PROPRIETA’ FUNZIONALI DELLE CELLULE CARDIACHE Eccitabilità BATMOTROPISMO Automatismo-Ritmicità CRONOTROPISMO Conduzione del Pot. d’Az. DROMOTROPISMO Contrattilità INOTROPISMO Su queste proprietà sono in gran parte basate funzione, regolazione, disfunzione del cuore e possibilità terapeutiche

La conoscenza delle proprietà elettrofisiolofiche del cuore (eccitabilità, automatismo e modalità di conduzione del potenziale d’azione) sono indispensabili per la comprensione dell’ECG

Elettrofisiologia cardiaca Il potenziale d’azione cardiaco

Il potenziale d’azione cardiaco è un fenomeno: eterogeneo (2 morfologie principali: rapido e lento) di lunga durata (centinaia di ms) multifasico - durata e morfologia sono sensibili a molti fattori Miocardio di lavoro Atriale Nodo S-A e A-V Sist. Conduzione Ventricolare Miocardio di lavoro Ventricolare

Potenziale d’azione delle cellule del miocardio di lavoro ventricolare Fase 0: rapida depolarizzazione Fase 1: ripolarizzazione iniziale rapida Fase 2: plateau o ripolarizzazione lenta Fase 3: ripolarizzazione finale rapida Fase 4: diastolica

Come nel caso di altri tessuti eccitabili, il meccanismo del potenziale d’azione cardiaco è rappresentato da modificazioni transitorie e sequenziali della conduttanza della membrana ad alcune specie ioniche. La sequenza di modificazioni di conduttanza è innescata da una depolarizzazione critica del potenziale di membrana di riposo.

Nell’assone gigante di calamaro e nelle fibre muscolari scheletriche, la tecnica di blocco del voltaggio aveva consentito: - di dimostrare le variazioni di G ionica innescate da una depolarizzazione sopraliminare di Vm Ii=Σ(Gi.(Vm-Ei)); - di dissezionare la corrente ionica totale nelle sue componenti inward e outward responsabili della depolarizzazione e ripolarizzazione del pot. d’az. IK INa

Dissezione della corrente ionica totale nelle componenti inward e outward responsabili della depolarizzazione e ripolarizzazione del pot. d’az.

‘Vecchie’ osservazioni sperimentali avevano suggerito che la lunga durata del potenziale d’azione cardiaco fosse giustificata: da un secondo meccanismo depolarizzante Ca2+ dipendente lento e di lunga durata da una riduzione della conduttanza di riposo per il K+ - da un ritardato aumento di quella conduttanza per il K+ che nel nervo e nel muscolo è capace di produrre la rapida ripolarizzazione del pot. d’az.

Le basi ioniche del potenziale d’azione cardiaco sono state dissezionate solo dopo l’introduzione delle tecniche di patch clamp e di metodiche che hanno consentito di isolare singoli miociti cardiaci intatti. (IK1) (ITO) (IKr, IKs) (ICa-L) (INa)

CORRENTI DEPOLARIZZANTI INa Fast Inward Current ICa-L Slow Inward Current

INa Fast Inward Current Corrente transitoria molto rapida e intensa Mediata da famiglia di canali sodio simili a quelli dei neuroni e del m. schel. ma specifici del cuore Responsabile della fase di rapida depolarizzazione (fase 0) del pot d’az. Cardiaco Contribuisce all’elevata velocità di conduzione del pot. d’az. INa= GNa. (Em-ENa) In seguito allo step di Em, GNa si attiva molto rapidamente e si inattiva più lentamente INa=GNa(t)

Confronto INa cardiac vs. neuron

Lo studio della Vm dipendenza dell’attivazione di INa spiega le caratteristiche (soglia, rapidità, ampiezza) della fase 0 del potenziale d’azione cardiaco. Curva Intensità-Voltaggio INa= GNa. (Em-ENa)

Em-dipendenza dell’attivazione di INa

Lo studio dell’inattivazione di INa (tempo- e voltaggio-dipendenza) spiega: le caratteristiche della refrattarietà elettrica del miocardio di lavoro; la sensibilità del pot. d’az. cardiaco e della sua velocità di conduzione al potenziale di membrana di riposo

RRP=periodo refrattario relativo SN= periodo supernormale ERP= periodo refrattario effettivo

