Внутрисердечные регуляторные механизмы

Внутриклеточный уровень регуляции. Миокард состоит из кардиомиоцитов, которые соединяются между собой вставочными дисками. В каждой клетке действуют механизмы синтеза белков, обеспечивающих сохранение ее структуры и функций. Синтез белков происходит дифференцированно благодаря существованию специальных ауторегуляторных механизмов. Процесс этот осуществляется кардиомиоцитами во взаимодействии с клетками соединительной ткани.

Особенность кардиомиоцитов заключается в цикличности их обменных процессов, связанных с ритмом сердечной деятельности. Наиболее быстрый распад богатых энергией фосфорных соединений - АТФ и гликогена - происходит в момент систолы и соответствует комплексу QRS электрокардиограммы. Ресинтез и восстановление уровня этих веществ успевает полностью осуществиться за время диастолы. Поэтому в чрезвычайных условиях при усиленной работе сердца одним из компенсаторных механизмов, адаптирующих деятельность сердца к воздействиям, является удлинение фазы диастолы.

Кардиомиоциты способны избирательно адсорбировать из циркулирующей крови и накапливать в цитоплазме вещества, поддерживающие и регулирующие их биоэнергетику, а также соединения, повышающие потребность клеток в кислороде. Последнее имеет большое приспособительное значение, т.к. эти влияния посредством гомеометрического механизма регуляции сократительной силы сердца вызывают увеличение силы его сокращений. Так, возникающая благодаря внутриклеточным механизмам адсорбция из крови катехоламинов (адреналина, норадреналина) обеспечивает усиление сердечного кровообращения, что сопровождается более сильным растяжением клеток миокарда во время диастолы. Следовательно, чем больше крови притекло к сердцу, тем сильнее оно растянуто во время диастолы и тем интенсивнее его сокращение. Этот механизм лежит в основе закона Франка-Старлинга.

Известно, что обязательным условием нормальной работы сердца является равенство притока крови к сердцу по венам и ее выброса в артерии. Это равновесие обеспечивается, в основном механизмами, которые обусловлены свойствами самой сердечной мышцы. Проявление этих механизмов называют миогенной ауторегуляцией насосной функции сердца. Различают два вида миогенной ауторегуляции: гетерометрическую регуляцию, которая осуществляется в ответ на изменение притока крови к сердцу, и гомеометрическую регуляцию, проявляющуюся в случае изменения давления в аорте при постоянном кровенаполнении камер сердца.

Гетерометрическая регуляция. Зависимость силы сокращений сердца от степени растяжения его камер кровью была изучена в работах О.Франка (1895) на лягушках и, более подробно, в опытах Е.Старлинга (1912-1914) на теплокровных. Проводя исследования на сердечно-легочном препарате с регулируемой величиной притока крови к сердцу, Е.Старлинг с сотрудниками установили, что сила каждого сердечного сокращения тем больше, чем больше конечно-диастолический объем камер сердца. В результате было сформулировано правило, вошедшее в историю физиологии как закон Франка - Старлинга, или “закон сердца”: “Сила сокращений желудочков сердца, измеренная любым способом, является функцией длины мышечных волокон перед сокращением”. Позднее была установлена его ультраструктурная основа, заключающаяся в том, что количество актомиозиновых мостиков является максимальным при растяжении каждого саркомера до 2,2 мкм; гетерометрическую регуляцию - зависимость силы сокращения сердца от степени предварительного растяжения - можно наблюдать как на целом сердце, так и на полосках миокарда или отдельных волокнах. Увеличение силы сокращения при растяжении волокон миокарда не сопровождается увеличением длительности сокращения, поэтому указанный эффект одновременно означает увеличение скорости нарастания напряжения и давления в камерах сердца во время систолы.

Гетерометрический механизм регуляции характеризуется очень высокой чувствительностью. Его можно наблюдать при введении в магистральные вены всего 1-2% от общего объема циркулирующей крови, тогда как рефлекторные механизмы регуляции сердца реализуются при внутривенном введении не менее 5-10% общего объема циркулирующей крови.

