19.4 Lífeðlisfræði hjartans

19.4 Lífeðlisfræði hjartans

Sjálfvirk taktvirkni hjartafrumna heldur hjartanu sláandi reglulega, en utanaðkomandi áhrif stýra starfseminni og hjartað bregst við þeim. Taugastjórn og hormónastjórn eru mikilvægar fyrir stjórnun hjartastarfsemi. Hjartað er einnig næmt fyrir ýmsum þáttum í innra umhverfi líkamans, þar á meðal styrk rafsalta.

Hjartaútfall í hvíld

Hjartaútfall (CO) er blóðrúmmálið sem hvor slegill dælir á einni mínútu. Það er reiknað með því að margfalda slagrúmmál (SV), blóðrúmmálið sem slegill dælir í hverju slagi, með hjartsláttartíðni (HR), það er samdráttum eða slögum á mínútu (bpm). Sambandið má rita með eftirfarandi jöfnu:

CO = HR $\times$ SV

Slagrúmmál er meðal annars metið með hjartaómun, þar sem lokahlébilsrúmmál (EDV) og lokaslagbilsrúmmál (ESV) eru ákvörðuð og mismunurinn reiknaður: SV = EDV – ESV. Einnig má mæla slagrúmmál með sérhæfðum æðalegg, en sú aðferð er ífarandi og hefur meiri áhættu. Hjá 70-kg (150-lb) einstaklingi í hvíld gæti slagrúmmál til dæmis verið um 70 mL. Gildið ræðst meðal annars af líkams- og hjartastærð, aldri, líkamsástandi, samdráttarhæfni, fyllingu og viðnámi sem hjartað dælir gegn. Dæmigert viðmiðunarbilið 55–100 mL og meðalhjartsláttartíðnin um 75 bpm, með bilinu 60–100 bpm hjá sumum fullorðnum, eru gróf kennslugildi en ekki algild mörk.

Slagrúmmál er einnig notað til að reikna út útfallsbrot, það er þann hluta lokahlébilsrúmmáls sem slegill dælir í hverjum samdrætti. Útfallsbrot fæst með því að deila slagrúmmáli með EDV og er yfirleitt gefið upp sem hundraðshluti. Fyrir útfallsbrot vinstri slegils eru 55–70 prósent og meðalgildið 58 prósent hér notuð sem kennsluviðmið; viðmiðunarmörk ráðast þó af mæliaðferð, rannsóknarstofu og einstaklingi.

Líkamsþjálfun og hámarkshjartaútfall

Hjá heilbrigðum ungum einstaklingi getur hjartsláttartíðni hækkað í 150 bpm við áreynslu. Aukinn samdráttarkraftur getur jafnframt hækkað slagrúmmál úr 70 í um 130 mL. Þá yrði hjartaútfall um 19.5 L/min, eða 4–5 sinnum hvíldargildið. Afreksfólk í þolíþróttum getur náð enn hærri gildum og við hámarksálag getur hjartaútfall þess orðið 7–8 sinnum hvíldargildið.

Reglubundin þolþjálfun veldur aðlögun sem gerir hjarta- og æðakerfinu kleift að skila meira útfalli við áreynslu. Munurinn á hámarkshjartaútfalli og hjartaútfalli í hvíld nefnist hjartaforði og lýsir því svigrúmi sem hjartað hefur til að auka blóðdælingu.

Hjartsláttartíðni

Hjartsláttartíðni er mjög breytileg eftir áreynslu, þjálfunarástandi, aldri og fleiri þáttum. Hvíldartíðni nýbura getur verið um 120 bpm. Hún lækkar almennt fram á unglings- og fullorðinsár en breytingar síðar á ævinni eru einstaklingsbundnar.

Hámarkshjartsláttartíðni minnkar að jafnaði með aldri en er mjög breytileg milli einstaklinga. Eldri kennsluregla metur hana sem 220 bpm að frádregnum aldri; samkvæmt henni yrði matið um 180 bpm hjá 40 ára einstaklingi og 160 bpm hjá 60 ára einstaklingi. Reglan er aðeins gróf nálgun, ekki lífeðlisfræðilegt hámark eða áreiðanlegt einstaklingsbundið æfingamark, og gildin 200–220 bpm eiga einkum við um hluta yngra fólks.

