PØEHLEDNÉ ÈLÁNKY
Kontraktilní funkce myokardu a jejich regulace Contractile functions of myocardium and their regulation
Švíglerová J., Kuncová J., Štengl M. Univerzita Karlova v Praze, Lékaøská fakulta v Plzni, Biomedicínské centrum, Plzeò SOUHRN Kontraktilita myokardu je schopnost srdeèního svalu se kontrahovat a tím generovat sílu. Kontraktilní funkce myokardu jsou ovlivòovány øadou intrakardiálních a extrakardiálních faktorù. Intrakardiální vlivy, mezi které patøí iniciální délka svalového vlákna, frekvence stimulace a srdeèní rytmus, jsou modulovány neurohumorálními mechanismy a extrakardiálními vlivy (iontové pomìry, energetická bilance, teplota, pH, farmaka apod.). Èlánek popisuje mechanismus kontrakce kardiomyocytù, intrakardiální a neurohumorální regulaci srdeèní èinnosti a zmìny kontraktilních funkcí myokardu a jejich regulace za patologických podmínek. Klíèová slova: kontraktilita, srdce, regulace SUMMARY Myocardial contractility is the ability of the cardiac muscle to contract, thereby generating force. Contractile functions of the myocardium are influenced by a number of intrinsic and extrinsic factors. The intrinsic factors, including the initial length of the muscle fibers, stimulation frequency and cardiac rhythm are modulated by neurohumoral mechanisms and extrinsic factors (ions and energy balance, temperature, pH, drugs, etc.). The mechanism of the cardiac contraction, intrinsic and neurohumonal regulation of the cardiac activity and changes in contractile functions of the myocardium and their regulation under pathological conditions are described in this article. Key words: contractility, heart, regulation
KONTRAKCE SRDEČNÍ BUŇKY Děje zajišťující kontrakci srdečního svalu jsou zahájeny akčním napětím, které se šíří po membráně srdeční buňky. Intracelulární koncentrace vápníku je za klidových podmínek 10-7 mol/l. Během akčního napětí dochází vlivem depolarizace k otevření sarkolemálních vápníkových kanálů L-typu (ICaL), jimiž do srdeční buňky proudí vápenaté ionty po elektrochemickém gradientu. Zvýšení intracelulární koncentrace Ca2+ aktivuje uvolnění vápníku z terminálních cisteren sarkoplazmatického retikula, které je hlavním nitrobuněčným zdrojem vápníku. Vápník uvolněný z retikula se společně s vápníkem proudícím do buňky z extracelulárního prostředí naváže na bílkovinu troponin C, což umožní tvorbu příčných můstků mezi kontraktilními bílkovinami aktinem a myozinem a jejich vzájemný posuv, který vede ke kontrakci celého Československá fyziologie 63/2014 č. 1
kardiomyocytu. V této fázi se nitrobuněčná koncentrace Ca2+ zvyšuje až na 10-5 mol/l. Proces, při kterém elektrický vzruch šířící se po membráně buňky způsobuje mechanickou odpověď téže buňky, se označuje jako elektromechanická vazba (excitation-contraction coupling, ECC) neboli vazba mezi excitací a kontrakcí. Elektromechanická vazba v myokardu je na rozdíl od kosterního svalu závislá na přísunu vápníku z extracelulárního prostředí a normální kontrakce srdečního svalu tedy nemůže dlouhodobě probíhat v bezvápníkovém prostředí (Bers, 2002). Základní podmínkou pro ukončení kontrakce a zahájení relaxace je snížení intracelulární koncentrace vápníku. K odčerpání Ca2+ z cytoplazmy slouží čtyři transportní systémy – Ca2+-ATPáza sarkoplazmatického retikula (SERCA), sodíko-vápníkový výměník (NCX), sarkolemální Ca2+-ATPáza a mitochondriální vápníkový transportér (obr. 1; Bers, 2002). 25
UVOLNĚNÍ VÁPNÍKU ZE SARKOPLAZMATICKÉHO RETIKULA – VÁPNÍKOVÝ KANÁL L-TYPU Kanály ICaL se nacházejí na membráně všech kardiomyocytů, jejich největší výskyt je v komorových kardiomyocytech zejména v oblasti T-tubulů (Bers, 2002). Aktivace vápníkových kanálů nastává při membránovém napětí kolem -30 mV. Vápník proudí po elektrochemickém gradientu do kardiomyocytu aktivovaným kanálem ICaL, difunduje k sarkoplazmatickému retikulu, na jehož membráně otevírá vápníkové kanály lokalizované v těsné blízkosti T-tubulů (obr. 1). Tento proces, kdy proud vápníku z extracelulárního prostředí způsobí uvolnění vápníku z retikula, se označuje jako „vápníkem indukované uvolnění vápníku“ (calcium-induced calcium release, CICR) a byl poprvé popsán Fabiatem v roce 1975 (Fabiato a Fabiato, 1975). Bylo prokázáno, že kanál ICaL hraje rozhodující roli při uvolnění vápníku ze sarkoplazmatického retikula a jeho přítomnost je pro CICR nezbytná (Bodi et al., 2005). Proud ICaL společně s repolarizujícími draslíkovými proudy IKr a IKs určuje délku akčního napětí, která je jedním z významných inotropních faktorů (Bouchard et al., 1995). Inaktivace kanálů ICaL probíhá pomalu a je závislá na membránovém napětí a intracelulární koncentraci Ca2+. Vápník uvolněný z retikula kromě toho, že aktivuje kontraktilní aparát, přispívá k inaktivaci ICaL, což