Elettrofisiologia del cuore Cellule differenti: Potenziali d’azione differenti

 Depolarizzazione spontanea (potenz. pacemaker) Quattro importanti caratteristiche elettriche dei potenziali d’azione cardiaci  Depolarizzazione spontanea (potenz. pacemaker) Innervazione neuronale non richiesta  Propagazione tra le cellule Sincizio elettricamente accoppiato Assicura un’attività ritmica continua  Fase di plateau lunga nei miociti (~200ms) Assicura una forte contrazione  Periodo di refrattarietà lungo nei miociti Previene la sommazione di scosse muscolari semplici

Obiettivi comprendere: La specializzazione delle cellule cardiache Il flusso di informazione elettrica nel cuore Le basi ioniche del potenziale d’azione in queste cellule specializzate

Organizzazione multi-cellulare = Giunzioni gap

Flusso dell’attività elettrica cardiaca (potenziali d’azione) Nodo SA Andatura (stabilisce il ritmo cardiaco) Muscolo atriale Contrazione Nodo SA Nodo AV Fibre di Purkinje Fascio AV Nodo AV Ritardo Fibre del Purkinje Rapide, distribuite uniformemente Muscolo ventricol. Contrazione

Potenziale d’azione del nodo SA È un potenziale d’azione al Ca2+!!!!! Depolarizzazione lenta e Ca+2-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Potenziale di membr. del nodo SA (mV) -50 Non c’è potenziale di riposo (prepotenziale) 200 msec

È un potenziale d’azione al Ca2+!!!!! Potenziale d’azione del nodo AV Nodo AV È un potenziale d’azione al Ca2+!!!!! Simile al nodo SA Segnaritmo latente Depolarizzazione lenta, Ca+2-dipendente Conduzione lenta (ritardo) Ripolarizzazione K+-dipendente Potenziale di membr. del nodo AV (mV) nodo SA -50 nodo AV 200 msec

Potenziale d’azione del muscolo atriale Muscol. atriale Potenziale di riposo (-80 / -90 mV) Attivazione rapida, Na+-dipendente Spalla Ca2+-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Contrazione e conduzione del muscolo atriale (mV) Potenziale di membr. -50 200 msec

Potenziale d’azione delle fibre del Purkinje Fibre di Purkinje delle fibre del Purkinje (mV) Potenziale di membr. Un altro pacemaker latente Attivazione rapida, Na+-dipendente Plateau Ca2+-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Conduzione rapida -50 200 msec

PdA del muscolo ventricolare Muscolatura ventricloare Potenziale di riposo (-80 / -90 mV) Attivazione rapida, Na+-dipendente Plateau Ca2+-dipendente Ripolarizzazione K+-dipendente Contrazione del muscolo ventricolare (mV) Potenziale di membr. -50 200 msec

Il lunghissimo “plateau” del pda dei miociti ventricolari è funzionalmente importante per due buone ragioni: a) il Ca2+ che entra attraverso i canali (L) della membrana plasmatica attiverà il “Ca-activated Ca-release” del reticolo sarcoplasmatico, quindi la contrazione del cuore; b) mantenendo depolarizzata la membrana, la rende ineccitabile per tutta la sua durata (perché mantiene inattivati i canali del Na+). In altre parole: durante il plateau, il cuore si trova in uno stato di refrattarietà assoluta, quindi per tutta la durata della contrazione (della sistole) non può essere nuovamente eccitato. Abbiamo visto che la situazione è molto diversa da quella che si ha nel muscolo scheletrico, nel quale la refrattarietà assoluta termina ancor prima che inizi la contrazione.

