5

Fiziopatologia insuficienţei cardiace (I)

Insuficienţa cardiacă (IC) este un sindrom în care alterarea funcţiei cardiace este responsabilă de incapacitatea inimii de a pompa sânge cu un debit cardiac (DC) suficient pentru asigurarea necesarului metabolic al ţesuturilor şi/sau realizează acest lucru printr-un volum diastolic şi/sau presiune de umplere crescute excesiv. IC se caracterizează prin:-presiune de umplere cardiacă crescută;

-oxigenare tisulară periferică inadecvată (în repaus sau la efort) cauzată de o disfuncţie cardiacă.Scăderea debitului cardiac (DC) nu este definitorie pentru IC ! - IC cu DC crescut apare în condiţiile cordului normal morfo-funcţional dacă performanţele cardiace sunt depăşite de o creştere anormală a necesităţilor periferice:

- fistule arterio-venoase; - hipertiroidism. - În evoluţia diverselor forme de IC, se ajunge la scăderea DC. Insuficienţa cardiacă se diferenţiază de insuficienţa circulatorie în care decompensarea poate apărea la orice nivel al sistemului circulator:

cord; volum sanguin circulator eficace (VSCE); pat vascular periferic; nivelul oxihemoglobinei din sângele arterial etc.

Termenii insuficienţă miocardică, insuficienţă cardiacă şi insuficienţă circulatorie nu sunt sinonimi ci se referă la entităţi care pot fi progresiv incluse etiopatogenic una în cealaltă.IC cronică este o situație patologică instalată progresiv și iniţiată de acţiunea unui eveniment “trigger” care poate:

• duce la alterarea structurală a muşchiului cardiac, până la pierderea de miocite funcţionale;

sau• interferă cu capacitatea miocardică de a genera forţă de contracţie

alterând, astfel, contractilitatea miocardică normală. • (Braunwald’s Heart Disease, 8th ed., Pathogenesis of Heart Failure)

Evenimentul trigger:o poate acţiona brusc (infarct miocardic acut);o poate acţiona lent, progresiv (suprasolicitări hemodinamice ventriculare de

presiune sau de volum)-stenoze valvulare;-insuficiente valvulare;

o poate fi de natură ereditară (cardiomiopatii genetice, hipertrofice, dilatative etc.).

După apariția evenimentului trigger, intră în acţiune mecanismele compensatoare → funcţia cardiacă este păstrată, sau minim alterată, pentru o anumită perioadă de timp (pacientul este asimptomatic).Pe măsură ce are loc tranziţia de la situația în care pacientul este asimptomatic la situația în care pacientul este simptomatic, activitatea susţinută a sistemelor neurohormonale şi a citokinelor induce o serie de transformări la nivelui țesutului miocardic (remodelare ventriculară).Conform teoriilor moderne, insuficienţa cardiacă (IC), respectiv fenomenele fiziopatologice caracteristice acesteia, pot fi încadrate într-un aşa-numit “model biomecanic”, în care, debutul şi progresia (evoluția) bolii apar ca rezultate ale:

- modificărilor funcţiei cardiace;

5

- remodelării ventriculare apărută ca urmare a activării unor mecanisme neuro-hormonale și a funcționării susținute, în timp, a acestora.

1. Presarcina Presarcina reprezintă încărcarea ventriculară existentă la sfârşitul diastolei (de la care porneşte efortul sistolic).Presarcina este exprimată prin tensiunea parietală telediastolică. Legea inimii (Frank - Starling) Forţa de contracţie a miocardului ventricular creşte direct proporţional cu volumul telediastolic (VTD), până la o anumită limită, dincolo de care, creşterea în continuare a VTD determină scăderea forţei de contracţie ventriculară. Se realizează, astfel, un mecanism de reglare heterometrică (reglarea forţei de contracţie prin modificarea lungimii fibrei miocardice).

Această relaţie (legea Frank-Starling) poate fi explicată prin particularităţile structurale ale sarcomerului.

- În condiţii normale, odată cu creşterea presarcinii, creşte şi performanţa cardiacă; la un moment dat, performanţa cardiacă atinge o valoare maximă, dincolo de care, pe masură ce presarcina crește în continuare, performanța cardiacă începe să scadă.