brání nadměrnému vstupu vápníku do buňky. Kanál je možno farmakologicky zablokovat deriváty dihydropyridinu (např. nifedipin či nitrendipin), proto jsou kanály ICaL označovány též jako dihydropyridinové receptory (Bodi et al., 2005). ALTERNATIVNÍ CESTY VEDOUCÍ K UVOLNĚNÍ VÁPNÍKU ZE SARKOPLAZMATICKÉHO RETIKULA Vápníkový kanál T-typu (ICaT) se nachází zejména v membráně buněk převodního systému srdečního, v komorové svalovině je jeho výskyt sporadický. Kanál je aktivován při membránovém napětí přibližně -60 mV. Inaktivace ICaT nastává při membránovém napětí -50 mV, na rozdíl od ICaL probíhá rychle a je pouze napěťově závislá. Bylo prokázáno, že za určitých okolností je ICaT schopen spustit uvolnění vápníku ze sarkoplazmatického retikula (Ono a Iijima, 2010), ale za fyziologických podmínek se na tomto procesu podílí pouze malou měrou a jeho vliv je překryt převažujícím účinkem ICaL. NCX je sarkolemální transportní mechanismus, který vyměňuje ionty sodíku a vápníku mezi extra- a intracelulárním prostředím (obr. 1). Byly identifikovány tři izoformy NCX, přičemž v srdci se vyskytuje izoforma NCX1. Transsarkolemální výměna iontů probíhá elektrogenně v poměru 3Na+:1Ca2+. V závislosti na aktuálním membránovém napětí a koncentračním gradientu obou iontů může NCX pracovat ve dvou režimech – v normálním, kdy je vápník vypuzován z buňky a sodík teče do buňky, a v obráceném režimu, kdy vápník vstupuje do buňky a sodík je vypuzován z buňky 26
ven. V obráceném režimu se NCX může podílet na uvolnění Ca2+ ze sarkoplazmatického retikula, což bylo opakovaně prokázáno spuštěním CICR jak v přítomnosti blokátorů ICaL, tak při pozitivním membránovém napětí, kdy je ICaL inaktivován. Vzestup intracelulární koncentrace Ca2+ vlivem proudu NCX je ve srovnání s mohutným ICaL méně výrazný a pomalejší. NCX pravděpodobně přispívá k uvolňování vápníku z retikula, avšak postavení ICaL je v tomto procesu dominantní (Štengl a Pučelík, 2000). Za určitých specifických podmínek se na procesu uvolnění Ca2+ ze sarkoplazmatického retikula mohou podílet další mechanismy, jako je např. napětím aktivované uvolnění vápníku, inozitol (1,4,5)-trisfosfát, vápníkový proud citlivý k tetrodotoxinu či „přesmyk vodivosti“ (slip-mode conductance), při kterém vstupuje vápník do buňky kanály rychlého sodíkového proudu. Možný příspěvek alternativních cest vtoku vápníku do kardiomyocytu je však diskutabilní a za hlavní spouštěč uvolnění vápníku z retikula v srdečním svalu je považován ICaL (Bers, 2002). SARKOPLAZMATICKÉ RETIKULUM Hlavní funkcí sarkoplazmatického retikula je skladovat vápenaté ionty, uvolňovat je do cytoplazmy a čerpat zpět. Membrána retikula je vybavena kanály uvolňujícími vápník (release channels), jejichž přítomnost je nezbytná pro normální průběh ECC (obr. 1). Vodivost kanálů je modulována rostlinným alkaloidem ryanodinem, proto jsou kanály nazývány ryanodinovými receptory (RyR). Dosud byly identifikovány tři izoformy RyR: izoforma RyR1 je charakteristická pro kosterní sval, RyR2 pro myokard a izoforma RyR3 je všudypřítomná (Fill a Copello, 2002). Největší koncentrace RyR je na terminálních cisternách junkčního sarkoplazmatického retikula v blízkosti T-tubulů, kde je nejvyšší denzita ICaL. Vzhledem k tomu, že vzdálenost mezi terminální cisternou a T-tubulem je asi 10 nm, jsou RyR v těsné blízkosti sarkolemy kardiomyocytu (Lai a Meissner, 1989). RyR jsou na membráně sarkoplazmatického retikula rozmístěny v pravidelných intervalech (až 100 RyR na 200 nm membrány). V závislosti na živočišném druhu připadá na každých 100 RyR od 10 do 25 kanálů ICaL, což je dostatečný počet nezbytný pro aktivaci RyR. Hlavním podnětem pro otevření RyR je zvýšení intracelulární koncentrace Ca2+. Nejúčinnější aktivace RyR je zajištěna prostřednictvím vápníku tekoucího do buňky kanály ICaL, pravděpodobně vzhledem ke vzájemnému geometrickému uspořádání RyR a ICaL (Wier a Balke, 1999). Vodivost kanálů RyR je rovněž ovlivněna množstvím Ca2+ uvnitř sarkoplazmatického retikula. Vzrůstající intrasarkoplazmatická koncentrace vápníku zvyšuje citlivost RyR k Ca2+, a tím i pravděpodobnost otevření RyR (Shannon et al., 2000; Lukyanenko et al., 1996). Naopak nízká koncentrace Ca2+ uvnitř retikula brání proběhnutí CICR, a tím úplnému vyčerpání vápníku z retikula. Ryanodinové receptory sarkoplazmatického retikula jsou aktivovány mikromolárními koncentracemi Ca2+ uvnitř buňky, vyšší, tedy milimolárními koncentrace Ca2+, kanály inhibují (MacLennan et Československá fyziologie 63/2014 č. 1
Obr. 1: Hospodaøení s vápníkem v komorovém kardiomyocytu. NCX – Na+-Ca2+ výmìník, RyR – ryanodinový receptor, PLB – fosfolamban, SR – sarkoplazmatické retikulum, ATP – systém aktivního transportu, ICaL – vápníkový proud L typu (upraveno podle Berse, 2002).
