Regolazione dell’attività cardiaca

Iniziamo una parte che riguarda il controllo del cuore Iniziamo una parte che riguarda il controllo del cuore. Per fare questo diamo alcune semplici definizioni. Gittata o portata cardiaca : quantità di sangue pompata dal cuore al minuto (circa 5l/min) Frequenza cardiaca : numero di battiti nell’unità di tempo (in media 72 battiti/min) Gittata sistolica o volume sistolico : volume di sangue espulso per ogni sistole (ca 70ml)

Gittata cardiaca= frequenza x gittata sistolica Appare evidente che Gittata cardiaca= frequenza x gittata sistolica Risulta quindi possibile modificare la gittata cardiaca agendo sulla frequenza, sulla gittata sistolica o su entrambi. Il controllo della frequenza è soprattutto sotto il controllo del sistema nervoso autonomo con controllo simpatico e parasimpatico (nervo vago). Il controllo del volume sistolico è intrinseco secondo un meccanismo che vedremo (legge di Frank-Starling) o estrinseco grazie a fattori che controllano la forza di contrazione.

Ricordiamo fin da adesso che il cuore è sotto controllo simpatico e parasimpatico e che la sua frequenza dipende da un’azione concomitante delle due branche. In condizioni normali il tono parasimpatico risulta dominante.

Il sistema nervoso autonomo (SNA) controlla l’ambiente interno del nostro organismo in maniera coordinata. Controlla la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna, la digestione, la respirazione, il pH del sangue e altre importanti funzioni. Questi controlli sono fatti in maniera autonoma senza presa di coscienza del fenomeno. Le due branche del SNA consistono di due set di neuroni: un neurone pregangliare localizzato nel SNC che si connette ad un secondo neurone che si trova in un ganglio al di fuori del SNC.

SNC -> Nervo pregangliare -> Ganglio -> Nervo postgangliare -> Organo In corrispondenza di ciascuna sinapsi sono rilasciati neurotrasmettitori che veicolano l’informazione al nervo successivo o all’organo stesso.

Il sistema simpatico e il sistema parasimpatico lavorano in tandem in maniera agonista o antagonista. Il sistema simpatico, in particolare, è deputato a fornire energia e risposte specifiche in situazioni di stress o estrema attività fisica (FIGHT AND FLY RESPONSE). Si ha allora aumento della pressione sanguigna, della frequenza cardiaca, aumento del rifornimento di sangue al muscolo scheletrico a spese del tratto gastro-intestinale, dei reni e della cute. Le pupille si dilatano e così i bronchioli migliorando la visione e l’ossigenazione. L’energia è fornita stimolando la glicogenolisi nel fegato e la lipolisi nel tessuto adiposo.

A riposo l’organismo ha bisogno di riposare e ottenere nuova energia (REST AND DIGEST RESPONSE). Questi sono i compiti del sistema parasimpatico che abbassa la frequenza cardiaca e la pressione sanguigna, devia sangue alla cute e al tratto gastro-intestinale, contrae le pupille e i bronchioli, stimola la secrezione delle ghiandole salivari e la peristalsi.

I corpi cellulari dei neuroni autonomi pre-gangliari si trovano nel SNC. I neuroni simpatici hanno origine dalla colonna intermedio-laterale dei segmenti toracici e lombari (fra T1 e L3) del MS (sistema toraco-lombare). Le fibre simpatiche escono dal midollo ed entrano nella catena paravertebrale formata da 22 gangli presente sui due lati della colonna vertebrale. Gli organi innervati dal sistema simpatico includono cuore, polmoni, esofago, stomaco, intestino tenue e crasso, fegato, vescica e organi genitali.

I neuroni del sistema parasimpatico (sistema cranio-sacrale) originano dalle cellule del nucleo motorio dorsale del vago e dalla regione sacrale del SNC. Gli stessi organi innervati dal sistema simpatico sono innervati dal parasimpatico.