- În IC secundară disfuncţiei sistolice, apare reducerea performanţei cardiace la orice nivel al volumului telediastolic; pe măsură ce presarcina creşte, performanţa cardiacă deasemenea crește, dar, în măsură mai mică decât în condiții normale. Sarcomerul -unitatea anatomică şi funcţională a contracţiei• Fibrele musculare miocardice conţin benzi de miofibrile, dispuse longitudinal,

formate din structuri repetitive - sarcomere.• Sarcomerul este delimitat de liniile Z. Distanţa dintre două linii Z (1,6-2,2 μm) variază

în funcţie de gradul de contracţie (de întindere) a muşchiului cardiac.• În centrul sarcomerului există banda A (bandă întunecată cu lăţime constantă de 1,5

μm), încadrată de benzile I (benzi clare cu lăţime variabilă).Sarcomerul muşchiului cardiac ,există două tipuri de microfilamente care se întrepătrund:• Filamentele de miozină, groase, limitate la nivelul benzilor A, cu o lungime fixă de

1,5 μm, prezintă situsuri de interacţiune cu actina pe toată suprafaţa, cu excepţia unei zone centrale (H) de 0,2 μm.

• Filamentele de actină, subţiri, mobile, cu o lungime fixă de 1 μm, care se întind de la linia Z, prin banda I, până în banda A, prezintă situsuri de interacţiune cu miozina pe toată lungimea.

• Banda A conține o suprapunere de filamente groase (miozină) şi subţiri (actină), între care există punți.

• Banda I conține numai filamente subţiri (actină). • În timpul procesului de contracţie şi de relaxare, lungimea filamentelor de miozină şi

actină rămâne constantă. • Activarea contracţiei are loc prin interacţiunile realizate la nivelul punţilor acto-

miozinice. Filamentele de actină sunt împinse în banda A. Lăţimea benzii A rămâne constantă, în timp ce, banda I devine mai subţire, iar liniile Z se apropie (distanța între liniile Z scade).

Miozina este o proteină cu structură complexă, asimetrică, formată din două componente.1. porţiunea lineară (segmentele lineare ale moleculei de miozină sunt dispuse ordonat în structura miofilamentelor groase)2. zona globuloasă:

- este localizată spre exteriorul moleculei de miozină și realizează interacţiunea cu actina;

5

- conţine locus-ul ATP-azei (locul de formare a punţilor dintre actină şi miozină). Actina reprezintă filamentele subţiri formate din:

- două lanţuri proteice (dublu helix);- două proteine reglatoare: tropomiozina şi troponina

- troponina C (TnC) = situs-ul de legare a Ca2+; - troponina I (TnI);- troponina T (TnT).

Actina nu prezintă activitate enzimatică intrinsecă. Actina are capacitatea de a se combina reversibil cu miozina, în prezenţa ATP şi a Mg2+ (activează ATP-aza miozinei).Relativ recent, s-a demonstrat existenţa unui al 3-lea microfilament, TITINA, care susţine miozina şi generează elasticitate.Titina este o moleculă gigantică, cea mai mare proteină descrisă până în prezent (lungime: 0,6 -1,2 mm). Titina se extinde de la linia Z până la nivelul zonei clare centrale (H).Titina are 2 segmente: - segmentul de ancorare, inextensibil;- segmentul elastic ce se alungeşte pe măsură ce creşte lungimea sarcomerului.Titina leagă, indirect, moleculele de miozină de liniile Z,stabilizând, astfel, proteinele contractile.Elasticitatea titinei explică existența relaţiei între forţa de contracţie și întinderea mușchiului cardiac şi scheletal: - când sarcomerul are lungime mică, domeniul elastic al titinei este pliat (există rezerve de contractilitate); - când sarcomerul se alungeşte, partea pliată se întinde → contracţie sistolică mai puternică (acest mecanism explică mai bine legea Frank-Starling).Titina transduce semnalul de întindere mecanică în semnal de creștere → creşterea miocitelor (în diastolă – întindere susţinută a sarcomerului → segmentul elastic al titinei transmite stress-ul mecanic de întindere unei proteine musculare MLP responsabilă de creşterea miocitară).MLP=proteina musculară LIM; LIM =domeniu celular identificat iniţial la nivelul a 3 factori transcripţionali: Lin 11, Isl 1, Mec 3Contractia si relaxareaÎn momentul iniţierii contracţiei, Ca2+ se ataşează de troponina C, cu efecte:

→ modificări conformaţionale ale tropomiozinei; → deplasarea acesteia şi eliberarea situs-urilor de interacţiune a actinei cu

miozina; → scurtarea fibrei musculare şi/sau dezvoltarea tensiunii.