al., 2002). Kanály lze rovněž uvést do otevřeného stavu adenozintrifosforečnou kyselinou (ATP), cyklickou ADP-ribózou (Fill a Copello, 2002) či kofeinem; blokáda je možná pomocí hořčíku, u izoformy RyR1 také dantrolenem (MacLennan et al., 2002). Vápenaté ionty jsou uvnitř sarkoplazmatického retikula navázány na bílkovinu kalsekvestrin, který je lokalizován zejména v terminálních cisternách retikula. Kalsekvestrin má sice malou afinitu, ale zato velkou vazebnou kapacitu pro vápník, čímž zajišťuje uvnitř retikula asi 10 000krát vyšší koncentraci vápníku ve srovnání s okolní cytoplazmou. Retikulum má tak schopnost během krátké doby uvolnit nebo kumulovat velké množství Ca2+ (MacLennan et al., 2002). ODČERPÁNÍ VÁPNÍKU Z CYTOPLAZMY Hlavním transportním mechanismem zodpovědným za odčerpávání Ca2+ z cytoplazmy do sarkoplazmatického retikula a zahájení relaxace je Ca2+-ATPáza sarkoplazmatického retikula (SERCA), která se nachází zejména na membráně longitudinálních tubulů retikula (obr. 1). V tkáních byly identifikovány tři typy SERCA, z nichž každý má několik izoforem. Izoforma charakteristická pro srdeční sval se označuje SERCA2a. Při rozštěpení jedné molekuly ATP přenese pumpa do retikula 2 molekuly vápníku (MacLennan et al., 2002). Aktivace SERCA urychluje odčerpávání Ca2+ z cytoplazmy do sarkoplazmatického retikula, čímž se urychluje nástup relaxace a zvyšuje množství vápníku uvnitř retikula dostupného pro další kontrakci. Československá fyziologie 63/2014 č. 1
Podíl SERCA na odstraňování vápníku z cytoplazmy savčích kardiomyocytů je závislý na živočišném druhu. V srdci potkana a myši je prostřednictvím SERCA odčerpáno více než 90 % z celkového množství odstraněného vápníku, u ostatních živočišných druhů (králík, fretka, morče, člověk) je tento podíl nižší a činí asi 70−75 %. Zbylé množství Ca2+ je vypuzeno z buňky prostřednictvím NCX pracujícím v normálním režimu (Bers, 2000). Sarkolemální Ca2+-ATPáza a mitochondriální vápníkový přenašeč mají pro vypuzování Ca2+ v savčím myokardu jen malý význam. Činnost SERCA je nepřímo regulována pomocí fosfolambanu. Jedná se o protein, který významným způsobem zasahuje do regulace srdeční kontraktility. Nefosforylovaný fosfolamban snižuje afinitu SERCA k vápníku a tlumí tak její efektivitu. Inhibičnímu vlivu fosfolambanu na SERCA je naopak zabráněno jeho fosforylací. Fosforylace fosfolambanu je zajišťována například fosforylovanou cAMP-dependentní proteinkinázou A nebo Ca2+-kalmodulin-dependentní proteinkinázou. Činnost SERCA je ovlivňována intracelulární koncentrací Ca2+, Mg2+, ATP a hodnotou pH. Nedostatek ATP a pokles pH, způsobený například ischemií, tlumí aktivitu SERCA, což zpomaluje relaxaci (Bers, 2001a). KONTRAKTILNÍ APARÁT KARDIOMYOCYTU Základní kontraktilní jednotkou kardiomyocytu je sarkomera. Jedná se o útvar ohraničený dvěma Z-liniemi. Sarkomera je tvořena tlustými a tenkými myofilamenty a regulačními proteiny. Tenká myofilamenta, obsahující bílkoviny 27
aktin, tropomyozin a troponin, jsou ukotvena z jedné strany do Z-linií, z druhé strany se zanořují mezi tlustá myofilamenta. Základ tenkého myofilamenta tvoří dvojitá α-šroubovice fibrilárního aktinu, na němž jsou v pravidelných intervalech umístěna aktivní místa sloužící k interakci mezi aktinem a hlavou myozinu. Dlouhé molekuly tropomyozinu v klidovém stavu kryjí aktivní místa aktinu. Molekula troponinu, která se skládá z podjednotek C, I a T, je rozmístěna v pravidelných intervalech podél tropomyozinového vlákna. Po navázání Ca2+ na vazebné místo troponinu dojde ke konformační změně molekuly troponinu, což způsobí následný pohyb tropomyozinu a odkrytí aktivních míst aktinu. Základem tlustého filamenta je bílkovina myozin, která vytváří osovou strukturu vlákna a dvě hlavy. Hlava myozinu má ATP-ázovou aktivitu a obsahuje vazebné místo pro aktin (Brady, 1991). Podstatou kontrakce je chemická reakce mezi tenkými a tlustými myofilamenty spojená s opakovanou tvorbou příčných můstků a pohybem hlavy myozinu, což vede k zasouváním tenkých myofilament mezi tlustá. Během tohoto procesu dochází k přibližování Z-linií, a tím i ke zkracování sarkomery a následně celé srdeční buňky. Nezbytnou podmínkou pro zahájení této reakce je dostatečné zvýšení intracelulární koncentrace vápníku a přísun energie ve formě ATP (Bers, 2001b). REGULACE KONTRAKTILITY MYOKARDU Kontraktilita myokardu je definována jako schopnost srdečního svalu se kontrahovat, a tím generovat sílu. Síla srdeční kontrakce je ovlivňována celou řadou inotropních faktorů, které lze rozdělit podle lokalizace, odkud daný regulační mechanismus vychází, na vlivy intra- a extrakardiální. INTRAKARDIÁLNÍ VLIVY Nejvýznamnějším intrakardiálním faktorem je závislost mezi počáteční délkou svalového vlákna a sílou jeho stahu. Této závislosti si poprvé všiml italský fyziolog Dario Maestrini v roce 1914 a pojmenoval ji „zákon srdce“ („legge del cuore“; Maestrini, 1915). Jeho práce však nebyla doceněna, ačkoliv stejná závislost byla popsána anglickým fyziologem Ernestem Starlingem a německým kardiologem a fyziologem Ottou Frankem o několik let později. Starling vyslovil myšlenku, že „energie potřebná pro kontrakci je úměrná výchozí délce srdečních vláken“ (Starling, 1918). Podle obou vědců byla závislost pojmenována Frank-Starlingův mechanismus či zákon, který se stal jedním ze základních kamenů srdeční fyziologie. Závislost síly stahu na počáteční délce svalového vlákna se označuje jako heterometrický mechanismus, který za fyziologických podmínek na úrovni celého srdce zajišťuje adekvátní sílu kontrakce myokardu vzhledem k aktuální velikosti konečného diastolického objemu a dynamickou rovnováhu čerpacích funkcí obou srdečních komor (Sarnoff a Mitchell, 1961). Iniciální délka svalových vláken je určena zejména velikostí žilního návratu (předtížení neboli preload). 28
