Фізіологія ч.2

Навантаження на серце

Продуктивність серцевого насосу є результатом взаємодії ударного об’єму та частоти серцевого ритму. Ударний об’єм залежить від відношення максимальної сили скорочення м’язу (скоротливості) до величини його навантаження (рис. I.A.1-2).

У камерах серця переважає тиск, який тисне на стінки та генерує в них складову частину сили, що викликає їх розтягнення. Загальна сила, що розтягує стінку, описується терміном “напруження стінки” (τ) і є виміром навантаження на стінку як на ціле. В кулястих або циліндричних судинах величину напруження описує закон Лапласа: τ = P × r (τ — напруження, P — тиск у судині, r — радіус її кривизни). З поміж камер серця лише лівий шлуночок має досить постійну форму (середнє між кулею та циліндром), тому тільки у його випадку можлива у певній мірі точна оцінка напруження (навантаження) стінки.

Кардіоміоцити “вписані” у кривизну камер серця та розтягнені під дією напруження стінки. У товстій стінці напруження поділяється на більшу кількість кардіоміоцитів, тому кожен з них розтягується слабше, натомість у тонкій стінці окремі кардіоміоцити більш розтягнені при даному напруженні. Тому виміром сили, що розтягує окремі клітини лівого шлуночка серця (виміром навантаження на них), є напруження лівого шлуночка (τ) поділене на площу поверхні перерізу його міокарду. Ця величина описується терміном “напруження стінки” (σ); це є сила, що розтягує окремі кардіоміоцити у період діастоли шлуночка, а також сила, супроти якої відбувається скорочення. Напруження (σ) стінки судини також описує закон Лапласа, який має інший вигляд у випадку кулястих та циліндричних судин. При клінічних дослідженнях зазвичай оцінюють т. зв. циркулярне (vs поздовжнє) напруження лівого шлуночка, яке розраховують на підставі ехокардіографічного вимірювання короткої вісі лівого шлуночка та товщини його стінки. При наукових дослідженнях розраховують циркулярне напруження лівого шлуночка, використовуючи як рівняння для кулі (σк), так і рівняння для циліндра (σц). Ці рівняння мають наступний вигляд:

1) σк (г/см) = [P × D/4 h (1 + h/D)] × 1,36

2) σц (г/см) = [P × D/2 h] × 1,36

(P — тиск у лівому шлуночку, D — коротка вісь лівого шлуночка [D = 2 × радіус кривизни шлуночка], h — товщина стінки лівого шлуночка).

Навантаження на кардіоміоцити лівого шлуночка (σ) зростає разом з тиском у шлуночку і довжиною його короткої вісі (що збільшується разом з об’ємом шлуночка), і є тим більше [навантаження], чим тонша стінка шлуночка. При станах, що супроводжуються зростанням напруження у стінках шлуночків, серце прагне до нормалізації напруження шляхом активації механізму зростання товщини стінки шлуночка. Серцева недостатність — це стан, при якому гіпертрофія міокарду не встигає за зростанням напруження. Споживання кисню серцем, у перерахуванні на грам серцевої тканини, тісно корелює з величиною напруження у лівому шлуночку. Це демонструє, що напруження — зручний вимір навантаження на міокард шлуночка.

Тиск у шлуночку, радіус та товщина стінки, а разом з ними напруження у стінці — невпинно змінюються під час серцевого циклу. Тому з огляду на легкість вимірювання та функціональне значення, напруження лівого шлуночка аналізують зазвичай лише на початку та в кінці ізоволюмічного скорочення шлуночка.

Переднавантаження — це сила, з якою стінка шлуночка розтягується кров’ю наприкінці періоду діастоли (в момент закриття стулок AV-клапану). Його величина є відповідно пропорційна до кінцево-діастолічного тиску та об'єму шлуночка (до радіуса його кривизни). З функціональної точки зору, переднавантаження є чинником, що характеризує рівень активності механізму Франка-Старлінга.

Післянавантаження — це сила, з якою стінка шлуночка розтягується у момент відкриття півмісяцевого клапану аорти. Його величина пропорційна до систолічного тиску та об'єму шлуночка в цей момент. На післянавантаження має вплив саме серце (через об’єм та товщину стінок шлуночка), а також система артерій через зміни судинного опору, які характеризують діастолічний тиск в аорті: тиск в аорті = хвилинний об’єм серця × загальний судинний опір.

Післянавантаження лівого шлуночка — це сила, супроти якої його міокард скорочується у фазі вигнання та виштовхує кров до аорти. Ударний об’єм крові залежить від кінцево-діастолічного об’єму шлуночка, проте переважно від амплітуди укорочення міокарду шлуночка у фазі вигнання.