Tengsl hjartsláttartíðni og hjartaútfalls

Lífeðlisfræðilegar aðstæður sem hækka hjartsláttartíðni auka oft einnig bláæðaflæði til hjartans og samdráttarkraft, svo slagrúmmál hækkar fyrst. Þegar tíðnin eykst styttist hlébil slegla og fyllingartími minnkar. Slagrúmmál getur haldist hátt um hríð vegna aukins bláæðaflæðis og samdráttarhæfni en fellur við mjög hraðan takt þegar fyllingin skerðist. Hjartaútfall hækkar því yfirleitt fyrst, getur síðan staðið í stað og loks minnkað ef slagrúmmál fellur hraðar en tíðnin hækkar. Tölurnar 120, 160 og bilið 120–160 bpm í frumtextanum eru aðeins dæmi fyrir heilbrigðan ungan einstakling, ekki almennt markpúlssvið. Hentugt æfingaálag ræðst af aldri, þjálfun, heilsu, lyfjum og mældri eða áætlaðri hámarkstíðni; fast bil tryggir hvorki hámarksávinning né varðveislu hjartaútfalls hjá öllum.

Hjarta- og æðastjórnstöðvar

Semju- og utansemjuboð berast um flókið taugatrefjanet við hjartarótina sem nefnist hjartataugaflækja. Semjutrefjar frá hálshnoðum og efri brjósthnoðum, einkum T1–T4, ná til sínus- og gáttaslegilshnúts, gátta og slegla. Semjutaugar ítauga sleglana mun ríkulegar en utansemjutaugar. Noradrenalín (NE) losnar úr semjutaugaendum við tauga- og markfrumutengi og binst einkum beta-1-viðtökum. Það eykur cAMP-háð jónastreymi í gangráðsfrumum, hraðar hægri sjálfvirkri afskautun og eykur hjartsláttartíðni; í hjartavöðvafrumum eykur það kalsíumflæði og samdráttarkraft. Þetta er nákvæmara en að lýsa áhrifunum sem einfaldri opnun bindilstýrðra natríum- og kalsíumganga.

Noradrenalín binst meðal annars beta-1-viðtökum. Beta-blokkar hindra þessa viðtaka að mismiklu leyti, hægja á hjartslætti og eru meðal annars notaðir við háþrýstingi, hjartaöng, hjartsláttartruflunum og hjartabilun eftir lyfi og samhengi. Of stór skammtur getur valdið verulegum hægslætti, lágþrýstingi eða leiðslurofi og í alvarlegum tilvikum hjartastoppi.

Aðboð til hjarta- og æðastjórnstöðva

Hjarta- og æðastjórnstöðvar fá boð frá innyflanemum um skyntrefjar í meðal annars skreyju- og semjutaugum. Þar koma við sögu stöðu- og hreyfinemar í vöðvum og liðum, þrýstinemar, efnanemar og boð frá randkerfi. Saman mynda þessi aðföng hjarta- og æðaviðbrögð sem stilla hjartastarfsemi að þörfum líkamans. Við aukna hreyfingu eykst boðtíðni frá nemum í vöðvum, liðpokum og sinum. Stjórnstöðvarnar draga þá úr utansemjuáhrifum og auka semjuáhrif eftir þörfum, svo hjartsláttartíðni, samdráttarkraftur og blóðflæði aukast.

Háþrýstinemar eru teygjunemar einkum í hálsslagæðarskútum og ósæðarboga. Þeir eru ekki í hálsslagæðarhnökrum, sem eru efnanemar, og stórar bláæðar og gáttir hafa aðra lágþrýsti- og rúmmálsnema. Aukinn slagæðaþrýstingur teygir háþrýstinemana og eykur boðtíðni þeirra; heilastofnsnetið dregur þá úr semjuáhrifum og eykur utansemjuáhrif. Þegar þrýstingur og teygja minnka verða gagnstæð viðbrögð. Þetta skammvinna háþrýstinemaviðbragð hjálpar til við að halda slagæðaþrýstingi stöðugum.