Molekulární podstata Frank-Starlingova zákona byla dlouhou dobu vysvětlována vzájemným geometrickým uspořádáním aktinových a myozinových filament. Síla stahu je přímo úměrná počtu příčných můstků mezi aktinem a myozinem. Je-li sarkomera zkrácena, aktinová vlákna se překrývají a v místě překryvu nevznikají příčné můstky. Při protahování sarkomery se překrývání aktinových filament zmenšuje, zvětšuje se kontaktní plocha mezi aktinem a myozinem a síla kontrakce stoupá. Při patologickém prodloužení sarkomery je redukován kontakt mezi aktinem a myozinem a síla kontrakce se zmenšuje. Za fyziologických podmínek pracuje srdeční sval ve vzestupné části závislostní křivky, a proto prodlužování kardiomyocytu zvyšuje sílu kontrakce (Lakatta a Henderson, 1977). V druhé polovině minulého století bylo zjištěno, že pokud by za Frank-Starlingovým zákonem stálo pouze geometrické uspořádání kontraktilních bílkovin, musela by být závislost mezi délkou sarkomery a sílou kontrakce pozvolnější. Proto se začaly hledat další mechanismy, které by pomohly Frank-Starlingův zákon vysvětlit. Postupně bylo zjištěno, že tvorba příčných můstků je stochastický děj, jehož pravděpodobnost stoupá s klesající vzdáleností mezi aktinem a myozinem. K přiblížení filament dochází právě při prodlužování sarkomery a hlavní roli v tomto mechanismu hraje bílkovina titin. Titin je natažen přes celou polovinu sarkomery od Z-destičky až k M-linii a slouží, mimo jiné, jako senzor registrující délku sarkomery. Při protažení sarkomery dochází k natažení koncové části titinu ukotvené do Z-destičky, která neprobíhá paralelně s aktinem, a proto vytvoří radiální tah přibližující aktinová a myozinová filamenta (obr. 2). Zvýšená tvorba příčných můstků pak zpětně ovlivňuje regulační bílkovinu troponin tak, že zvyšuje citlivost troponinu C k vápníku. Zároveň vede ke konformační změně molekuly troponinu, která ještě více oddálí regulační bílkovinu tropomyozin od aktivních míst na aktinu, čímž se usnadní tvorba příčných můstků. Je třeba podotknout, že všechny popsané změny nevyžadují zvyšování intracelulární koncentrace vápníku (Fukuda et al., 2009). Několik desítek let před definováním Frank-Starlingova mechanismu, v roce 1871, americký fyziolog Henry Bowditch zjistil, že síla kontrakce izolovaného žabího srdce závisí na frekvenci stimulace. Tento fenomén vstoupil do odborné literatury pod názvem Bowditchovy schody (staircase phenomenon) a popisuje vztah mezi srdeční frekvencí a sílou srdeční kontrakce (Bowditch, 1871). U většiny savců včetně člověka je síla kontrakce myokardu přímo úměrná srdeční frekvenci. Podstata této závislosti spočívá ve zvýšení intracelulární koncentrace Ca2+ podmíněné zejména změnou množství vápníku deponovaného v sarkoplazmatickém retikulu a proudícího do buňky kanálem ICaL a NCX. Frekvenčně podmíněná inotropní odpověď je závislá na živočišném druhu, stimulační frekvenci, energetické situaci v myokardu, iontových poměrech a dalších vlivech (Endoh, 2004). Dojde-li k narušení pravidelného rytmu nepravidelným stahem (extrasystolou), je síla prvního stahu následujícího po extrasystole zvýšena ve srovnání s řádným stahem (Beck et al., 1971). Tento fenomén, popsaný před více než 100 lety Langendorffem (1898), se nazývá postextrasystolická Československá fyziologie 63/2014 č. 1
Obr. 2: Schematické uspoøádání aktinových a myozinových filament v sarkomeøe A – krátká sarkomera, B – dlouhá sarkomera (upraveno dle Konhilase, 2002).
potenciace a jeho hlavní příčinou je pravděpodobně zvýšení intracelulární koncentrace Ca2+ o vápenaté ionty, které vstoupily do buňky během extrasystoly (Cooper, 1993). Na základě aktuální situace a potřeb organismu jsou výše popsané vnitřní regulační mechanismy modulovány neurohumorální regulací. Výsledná síla kontrakce je navíc ovlivňována řadou extrakardiálních vlivů, jako jsou iontové poměry, energetická bilance kardiomyocytů, teplota, pH, inotropně působící farmaka a další faktory (Bers, 2002; Katz, 2011). NERVOVÁ REGULACE SRDEČNÍ ČINNOSTI První objevy týkající se chemické podstaty nervové regulace srdce byly učiněny na začátku minulého století, kdy německý lékař a farmakolog Otto Loewi prokázal, že chronotropní účinek stimulace bloudivého nervu je zprostředkován jakousi chemickou látkou (Loewi, 1921). Další výzkum postupně přinesl detailní informace o morfologii a funkci autonomní inervace srdce, byly identifikovány mediátory noradrenalin a acetylcholin a jejich receptory. Zavádění nových experimentálních metod do biomedicínského výzkumu umožnilo uskutečnit další objevy, z nichž některé vedly k zásadní revizi původních poznatků o nervové regulaci srdce. Byly objeveny neadrenergní necholinergní neuropřenašeče, bylo zjištěno, že jeden neuron může syntetizovat a uvolňovat více mediátorů (princip koexistence a kotransmise; Burnstock, 2004), byla popsána intrakardiální srdeční pleteň a odhalena její výrazná autonomie (Armour, 2007), byly přehodnoceny znalosti o striktně antagonistických účincích sympatické a parasympatické inervace srdce (Paton et al., 2005) apod. Srdeční činnost je řízená kardiovaskulárním ústředím v mozkovém kmeni, jehož aktivita je modulována na základě Československá fyziologie 63/2014 č. 1
informací přicházejících z periferních receptorů kardiovaskulárního systému i z nadřazených oblastí centrálního nervového systému. Eferentní inervace srdce je zajišťována oběma větvemi periferní části autonomního nervového systému – sympatickou, která má kardiostimulační účinek, a parasympatickou s kardioinhibičním účinkem (obr. 3). Buněčná těla pregangliových sympatických neuronů se nacházejí v intermediolaterálních jádrech postranních rohů horních segmentů hrudní míchy (Th1 – Th5–6). Pregangliová vlákna vystupují z míchy předními míšními kořeny a cestou rami communicantes albi vstupují do paravertebrálních ganglií. Synapse mezi pregangliovými a postgangliovými neurony se nacházejí v krčních a v horních hrudních gangliích. Postgangliová vlákna (nervi cardiaci) inervují pracovní i převodní svalovinu síní a komor a ovlivňují činnost neuronů intrakardiální nervové pleteně (Levy a Martin, 1995). Buněčná těla parasympatických pregangliových neuronů jsou uložena v nucleus dorsalis nervi vagi a v nucleus ambiguus prodloužené míchy. Vlákna těchto neuronů opouštějí prodlouženou míchu prostřednictvím bloudivých nervů, jejichž větve (rami cardiaci) se stávají součástí srdeční nervové pleteně, kde se přepojují na postgangliové neurony. Parasympatická inervace je mnohem hustší v síních než v komorách, kde slouží převážně k modulaci aktivity sympatiku a k inervaci koronárních cév (Levy a Martin, 1995). Senzorická inervace srdce a cév je tvořena viscerosenzitivními neurony, jejichž těla leží v ganglion nodosum, v dolních krčních a horních hrudních spinálních gangliích a v gangliích intrakardiální srdeční pleteně (obr. 3; Ieda a Fukuda, 2009). Jedná se o myelinizovaná i nemyelinizovaná vlákna, která přivádějí do centrálního nervového systému informace ze srdečních síní a komor a z koronárních cév. Jejich aktivita se mění v závislosti na tlakově-objemových změnách v srdečních oddílech odehrávajících se během srdečního cyklu a je 29
Obr. 3: Schéma nervové regulace srdeèní èinnosti CNS – centrální nervový systém (upraveno dle Armoura, 1999).