Cinetica del recupero dall’inattivazione di INa

Voltaggio-dipendenza dell’inattivazione dei canali di INa

Voltaggio-dipendenza dell’inattivazione dei canali del sodio

L’inattivazione Em-dipendente dei canali di INa è responsabile della riduzione di ampiezza, velocità di depolarizzazione e velocità di conduzione del potenziale d’azione cardiaco (condizioni pro-aritmogeniche) causata da riduzioni del potenziale di riposo presenti in varie condizioni patologiche. Effetto dell’aumento della [K+]e sul potenziale d’azione cardiaco: riduzione ampiezza, riduzione velocità depolarizzazione, riduzione velocità di conduzione

I canali che mediano INa sono bloccati da TTX e dagli anti-aritmici di classe I (anestetici locali) alcuni dei quali prolungano il periodo refrattario effettivo delle cellule cardiache. 100 mV 100 ms

INa Fast Inward Current Corrente transitoria molto rapida e intensa Mediata da famiglia di canali sodio simili a quelli dei neuroni e del m. schel. ma specifici del cuore Responsabile della fase di rapida depolarizzazione (fase 0) del pot d’az. cardiaco Contribuisce all’elevata velocità di conduzione del pot. d’az. Principale responsabile di refrattarietà e ‘restituzione’ elettrica Bersaglio di fattori di regolazione fisiologica? Bersaglio di farmaci anti-aritmici di classe I (anestetici locali) INa= GNa. (Em-ENa)

CORRENTI DEPOLARIZZANTI INa Fast Inward Current ICa-L Slow Inward Current

ICa-L Slow Inward Current -Corrente transitoria relativamente lenta e non molto intensa -Mediata da famiglia di canali del Ca2+ di tipo L (long lasting, high threshold) -Contribuisce alla fase 2 (plateau) del pot.d’az. cardiaco -Attiva e partecipa ai meccanismi di accoppiamento E-C +20 mV -60 mV ICa-L= GCa. (Em-ECa) In seguito allo step di Em, GCa si attiva in tempi non molto rapidi e si inattiva piuttosto lentamente 100 pA

Curva intensità-voltaggio e attivazione di ICa-L ICa-L= GCa. (Em-ECa) outw inw

Ruolo di ICa-L nel potenziale d’azione

Il recupero dall’inattivazione di ICa-L contribuisce alla restituzione elettrica del miocardio Recupero del PA Recupero dall’inattivazione di ICa-L

Ruolo di ICa-L nell’accoppiamento E-C del muscolo cardiaco

Voltaggio dipendenza del transiente di Ca2+ e della contrazione dei miociti cardiaci sono simili a quella di ICa-L

Calcium Induced Calcium Release (CICR) L’ingresso di Ca2+ dal LEC è indispensabile per la contrazione del m. cardiaco perché rappresenta il segnale necessario per la liberazione di Ca2+ dai depositi intracellulari. Calcium Induced Calcium Release (CICR) (DHPR) 2

Accoppiamento Eccitazione-Contrazione nel Miocardio Contributo del Ca2+ extra- e intra-cellulare e macromolecole ancorate a membrane coinvolte nel trasporto dello ione (DHPR, RyR, SERCA; PLB (phospholamban); NCX (sodium-calcium exchanger); PMCA (plasma-membrane calcium ATPase) DHPR

Regolazione fisiologica e farmacologica di ICa-L

La fosforilazione dei canali del Ca2+ di tipo L (DHPR), mediata da cAMP, è parzialmente responsabile dell’effetto inotropo + (aumento della quantità di Ca2+ che entra dal LEC e di quella liberata dal RS durante il PA) prodotto dalla stimolazione beta-adrenergica A Kinase Anchoring Protein DHPR L

I canali del Ca2+ di tipo L sono bersaglio diretto di antiaritmici di classe IV (Ca-antagonisti, DHP) e indiretto di anti-aritmici di classe II (β-bloccanti) Effetto diltiazem

ICa-L Slow Inward Current -Corrente transitoria lenta e non molto intensa -Mediata da famiglia di canali del Ca2+ di tipo L (long lasting, high threshold) -Contribuisce alla fase 2 (plateau) del pot.d’az. cardiaco -Attiva e partecipa ai meccanismi di accoppiamento E-C -Bersaglio importante di fattori fisiologici di regolazione dell’inotropismo -Bersaglio di farmaci anti-aritmici di classe II (β-boccanti)e IV (Ca-antagonisti) -Responsabile di insorgenza e refrattarietà di pot.d’az. lenti (nodo S-A e A-V) +20 mV -60 mV ICa-L= GCa. (Em-ECa) 100 pA

(IK1) (Ito) (IKr, IKs) (ICa-L) (INa)

CORRENTI RIPOLARIZZANTI

IK1 Inward (Anomalous) Rectifier -Corrente outward responsabile del potenziale di riposo del miocardio di lavoro. -Mediata da canali dotati di ‘rettificazione verso l’interno’, ….