Trasmettitore post-gangliare Anatomia  Fibre pre-gangliari Fibre post-gangliari Trasmet titore pre-gangliare Trasmettitore post-gangliare  Simpatico  Toraco/ Lombare  Corte Lunghe ACh NE  Parasimpatico  Cranio/ Sacrale  Lunghe Corte

Vediamo adesso come il sistema simpatico controlla la frequenza cardiaca. Le cellule pacemaker del nodo SA hanno una frequenza intrinseca di scarica di 100 battiti/min circa. Questo ritmo intrinseco è influenzato dal SNA con un controllo vagale dominante sul tono simpatico. Questo “tono vagale” porta la frequenza di scarica del pacemaker a circa 72 battiti/min. Vago Simpatico 50 200 bpm Frequenza intrinseca 100-110 battiti/min

Controllo simpatico: meccanismi Il sistema simpatico attraverso il legame NE e recettori adrenergici β1 causa un aumento della frequenza cardiaca (effetto cronotropo), ma anche un aumento della forza di contrazione (effetto inotropo) a causa di un aumentato ingresso di calcio attraverso i canali del calcio potenziale-dipendenti L-type o diidropiridina (DHP)-sensibili.

7-helix spanning receptor

Aumento nella velocità di depolarizzazione della fase 0

Controllo vagale: meccanismi Il sistema parasimpatico agisce attraverso il rilascio di acetilcolina (ACh) sui recettori colinergici muscarinici M2, determinando un rallentamento della frequenza cardiaca per iperpolarizazione della membrana. Questo a seguito di un maggior efflusso di ioni K+ dalla cellula attraverso canali K+ muscarino-dipendenti.

Meccanismo d’azione dell’ACh Variazione del potenziale di riposo per azione dell’uscita di ioni K+

Il vago dx influenza il nodo SA, mentre il vago sx influenza il nodo AV rallentando la conduzione. L’azione del sistema parasimpatico è battito-per-battito, quindi molto rapida perché: il nodo SA e il nodo AV sono molto ricchi di acetilcolinesterasi che degrada rapidamente l’ACh presente nello spazio sinaptico ACh agisce direttamente sui canali del potassio senza intermedio di secondi messaggeri

Il sistema simpatico è più lento perché : NE viene ricaptata dai terminali assonici e non degradata enzimaticamente l’accoppiamento fra recettori β e canali del Ca2+ avviene attraverso un secondo messaggero (c-AMP).

Metabolismo a livello sinaptico di ACh Metabolismo a livello sinaptico di NE

Altri fattori che influenzano la frequenza cardiaca sono: Ormoni: un eccesso di ormoni tiroidei induce tachicardia, mentre un deficit degli stessi causa bradicardia Variazioni della concentrazione salina nel plasma: un eccesso di K+ induce un eccessiva eccitabilità cardiaca che può essere letale Ipossia cellulare (per ischemia): induce bradicardia per depolarizzazione della membrana. Agenti farmacologici: un ampio spettro di sostanze usate nel controllo della frequenza cardiaca.

Riflesso dei barocettori: modulazione della frequenza cardiaca I barocettori sono terminali nervosi specializzati, sensibili a distorsioni meccaniche e deputati alla percezione di variazioni improvvise della pressione arteriosa. Diciamo subito che la pressione arteriosa media (che definiremo più avanti) è circa 100mmHg. Variazioni improvvise di questo valore determinano una variazione immediata IN SENSO OPPOSTO della frequenza cardiaca. I barocettori si trovano nella parete dei grossi vasi sanguigni nell’arco aortico e nel seno carotideo.

Localizzazione dei barocettori

Sono recettori di tipo FASICO, sono cioè molto indicati per segnalare variazioni di pressione, più che valori assoluti. Va detto che i barocettori giocano un ruolo chiave nel controllo della pressione sanguigna a breve termine. Il controllo della pressione a lungo termine gioca sul controllo del bilanciamento fra fluidi in ingresso e fluidi in uscita dal corpo ed è pertanto affidato al sistema renale.

