (é)

7.  Afterload og outflow (é)

8.  Trening (øker)

Øker også HF ved at SA strekk øker HF med (15%) + Bainbridge refleks (HA-strekk sender signaler til vasomotorisk senter som regulerer det autonome nervesystemet til å øke HF).

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-23 kl. 17.04.52.png

Afterload

 

Afterload er energien hjertet må utvikle/overkomme i kontraksjonen for å tømme ut blodet. En vesentlig komponent i afterload av venstre ventrikkel, er blodtrykket i aortaroten og TPR (total perifer motstand, SVR). Økes afterload, øker ESV (mindre blod pumpes ut, ved at mer er igjen etter systole) og SV senkes.

 

Ionotropi

 

Økt ionotropi (dvs. økt kontraktilitet) er en mekanisme som jobber uavhengig av preload. Økt ionotropi senker ESV slik at SV øker. Da vil ejeksjonsfraksjon øke. Sympaticus (β-1 adrenerge reseptorer), fiber lengde og HF (Bowditch effet) er noen mekansimer som kan regulere øke ionotropi. Digitalis for å beholde Ca2+ i større grad i myocytten.

 

HF-regulering (chronotropi)

 

HF kan reguleres via det autonome nervesystemet. Både sympaticus og parasympaticus reguleres i forhold til hverandre.

o   Sympaticus: innerverer hele hjertet, men særlig ventrikkel muskulatur. Økt sympaticusaktivitet øker HF/puls. Øker signalraten fra SA-knuten. Øker ledningshastighet og eksitabilitet i hele hjertet. Øker kontraksjon (ionotropi)) i både atriene og ventriklene. ALT I ALT: ØKER CO. Mekanismen er stimulering via hormonet NA β-1 adrenerge reseptorer.

 

o   N. vagus (parasympaticus): innerverer hovedsakelig SA- og AV-knuten og i liten grad atriemusklene. Dominerer i hvile. Økt parasymapticus aktivitet senker HF/puls. Reduserer rytmisk signalrate fra SA-knuten og eksitabiliteten av AV-knuten. Hjertepumping og CO GÅR NED. Mekanismen er at ACh (n. vagus, M2) øker permeabilitet for K-ioner ut av fibrene. Dermed blir ”resting-membrane potential” enda mer negativt.

Fysiologiske endringer i pulsen skjer ved endring av aktivitet av både sympaticus og parasympaticus.

 

Adrenalin og noradrenalin fra binyremarg (mest adrenalin) og noradrenalin (mest fra sympatiske postganglionære nerveterminaler øker også pulsen ved høy dynamisk aktivitet. Temperaturen påvirker også pulsen, feber gir tachycardi, mens hypotermi gir bradycardi.

 

Faktorer som øker CO

 

Trening: Under hard trening vil sympaticus stimulerer til å pumpe fortere (økt HF) og pumpe kraftigere (økt SV). Men ”venous return” må også endres ellers vil CO, ut ifra Frank-Starling mekanismen, ikke øke. Derfor øker også ”mean systemic filling pressure” fra sympaticus-stimulering (økt venekonstriksjon, gir lavere compliance og lavere kapasitet) og fra skjellettmuskeltensjon som klemmer blodet tilbake til hjertet. VR øker også fordi motstanden i så og si alle kar senkes.

 

Det er viktig å merke seg at vi får ikke vasokonstriksjon i de musklene som er aktive. Grunnen til dette er at oksygenforbruket er høyest her og ved trening vil oksygenkons. synke drastisk ECV til nettopp disse musklene. Dette gir vasodilatasjon i arteriolene til disse musklene, fordi arterioleveggen ikke kan kontrahere uten oksygen tilstede. Samtidig vil oksygenmangel gi utslipp av vasodilatatorer.

 

Andre faktorer:

 

Mange av disse faktorene har til felles at de oppstår som et resultat av at TPR senkes.

 

Beriberi: insuffisiens av vitamin B 1 i kostholdet. Påvirker det lokale vevet rundt blodårer og gir vasodilatasjon som gir økt CO.

 

Arterievenøs fistula (AV-shunt): dersom blodet kan ta en snarvei fra en arterie til en vene, senker dette TPR betraktelig og CO øker.

 

Hyperthyrodisme: økt metabolisme som øker oksygenopptak og frislipp av vasodilatatorer.

 

Anemi: to effekter: 1. mindre viskøst blod, pga. lavere hematokritt. 2. Lavere oksygentilførsel til vev gir vasodilatasjon.

Faktorer som senker CO

 

Minket blodvolum/hypovolumi: forklarer seg selv. Tap av blod gir minket fylling av hjertet.

 

Akutt venøs dilatasjon: kommer av en plutselig inaktiv sympaticus, for eksempel fra å besvime. Dette senker fyllingstrykket og vener blir særlig dilaterte. Da samler det seg ”blood pools” i venene, særlig i bena, som ikke returnerer til hjertet.

