การหดตัวของกล้ามเนื้อหัวใจ

การหดตัวของกล้ามเนื้อหัวใจเป็นกระบวนการที่การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าของเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ (cardiac myocyte) ถูกเปลี่ยนเป็นแรงกล คลื่นของการลดขั้ว (depolarisation) กระตุ้นให้เกิดการเพิ่มขึ้นของแคลเซียมภายในเซลล์ แคลเซียมจะจับกับโปรตีนที่หดตัวได้ และซาร์โคเมียร์จะสั้นลง ซึ่งเป็นเหตุการณ์ระดับโมเลกุลที่เรียกว่าการเชื่อมโยงการกระตุ้น-การหดตัว (excitation-contraction coupling) ที่ทำให้เกิดการเต้นของหัวใจแต่ละครั้งในที่สุด

Definition

การหดตัวของกล้ามเนื้อหัวใจคือการสั้นลงของซาร์โคเมียร์ในเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจที่ขึ้นกับแคลเซียม เพื่อตอบสนองต่อการลดขั้วของเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเป็นกลไกที่หัวใจสร้างแรงและสูบฉีดเลือดออกไป

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพื้นฐานระดับเซลล์และโมเลกุลของการหดตัวของกล้ามเนื้อหัวใจ: ศักย์ไฟฟ้ากิจกรรม (action potential), การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม (calcium-induced calcium release), วัฏจักรสะพานเชื่อม (cross-bridge cycle) ในซาร์โคเมียร์, และปัจจัยกำหนดแรงที่เกิดขึ้น โดยจะกล่าวถึงการหดตัวในระดับของเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจและซาร์โคเมียร์ ส่วนประสิทธิภาพของห้องหัวใจทั้งหมดจะครอบคลุมภายใต้หัวข้อการทำงานของหัวใจห้องล่าง (ventricular function) และปริมาณเลือดที่หัวใจสูบฉีดออก (cardiac output)

Core questions

• การลดขั้วของเยื่อหุ้มเซลล์นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของแคลเซียมภายในเซลล์ได้อย่างไร?
• การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียมคืออะไรและเกิดขึ้นที่ใด?
• การจับของแคลเซียมกับโทรโปนินช่วยให้เกิดวัฏจักรสะพานเชื่อมได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวกำหนดแรงและความเร็วของการหดตัวแต่ละครั้ง?
• กล้ามเนื้อคลายตัวและแคลเซียมกลับคืนสู่สภาพเดิมระหว่างการเต้นของหัวใจได้อย่างไร?

Key concepts

• ศักย์ไฟฟ้ากิจกรรมของหัวใจ
• การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม
• ร่างแหซาร์โคพลาซึมและตัวรับไรยาโนดีน
• การควบคุมโดยโทรโปนิน-โทรโปไมโอซิน
• วัฏจักรสะพานเชื่อม
• ลูซิโทรปี (การคลายตัว) และการดูดซึมแคลเซียมกลับโดย SERCA

Key theories

ทฤษฎีเส้นใยเลื่อนและสะพานเชื่อม

กล้ามเนื้อสั้นลงไม่ได้เกิดจากการหดตัวของเส้นใยเอง แต่เกิดจากการที่เส้นใยแอคตินและไมโอซินเลื่อนผ่านกันในขณะที่หัวไมโอซินสร้าง ดึง และปล่อยสะพานเชื่อมในวัฏจักรที่ควบคุมด้วยแคลเซียม

การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม

การไหลเข้าของแคลเซียมเพียงเล็กน้อยผ่านช่อง L-type ในระหว่างศักย์ไฟฟ้ากิจกรรมจะกระตุ้นให้เกิดการหลั่งแคลเซียมจำนวนมากจากร่างแหซาร์โคพลาซึมผ่านตัวรับไรยาโนดีน ซึ่งเป็นการขยายสัญญาณที่กระตุ้นเส้นใยกล้ามเนื้อ