Изменения инотропного состояния сердца, обусловленные механизмом Франка-Старлинга, могут проявляться при различных физиологических состояниях. Так, например, они играют ведущую роль в изменении сердечной деятельности при физических нагрузках, когда сокращения скелетных мышц приводят к сжатию магистральных вен конечностей и увеличению венозного притока к сердцу и в результате - к мобилизации резерва депонированной крови. Уменьшение силы сердечных сокращений по указанному механизму играет существенную роль в реакции сердца и изменении системного кровообращения в ответ на переход тела в вертикальное положение (ортостатическая проба). Кроме того, указанный механизм имеет большое значение для согласования изменений сердечного выброса и притока крови по венам малого круга, что предотвращает опасность развития отека легких. Гетерометрическая регуляция может обеспечить и компенсацию циркуляторной недостаточности при пороках сердца. Таким образом, этот механизм является важнейшим в ауторегуляции деятельности сердца.

Гомеометрическая регуляция. Термином “гомеометрическая регуляция” обозначают, по крайней мере, два самостоятельных миогенных механизма, для реализации которых не имеет значения степень конечно-диастолического растяжения волокон миокарда. Наиболее важным из них является зависимость силы сокращения сердца от давления в аорте (эффект Анрепа). В 1912 г отечественный физиолог Г.В.Анреп, работавший в лаборатории Е.Старлинга, на сердечно-легочном препарате показал, что при увеличении давления “на выходе” из сердца сила сердечных сокращений возрастает, что позволяет сердцу преодолевать дополнительное сопротивление и поддерживать неизменным сердечный выброс.

Первое объяснение эффекта Анрепа, данное Е.Старлингом, заключалось в следующем: повышение давления в аорте сначала приводит к увеличению конечно-систолического объема. Поскольку венозный возврат остается постоянным, то кровенаполнение сердца к концу последующей диастолы (конечно-диастолический объем) также увеличивается. Следовательно, по механизму Франка-Старлинга возрастает сила сердечных сокращений, ударный объем сердца и сердечный выброс. Другое возможное объяснение эффекта Анрепа заключается в том, что повышение давления в аорте приводит к увеличению коронарного кровообращения и улучшению метаболизма миокарда, что обеспечивает преодоление повышенной постнагрузки. Возможно также, что этот эффект обусловлен (или существенно усиливается) за счет рефлекторной дилятации коронарных сосудов. В то же время имеются данные исследований, в которых эффект Анрепа наблюдался и при неизменном коронарном кровообращении.

Подробно механизм гомеометрической регуляции был изучен в исследованиях американского физиолога С.Сарнова в 50-е годы XX века. В его лаборатории были получены кривые изменения работы сердца в ответ на стимуляцию симпатических нервов в условиях постоянного конечно-диастолического объема левого желудочка и частоты его сокращений. Оказалось, что в этом случае работа сердца значительно возрастала, т.е. положительный инотропный эффект симпатических нервов на сердце проявлялся без изменения длины волокон миокарда. С.Сарнов предложил для этого явления термин “гомеометррическая регуляция”, тогда как механизм Старлинга он назвал “гетерометрической регуляцией” сердца. Кроме того, для разграничения изменений силы сердечных сокращений в ответ на изменение исходной длины волокон миокарда и при неизменной длине миокардиальных волокон (как в случае стимуляции симпатических нервов сердца) С.Сарнов предложил термин “сократимость миокарда”, отражающий, как уже говорилось, внутренние свойства самого сердца.

Разновидностью гомеометрической регуляции следует, по-видимому, считать и так называемые хроноинотропные эффекты сердца в ответ на электрическую стимуляцию в эксперименте, которые представляют собой зависимость силы сокращения сердца от частоты импульсов (“лестница Боудича”, постэкстрасистолическая потенциация и др). В зависимости от условий лабораторного эксперимента повышение силы сердечных сокращений при постоянной длине волокон может наблюдаться как при увеличении, так и при снижении частоты электрической стимуляции сердца. Механизм этих эффектов не ясен, хотя считается, что в их основе лежат процессы перераспределения ионов кальция по разные стороны плазматической мембраны и в мембранных органоидах цитоплазмы кардиомиоцитов.