Aumento della pressione arteriosa Stiramento dei barocettori Sistema nervoso e feed-back al SNA Diminuzione della pressione arteriosa

Nessuna risposta 0 < p < 60mmHg Risposta rapida p > 60mmHg Saturazione p > 180mmHg

della forza di contrazione Se aumenta la pressione sanguigna Barocettori del seno carotideo + Nervo del seno (n. di Hering) + Nervo glossofaringeo Barocettori dell’arco aortico + Nucleo del tratto solitario bulbare Nervo vago Nervo glossofaringeo - + Simpatico Vago Nucleo del tratto solitario bulbare Diminuzione della frequenza cardiaca e della forza di contrazione e vasodilatazione - + Simpatico Vago

Il nervo glossofaringeo e il nervo vago sono rispettivamente il IX e il X nervo cranico e sono a funzione mista (sensoriale e motoria) insieme al trigemino (V) e al facciale (VII)

Riflesso di Bainbridge Francis Arthur Bainbridge (1915) Questo tipo di riflesso è correlato all’aumento del volume sanguigno: questo provoca accelerazione cardiaca in seguito a distensione dell’atrio dx per azione su recettori di stiramento localizzati in entrambi gli atri (alla giunzione fra le cave e alla giunzione fra le vene polmonari). La resezione dei nervi vaghi inibisce l’effetto. Quindi: Ritorno venoso Frequenza cardiaca

Stiramento dei recettori atriali Aumento volume ematico Rilascio di ANP Stiramento dei recettori atriali Aumento della diuresi Nervo vago Aumentata escrezione di acqua Bulbo Ipovolemia Scarica efferente simpatica al nodo SA Aumento della frequenza cardiaca

Distensione delle pareti atriali (specie a dx) Volume sanguigno Distensione delle pareti atriali (specie a dx) Rilascio di ANP Stimolazione lungo il nervo vago Regione bulbare Vasodilatazione a.a. Secrezione di ADH Scarica efferente simpatica al nodo SA Riassorbimento di H2O dall’urina Frequenza cardiaca e forza di contrazione VFG e quindi l’ultrafiltrazione renale

+ - L’infusione venosa porta ad un bilanciamento di due effetti. endovenosa Aumento pressorio atrio dx Stimolazione recettori atriali Riflesso di Bainbridge Aumento della gittata cardiaca Aumento pressione arteriosa Frequenza cardiaca Riflesso barocettivo + -

Aritmia respiratoria Vago Simpatico Frenico Durante l’attività respiratoria la frequenza cardiaca aumenta nella fase inspiratoria e diminuisce nella fase espiratoria. Questo equivale a dire che c’è un aumento dell’attività simpatica in fase inspiratoria e dell’attività vagale nella fase espiratoria. Vago Simpatico Frenico

ν cardiaca in inspirazione Pressione intratoracica Inspirazione Espansione dei vasi venosi toracici con aumento del ritorno venoso Gittata cardiaca Effetto Bainbridge Pressione arteriosa ν cardiaca in inspirazione ν cardiaca in espirazione Azione dei barocettori

Regolazione intrinseca dell’azione di pompa del cuore: meccanismo di Frank-Starling Per meccanismo di Frank-Starling o legge intrinseca del cuore, si intende la capacità che ha un cuore denervato di adattarsi a condizioni variabili in base alle sue capacità intrinseche.

Il nome Frank-Starling deriva dai due fisiologi che per primi individuarono e studiarono il meccanismo. Essi in particolare descrissero la risposta di un cuore isolato di rana alle variazioni del pre-carico. Successivamente descrissero anche la risposta a modificazioni del post-carico, cioè della pressione arteriosa. Se il ritorno venoso al cuore aumenta e quindi aumenta la pressione nell’atrio dx (pre-carico), vi sarà un aumento del volume ventricolare perché il ventricolo non riuscirà a pompare tutto il volume di sangue. L’accumulo di sangue determina nel corso dei battiti successivi una dilatazione della camera.

PREMESSA: la quantità di sangue pompata dal cuore ogni minuto è determinata dalla quantità di sangue che torna al cuore, cioè dal RITORNO VENOSO. TANTO MAGGIORE È LO STIRAMENTO A CUI IL CUORE È SOTTOPOSTO DURANTE IL RIEMPIMENTO, TANTO MAGGIORE SARÀ LA FORZA DI CONTRAZIONE E LA QUANTITÀ DI SANGUE POMPATA NELL’AORTA.