Mechanisms

เมื่อศักย์ไฟฟ้ากิจกรรมทำให้เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจลดขั้ว ช่องแคลเซียมชนิด L-type ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า (voltage-gated L-type calcium channels) ในเยื่อหุ้มเซลล์และ T-tubules จะเปิดออกและปล่อยให้กระแสแคลเซียมกระตุ้นไหลเข้ามา ตามที่ Bers อธิบายไว้ แคลเซียมกระตุ้นนี้จะเปิดตัวรับไรยาโนดีน (ryanodine receptors) บนร่างแหซาร์โคพลาซึม (sarcoplasmic reticulum) ทำให้เกิดการหลั่งแคลเซียมปริมาณมาก (การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม) แคลเซียมจะจับกับโทรโปนิน ซี (troponin C) ทำให้โทรโปไมโอซิน (tropomyosin) เคลื่อนออกจากตำแหน่งจับของแอคติน (actin binding sites) เพื่อให้สะพานเชื่อมไมโอซิน (myosin cross-bridges) สามารถหมุนเวียนและซาร์โคเมียร์สั้นลง ตามหลักการของเส้นใยเลื่อน (sliding-filament) ที่ Huxley อธิบายไว้ การคลายตัวจะเกิดขึ้นเมื่อแคลเซียมถูกปั๊มกลับเข้าไปในร่างแหซาร์โคพลาซึมโดย SERCA และถูกขับออกโดยตัวแลกเปลี่ยนโซเดียม-แคลเซียม (sodium-calcium exchanger) ทำให้เส้นใยสามารถแยกตัวออกจากกันได้

Clinical relevance

ความเข้าใจเกี่ยวกับการเชื่อมโยงการกระตุ้น-การหดตัวช่วยให้เข้าใจว่าความสามารถในการหดตัวสามารถเพิ่มขึ้นหรือบกพร่องได้อย่างไร และเป็นพื้นฐานของแนวคิดเรื่องอินโนโทรปี (inotropy) ในภาวะหัวใจล้มเหลวและในเภสัชวิทยา เนื้อหานี้เป็นข้อมูลทางการศึกษาเกี่ยวกับกลไกของเซลล์ปกติ และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาของแต่ละบุคคล

Evidence & guidelines

คำอธิบายเชิงกลไกนี้อ้างอิงจากบทความทบทวนที่เชื่อถือได้ของ Bers เกี่ยวกับการเชื่อมโยงการกระตุ้น-การหดตัวของหัวใจ งานพื้นฐานของ Huxley เกี่ยวกับกลไกการหดตัว และตำราสรีรวิทยามาตรฐาน สิ่งเหล่านี้เป็นแหล่งข้อมูลพื้นฐานและบทความทบทวนมากกว่าหลักฐานเชิงการแทรกแซง

History

การตระหนักว่าแคลเซียมมีความสำคัญต่อการเต้นของหัวใจมีมาตั้งแต่การทดลองของ Sidney Ringer ในศตวรรษที่สิบเก้า และแนวคิดเรื่องเส้นใยเลื่อนและสะพานเชื่อมเกิดขึ้นจากงานของ Andrew และ Hugh Huxley ในทศวรรษ 1950 กลไกเฉพาะของการหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียมและการรวมเข้ากับแบบจำลองที่สอดคล้องกันของการเชื่อมโยงการกระตุ้น-การหดตัวของหัวใจได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นในทศวรรษต่อมา โดย Bers ได้ให้คำอธิบายที่ได้รับการอ้างอิงอย่างกว้างขวาง

Key figures

• Andrew Huxley
• Hugh Huxley
• Donald Bers
• Sidney Ringer

Seminal works

• huxley-1957
• bers-2002
• sarnoff-1955

Frequently asked questions

การเชื่อมโยงการกระตุ้น-การหดตัวคืออะไร?

เป็นลำดับเหตุการณ์ที่เชื่อมโยงศักย์ไฟฟ้ากิจกรรมของเซลล์หัวใจกับการหดตัวทางกล: การลดขั้วทำให้แคลเซียมกระตุ้นไหลเข้ามา ซึ่งจะปล่อยแคลเซียมเพิ่มเติมจากแหล่งเก็บภายใน และแคลเซียมนั้นจะกระตุ้นโปรตีนที่หดตัวได้

ทำไมแคลเซียมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการหดตัวของหัวใจ?

แคลเซียมเป็นสวิตช์ที่เปิดการหดตัว หากไม่มีการเพิ่มขึ้นของแคลเซียมภายในเซลล์ สารเชิงซ้อนโทรโปนิน-โทรโปไมโอซินจะขัดขวางการทำงานร่วมกันของแอคติน-ไมโอซิน ดังนั้นกล้ามเนื้อจึงไม่สามารถสร้างแรงได้ ปริมาณแคลเซียมที่หลั่งออกมาส่วนใหญ่เป็นตัวกำหนดความแข็งแรงของการเต้นของหัวใจแต่ละครั้ง