Aukið bláæðaflæði og teygja gátta geta einnig hraðað hjartslætti með gáttaviðbragði, oft nefndu Bainbridge-viðbragði. Teygju- og rúmmálsnemar í gáttum senda þá boð sem geta aukið semjuáhrif og dregið úr skreyjutaugaáhrifum. Svörun ræðst þó af samspili gáttaviðbragðs og slagæða-háþrýstinemaviðbragðs; minnkað bláæðaflæði veldur því ekki alltaf einfaldlega jafnstóru gagnstæðu svari.

Aukið umbrot myndar meira koltvísýring, vetnisjónir og laktat og getur lækkað súrefni. Útlægir efnanemar í hálsslagæðarhnökrum og ósæðarhnökrum senda boð eftir tungu- og koktaug og skreyjutaug, en miðlægir efnanemar í mænukylfu nema einkum breytingar sem tengjast koltvísýringi og sýrustigi. Svör þeirra móta öndun og hjarta- og æðastjórn eftir efnaskiptaþörf.

Randkerfið og önnur heilasvæði geta breytt hjartsláttartíðni í samræmi við tilfinningar og álag. Við streitu hækkar tíðnin oft samhliða virkjun streitukerfa, þar á meðal kortisóllosun. Ofsakvíðakast getur valdið einkennum sem líkjast hjartaáfalli, en brjóstverkur eða önnur hættumerki þarf engu að síður að meta læknisfræðilega. Slökun, hugleiðsla og hæg, djúp öndun geta dregið úr kvíða og lækkað hjartsláttartíðni hjá mörgum.

Aðrir þættir sem hafa áhrif á hjartsláttartíðni

Adrenalín og noradrenalín

Katekólamínin adrenalín og noradrenalín (NE) losna úr nýrnahettumerg og eru hormónaþáttur viðbragðs líkamans við álagi; semjuörvun er taugahluti þess. Bæði bindast beta-1-viðtökum í hjarta, auka cAMP-háð gangráðs- og kalsíumstreymi, hraða afskautun og auka samdráttarkraft. Þetta eru ekki einfaldlega bindilstýrðir natríum- og kalsíumgangar. Mikil katekólamínlosun samhliða semjuörvun getur aukið hættu á hjartsláttartruflunum. Utansemjutaugar örva ekki nýrnahettumerg beint.

Skjaldkirtilshormón

Kalsíum

Kalsíumjónir skipta miklu fyrir boðmyndun og samdráttarkraft, en áhrif styrkbreytinga á hjartsláttartíðni eru flókin og ekki einfaldlega línuleg. Blóðkalsíumhækkun styttir oft QT-bil; breytingar á T-bylgju geta einnig sést. QT-bilið nær frá upphafi afskautunar slegla til loka endurskautunar þeirra og spannar rafrænt slagbil slegla. Mjög mikil kalsíumröskun getur valdið alvarlegri takttruflun eða hjartastoppi. Kalsíumgangalokar draga úr innflæði kalsíums um L-gerðar ganga; verapamíl og diltíazem hægja meðal annars á leiðni um gáttaslegilshnút, en áhrif díhýdrópýridína á hjartsláttartíðni eru önnur og oft óbein.

Koffín og nikótín

Koffín og nikótín eru utanaðkomandi örvandi efni. Koffín blokkar adenósínviðtaka og getur hjá sumum hækkað tímabundið hjartsláttartíðni eða valdið hjartsláttarónotum, en svörun fer eftir skammti og þoli. Nikótín virkjar nikótíníska asetýlkólínviðtaka í ósjálfráðum hnoðum og nýrnahettumerg, eykur semjuvirkni og katekólamínlosun og getur þannig hækkað hjartslátt og blóðþrýsting. Áhrif beggja eru því flóknari en bein örvun sínushnúts eða hjartastjórnstöðva ein og sér.

Koffín er mest notaða geðvirka efni heims og er löglegt en magn þess er þó skráð eða takmarkað í sumum vörum og löndum. Hófleg neysla er almennt talin örugg fyrir flesta heilbrigða fullorðna, en getur truflað svefn, aukið kvíða eða valdið hjartsláttarónotum. Þvagræsandi áhrif eru væg við venjubundna neyslu. Á meðgöngu er yfirleitt ráðlagt að halda daglegri neyslu undir 200 mg vegna tengsla meiri neyslu við óhagstæðar útkomur; fullyrðing frumtextans um að engin neikvæð áhrif hafi verið staðfest er því of afdráttarlaus. Regluleg neysla getur valdið þoli, líkamlegri ávanabindingu og fráhvarfseinkennum.