IK1 Inward (Anomalous) Rectifier -Corrente outward responsabile del potenziale di riposo del miocardio di lavoro. -Mediata da canali dotati di ‘rettificazione verso l’interno’, sparisce durante il pot. d’az. innalzando la resistenza d’ingresso delle cellule miocardiche e favorendo in modo importante la lunga durata del pot. d’az. (in generale amplifica l’effetto di correnti ioniche anche modeste su Em ). Limita la perdita di K+ dalle cellule cardiache durante l’attività elettrica. -Contribuisce alla fase terminale (3) della ripolarizzazione

Comportamento di IK1 nel potenziale d’azione

IK1 Inward (Anomalous) Rectifier -Corrente outward responsabile del potenziale di riposo del miocardio di lavoro. -Mediata da canali dotati di ‘rettificazione verso l’interno’, sparisce durante il pot. d’az. innalzando la resistenza d’ingresso delle cellule miocardiche e favorendo in modo importante la lunga durata del pot. d’az. (in generale amplifica l’effetto di correnti ioniche anche modeste su Em ). Limita la perdita di K+ dalle cellule cardiache durante l’attività elettrica. -Contribuisce alla fase terminale (3) della ripolarizzazione -La sua sensibilità a [K+]e contribuisce (con la Em-dipendenza dell’inattivazione dei canali del Na+) a spiegare gli effetti di variazioni di kaliemia sull’eccitabilità cardiaca

Ito Transient Outward Currents Gruppo eterogeneo di correnti Em e [Ca2+]-dipendenti. La pricipale di queste (Ito1) è mediata da canali Em-dipendenti del K+ dotati di attivazione e inattivazione relativamente rapide e rappresenta il principale meccanismo responsabile della fase 1 del pot. d’az. +20 mV -80 mV

Comportamento di Ito1 nel potenziale d’azione

Ito Transient Outward Currents Gruppo eterogeneo di correnti Em e [Ca2+]-dipendenti. La pricipale di queste (Ito1) è mediata da canali Em-dipendenti del K+ dotati di attivazione e inattivazione relativamente rapide e rappresenta il principale meccanismo responsabile della fase 1 del pot. d’az. La variabilità della sua espressione contribuisce alla eterogeneità della morfologia del potenziale d’azione nel miocardio di lavoro

Ito Transient Outward Currents Gruppo eterogeneo di correnti Em e [Ca2+]-dipendenti. La pricipale di queste (Ito1) è mediata da canali Em-dipendenti del K+ dotati di attivazione e inattivazione relativamente rapide e rappresenta il principale meccanismo responsabile della fase 1 del pot. d’az. La variabilità della sua espressione contribuisce alla eterogeneità della morfologia del potenziale d’azione nel miocardio di lavoro. La componente [Ca2+]i-dipendente (Ito2) è mediata da canali del Cl-attivati dall’aumento della [Ca2+]i innescata dai processi di accoppiamento E-C. Questa componente dura un po’ più a lungo di Ito1 e, oltre a contribuire alla fase 1, partecipa ai meccanismi ripolarizzanti di fase 2 (contribuisce anche ai meccanismi di feed-back negativo tra ampiezza del transiente di Ca2+ e durata del potenziale d’azione).

