การหดตัวของหัวใจและการทำงานของกล้ามเนื้อหัวใจ

การหดตัวของหัวใจคือความสามารถโดยธรรมชาติของกล้ามเนื้อหัวใจในการสร้างแรงและหดตัวโดยไม่ขึ้นอยู่กับสภาวะโหลด เป็นคุณสมบัติที่การเชื่อมโยงการกระตุ้น-การหดตัว (excitation–contraction coupling) แปลงไปเป็นการเต้นของหัวใจ และเป็นปัจจัยร่วมกับพรีโหลด (preload) และอาฟเตอร์โหลด (afterload) ในการกำหนดปริมาตรเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อครั้ง (stroke volume) การแยกแยะสภาวะการหดตัวที่แท้จริงจากการทำงานที่ขึ้นอยู่กับโหลดเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจทั้งการทำงานปกติของกล้ามเนื้อหัวใจและความบกพร่องในภาวะเจ็บป่วย

Definition

การหดตัว (inotropy) คือองค์ประกอบของการทำงานของกล้ามเนื้อหัวใจที่ไม่ขึ้นกับโหลด ซึ่งเป็นความสามารถโดยธรรมชาติของกล้ามเนื้อหัวใจในการสร้างแรงและหดตัวที่ความยาวเส้นใยและโหลดที่กำหนด โดยมีการนำไปใช้ในทางปฏิบัติด้วยดัชนีต่างๆ เช่น ความชันของความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตรช่วงสิ้นสุดการบีบตัว (end-systolic pressure–volume relationship)

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมพื้นฐานระดับเซลล์ของการหดตัวผ่านการเชื่อมโยงการกระตุ้น-การหดตัวและการหมุนเวียนของแคลเซียม การอธิบายการหดตัวที่ไม่ขึ้นกับโหลด (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง end-systolic elastance) พลังงานของหัวใจที่หล่อเลี้ยงการสร้างแรง และแนวคิดของอินโนโทรปี (inotropy) เนื้อหานี้เป็นข้อมูลอ้างอิงและหัวข้อการศึกษา ไม่ได้ให้ข้อมูลการให้ยาหรือการจัดการเฉพาะบุคคล

Core questions

• การเชื่อมโยงการกระตุ้น-การหดตัวเปลี่ยนการลดขั้วของเยื่อหุ้มเซลล์ไปเป็นแรงได้อย่างไร?
• จะแยกการหดตัวออกจากผลกระทบของพรีโหลดและอาฟเตอร์โหลดได้อย่างไร?
• กระบวนการจัดการแคลเซียมและพลังงานใดที่กำหนดและจำกัดกำลังสำรองในการหดตัว?
• การทำงานของการหดตัวเสื่อมลงอย่างไรในการปรับโครงสร้างและการล้มเหลว?

Key concepts

• อินโนโทรปี (Inotropy)
• การปล่อยแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม (Calcium-induced calcium release)
• โทรโปนินและการหมุนเวียนสะพานเชื่อม (Troponin and cross-bridge cycling)
• SERCA และการดูดซึมแคลเซียมกลับ (SERCA and calcium reuptake)
• ความยืดหยุ่นช่วงสิ้นสุดการบีบตัว (End-systolic elastance (Ees))
• ความสัมพันธ์ระหว่างแรงกับความถี่ (Force–frequency relationship)
• กำลังสำรองในการหดตัว (Contractile reserve)

Key theories

การเชื่อมโยงการกระตุ้น-การหดตัว (Excitation–contraction coupling)

การปล่อยแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม: การเข้าสู่เซลล์ของแคลเซียมผ่านช่อง L-type ในซาร์โคเลมมาจะกระตุ้นการปล่อยแคลเซียมปริมาณมากจากซาร์โคพลาสมิกเรติคูลัมผ่านตัวรับไรยาโนดีน ทำให้แคลเซียมในไซโตซอลเพิ่มขึ้น ซึ่งจะจับกับโทรโปนิน ซี และอนุญาตให้สะพานเชื่อมหมุนเวียนได้ การดูดซึมกลับโดย SERCA และการขับออกโดยตัวแลกเปลี่ยนโซเดียม-แคลเซียมจะยุติการหดตัว

ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตรช่วงสิ้นสุดการบีบตัว (elastance) (End-systolic pressure–volume relationship (elastance))

ความชัน (Ees) ของเส้นที่เชื่อมจุดความดัน-ปริมาตรช่วงสิ้นสุดการบีบตัวภายใต้โหลดที่แตกต่างกัน ให้ดัชนีของสภาวะการหดตัวที่ไม่ขึ้นกับโหลด ซึ่งเป็นการกำหนดการหดตัวอย่างเป็นทางการว่าเป็นความยืดหยุ่นของโพรงหัวใจ