Nikótín er ávanabindandi örvandi efni. Sala og merking nikótínvara er lögbundin og stjórnað þótt vörurnar séu löglegar fyrir fullorðna. Tóbaksreykur veldur margvíslegum öndunar-, hjarta- og æðasjúkdómum, og nikótín sjálft hækkar meðal annars hjartslátt og blóðþrýsting og viðheldur fíkn. Viðvaranir á sígarettupökkum endurspegla þessa staðfestu heilsuáhættu.

Þættir sem lækka hjartsláttartíðni

Blóðsýring er lækkun sýrustigs blóðs og blóðlýting hækkun þess; hvort ástand getur stafað af öndunar- eða efnaskiptaorsökum. Eðlilegt pH slagæðablóðs er um 7.35–7.45. Ensím, jónagöng, samdráttarprótein og binding jóna við prótein eru næm fyrir sýrustigi, svo frávik geta haft flókin áhrif á hjartslátt og samdráttarhæfni. Mjög stór frávik trufla próteinbyggingu og fjölmörg lífeðlisferli, en áhrif vægari breytinga skýrast ekki eingöngu af minni myndun eins ensím-hvarfefnaflóka.

Líkamshiti hefur einnig áhrif á hjartað. Væg ofhitnun, til dæmis við hita eða áreynslu, hækkar oft hjartsláttartíðni en ofkæling hægir á gangráðsvirkni, leiðni og samdrætti og eykur hættu á takttruflunum. Köfunarviðbragð dregur úr hjartslætti og beinir blóðflæði að lífsnauðsynlegum líffærum. Við sumar opnar hjartaaðgerðir er líkaminn kældur og hjartað stöðvað með sérstöku hjartastöðvunarvökva, ekki með kælingu einni; hjarta- og lungnavél viðheldur þá blóðrás og loftskiptum. Bæði veruleg ofhitnun og ofkæling geta valdið fjölkerfabilun og dauða, meðal annars með röskun miðtaugakerfis og ensímstarfsemi.

Slagrúmmál

Forhleðsla

Forhleðsla eykst yfirleitt með EDV en er ekki einfaldlega annað heiti á rúmmálinu; hún lýsir teygju eða veggspennu hjartavöðva við lok hlébils og ræðst einnig af þrýstingi, lögun og eftirgefanleika slegils. Fyllingartími, það er lengd hlébils slegla, hefur áhrif á EDV og forhleðslu. Þegar hjartsláttur hraðast styttist fyllingartími og við mikla tíðni getur EDV lækkað. Aukið bláæðaflæði og samdráttarhæfni geta vegið á móti um stund, en mjög stuttur fyllingartími takmarkar að lokum slagrúmmál.

Þegar fylling slegils eykst teygjast hjartavöðvaþræðir og lengd sarkómera eykst. Innan lífeðlisfræðilegra marka verður skörun aktíns og mýósíns og kalsíumnæmi þá hagstæðara, svo meiri kraftur myndast og slagrúmmál eykst. Ef sarkómerur teygjast langt umfram hagstætt bil minnkar krafturinn. Slík ofþensla er sjaldgæf í heilbrigðu hjarta vegna stoðvefjar og gollurshúss, en getur skipt máli í sjúklegri útvíkkun slegils; hún er því ekki útilokuð af staðsetningu hjartans einni.

Tengsl fyllingar og samdráttar eru lýst með Frank–Starling-virkni hjartans. Innan lífeðlisfræðilegra marka eykur meiri upphafslengd hjartavöðvaþráða kraft næsta samdráttar, svo aukið bláæðaflæði og forhleðsla auka slagrúmmál. Þetta er lengdarháð innri svörun og hjálpar hægri og vinstri slegli að jafna útfall sitt. Hún er ekki sama hugtak og samdráttarhæfni, sem merkir breytingu á krafti óháða upphafslengd við tiltekin hleðsluskilyrði.