În prezenţa ATP, legăturile dintre actină şi miozină se formează şi se desfac în funcţie de nivelul Ca2+ citosolic (principalul mediator al inotropismului cardiac) Undă de depolarizare → eliberare în cantităţi mari de Ca2+ din reticulul endoplasmic (RE), de la nivelul receptorilor ryanodinici ai acestuia (cisternele subsarcolemale ale RE) = eliberarea regenerativă a Ca2+ → creşterea concentraţiei intracelulare a Ca2+ → iniţierea contracţieiÎn timpul repolarizării, RE captează Ca2+ (împotriva gradientului de concentraţie, prin pompa de Ca = SERCA 2a = sarcoendoplasmic reticulum Ca2+ATP-ase) → scăderea concentraţiei Ca2+ din vecinătatea miofibrilelor→ inhibarea interacţiunii actină-miozină → relaxarea muscularăActivitatea SERCA 2a este amplificată de stimularea beta-adrenergică.

5

• Preluarea Ca2+ în RE este accentuată prin fosforilarea fosfolambanului = fosfat-receiver.

• Ca2+ preluat de RE este depozitat (în cantități mari) la nivelul proteinelor de stocare (calsechestrina, calreticulina), de unde, este eliberat din nou ca răspuns la acţiunea următoarei unde de depolarizare.

• În IC, expresia SERCA 2a suferă un proces de down-regulation. Lungimea optimă a sarcomerului la care este generată o forţă de contracţie maximă este de 2,2 μm (cele două tipuri de microfilamente ale sarcomerului au cea mai mare suprafaţă de interacţiune).

Alungirea sarcomerului peste 2,2 μm induce scăderea forţei de contracţie miocardică (reducerea gradului de suprapunere a filamentelor de actină şi miozină). La o lungime a sarcomerului de 3,6 μm, filamentele de actină sunt complet retrase din banda A.Reducerea lungimii sarcomerului sub 1,5 μm induce scăderea forţei de contracţie miocardică (filamentele de actină se suprapun dublu, cu scăderea sensibilităţii situs-urilor contractile pentru Ca2+). În condiţii fiziologice, lungimea sarcomerului este suboptimală (între 1,8-2μm)→forţa de contracţie a miocardului ventricular poate fi crescută printr-o umplere ventriculară suplimentară.Astfel, miocardul ventricular dispune de rezerve funcţionale (rezervă de presarcină) datorită unui număr de situs-uri de interacţiune actină-miozină neutilizate pentru realizarea unei ejecţii sanguine fiziologice.În condiţiile suprasolicitărilor de volum, există posibilitatea compensării, deoarece, în condiţii fiziologice, miocardul ventricular nu funcţionează cu posibilităţile contractile maxime.

În timpul diastolei, lungimea sarcomerului este de 2,2 μm; în sistolă sarcomerul se scurtează la 1,9 μm. Formele de insuficienţă cardiacă pot avea drept cauză atât scăderea presarcinii cât şi creşterea presarcinii, în ambele situaţii debitul sistolic (DS) fiind scăzut. Presarcina Volumul telediastolic (presarcina) depinde de:

• gradientul de presiune atrioventricular;• complianţa ventriculară;• durata diastolei ventriculare;• volumul rezidual sistolic;• volumul sanguin total;• distribuţia volumului sanguin.