Внутрисердечные периферические рефлексы. Более высокий уровень внутриорганной регуляции деятельности сердца представлен внутрисердечными нервными механизмами. Обнаружено, что в сердце возникают так называемые периферические рефлексы, дуга которых замыкается не в ЦНС, а в интрамуральных ганглиях миокарда. После гомотрансплантации сердца теплокровных животных и дегенерации всех нервных элементов экстракардиального происхождения в сердце сохраняется и функционирует внутриорганная нервная система, организованная по рефлекторному типу. Эта система включает афферентные нейроны, дендриты которых образуют рецепторы растяжения на волокнах миокарда и венечных (коронарных) сосудах, вставочные и эфферентные нейроны. Аксоны последних иннервируют миокард и гладкие мышцы коронарных сосудов. Указанные нейроны соединяются между собой синаптическими связями, образуя внутрисердечные рефлекторные дуги.

В экспериментах показано, что увеличение растяжения миокарда правого предсердия (в естественных условиях оно возникает при увеличении притока крови к сердцу) приводит к усилению сокращений миокарда левого желудочка. Таким образом, усиливаются сокращения не только того отдела сердца, миокард которого непосредственно растягивается притекающей кровью, но и других отделов, чтобы “освободить место” притекающей крови и усилить выброс ее в артериальную систему. Доказано, что эти реакции осуществляются с помощью внутрисердечных периферических рефлексов.

Подобные реакции наблюдаются лишь на фоне низкого исходного кровенаполнения сердца и незначительной величины давления крови в устье аорты и коронарных сосудах. Если камеры сердца переполнены кровью и давление в устье аорты и коронарных сосудах высокое, то растяжение венозных приемников в сердце угнетает сократительную активность миокарда, в аорту выбрасывается меньшее количество крови, а приток крови из вен затрудняется. Подобные реакции играют важную роль в регуляции кровообращения, обеспечивая стабильность кровенаполнения артериальной системы.

Гетерометрический и гомеометрический механизмы регуляции силы сокращения миокарда могут привести лишь к резкому увеличению сердечного сокращения в случае внезапного повышения притока крови из вен или повышения артериального давления. Казалось бы, что при этом артериальная система не защищена от губительных для нее внезапных мощных ударов крови. В действительности же таких ударов не происходит благодаря защитной роли, осуществляемой рефлексами внутрисердечной нервной системы. Переполнение камер сердца притекающей кровью (равно как и значительное повышение давления крови в устье аорты, коронарных сосудов) вызывает снижение силы сокращений миокарда посредством внутрисердечных периферических рефлексов. Сердце при этом выбрасывает в артерии в момент систолы меньшее, чем в норме, количество содержащейся в желудочках крови. Задержка даже небольшого дополнительного объема крови в камерах сердца повышает диастолическое давление в его полостях, что вызывает снижение притока венозной крови к сердцу. Излишний объем крови, который при внезапном выбросе его в артерии мог бы вызвать пагубные последствия, задерживается в венозной системе.

Опасность для организма представляло бы и уменьшение сердечного выброса, что могло бы вызвать критическое падение артериального давления. Такую опасность также предупреждают регуляторные реакции внутрисердечной системы. Недостаточное наполнение кровью камер сердца и коронарного русла вызывает усиление сокращений миокарда посредством внутрисердечных рефлексов. При этом желудочки в момент систолы выбрасывают в аорту большее, чем в норме, количество крови, что способствует усилению притока венозной крови к сердцу. Показано, что у людей с пересаженным и лишенным нормальной иннервации сердцем величина сердечного выброса соответствует нижней границе нормы в покое с возможностью удвоения при мышечной работе. При этом в условиях физических нагрузок отмечено увеличение ударного объема крови более чем на 40%. В результате совокупности миогенных и гуморальных механизмов регуляции такого сердца обеспечивается двукратное увеличение его минутного объема. У собак после денервации сердца минутный объем кровообращения практически не выходит за рамки нормы, а его изменения при физической нагрузке и гипоксии не имеют количественных отличий от нормальных, однако происходят относительно медленно. Реакции, приводящие к быстрым изменениям работы сердца, реализуются, как правило, при обязательном участии нейрогенных механизмов регуляции сердца.

В естественных условиях внутрисердечная нервная система не является автономной. Она лишь низшее звено сложной иерархии нервных механизмов, регулирующих деятельность сердца. Следующим, более высоким звеном этой иерархии являются сигналы, поступающие по блуждающим и симпатическим нервам, осуществляющие процессы экстракардиальной нервной регуляции сердца.