In altri termini il cuore pompa tutto il sangue che gli arriva impedendo un accumulo eccessivo nel sistema venoso

Ricordiamo che, poiché il muscolo cardiaco lavora a l < l0, quando il muscolo viene stirato, il grado di sovrapposizione dei filamenti aumenta permettendo una contrazione maggiore. Vale la pena ricordare che, entro certi limiti, la quantità di sangue pompata dal cuore dipende dal ritorno venoso e non da variazioni di pressione del circolo arterioso.

Output del volume ventricolare Variazioni della pressione arteriosa non hanno quasi effetto sull’output cardiaco P atriale Output del volume ventricolare

Output cardiaco (l/min)

Distensione dell’atrio dx con aumento del pre-carico Aumentato ritorno venoso all’atrio dx Distensione dell’atrio dx con aumento del pre-carico Distensione della camera ventricolare * Aumento dell’output cardiaco Allungamento delle fibre muscolari (l~l0) Aumento della forza di contrazione * Un eccesso di distensione riduce la gittata per sovradistensione delle fibre

Aumento della resistenza arteriosa (post-carico) Aumento della pressione arteriosa Aumento del volume residuo Diminuzione del volume sistolico Aumento del volume diastolico Aumento della lunghezza delle fibre Compensazione sull’azione di pompa del cuore

Controllo estrinseco del cuore Il controllo estrinseco del cuore è legato al sistema nervoso autonomo come già detto e quindi alle afferenze simpatiche che aumentano la contrattilità atriale e ventricolare e la frequenza cardiaca.

L’attività cardiaca è inoltre soggetta al controllo da parte di ormoni come gli ormoni della midollare del surrene (adrenalina soprattutto e noradrenalina) nelle risposte d’allarme, della tiroide* (aumentano la frequenza di scarica inducendo tachicardia e inoltre promuovono vasodilatazione), dell’insulina e del glucagone. Inoltre: Ipossia induce aumento della contrattilità e della frequenza cardiaca Ipercapnia stimola la frequenza cardiaca attraverso l’attivazione dei chemocettori periferici * Changes in TH status influence cardiac action by three different routes: The biologically relevant TH, T3, exerts a direct effect on cardiac myocytes by binding to nuclear T3 receptors influencing cardiac gene expression T3 may influence the sensitivity of the sympathetic system T3 leads to hemodynamic alterations in the periphery that result in increased cardiac filling and modification of cardiac contraction.

Soglia di attivazione dei chemocettori Quali sono i chemocettori che determinano una variazione della frequenza cardiaca? Soglia di attivazione dei chemocettori pO2 < 80mmHg pCO2 > 40mmHg pH < 7.4

I chemocettori attivati determinano un aumento dell’attività respiratoria ed una scarica simpatica a livello cardiaco, ma anche un aumento della pressione arteriosa.

GC FC VS ↑ vago ↑ simpatico ↑ adrenalina surrenalica ↑ VTD ↑ RV + -

In conclusione quindi possiamo definire: VS= VTD – VTS dove VS= volume sistolico eiettato VTD= volume tele-diastolico, cioè volume ventricolare alla fine del riempimento (ca 150ml) VTS= volume tele-sistolico, cioè volume ventricolare residuo (ca 50-60ml) Il VS può variare in funzione delle due variabili. Vediamo come.

+ - + + - VS VTD VTS Pre-carico Post-carico Contrattilità VS=VTD-VTS (meccanismo Frank-Starling che aumenta VS all’aumentare del ritorno venoso) Post-carico (riduzione di VS all’aumentare della pressione aortica che si oppone allo svuotamento del ventricolo) Contrattilità (una forte attività simpatica aumenta la forza di contrazione e riduce quindi il volume residuo aumentando il volume sistolico)

Shock circolatorio Si conoscono 4 tipi diversi di shock circolatorio: Ipovolemico: causato da perdita massiva di volume plasmatico (es. emorragia grave) Cardiogeno: riduzione della gittata per insufficienza cardiaca Vasogeno: distinto in settico e anafilattico e legato ad una massiccia vasodilatazione periferica indotta da sostanze vasodilatanti Neurogeno: causato da massiccia vasodilatazione periferica indotta da perdita di tono simpatico