Часта причина зростання післянавантаження лівого шлуночка — різкий підйом артеріального тиску, що викликає миттєве зменшення ударного об’єму лівого шлуночка, його фракції викиду та одночасне зростання кінцево-діастолічного об’єму, а також розтягнення стінки лівого шлуночка. Таким чином запускається механізм Франка-Старлінга, завдяки якому ударний об’єм та фракція викиду повертаються до початкового стану. Однак це відбувається за рахунок зростання роботи викиду та підвищення енергетичної потреби міокарду. Зростання тиску погіршують спорожнення шлуночка більшою мірою у великих, аніж у малих серцях. Саме тому у осіб зі збільшеним серцем підвищення тиску можуть викликати гостру серцеву недостатність.

Енергетична продуктивність серця як насосу складає 5–20%; тільки такий відсоток енергії, спожитої серцем, використовується для виконання гемодинамічної роботи, а решто перетворюється на тепло. Найбільше енергії потребує створення напруження у стінці шлуночка під час ізоволюмічного скорочення. Енергетичне навантаження на серце росте пропорційно до серцевого ритму, а зростання скоротливості міокарду пов’язане з падінням енергетичної продуктивності серця. Енергетична продуктивність гемодинамічної роботи найвища у осіб, які мають: повільний серцевий ритм, невеликі розміри шлуночка, низький артеріальний тиск та низьку скоротливість міокарду.

Фізіологія судинної системи

Судинна система складається з системного кровообігу (велике коло) та легеневого кровообігу (мале коло). Обидва починаються з великих артерій еластичного типу (аорта, легенева артерія), які надалі багаторазово поділяються на усе менші артерії та артеріоли м’язового типу, а далі — на численні капілярні судини, сформовані лише з одного шару ендотеліальних клітин. Капіляри об’єднуються у венули, венули — у щораз більші вени, що нарешті впадають до передсердь. Артерії та артеріоли м’язового типу реагують спазмом та дилятацією на чинники оточуючого середовища, а отже судинний опір передусім залежить від них. Це сегмент судинної системи високого тиску, низького об’єму (у ньому перебуває тільки 15–18% крові) та високого опору. Обмін речовин поміж кров’ю та тканинною рідиною відбувається лише на рівні капілярів. Вени є сегментом низького тиску, високого об’єму (уміщують 66% крові) та низького опору.

Судинна система функціонує згідно з 3 засадами:

1) система намагається утримувати артеріальний тиск на відносно сталому рівні таким чином, щоб він безпосередньо не залежав від змін хвилинного об’єму серця та тканинного кровотоку

2) кровотік регулюється місцево та різним чином у різних органах

3) хвилинний об’єм серця залежить переважно від місцевих тканинних кровотоків — у здоровому серці переважно від венозного повернення

Регуляція артеріального тиску

Кровотік у довільному сегменті судинного русла описує рівняння Q = ΔP/R, з якого випливає, що для кровотоку фундаментальне значення має перфузійний тиск (ΔP), тобто різниця тисків поміж початком та закінченням даного судинного сегменту, а також судинний опір. Перетворення цього рівняння демонструє, що артеріальний тиск є добутком хвилинного об’єму серця та судинного опору. Регуляція артеріального тиску, а надалі і тканинного кровотоку, фактично призводить до регуляції судинного опору.

Загальний судинний опір складається з суми опорів окремих сегментів судинної системи. Виміром опору даного судинного сегменту є падіння тиску, що виникає у даному сегменті. Тиск крові зменшується по мірі віддалення від серця, а падіння тиску найвище в артеріолах діаметром 10–300 мкм, які відповідають за найбільшу частину загального судинного опору. Невідкладна регуляція тиску крові відбувається шляхом активації рефлексу з барорецепторів, та полягає у регуляції діаметру судин (та опору) саме в даному сегменті судинної системи (у т. зв. резистивних артеріолах). Барорецептори — це рецептори, що розміщені у каротидному синусі та на дузі аорти, чутливі до механічного розтягнення стінки артерії.

Барорецепторний рефлекс полягає в тому, що різке падіння артеріального тиску (напр. зразу ж після прийняття вертикального положення) веде до меншої активації артеріальних барорецепторів. І як результат — зменшує гальмівний вплив імпульсації з барорецепторів на активність симпатичної нервової системи та їх стимулюючий вплив на блукаючий нерв (зростання артеріального тиску викликає зворотні ефекти). Потім декомпресія барорецепторів призводить до збудження симпатичної та пригнічення парасимпатичної нервової системи. Симпатичні нервові закінчення особливо густо розміщені у резистивних артеріолах та у великих венозних судинах. Вивільнений з них норадреналін, стимулюючи α1-адренергічні рецептори, викликає спазм цих судин. Спазм резистивних артеріол призводить до зростання загального периферичного опору, натомість спазм великих венозних судин веде до переміщення крові, що знаходилася в них, у напрямку серця. Завдяки цьому зростає венозне повернення та кінцево-діастолічний об’єм шлуночків, запускається механізм Франка-Старлінга та остаточно —зростає і хвилинний об’єм серця. Загалом барорецепторний рефлекс викликає швидке зростання артеріального тиску, оскільки одночасно впливає на обидві його детермінанти — судинний опір та хвилинний об’єм серця. Затримка барорецепторного рефлексу становить <1 с, тому цей механізм особливо ефективно протидіє різким коливанням артеріального тиску.