ovlivňována chemickými látkami uvolňovanými během některých patologických stavů (Longhurst, 1984; Fu a Longhurst, 2009). Na základě axonálních reflexů mohou být senzorické neurony stimulovány i protisměrně a uvolňovat tak v srdci různé mediátory (Lundberg, 1996). Eferentní sympatické a parasympatické neurony, viscerosenzitivní neurony a lokální okružní neurony vytvářejí intrakardiální srdeční pleteň, která je pod trvalým vlivem centrálních regulačních center a pod vlivem cirkulujících mediátorů. Lokální okružní neurony propojují neurony srdeční pleteně, kromě toho vysílají své axony i do extrakardiálních ganglií (intratorakálních a paravertebrálních), čímž se podílejí na zpracování aferentních a eferentních informací na různých úrovních periferní části srdeční inervace (obr. 3; Armour, 1991). Nervová srdeční pleteň vytváří konečný vzorec vzruchové aktivity, který významnou měrou určuje výslednou podobu srdeční činnosti za fyziologických podmínek. Naopak za patologických (např. ischemických) podmínek se neurony srdeční pleteně mohou stát zdrojem závažných až fatálních poruch srdečního rytmu (Armour, 2008). Vzhledem k tomu, že neurony vnitřní srdeční pleteně vykazují aktivitu i po centrální denervaci, bývá tato pleteň, podobně jako enterická nervová pleteň ve střevě, nazývána „malým mozkem“ srdce (Armour, 2007). Nervová vlákna srdeční pleteně jsou v intervalech 5–15 μm charakteristicky zesílena do varikozit, které obsahují synaptické váčky (vezikuly). V místech varikozit bývá buněčná membrána zesílená a v její těsné blízkosti jsou váčky zhuštěny. Přenos informace z nervových vláken na kardiomyocyty je realizován chemicky, prostřednictvím přenašečů (mediátorů), které jsou uloženy v synaptických váčcích. Mediátory se uvolňují postupně při šíření akčních 30
potenciálů po nervovém vlákně (uvolňování „en passant“; Burnstock, 1986a) a vážou se na specifické receptory lokalizované v membráně srdečních buněk. Uvolňování mediátorů je ovlivňováno stimulací různých typů presynaptických receptorů, jimiž je membrána varikozit vybavena. Konečný efekt stimulace autonomních neuronů závisí na jejich vzruchové aktivitě, množství uvolněného mediátoru, hustotě specifických receptorů v postsynaptické membráně a jejich afinitě k příslušnému mediátoru, na účinku modulujících látek a mnoha dalších faktorech. Klasickým přenašečem vzruchu z postgangliových sympatických vláken na srdeční buňky je noradrenalin a příslušná nervová vlákna jsou označována jako adrenergní. Acetylcholin je mediátorem postgangliových parasympatických vláken, která jsou označována jako cholinergní (Lundberg, 1996). Oba mediátory jsou skladovány buď samostatně v malých synaptických váčcích (průměr cca 50 nm), nebo společně s dalšími mediátory ve velkých synaptických váčcích (průměr cca 100 nm; Fried, 1995). Stimulace sympatiku vede prostřednictvím β-adrenergních receptorů k zesílení kontrakce a ke zkrácení relaxace srdečního svalu. Stimulace β-receptorů zvyšuje tvorbu cyklického adenozinmonofosfátu (cAMP), který aktivuje proteinkinázu A. Tento enzym pak fosforyluje některé bílkoviny ovlivňující vápníkový metabolismus srdeční buňky – fosfolamban, ICaL, troponin I a protein C vázající myozin, který je součástí tlustého filamenta. Pozitivně inotropní účinek sympatiku je zajištěn zejména zvýšeným přísunem Ca2+ do srdeční buňky a nárůstem množství vápníku v sarkoplazmatickém retikulu, luzitropní efekt urychlením odčerpávání Ca2+ z cytoplazmy do retikula a poklesem afinity troponinu C k vápenatým iontům (Bers, 2002). Parasympatikus, jehož mediátor acetylcholin působí cestou Československá fyziologie 63/2014 č. 1
muskarinových receptorů, vykazuje v srdečních síních přímé negativně inotropní a negativně chronotropní účinky. Aktivace muskarinových receptorů je spojena s inhibičním G-proteinem, který inhibuje adenylátcyklázu. Dochází k poklesu intracelulární produkce cAMP, což způsobuje redukci proudu ICaL. Důsledkem této skutečnosti je hyperpolarizace buňky a snížení síly kontrakce. Negativně inotropní účinek parasympatiku v srdečních komorách se projeví pouze po předchozí stimulaci β-adrenergními agonisty (Brodde et al., 2001). Negativně chronotropní účinek parasympatiku je pravděpodobně založen na aktivaci repolarizujícího proudu draslíku IK(Ach). Přítomnost kanálu IK(Ach) byla prokázána v Purkyňových vláknech srdečních komor, v pracovním myokardu je výskyt tohoto kanálu minimální (Schram et al., 2002). NEADRENERGNÍ NECHOLINERGNÍ INERVACE Kromě klasických přenašečů byla v neuronech srdeční pleteně identifikována celá řada látek, které jsou souhrnně označovány jako neadrenergní necholinergní přenašeče (Burnstock G., 1986b). Jejich funkce a možné terapeutické využití je předmětem intenzivního výzkumu posledních několika desetiletí. Klasifikace těchto látek není doposud zcela jednotná, řada