Canali ionici nei muscoli ventricolare e atriale Canali del K (KA) Canali del K “anomalus rectifier” Canali del K “delayed rectifier” del muscolo ventricolare (mV) Potenziale di membrana Canali del Na voltaggio-dip. Canali del Ca voltaggio-dip. L-type -50 200 msec IK1 Nota: Nel muscolo atriale il plateau è meno pronunciato dovuto ad un diverso equilibrio tra I canali del Ca e del K voltaggio-dipendenti

Canali del Na cardiaci Quasi identici ai canali del Na dei neuroni (strutturalmente e funzionalmente) Apertura molto rapida (come nei neuroni) Inattivano (come nei neuroni) NON sono sensibili alla Tetrodotoxin Espressi solo in tessuto non nodale Responsabili dell’innesco e della propagazione del potenziale d’azione in cellule non nodali

Canali del Ca Cardiaci Cellule nodali (SA-AV): principalmente T-type innesco e propagazione dei potenziali d’azione -LENTO Cellule non nodali: L-type controllano la durata del potenziale d’azione contrazione

Canali pacemaker “f” Appartengono alla classe dei canali HCN: “canali cationici attivati dall’iperpolarizzazione”. I canali del Ca2+ delle cellule nodali sostengono il pda, ma per essere attivati necessitano di una depolarizzazione della membrana. Questa, nelle cellule autoritmiche, avviene “spontaneamente” e si chiama prepotenziale. Nel tessuto pacemaker, il prepotenziale (e con esso l’automatismo cardiaco) è generato dall’apertura dei canali-f . I canali “f” vengono attivati alla fine di ogni pda, quando la membrana si iperpolarizza. La loro apertura genera una corrente cationica entrante che, depolarizzando la membrana, produce il prepotenziale, e quindi innesca il pda successivo.

Modulazione dei Canali “f” Di grande importanza è la “modulazione” (variazione della sensibilità al voltaggio) dei canali f operata dall’orto- e dal para-simpatico tramite i rispettivi neurotrasmettitori <noradrenalina(+adrenalina) ed acetilcolina>. Modulando i canali f, l’orto- ed il para-simpatico regolano la frequenza cardiaca (!!), come se fossero l’uno l’acceleratore e l’altro il freno di un’automobile. Questi neurotrasmettitori agiscono su recettori accoppiati a proteine-G e fanno rispettivamente aumentare e diminuire il livello intracellulatre di AMPc.

L’elettrocardiogramma Jimmie Dimostrazione di Waller alla Royal Society 1909

L’Elettrocardiogramma (ECG) L’onda P è dovuta alla depolarizzazione del nodo SA. Il complesso QRS è dovuto alla depolarizzazione ventricolare. L’onda T corrisponde alla ripolarizzazione ventricolare.

Relazione tra sequenza dei potenziali d’azione nel cuore ed elettrocardiogramma approx. 0.44 s P ≡ depolarizzazione del nodo SA. QRS ≡ depolarizzazione ventricolare. T ≡ ripolarizzazione ventricolare. R P T ECG Q S SA Nodo SA Nodo AV Fibre di Purkinje Fascio AV Atrii AV Purkinje Ventricoli

Eccitamento cardiaco correlato all’elettrocardiogramma L’impulso passa all’apice del cuore: incomincia l’eccitamento ventricolare Rami del fascio di His L’eccitamento ventricolare è completo  complesso QRS Fibre del Purkinje Il nodo SA genera un impulso: incomincia l’eccitamento atriale Nodo SA Impulso ritardato al nodo AV  onda P finisce Nodo AV R P Q Q S L’onda T, che fa seguito all’onda S, corrisponde alla ripolarizzazione ventricolare

Intervalli dell’ECG normale L’intervallo P-R è normalmente 0.12-0.20 sec, gran parte di questo tempo è il ritardo con cui l’eccitamento arriva al nodo AV. Il complesso QRS dura normalmente meno di 0.10 sec. Un aumento nella durata del complesso è una caratteristica di difetti a livello delle ramificazioni del fascio o delle fibre del Purkinje. L’intervallo Q-T varia in maniera inversamente proporzionale alla velocità cardiaca.