Довготривала регуляція артеріального тиску відбувається на рівні нирок шляхом регуляції об’єму циркулюючої крові. Діурез регулюється артеріальним тиском, а якщо точніше — тиском у ниркових артеріолах. Зростання артеріального тиску веде до негайного зростання діурезу, а отже і до зменшення об’єму циркулюючої крові, венозного повернення, хвилинного об’єму серця і, нарешті, до зниження кров’яного тиску. Разом із невідкладними змінами, викликаними коливаннями перфузійного тиску у нирках, у довготривалій регуляції об’єму циркулюючої крові беруть участь гуморальні чинники, а саме ренін-ангіотензин-альдостеронова (РАА) система, натрійуретичні пептиди та вазопресин (рис. I.A.2-1).

РАА система — має плазмовий (ендокринний) і місцевий тканинний (аутокринний та паракринний) компоненти. Складовими частинами плазмової системи є:

1) ренін, секретується юкстагломерулярним апаратом нирок

2) ангіотензиноген — печінковий пептид

3) ангіотензин І — декапептид, що утворюється у результаті дії реніну на ангіотензиноген

4) ангіотензин ІІ — октапептид, що утворюється у результаті дії ангіотензинперетворюючого ферменту на ангіотензин І.

Ангіотензин ІІ, діючи на AT1-рецептор, стимулює зворотну абсорбцію натрію та води у ниркових канальцях, а також секрецію альдостерону у корі наднирників, окрім того викликає спазм резистивних артеріол, у т.ч. артеріол, якими кров поступає до ниркового клубочка. Результатом цього стає затримка натрію та води в організмі, зростання периферичного опору та, врешті, підвищення об’єму крові і зростання артеріального тиску. Плазмова РАА система регулюється переважно на рівні ниркової секреції реніну, яка підвищується внаслідок зниження тиску у ниркових артеріолах, зменшення клубочкової фільтрації, а також унаслідок активації симпатичної нервової системи та β-адренергічних рецепторів. При серцевій недостатності і артеріальній гіпертензії, окрім активації плазмової РАА системи, усі складові частини РАА системи продукуються також місцево, у стінках серця та артерій. Активація місцевої РАА системи є частиною патомеханізму серцевої недостатності та артеріальної гіпертензії, напр. регулює гіпертрофію та фіброз міокарду та стінок артерій. Клінічні стратегії попередження активації РАА системи полягають у інгібуванні АПФ, а також у блокаді AT1- та β-адренергічних рецепторів.

Систему натрійуретичних пептидів формують передсердний натрійуретичний пептид (atrial natriuretic peptide — ANP) та натрійуретичний пептид типу B (B‑type natriuretic peptide — BNP), які виробляються, відповідно, кардіоміоцитами передсердь та шлуночків серця. Стимулом до цього є надмірне розтягнення кардіоміоцитів (підвищення напруження у стінках серця). Тому підвищення концентрації BNP у сироватці крові є також показником перевантаження серця і має діагностичне значення. Дія ANP та BNP полягає переважно в інгібуванні РАА системи; вони викликають збільшення діурезу, вазодилятацію, протидіють гіпертрофії міокарду та запобігають фіброзу. Фермент нейтральна ендопептидаза (неприлізин) інактивує пептиди ANP та BNP. Блокада цього ферменту є новою, багатообіцяючою терапевтичною стратегією, особливо при серцевій недостатності.

Регуляція тканинного кровотоку

Тканинний кровотік у більшості органних судинних лож (коронарному, мозковому, вісцеральному, м’язовому тощо) підлягає метаболічній регуляції. Зростання метаболічних потреб тканини супроводжується зменшенням парціального тиску кисню у її межах, що спричиняє поступово: місцеву дилятацію резистивних артеріол, зменшення судинного опору та зростання тканинного кровотоку. Симпатична нервова система, що іннервує резистивні артеріоли у тканинах і у стані спокою викликає їх тонічне напруження, не бере участі у метаболічній регуляції тканинної перфузії. Вона натомість підключається, якщо у результаті активації місцевих регуляторних механізмів (напр., під час інтенсивної м’язової роботи) відбувається падіння артеріального тиску у великому колі кровообігу та декомпресія барорецепторів. У результаті настає активація симпатичної нервової системи та спазм резистивних судин в усіх органах, також і в тих, які спричинили зміну тиску. Тому кровотік у менш важливих для життя чи на даний момент “непрацюючих” органах — зменшується, а у “працюючому” органі — є результатом впливу метаболічних та нейрогенних чинників на мікроциркуляцію.

Окрім падіння периферичного опору та кров’яного тиску, додатковим результатом зростання місцевого тканинного кровотоку є підвищення венозного повернення та хвилинного об’єму серця. Дані зміни можуть однак бути недостатніми, щоб нормалізувати падіння кров’яного тиску. Це веде до зниження діурезу та затримки води нирками.

Рисунок 5.