 

Obstruksjon av store vener: skjer svært sjeldent, men vener som v.cava sup. et inf. kan blokkes.

 

Minsket muskel masse: gjelder særlig skjellettmusklene ved aldring eller lengre perioder med inaktivitet, ettersom disse er viktige for å kunne pumpe blod tilbake til hjertet fra særlig under-ex og abdomen. Mindre blodflow til musklene vil også minske musklene ytterligere.

 

Nedsatt metabolsk rate: gjellende under søvn da oksygen- og næringsstoffkrav er nedsatt. CO minker. Skjer også ved hypothyroidisme.

 

Koronarsystemet

 

Systole og diastole

 

Koronararterier har en fasisk flow. Ved systole er flow lav fordi de kontraherende ventriklene klemmer de intramuskulære karene. Motsatt blir da gjellende for diastolen ettersom avslappende muskler ikke klemmer koronarkarene. Disse inverse fasene er enda mer tydelige hos VV enn hos HV fordi musklene her er sterkere.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-24 kl. 15.50.12.png

 

Kontroll av koronar blod flow

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-24 kl. 17.11.11.pngMacintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-24 kl. 17.14.34.png

 

Vi deler kontroll/regulering inn i to kategorier: lokal og nervøs.

 

Lokal regulering av blod flow

 

1. Vevsfaktorer: Vasoaktive substanser i vevet omkring arteriolene. Parakrine celler skiller ut parakrine hormoner som histamin, bradykinin og prostaglandiner (alle tre gir vasodilatasjon). Cellulær metabolisme affiserer også vasoaktivitet. Høy metabolisme (ved sterkere kontraksjon) gir nedsatt pO2, fordi oksygenkravet øker. Metabolisme gir også vasodilatoriske substanser (eks. laktat, H-ioner, K-ioner og CO2).
Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-24 kl. 17.37.41.png

2.  Endoteliale faktorer: Hormoner som NO, EDHF (endothelium-dervied hyperpolarizing factor), ET-1 (endothelin-1) og PGI2 (prostacyclin).
Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-24 kl. 17.38.24.png

3.  Myogene mekanismer: mekanismer som er innebygd i blodkarene. Gjelder særlig små arterier (som koronararteriene og arterioler). EKS: en plutselig økning av intravaskulært trykk (P) gjør at lumen ekspanderer. Glatt muskel må da kontrahere for å opprettholde årediameter og resistanse. Intravaskulært trykk går ned --> vasodilatasjon pga. glatt muskelrelaksasjon.

4.  Ekstravaskulær kompresjon: kompresjon som kommer utenifra og som ikke er hormonell eller substansbasert. Dette kan skje normalt eller som en patofysiologisk tilstand. Dette baserer seg på det transmurale trykket som er trykket på utside minus trykket på innsiden av blodåren. Øker det ytre trykket øker, faller det transmurale trykket. Koronararteriene vil oppleve dette under systole som vi diskuterte ovenfor og dette senker blod flow.

5.  Autoregulering (METABOLSK REGULERING): et organs indre evne til å opprettholde konstant blod flow ved endringer i perfusjonstrykk (). Autoregulerte kar klarer å opprettholde flow ved lavt og høyt perfusjonstrykk. Hos autoregulerte kar vil økt trykk gi økt motstand, men bare innenfor et spesifikt trykkområde (”autoregulatory range”). Denne autoregulatoriske mekanismen er helt autonom og uavhengig endokrine mekanismer.

 

Vaskulær kontroll kan ses på som et 3-lags hierarki:

 

Bunn: enkleste form, autoregulering (myogen respons). Motstand og karradius reagere til forandringer i blodtrykk slik at blodflow holdes konstant (jmf. grafen under autoregulering). Strekkesensitive Ca2+ kanaler.

 

Midt: regulering av autoregulert flow gjøres av ”intrinsic regulatory chemicals” dannet i vevet. De viktigste er vasodilataorer av

-          funksjonell hyperemi (CO2, lactate, adenosine, K+, fosfat og hyperosmolaritet),

-          endotel sekresjon (endotelin (kons), EDHF (dila), prostacyclin (dila), NO (dila)) og

-          autacoider (histamin (kons), bradykinin (dila), serotonin (kons), prostaglandiner (dila), thromboxan (vasokonstriksjon).

-          Fysisk faktorer (temperatur (varme=dila), kulde=kons) og trykk) er også med. Ekstravaskulær kontraksjon (muskel klemmer av arteriene).

 

Topp: vaskulær kontroll/regulering utført av hjernen. Kalles ”extrinsic regulation”. Autonom nervesystem: Parasympaticus dilaterer, sympaticus kontraherer
Hormon: ADH (kontr.), angiotensin2 (kont) og aldosteron (kont), katekolaminer (kont), ANP (dil)

 

 

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-03-20 kl. 17.21.54.png

Metabolske vasodilatatorer (CO2, H+, K+, lactate, adenosin) dominerer den vaskulære kontrollen av de terminale arteriolene. Sympatisk nerver som gir vasokonstriksjon dominerer i mer proximale kar.