Gradientul de presiune atrioventricular Gradientul de presiune atrio-ventricular are o valoare de aprox. 10 -12 mm Hg.La realizarea acestuia, sistola atrială participă în proporţie de 20%.În condiţiile în care sistola atrială este afectată (fibrilaţie atrială, flutter atrial), gradientul de presiune atrio-ventricular nu se modifică semnificativ Complianţa (distensibilitatea) ventricularăComplianţa ventriculară contribuie în proporţie de 75-80% la realizarea gradientului de presiune atrioventricular. Complianța ventriculară reprezintă raportul dintre variaţia VTD şi variaţia presiunii intraventriculare.Miocardul ventricular cu complianţă normal• Umplerea ventriculară cu un anumit volum de sânge (VTD) se face fără ca presiunea

intraventriculară să se modifice semnificativ.

5

• Complianţa ventriculară normală permite păstrarea rezervei de presarcină. La o umplere ventriculară normală, fibrele miocardice se alungesc dar sarcomerul îşi păstrează lungimea (1,8 μm). Pentru creşterea lungimii sarcomerului de la 1,8 μm la 2,2 μm (când forţa de contracţie este maximă) este necesară creşterea VTD (utilizarea rezervelor de presarcină).

• Complianţa controlează VTD prin participarea acesteia la realizarea gradientului de presiune atrioventricular. Ventriculul se destinde şi apare o presiune intracavitară negativă, direct proporţională cu complianţa ventriculară.

Miocardul ventricular cu complianţă scăzutăCauze de scădere a complianţei ventriculare:

- leziunile ischemice întinse- infarctul miocardic întins- hipertrofiile ventriculare importante- compresia pericardică (limitarea de cauză extrinsecă a umplerii ventriculare)

Reducerea VTD → scăderea forţei de contracţie → scăderea DS şi a DC. Durata diastoleiVTD depinde de durata fazei izotone a diastolei alcătuită din 3 evenimente:

- umplerea rapidă ventriculară;- diastaza (perioada diastolei când presiunile din AS şi VS sunt aprox.

egale);- sistola atrială.

Faza izotonă reprezintă timpul efectiv de umplere diastolică.

Volumul rezidual sistolic (VRS)În condiţii normale, după sistolă, în ventricul rămâne o cantitate de sânge neejectat (VRS), aprox. 5% din VTD. Valoarea VRS depinde de:

a) contractilitatea miocardului ventricular;b) complianţa ventriculară (în sensul inerţiei);c) postsarcină (rezistenţa în calea ejecţiei ventriculare).

VRS influenţează forţa de contracţie prin influenţa acestuia asupra VTD• VRS mic: gradientul de presiune atrio-ventricular este crescut → este favorizată

umplerea ventriculară (VTD crescut) şi contracţia ventriculară • VRS mare: gradientul de presiune atrio-ventricular este redus → apariţia unui VTD

scăzut şi a unei forţe de contracţie ventriculară scăzută.

Scăderea volumului sanguin total în condiţii de deshidratare (prin pierderi de sânge, plasmă sau lichide electrolitice) → scăderea întoarcerii venoase, a presarcinii (VTD) → reducerea performanţelor cardiace (scad DS și DC)

Distribuţia volumului sanguinÎn condiţiile unui volum sanguin total normal, VTD este influenţat de distribuţia sângelui între compartimentul intratoracic şi cel extratoracic, aceasta fiind influenţată de:

» presiunea intratoracică;» presiunea intrapericardică;» tonusul venos;» activitatea de pompă a muşchilor scheletici.

Presiunea intratoracică negativă → creşterea întoarcerii venoase (în special în timpul inspirului, când presiunea negativă este mare) → favorizează creşterea VTD. Creşterea presiunii intratoracice (pneumotorax, manevre Valsalva, accese prelungite de tuse, ventilaţie

5

cu presiune pozitivă etc.) → împiedică întoarcerea venoasă → scăderea VTD şi reducerea performanţelor cardiace. Creşterea presiunii intra-pericardice (tamponada cardiacă) → reducerea umplerii ventriculare şi a performanţelor cardiaceTonusul venos Activitatea musculaturii netede din pereţii venelor este influenţată de numeroşi stimuli umorali şi nervoşi. Venoconstricţia (efort muscular, respiraţie profundă, hipotensiune severă etc.) → scade volumul sanguin extratoracic şi creşte volumul sanguin intratoracic (şi intraventricular) → creşterea performanţelor cardiace Activitatea de pompă a muşchilor scheletici Contracţia muşchilor scheletici (efort fizic) pompează sângele în sistemul venos → creşterea întoarcerii venoase, a VTD şi a performanţelor cardiace.2. Contractilitatea (inotropismul)Contractilitatea este funcţia care permite controlul intrinsec al forţei de contracţie a miocardului ventricular, independent de condiţiile de încărcare (presarcină / încărcare de volum şi postsarcină / încărcare de presiune). Contractilitatea depinde de:

– tonusul simpatic;– acțiunea substanţelor inotrope; – cantitatea de calciu intracelular.