Aritmie cardiache

Elettrocardiogramma: l’intervallo QT La sindrome denominata “Long QT” è una malattia definita da un prolungamento dell’intervallo QT dell’elettrocardiogramma. Elettrocardiogramma: l’intervallo QT approx. 0.44 s R P T ECG Q S Ventricoli intervallo QT L’intervallo QT inizia con il complesso QRS e termina alla fine dell’onda T. Rappresenta il periodo temporale tra la depolarizzazione (contrazione) ventricolare e la ripolarizzazione (rilassamento). Tutte le forme della sindrome del “long QT” coinvolgono una ripolarizzazione anormale del cuore.

Caratteristiche generali Malattia genetica, frequentemente autosomiale dominante. Predisposizione ad aritmie pericolose per la vita. Appare tra i 5 e i 15 anni di età. Manifestazioni iniziali sono sincope (perdita temporanea di coscienza dovuta ad ischemia cerebrale), attacco apoplettico, arresto cardiaco o morte improvvisa. Trattabile con antagonisti b-adrenergici, pacemaker cardiaci e denervazione delle terminazioni ortosimpatiche sinistre del cuore.

Genetica della sindrome Long QT Mutazioni nei geni che codificano i canali al K+ cardiaci sono le più comuni cause della sindrome Long QT. Difetti nei canali al Na+ cardiaci possono pure essere causa di questa malattia. Denominazione gene Proteina codificata, funzione LQT1 KCNQ1 Canale del K+ (Ks - slow) LQT2 KCNH2 Canale del K+ (Kr - rapid) LQT3 SCNSA Canale del Na+ Volt. Dip.

Biologia molecolare della sindrome Long QT Mutazioni nei canali del K+ sono state identificate un po’ in tutta la molecola. Tuttavia il numero più elevato di mutazioni è stato riscontrato nelle eliche S3 e S6 e nell’ansa S5/S6 che forma il poro. Qui sotto sono riportate le mutazioni più frequenti: gene proteina mutazione Localizz. KCNQ KvLQT1 Gly168Arg Gly314Ser Ala341Glu Ala341Val S2 Poro S6 KCNH HERG Ala561Thr Ala561Val Ala614Val S5 poro

FINE

Verifiche

Perché il potenziale d’azione cardiaco, come quelli neuronali presentano un periodo di refrattarietà? Il periodo di refrattarietà rappresenta il tempo necessario per il ripristino della normale conformazione delle porte (gates) del canale del Na+ (le porte di attivazione si chiudono, quella dell’inattivazione si apre.

La lidocaina è un farmaco che blocca i canali voltaggio-dipendenti del Na+ cardiaci. Cosa succede al potenziale d’azione di una cellula miocardica contrattile se si applica lidocaina alla sua membrana? Se i canali del Na+ voltaggio-dipendenti sono bloccati la cellula non è in grado di depolarizzarsi e quindi di contrarsi

Ritenete che i canali del Ca2+ presenti nelle cellule autoritmiche siano identici ai canali del Ca2+ presenti nelle cellule contrattili? Giustificate la risposta. I canali del Ca presenti nelle cellule autoritmiche non sono identici a quelli delle cellule contrattili. I primi si aprono rapidamente quando il potenziale di membrana raggiunge il valore di -50 mV e inattivano quando viene raggiunto il valore di +20mV. I secondi sono più lenti ad attivarsi e non si aprono fino a quando la membrana non sia depolarizzata completamente.

Cosa succede al potenziale d’azione di una cellula miocardica autoritmica se viene somministrata TTX che blocca i canali voltaggio-dipendenti del Na? Assolutamente nulla! Poiché tali cellule non presentano canali voltaggio-dipendenti del Na.

Indicare due funzioni del nodo AV Indicare due funzioni del nodo AV. Qual è lo scopo del ritardo introdotto dal nodo AV nella conduzione dei segnali elettrici? Consente il trasferimento dei potenziali d’azione dagli atri ai ventricoli. Inoltre rallenta la conduzione di tali potenziali: in questo modo la contrazione atriale si completa prima che quella ventricolare abbia inizio.

Identificare le onde dell’ECG riportato qui sotto e spiegare cosa accade quando un’onda P non è seguita da un complesso QRS. Cominciando da sinistra: P, P, QRS, T, P, P, ecc. Un’onda P non seguita da un complesso QRS è indice di un blocco intermittente della conduzione a livello del nodo AV.