Comportamento di Ito nel potenziale d’azione Ito2 (ICl(Ca))

IK Delayed (Outward) Rectifiers -Famiglia disomogenea di piccole correnti ripolarizzanti mediate da almeno 3 tipi di canali ionici Em-dipendenti (IKs IKr IKur) che contribuiscono alla fase 2 e sono responsabili della fase 3 del pot. d’az. - Questi canali sono bersaglio di farmaci anti-aritmici di classe III (bloccanti dei canali del K+ che tendono a prolungare pot. d’az. e periodo refrattario) che bloccano in modo selettivo i diversi tipi canale

IKs (prototipo classico delle Delayed Rectifiers) Corrente outward (rettificante verso l’esterno) con attivazione estremamente lenta e che non si inattiva nel tempo: inattivazione solo Em-dipendente e lenta. Rappresenta uno dei pricipali meccanismi responsabili della fase 3; nella fase 2 contribuisce al delicato equilibrio tra correnti de- e ripolarizzanti.

Comportamento di IKs nel potenziale d’azione

IKs (prototipo classico delle Delayed Rectifiers) Corrente outward (rettificante verso l’esterno) con attivazione estremamente lenta e che non si inattiva nel tempo: inattivazione solo Em-dipendente e lenta. Rappresenta uno dei pricipali meccanismi responsabili della fase 3; nella fase 2 contribuisce al delicato equilibrio tra correnti de- e ripolarizzanti. La sua lenta inattivazione contribuisce all’abbreviazione della durata del potenziale d’azione che si osserva all’aumentare della frequenza cardiaca. - Bersaglio di meccanismi di regolazione fisiologica (stimolazione beta-adrenergica); in buona parte responsabile dell’abbreviazione del potenziale d’azione che si osserva sotto stimolazione beta-adrenergica

IKur (una delayed rectifier ‘poco delayed’) - Mediata da canali K+ con proprietà qualitativamente simili a quelli di IKs ma con attivazione estremamente più rapida. - La sua espressione variabile contribuisce alla eterogeneità di forma e durata del potenziale d’azione: una significativa espressione di IKur abbrevia il potenziale d’azione accelerandone la ripolarizzazione

IKr (una ‘strana’ Delayed Rectifier) Mediata da canali K+ espressione di un gene denominato hERG (Human Ether-a-go-go Related Gene) L’attivazione della corrente è relativamente rapida mentre l’inattivazione è rapidissima ma viene istantaneamente rimossa dalla ripolarizzazione di Em.

Comportamento di IKr nel potenziale d’azione Grazie alle sue proprietà elettrofisiologiche contribuisce moderatamente alle correnti ripolarizzanti in fase 2 ma aumenta in modo significativo in fase 3. In fase 3, la ripolarizzazione rimuove rapidamente l’inattivazione dei canali hERG con aumento di IKr che accelera la velocità di ripolarizzazione (feed-back positivo) IKr

FASI E PRINCIPALI CORRENTI IONICHE DEL POTENZIALE D’AZIONE DEL MIOCARDIO DI LAVORO Fase 0 INa Fase 1 Ito, Fase 2 ICa-L, IKur, IKr, IKs Fase 3 IKur, IKr, IKs, IK1 Fase 4 IK1

CORRENTI INWARD DEPOLARIZZANTI CORRENTI OUTWARD RIPOLARIZZANTI 1.5 x Ito1 CORRENTI OUTWARD RIPOLARIZZANTI IKr+ IKs 1.5 x Ito2 INa-K-ATPase

Le conduttanze (e le correnti) ioniche che si attivano durante gran parte del potenziale d’azione cardiaco sono molto modeste. L’elevata resistenza d’ingresso offerta dai miociti durante il potenziale d’azione consente anche a meccanismi elettrogenici, trascurabili in altri tessuti, di influenzare morfologia e durata del potenziale d’azione cardiaco. PRINCIPALI MECCANISMI DI MEMBRANA CHE GENERANO CORRENTI IONICHE NEL MIOCARDIO DI LAVORO Canali ionici: Voltaggio-dipendenti: Iinward : INa, ICa-L Ioutward: IK1, Ito1, IKur, IKr, IKs ‘Ligand gated’ : Ioutward: IK(Ach), IK(ATP) Altre macromolecole: Scambiatori : Iinward: INa/Ca di membrana Pompe attive : Ioutward: INa-K ATPase

Le quantità di Ca2+ espulso dalla cellula da NCX variano col variare dei gradienti elettrochimici di Na+ e Ca2+ L’ingresso di 3Na+ mediante NCX può garantire efflusso di 1Ca2+ se 3(E Na – Em)>2(E Ca – Em) Il potenziale di equilibrio (inversione) di NCX è ENCX = 3E Na – 2ECa