 

Røyking

 

-    Induserer vasokonstriksjon i coronar arterier og i hud pga. økt sympaticusaktivitet, økt adrenalinmengde i blod og redusert NO-nivå.

o   De to første effektene kommer av stimulering av nikotinreseptorer på de postganglionære cellene.

o   Reduserer coronar og cutan flow, samt øker blodtrykk.

-    Senker NO-nivå fordi NO reagerer med frie oksygenradikaler som oppstår i større mengder ved røyking.

-    Lavt NO-nivå og prostacyclin fasiliterer plateaggregasjon, trombose og aterom (svulst med talg).

Proliferasjon slik at arterieveggen blir tykkere pga.

 

Autoregulering er viktig for to ting:

1. Når perfusjonstrykket øker, vil autoregulering hindre for stor blodtilførsel til et organ som allerede er godt vaskulert/har tilstrekkelig blodstrøm (økt resistans).

2.  Autoregulering kan virke motsatt, dvs. når perfusjonstrykket faller. Da klarer man å opprettholde kapillær flow og trykk (nedsatt resistans). Dette er særlig viktig for hjernen, hjertet og nyrene som er svært sensitive til ischemi eller hypoksi.

 

flow og perfusjonstrykk vil trolig aktivere metabolske & myogene

mekanismer → arteriell vasodilatasjon & fall i resistansen (R)

 

Hyperemi (METABOLSK REGULERING):
Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-05-03 kl. 19.02.51.png

Funksjonell/aktiv hyperemi er økt blodstrøm til et aktivt vev i kroppen, ettersom aktivitet krever større næringstilførsel.

o   For å øke blodstrøm kan kroppen øke CO eller MAP, men vi ønsker bare økt blodstrøm til ett aktivt område av kroppen. Det som gir vasodilatasjon er paracrine forbindelser som økt CO2, økt H+ (økt pH), økt adenosin og nedsatt O2. Alle disse oppstår ved en hardtarbeidende muskel fordi den har økt metabolisme. Øker radius, senkes motstand (Hagen-Pousilles lov).
Det må nevnes at tilføring av blod er et forhold mellom tilbud og etterspørsel. Når tilbudet (økt blodstrøm) tilfredstiller etterspørsel, vil økningen stoppe.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-05-03 kl. 18.47.56.png

Reaktiv hyperemi er en kort økning av blodstrøm til et organ rett etter en periode med ischemi pga. okklusjon (reperfusjon, reaksjon til okklusjon). Etter ischemi er det mangel på oksygen og oppsamling av metabolisk avfall.

o   Okkluderer vi en arteriole, vil blodflow synke. Når vi så fjerner okklusjonen vil flow ikke bare gå tilbake til normalen; den vil øke. Flow vil så stabilisere seg på et punkt høyere enn normalt for så å falle senere. Ganger vi flow (ml/min) med tid får vi volum. Okklusjonen vil da samle opp en mengde blod, men også avfallstoffer som CO2, H+ og adenosin. Fordi flow er lavere vil mengde av disse stoffene øke fordi de ikke tilfredstillende fjernes etter metabolismen. O2 vil også være nedsatt. Derfor er den ekstra mengden volum som flyter etter at okklusjonen påfallende lik den mengden blod som ble okkludert. Menglende flow er da kompensert.

Macintosh HD:Users:ErikMork:Desktop:Skjermbilde 2014-04-25 kl. 11.02.43.png

 

·         Vi stenger av den venøse tilbakestrømingen i underarmen ved hjelp av en blodtrykksmansjett koblet til trykkluft.

·          En strekkfølsom transducer festes rundt underarmen

·         Denne registrerer små endringer i armens omkrets når venene okkluderes.

·          Endringen i omkrets kan brukes til å beregne blodgjennomstrømming i armen

 

 

Nervøs regulering av blodstrøm

 

Adrenerg aktivering av blodårer (sympaticus dominerer):

 

NA (sympaticus) vil aktivere α-reseptoren (α1 og α2) og gi vasokonstriksjon.

 

NA og A vil aktivere β-reseptorene. Β2-reseptorer gir vasodilatasjon.

 

Cholinerg aktivering i blodårer (parasympaticus har mindre innervasjon):

 

AcH aktivere M2-respetorer gir vasodilatasjon.

 

Ovenfor ser vi de direkte effektene. Sympaticus vil gi en indirekte vasodilatasjon av koronararterien fordi sympaticus gir 1. Økt HF, 2. Økt SV og 3. Økt metabolisme. Sistnevnte vil senke oksygenkons. i vevet rundt koronarartierene og dette vil gi vasodilatasjon slik at blod flow kan øke proporsjonalt med metabolismekrav.

 

Motsatt skjer ved parasympaticus.

 

Gå tilbake