z nich navíc nesplňuje všechna kritéria, která vymezují pojem přenašeč. Z chemického hlediska tvoří nejpočetnější skupinu neuropeptidy, mezi které se řadí např. neuropeptid Y (NPY), peptid odvozený od genu pro kalcitonin (CGRP), vazoaktivní intestinální peptid (VIP), substance P, somatostatin a další. Neuropeptidy jsou skladovány ve velkých synaptických váčcích nervových zakončení, odkud se uvolňují společně s klasickými mediátory, ovšem pouze při vyšší frekvenci vzruchové aktivity (Fried et al., 1984). Nepodléhají zpětnému vychytávání a jejich degradace je pomalá, proto mohou působit delší dobu a na větší vzdálenost než klasické mediátory (Strand, 1999). Historicky nejdříve byly neuropeptidy a některé jejich funkce identifikovány v centrálním nervovém systému a v gastrointestinálním traktu. Postupně je odhalována jejich role v dalších orgánech včetně kardiovaskulárního systému, kde plní celou řadu funkcí. Mezi krátkodobé efekty neuropeptidů patří účinky chronotropní, inotropní, vazoaktivní, kromě toho neuropeptidy modulují účinky klasických mediátorů autonomního nervového systému a ovlivňují mechanismus pre- a postconditioningu. Dlouhodobé účinky neuropeptidů jsou převážně trofické (Ganten et al., 1991). NPY, který je kvantitativně nejvýznamnějším peptidem v savčím srdci, se skládá z 36 aminokyselin. Na základě strukturální podobnosti se NPY řadí do jedné skupiny s pankreatickým polypeptidem a peptidem YY. Zdrojem NPY v kardiovaskulárním systému jsou zejména postgangliové sympatické neurony, ve kterých je peptid lokalizován společně s noradrenalinem (Lundberg et al., 1982). Peptid vykazuje pozitivně inotropní a chronotropní účinky, moduluje efekt klasických mediátorů autonomní inervace na pre- i postsynaptické úrovni, má prokazatelné vazokonstrikční a angiogenetické účinky, postnatálně zvyšuje Československá fyziologie 63/2014 č. 1
hustotu kanálů ICaL a stimuluje rozvoj hypertrofie způsobené objemovým přetížením (Protas et al., 2003). CGRP se nachází, mimo jiné, v senzorimotorických neuronech srdce a cév, kde je lokalizován společně se substancí P. Denzita receptorů pro CGRP je vyšší v srdečních síních než v komorách (Wharton a Gulbenkian, 1987). Peptid má vedle vazodilatačního účinku i účinky pozitivně chronotropní a inotropní, podílí se na kardioprotekci ischemického myokardu (Brain a Grant, 2004) a podporuje rozvoj hypertrofie kardiomyocytů (Ito et al., 1997). Zdrojem VIP v kardiovaskulárním systému jsou intrakardiální neurony a parasympatické pregangliové a postgangliové neurony (Kuncová et al., 2003), kde je peptid lokalizován společně s acetylcholinem. VIP je strukturálně příbuzný s hormony ovlivňujícími zejména činnost trávicího traktu – sekretinem, glukagonem a peptidem inhibujícím žaludek. Mezi nejdůležitější kardiovaskulární efekty VIP patří pozitivně chronotropní a inotropní účinek, výrazná vazodilatace a pravděpodobně i ochrana srdečního svalu před škodlivým působením ischemie (Henning a Sawmiller, 2001). KONTRAKTILNÍ FUNKCE MYOKARDU A JEJICH REGULACE ZA PATOLOGICKÝCH PODMÍNEK Regulace kontraktilních funkcí srdce se může významně měnit za patologických podmínek, které vznikají buď primárním poškozením srdečního svalu, nebo se objevují jako komplikace onemocnění jiných orgánů či orgánových systémů (sekundární poškození srdce). Regulační mechanismy srdečních funkcí při rozvoji srdečního onemocnění zabezpečují adaptaci kardiovaskulárního systému na abnormální zátěž. Chorobný proces vyvolává řadu kompenzačních změn, které jsou schopny udržovat funkci srdce na požadované úrovni. Po určité době, která je u každého jedince individuální, dojde k vyčerpání adaptačních mechanismů a kompenzační reakce se změní na dekompenzační. Adaptační remodelace v počátečním stádiu kompenzuje funkci srdce postiženou primárním onemocněním, zároveň však může vést, a většinou vede, ke spuštění paralelních patologických procesů. Příkladem může být tlakové či objemové přetížení, na které srdeční sval reaguje zesílením kontrakce. Dlouhodobě zvýšená zátěž postupně vede k rozvoji hypertrofie kardiomyocytů. Hypertrofická remodelace, která zpočátku zabezpečuje dostačující srdeční výdej, způsobí změny exprese klíčových proteinů vápníkového metabolismu a kontraktilních bílkovin. Zároveň se objevují maladaptivní prvky kompenzační hypertrofie, zejména zvýšený výskyt závažných arytmií vyvolaných poruchou vápníkové homeostázy a membránových proudů (Hill, 2003). Výsledkem hypertrofické přestavby srdce je vápníkové přetížení kardiomyocytů, což společně se zvýšeným tonem sympatiku, působením zánětlivých cytokinů, zvýšenou krevní hladinou neuroendokrinních působků, zhoršenou perfuzí hypertrofického myokardu a dalšími faktory může vést až k ireverzibilnímu poškození srdečního svalu, které se manifestuje jako srdeční selhání (Bravený et al., 2007).