Þýski lífeðlisfræðingurinn Otto Frank (1865–1944) rannsakaði ítarlega aflfræði hjartans. Enski lífeðlisfræðingurinn Ernest Starling (1866–1927) rannsakaði einnig samband fyllingar og útfalls. Þeir störfuðu að mestu óháð hvor öðrum, en samhljóða niðurstöður þeirra lifa í heitinu Frank–Starling-virkni eða -lögmál hjartans.

Semjuörvun bláæða veldur bláæðaþrengingu og getur aukið bláæðaflæði til hjartans, fyllingu slegla, EDV og forhleðslu. Meginhluti fyllingar verður þegar gáttir og sleglar eru í hlébili. Lokaframlag gáttasamdráttar, svonefnt gáttaframlag, er oft um 20–30 prósent í kennsludæmum en breytist með hjartsláttartíðni, aldri og eftirgefanleika slegils. Það verður sérstaklega mikilvægt við stífan slegil eða hraðan takt en er ekki jafnstórt eða „ómissandi“ við allar aðstæður.

Samdráttarhæfni

Samdráttarhæfni er innri geta hjartavöðvans til að mynda kraft við tiltekna for- og eftirhleðslu. Aukin samdráttarhæfni tæmir slegil betur, hækkar slagrúmmál og lækkar ESV; minnkuð samdráttarhæfni hefur gagnstæð áhrif. Þættir sem auka hana kallast jákvæðir inótrópískir þættir en þeir sem draga úr henni neikvæðir inótrópískir þættir. Forskeytið ino- vísar til vöðvaþráðar og -trópískur til áhrifa eða stefnu. Forhleðsla, eftirhleðsla og samdráttarhæfni tengjast í mældu svari en eru aðgreindar lífeðlisfræðilegar stærðir.

Semjuörvun er jákvæður inótrópískur þáttur. Noradrenalín losnar úr hjartataugum og adrenalín og noradrenalín úr nýrnahettumerg, ekki nýrnahettuberki. Þau bindast einkum beta-1-viðtökum hjartavöðvafrumna, auka cAMP, kalsíumflæði og samdráttarkraft og skilja eftir minna ESV. Utansemjuörvun losar ACh úr skreyjutaugaendum og hefur einkum áhrif á hnúta og gáttir; hún dregur úr gáttasamdrætti og getur lækkað hjartslátt, EDV og óbeint slagrúmmál. Bein áhrif hennar á samdráttarhæfni slegla eru mun veikari vegna takmarkaðrar utansemjuítaugunar. Hún er því ekki almennt jafngild öflugum neikvæðum inótrópískum áhrifum á allan slegilvöðvann.

Lyf á borð við dópamín og ísópróterenól geta við tiltekna skammta aukið beta-adrenvirk áhrif, kalsíumflæði og samdráttarkraft. Blóðkalsíumhækkun getur einnig aukið samdrátt en mikil röskun er hættuleg. Hjartaglýkósíðið dígoxín, unnið sögulega úr digitalis-jurtum, hægir á leiðni um gáttaslegilshnút og eykur samdráttarkraft með hömlun Na+/K+-ATPasa. Þá minnkar Na+/Ca2+-skipti, meira kalsíum safnast í frymisnet og meira losnar við næsta slag; lyfið hindrar því ekki upptöku kalsíums í frymisnet eins og frumtextinn segir. Skjaldkirtilshormón og glúkagon geta einnig haft jákvæð inótrópísk áhrif.

Súrefnisskortur, blóðsýring, blóðkalíumhækkun og ýmis lyf geta dregið úr samdráttarhæfni. Beta-blokkar minnka beta-adrenvirk áhrif; propranólól var meðal fyrstu lyfja flokksins sem náði útbreiddri notkun við hjartaöng, en pronethalol var snemma þróunarlyf og var ekki áfram í klínískri notkun. Kalsíumgangalokar skiptast meðal annars í díhýdrópýridín, fenýlalkýlamín og bensóþíazepín. Verapamíl og diltíazem geta minnkað samdráttarkraft og leiðni, en díhýdrópýridín verka meira á æðar og áhrif þeirra á hjartað eru ekki einsleit.

Eftirhleðsla