Variaţiile contractilităţii induc variaţii ale debitului cardiac prin fenomenul de reglare homeometrică = reglarea forţei de contracţie independent de lungimea fibrei (când presiunea din aortă creşte brusc, se produce o contracţie rapidă, în 1-2 minute, independent de lungimea fibrei musculare).Contractilitatea, automatismul şi excitabilitatea cordului sunt funcţii miocardice controlate prin semnale transmembranare ce presupun 4 componente:

- receptori celulari de suprafaţă (receptori membranari) cuplaţi cu:- proteinele G (nucleotide guaninice reglatorii de legare) care activează:- efectori (canale de ioni sau enzime intracelulare) ce generează:- al doilea mesager (AMPc sau inozitol-trifosfat).

Legarea complexului receptorβ - adrenergic - proteinăG cu norepinefrina sau dopamina adm. i.v. → modificări conformaţionale ale proteinei G → proteina G stimulatoare (Gs).Gs activează adenilatciclaza → formarea AMPc (al doilea mesager) → stimularea contractilităţii miocardice.AMPc activează proteinkinaza → activează (prin fosforilare) canalele de Ca → creşterea influxului intramiocitar de Ca.Cuplarea receptorilor α1-adrenergici cu proteine G → activarea fosfolipazei C → transformă fosfoinozitol-difosfatul (PIP2) în inozitoltrifosfat (IP3) şi diacilglicerol (DAG). - IP3 eliberează Ca+2 din depozitele intracelulare → stimulează contractilitatea miocardică - DAG activează proteinkinaza C-Ca+2 dependentă (PKC) → reglează:

- canalele de ioni ale miocitelor- hipertrofia miocardiacă- exprimarea genelor.

Stimularea receptorilor muscarinici (M2) prin proteina inhibitoare Gi → inhibarea adenilatciclazei şi ↓ formării AMPc.• Legarea prelungită a β-agoniştilor adrenergici la nivelul receptorilor → fosforilarea

situsului intracelular al receptorului → acesta interacţionează cu o proteină celulară

5

(arestina) → scade sensibilitatea receptorului → degradarea receptorilor (down regulation) – fenomen caracteristic insuficienţei cardiace cronice.

• Răspunsul slab al receptorilor β-adrenergici în insuficienţa cardiacă cronică se asociază cu un nivel crescut al proteinei Gi (rol în patogeneza insuficienţei cardiace).

• Calciul citoplasmatic (eliberat din reticulul sarcoplasmic) se leagă de troponina C → stimulează transformarea ATP în ADP şi P → stimularea ulterioară a activităţii ATP-azice a miozinei → se declanşează contracţia.

• Relaxarea miocardului se datorează activării, de către AMPc, a fosfolambanului (proteină prezentă la suprafaţa membranei reticulului sarcoplasmic ce stimulează preluarea calciului citoplasmatic la nivelul reticulului sarcoplasmic).

Contractilitatea miocardică este dependentă de:- activitatea nervoasă adrenergică la nivel miocardic;- catecolaminele circulante;- factori deprimanţi ai contractilităţii;- pierderea de substanţă ventriculară;- depresia miocardică intrinsecă.

Activitatea nervoasă adrenergicăCantitatea de norepinefrină (NE) eliberată din terminaţiile nervoase cardiace depinde de circulaţia impulsurilor la nivelul nervilor adrenergici.Modificările frecvenţei impulsurilor nervoase → modificări ale cantităţii de NE ce acţionează la nivelul receptorilor β-adrenergici ai miocardului.În condiţii fiziologice, acesta este cel mai important mecanism reglator cu acţiune imediată asupra funcţiei contractile miocardice. Catecolaminele circulanteCatecolaminele sunt eliberate din: - medulosuprarenală; - ganglionii simpatici extracardiaci. Catecolaminele cresc:

- inotropismul;- frecvenţa cardiacă.