31
ZÁVĚR Zdravé srdce tvoří pozoruhodně vyladěný systém, který dokáže rychle měnit svoje kontraktilní vlastnosti v důsledku různých fyziologických, ale i patologických podnětů (cvičení, krvácení apod.). Jedná se o krátkodobou funkční odpověď kardiovaskulárního systému, jejíž intenzita, charakter a doba trvání je adekvátní ději, který změnu vyvolal. Kromě toho je srdce schopno dlouhodobé adaptace, která zahrnuje zejména proliferativní (transkripční) změny a objevuje se v průběhu patogeneze kardiovaskulárních onemocnění. Adaptace je zabezpečena změnami v genové expresi a syntéze proteinů, což vede ke změnám funkce, tvaru, velikosti a složení kardiomyocytů. Zpočátku adaptivní proces ovlivňuje srdeční funkce příznivě, později se však stává maladaptivním a je sám o sobě zdrojem závažných komplikací. Krátkodobé i dlouhodobé změny srdečních funkcí jsou zajišťovány neurohumorálními signálními cestami, které reagují na podněty z receptorů lokalizovaných v kardiovaskulárním systému, ale i mimo něj. Dříve se soudilo, že regulace funkčních a proliferativních změn je oddělená, ale postupně bylo zjištěno, že se obě signální cesty překrývají a řada regulačních prvků je společných. Například receptory spojené s G-proteinem ovlivňují inotropní, chronotropní, dromotropní a luzitropní funkce srdce a zároveň modulují
proliferativní odpověď kardiomyocytů; receptory s tyrozinkinázovou aktivitou, které byly původně identifikovány jako mediátory proliferativní odpovědi, mohou regulovat srdeční kontraktilitu a průsvit cév (Katz, 2011). Tato skutečnost má zásadní klinický význam, neboť farmaka ovlivňující jednotlivé stupně neurohumorální regulační kaskády mohou různým způsobem a v některých případech i protichůdně ovlivňovat krátkodobou a dlouhodobou odpověď srdce na patologický podnět. Objasnění (mal)adaptačních mechanismů vznikajících v průběhu srdečních onemocnění včetně jejich regulace je nezbytným krokem pro vypracování terapeutických postupů, které budou pacientovi přinášet maximální užitek a budou minimalizovat nežádoucí dopady patologického procesu. Tato práce byla podporována Programem rozvoje vědních oborů Univerzity Karlovy (projekt č. P36) a projektem ED2.1.00/03.0076 Evropského fondu pro regionální rozvoj. doc. MUDr. Jitka Švíglerová, Ph.D. Ústav fyziologie Lékařská fakulta v Plzni Lidická 1 301 00 Plzeň E-mail:
[email protected]
LITERATURA
1.
Armour JA. Anatomy and function of the intrathoracic neurons regulating mammalian heart. In: Zucker IH. Reflex Control of Circulation. Boston: CRC Press, 1991; 1-37. 2. Armour JA. The little brain on the heart. Cleve Clin J Med, 74, 2007, s. 48-51. 3. Armour JA. Potential clinical relevance of the ‚little brain‘ on the mammalian heart. Exp Physiol, 93, 2008, s. 165-176. 4. Beck W, Chesler E, Schrire V. Postextrasystolic ventricular pressure response. Circulation, 44, 1971, s. 523-533. 5. Bers DM. Calcium fluxes involved in control of cardiac myocyte contraction. Circ Res, 87, 2000, s. 275-281. 6. Bers DM. Sarcoplasmic reticulum Ca uptake, content and release. In: Excitation-Contraction Coupling and Cardiac Contraction Force. Kluwer Academic Publishers, 2. vydání, 2001a; 161-202. 7. Bers DM. Myofilaments: the end effector of E-C coupling. In: Excitation-Contraction Coupling and Cardiac Contraction Force. Kluwer Academic Publishers, 2. vydání, 2001b; 19-38. 8. Bers DM. Cardiac excitation-contraction coupling. Nature, 415, 2002, s. 198-205. 9. Bodi I, Mikala G, Koch SE, Akhter SA, Schwartz A. The L-type calcium channel in the heart: the beat goes on. J Clin Invest, 115, 2005, s. 3306-17. 10. Bouchard RA, Clark RB, Giles WR. Effects of action potential duration on excitation-contraction coupling in rat ventricular myocytes. Action potential voltage-clamp measurements. Circ Res, 76, 1995, s. 790-801. 11. Bowditch HP. Über die Eigenthümlichkeiten der Reizbarkeit, welche die Muskelfasem des Herzens zeigen. Bericht der Sächsischen Gesellschaft (Akademie) Wissenschaften zu Leipzig, 23, 1871, s. 652-689. 12. Brady AJ. Mechanical properties of isolated cardiac myocytes. Physiol Rev, 71, 1991, s. 413-438.
32
13. Brain SD, Grant AD. Vascular actions of calcitonin gene-related peptide and adrenomedullin. Physiol Rev, 84, 2004, s. 903-934. 14. Bravený P, Penka M, Špinar J, Štejfa M. Kardiovaskulární regulace In: Štejfa M. Kardiologie. Praha: Grada Publishing a.s., 2007; 35-58. 15. Brodde OE, Lee MM, Leineweber K, Seyfarth T. Presence, distribution and physiological function of adrenergic and muscarinic receptor subtypes in the human heart. Basic Res Cardiol, 96, 2001, s. 528-538. 16. Burnstock G. The changing face of autonomic neurotransmission. Acta Physiol Scand, 126, 1986a, s. 67-91. 17. Burnstock G. The non-adrenergic non-cholinergic nervous system. Archives internationales pharmacodynamie et de thérapie, 280, 1986b, s. 1-15. 18. Burnstock G. Cotransmission. Curr Opin Pharmacol, 4, 2004, s. 47-52. 19. Cooper MW. Postextrasystolic potentiation. Do we really know what it means and how to use it? Circulation, 88, 1993, s. 2962-2971. 20. Endoh M. Force-frequency relationship in intact mammalian ventricular myocardium: physiological and pathophysiological relevance. Eur J Pharmacol, 500, 2004, s. 73-86. 21. Fabiato A, Fabiato F. Contractions induced by a calcium-triggered release of calcium from the sarcoplasmic reticulum of single skinned cardiac cells. J Physiol, 249, 1975, s. 469-495. 22. Fill M, Copello JA. Ryanodine receptor calcium release channels. Physiol Rev, 82, 2002, s. 893-922. 23. Fried G, Lagercrantz H, Klein R, Thureson-Klein Å. Large and small noradrenergic vesicles – origin, contents, and functional significance. In: Usdin E. Catecholamines: Basic and Peripheral Mechanisms. New York: Alan R. Liss, Inc., 1984; 45-53. 24. Fried G. Synaptic vesicles and release of transmitters: new insights at the molecular level. Acta Physiol Scand, 154, 1995, s. 1-15. 25. Fu LW, Longhurts JC. Regulation of cardiac afferent excitability in ischemia. Handb Exp Pharmacol, 194, 2009, s. 185-225.