Canali ionici nel muscolo ventricolare Canali del K inattivanti (ITO) Canali del K “ultra-rapidi” (IKur) “Canali del K “rapidi” (IKr) Canali del K “lenti” (IKs) del muscolo ventricolare (mV) Potenziale di membrana Canali del Na voltaggio-dip. Canali del Ca voltaggio-dip. -50 200 msec IK1

Canali ionici nel muscolo ventricolare Corrente Geni Corrente di Na SCNA5 Corrente di Ca CACNL1A1 IK1 Kir2.1 (KCNJ2) ITO Kv4.3 (KCND3) Kv1.5 (KCNA5) IKur HERG (KCNH2) + miRP1 (KCNE2) IKr KvLQT1 (KCNQ1) + minK (KCNE1) IKs

Canali del K cardiaci voltaggio-dipendenti Canali del K inattivanti (ITO) Canali del K “ultra-rapidi” (IKur) Canali del K cardiaci voltaggio-dipendenti Canali del K “rapidi” (IKr) Canali del K “lenti” (IKs) Tutti strutturalmente simili ai canale del K dei neuroni ITO è un canale del K inattivante - rapida ripolarizzazione al plateau IKur funziona come il canale del K neuronale – compete con il Ca per mantenere il plateau IKr, IKs strutturalmente e funzionalmente complessi; IKr aumenta all’aumentare della concentrazione esterna di K

Struttura dell’Inward Rectifier (IRK1) Nota: non ha un “sensore del voltaggio” Regione P Fluido extracellulare M1 M2 membrane Interno H2N HO2C

Canali Inward Rectifier Corrente -120 -100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 Vm (mV)

Ruolo dell’Inward Rectifier Espresso primariamente nel tessuto non nodale Stabilisce il potenziale di riposo nei muscoli atriali e ventricolari Contribuisce all’ultima fase della ripolarizzatione del potenziale d’azione in cellule non nodali

Canali ionici nelle cellule nodali Corrente Gene Corrente di Ca CACNL1A1 Various Correnti di K HCN4 If (corrente pacemaker)

Canali del Ca della muscolatura cardiaca L-type (sensibili alle di-idropiridine) Strutturalmente abbastanza simili ai canali del Na Somiglianza funzionale con i canali del Na: la depolarizzazione apre i canali del Ca Differenze funzionali con i canali del Na: Apertura più lenta Inattivazione molto lenta e incompleta Generano un flusso di corrente molto minore

Canali ionici nel cuore Ruolo fisiologico Obiettivi da comprendere Le più importanti proprietà dei canali ionici nelle diverse regioni del cuore Il ruolo di questi canali nel modellare la forma dei potenziali d’azione in regioni diverse del cuore

Canali ionici nelle cellule nodali Canali del Ca+2 volt.-dip. (T) Canali del K+ volt.dip. Potenziale di membr. del nodo SA (mV) -50 Canali If (pacemaker) 200 msec

Canali ionici nelle fibre del Purkinje Gli stessi delle cellule ventricolari Più una quantità molto piccola di canali If (pacemaker)

Farmaci antiarritmici Classe I: Azione di anestetici locali, riducendo la corrente di Na Quinidina Lidocaina Classe III: prolungamento del potenziale d’azione – di solito inibendo canali del K cardiaci Amiodarone Classe IV – Antagonisti del canale del Ca Verapamil

Domande a cui occorre rispondere quando si analizza un ECG: Qual è la frequenza? È compresa nell’ambito normale di 60-10 battiti al minuto? Il ritmo è regolare? Tutte le normali onde dell’ECG sono chiaramente identificabili? C’è un complesso QRS per ogni onda P? in caso affermativo il segmednto P-R è di lunghezza costante? Se non c’è un complesso QRS per ogni onda P, contate la frequenza cardiaca utilizzando le onde P, poi utilizzando le onde R. la frequenza è la stessa? Quale onda corrisponde alla pulsazione avvertita al polso?