Factori deprimanţi ai contractilităţii- hipoxia miocardică severă- hipercapnia (acidoza respiratorie)- acidoza metabolică (scaderea pH-ului plasmatic are efect inhibitor

asupra cuplării actină – miozină, prin blocarea ataşării Ca2+ la troponina C) → efect deprimant asupra contractilităţii cardiace, cu scăderea performanţelor cardiace, independent de valoarea VTD.Pierderea de substanţă ventricularăÎn condiții patologice, o mare parte din masa miocardului ventricular poate să devină nefuncţională:

- tranzitor (în condiţii de ischemie miocardică); - permanent (în prezenţa necrozei, caracteristică infarctului miocardic

acut). → performanţa cardiacă scade, independent de valoarea VTD Depresia miocardică intrinsecă Inotropismul fiecărei fibre miocardice este scăzut:

- izoforme non-contractile ale miozinei;- modificări genetice ale lanţurilor actinei.

→ performanţa cardiacă scade, independent de valoarea VTD. 3.Postsarcina

5

Postsarcina este forţa pe care fibrele miocardice o înving în momentul scurtării lor, realizând ejecţia ventriculară (în timpul fazei izotone a sistolei ventriculare).Postsarcina reprezintă suma forţelor care se opun ejecţiei sângelui în sistemul arterial în timpul sistolei ventriculare. La nivelul fibrei miocardice, postsarcina se reflectă în presiunea intraventriculară (PIV) care:

- alungește fibrele miocardice; - se opune scurtării lor.În sistolă, fibrele miocardice dezvoltă o forţă contractilă suficient de mare:

- pentru a învinge forţele care se opun ejecţiei sângelui; - pentru a realiza această ejecţie.

Consumul energetic necesar contracției este asigurat de cantitatea de ATP rezultată din metabolismul exclusiv aerob al fibrelor miocardice, cu condiţia unei perfuzii coronariene adecvate. Tensiunea intramiocardică (TIM)La nivelul peretelui ventricular, postsarcina se reflectă în tensiunea intramiocardică (TIM). Relaţia Laplace: TIM = (PIV x R) / GPVTIM variază, conform relaţiei Laplace, în funcţie de: - presiunea intraventriculară (PIV);

- raza (R) cavităţii ventriculare (o rază mare oferă o suprafaţă mare de acţiune);

- grosimea peretelui ventricular (GPV); la nivelul unui perete ventricular gros există un număr mare de unităţi contractile.În condiţii fiziologice, în timpul sistolei ventriculare, TIM nu se modifică. TIM = (PIV x R) / GPVPe măsură ce PIV creşte, R scade, iar GPV creşte → este anulat (cel puţin parţial) efectul creşterii PIV:

- scăderea R oferă o suprafaţă mai mică de acţiune PIV;- creşterea GPV face ca PIV să se repartizeze la un număr mai mare de

unităţi contractile. În condiţii patologice (dilataţie ventriculară, stenoză aortică, HTP etc.), în timpul sistolei ventriculare, TIM creşte → efect defavorabil asupra performanţelor cardiace:

- creşte travaliul fibrelor miocardice → creşterea consumului de oxigen;- creşterea PIV are efect negativ asupra perfuziei coronariene (straturile

subendocardice sunt comprimate; în cazuri severe, poate scădea şi perfuzia miocardului de lucru).Creşterea TIM induce un dezechilibru între:

- creşterea necesarului de oxigen; - scăderea debitului coronarian şi a perfuziei miocardice.

4. Frecvenţa cardiacă• Frecvenţa cardiacă influenţează debitul cardiac, în condiţiile în care, ceilalţi factori de

care depinde performanţa cardiacă (presarcina, contractilitatea şi postsarcina) rămân constanţi.

• Creşterea frecvenţei cardiace reprezintă mecanismul la care se poate apela cel mai rapid pentru creşterea debitului cardiac.

• Dezavantaj: tahicardia presupune un consum de oxigen crescut la nivel miocardic.