Československá fyziologie 63/2014 č. 1
26. Fukuda N, Terui T, Ohtsuki I, Ishiwata S, Kurihara S. Titin and troponin: Central players in the Frank-Starling mechanism of the heart. Curr Cardiol Rev, 5, 2009, s. 119-124. 27. Ganten D, Paul M, Lang RE. The role of neuropeptides in cardiovascular regulation. Cardiovasc Drugs Ther, 5, 1991, s. 119-130. 28. Henning RJ, Sawmiller DR. Vasoactive intestinal peptide: cardiovascular effects. Cardiovasc Res, 49, 2001, s. 27-37. 29. Hill JA. Electrical remodeling in cardiac hypertrophy. Trends Cardiovasc Med, 13, 2003, s. 316–322. 30. Ieda M, Fukuda K. Cardiac innervation and sudden cardiac death. Curr Cardiol Rev, 5, 2009, s. 289-295. 31. Ito H, Bell D, Tamamori M, Nozato T, Shimojo T, Adachi S, Abe S, Marumo F, Hiroe M. Calcitonin gene-related peptide (CGRP) and hypertrophy of cardiomyocytes. Heart Vessels, 12, 1997, s. 15-17. 32. Katz AM. Signal transduction and regulation. In: Physiology of the Heart. Philadeplhia: Lippincott Williams and Wilkins, 5. vydání, 2011; 177-293. 33. Konhilas JP, Irwing TC, de Tombe PP. Frank-Starling law of the heart and the cellular mechanism of length-dependent actiovation. Pflügers Arch, 445, 2002, s. 305-310. 34. Kuncová J, Slavíková J, Reischig J. Distribution of vasoactive intestinal polypeptide in the rat heart: effect of guanethidine and capsaicin. Ann Anat, 185, 2003, s. 153-161. 35. Lai FA, Meissner G. The muscle ryanodine receptor and its intrinsic Ca2+ channel activity. J Bioenerg Biomembr, 21, 1989, s. 227-246. 36. Lakatta EG, Henderson AH. Starling‘s Law reactivated. J Mol Cell Cardiol, 9, 1977, s. 347-351 37. Langendorff O. Untersuchungen am Überlebenden Säugethierherzen. III. Abhandlung, Vorübergehende Unregelmässigkeiten des Hetzschlages und ihre Ausgleichung. Pflügers Archiv für die gesamte Physiologie, 70, 1898, s. 473-486. 38. Levy MN, Martin PJ. Autonomic neural control of cardiac function. In: Sperelakis N. Physiology and Pathophysiology of the Heart. Norwell: Kluwer Academic Publishers, 2. vydání, 1995; 413-430. 39. Loewi O. Über humorale Übertragbarkeit des Herznervenwirkung. Pflügers Arch: European journal of physiology, 1921, s. 239-242. 40. Longhurst JC. Cardiac receptors: their function in health and disease. Prog Cardiovasc Dis, 27, 1984, s. 201-222. 41. Lukyanenko V, Györke I, Györke S. Regulation of calcium release by calcium inside the sarcoplasmic reticulum in ventricular myocytes. Pflügers Arch, 432, 1996, s. 1047-1054.
Československá fyziologie 63/2014 č. 1
42. Lundberg JM, Terenius L, Hökfelt T, Martling CR, Tatemoto K, Mutt V, Polak J, Bloom S, Goldstein M. Neuropeptide Y (NPY)-like immunoreactivity in peripheral noradrenergic neurons and effects of NPY on sympathetic function. Acta Physiol Scand, 116, 1982, s. 477-480. 43. Lundberg JM. Pharmacology of cotransmission in the autonomic nervous system: Integrative aspects on amines, neuropeptides, adenosine triphosphatase, amino acids and nitric oxide. Pharmacol Rev, 48, 1996, s. 113-178. 44. MacLennan DH, Abu-Abed M, Chulhee K. Structure-function relationship in Ca2+ cycling proteins. J Mol Cell Cardiol, 34, 2002, s. 897918. 45. Maestrini D. L’ influenza del pesosulla corrente d’azione e sul lavoro meccanico del muscolo cardiaco, Archivio di Farmacologia e Scienze Affini, 1915. 46. Ono K, Iijima T. Cardiac T-type Ca(2+) channels in the heart. J Mol Cell Cardiol, 48, 2010, s. 65-70. 47. Paton DH, Boscan P, Pickering AE, Nalivaiko E. The yin and yang of cardiac autonomic control: vago-sympathetic interactions revisited. Brain Res Brain Res Rev, 49, 2005, s. 555-565. 48. Protas L, Qu J, Robinson RB. Neuropeptide Y: Neurotransmitter or trophic factor in the heart? News Physiol Sci, 18, 2003, s. 181-185. 49. Sarnoff SJ, Mitchell JH. The regulation of the performance of the heart. Am J Med, 30, 1961, s. 747-771. 50. Shannon TR, Ginsburg KS, Bers DM. Potentiation of fractional SR Ca release by total and free intra-SR Ca concentration. Biophys J, 78, 2000, s. 334-343. 51. Schram G, Pourrier M, Melnyk P, Nattel S. Differential distribution of cardiac ion channel expression as a basis for regional specialization in electrical function. Circ Res, 90, 2002, s. 939-950. 52. Starling EH. The Linacre Lectures on the Law of the Heart. Londýn: Longmans, Green & Co., 1918. 53. Strand FL. General characteristics of neuropeptides. In: Neuropeptides – regulators of physiological processes. Massachusetts: Institute of Technology, 1. vydání, 1999; 3-140. 54. Štengl M, Pučelík P. Na+/Ca2+ exchange: structure, mechanism, regulation and function. Cesk Fysiol, 49, 2000, s. 73-90. 55. Wharton J, Gulbenkian S. Peptides in the mammalian cardiovascular system. Experientia, 43, 1987, s. 821-832. 56. Wier WG, Balke CW. Ca2+ release mechanism, Ca2+ sparks, and local control of excitation-contraction coupling in normal heart muscle. Circ Res, 85, 1999, s. 770-776.
33