Mechanisms

ศักย์ไฟฟ้ากระตุ้น (action potential) จะเปิดช่องแคลเซียมชนิด L-type ทำให้แคลเซียมเข้าสู่เซลล์ ซึ่งกระตุ้นการปล่อยแคลเซียมปริมาณมากจากซาร์โคพลาสมิกเรติคูลัม (sarcoplasmic reticulum) ผ่านตัวรับไรยาโนดีน (ryanodine receptors) การเพิ่มขึ้นของแคลเซียมในไซโตซอลที่เกิดขึ้นจะจับกับโทรโปนิน ซี (troponin C) ทำให้ทรอโปไมโอซิน (tropomyosin) เคลื่อนที่ออกไป และอนุญาตให้สะพานเชื่อมแอคติน-ไมโอซิน (actin–myosin cross-bridges) หมุนเวียนและสร้างแรงได้ การคลายตัวจะตามมาเมื่อ SERCA ปั๊มแคลเซียมกลับเข้าสู่ซาร์โคพลาสมิกเรติคูลัม และตัวแลกเปลี่ยนโซเดียม-แคลเซียม (sodium–calcium exchanger) ขับแคลเซียมที่เหลือออกไป การกระตุ้นระบบประสาทซิมพาเทติกจะเพิ่มการหดตัวโดยการฟอสโฟรีเลทโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการจัดการแคลเซียมเหล่านี้ การทำงานของการหดตัวต้องใช้พลังงานสูง โดยขึ้นอยู่กับการจัดหา ATP อย่างต่อเนื่องจากการเผาผลาญแบบใช้ออกซิเจน และความผิดปกติของการหมุนเวียนแคลเซียมหรือเมแทบอลิซึมของสารตั้งต้นจะลดการสร้างแรงและลดกำลังสำรองในการหดตัวในกล้ามเนื้อหัวใจที่ป่วย

Clinical relevance

การหดตัวเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจความแข็งแรงในการสูบฉีดของหัวใจในสถานการณ์รอบการผ่าตัดและภาวะวิกฤต ซึ่งการอธิบายที่ไม่ขึ้นกับโหลดช่วยแยกแยะโพรงหัวใจที่อ่อนแออย่างแท้จริงออกจากโพรงหัวใจที่เผชิญกับอาฟเตอร์โหลดสูง เนื้อหานี้อธิบายหลักการทางสรีรวิทยาที่เกี่ยวข้องกับการตีความการทำงานของกล้ามเนื้อหัวใจ และไม่ใช่แหล่งข้อมูลสำหรับคำแนะนำการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

คำอธิบายเชิงกลไกในที่นี้อ้างอิงจากงานวิจัยเชิงทดลองและบทความทบทวนเกี่ยวกับการจัดการแคลเซียมและพลังงานของหัวใจ มากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก เนื้อหาในระดับแนวทางปฏิบัติสามารถพบได้ในหัวข้อภาวะหัวใจล้มเหลวและลิ้นหัวใจที่สร้างขึ้นจากหลักการเหล่านี้

History

การศึกษาเชิงปริมาณของการหดตัวมีความก้าวหน้าผ่านกลศาสตร์ของกล้ามเนื้อในศตวรรษที่ 20 และการพัฒนาแบบจำลองความยืดหยุ่นที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาของโพรงหัวใจโดย Suga และ Sagawa ในขณะที่ภาพรวมระดับโมเลกุลของการปล่อยแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียมและการควบคุมได้รับการรวบรวมในทศวรรษต่อมาและสังเคราะห์ในบทความทบทวนที่มีอิทธิพลของ Bers

Key figures

• Donald Bers
• Hiroyuki Suga
• Kiichi Sagawa
• Arnold Katz

Seminal works

• bers-2002
• katz-2010

Frequently asked questions

การหดตัวแตกต่างจากปริมาตรเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาที (cardiac output) อย่างไร?

การหดตัวคือความสามารถโดยธรรมชาติของกล้ามเนื้อในการสร้างแรงโดยไม่ขึ้นกับโหลด ในขณะที่ปริมาตรเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาทีเป็นผลรวมของการหดตัวร่วมกับพรีโหลด อาฟเตอร์โหลด และอัตราการเต้นของหัวใจ

แคลเซียมมีบทบาทอย่างไรในการหดตัว?

แคลเซียมเป็นตัวกระตุ้นและควบคุมการหดตัว: การปล่อยแคลเซียมจากซาร์โคพลาสมิกเรติคูลัมช่วยให้เกิดการสร้างสะพานเชื่อม และการดูดซึมกลับช่วยให้เกิดการคลายตัว ดังนั้นความผิดปกติในการจัดการแคลเซียมจึงส่งผลเสียโดยตรงต่อการทำงานของกล้ามเนื้อหัวใจ