การหดตัวและกลไกของกล้ามเนื้อหัวใจ

การหดตัวและกลไกของกล้ามเนื้อหัวใจอธิบายว่าสัญญาณไฟฟ้าของการเต้นของหัวใจแต่ละครั้งถูกเปลี่ยนเป็นแรงกลได้อย่างไร แคลเซียมที่เข้าสู่เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ (cardiomyocyte) จะกระตุ้นการหลั่งแคลเซียมเพิ่มเติมจากแหล่งเก็บภายใน ซึ่งขับเคลื่อนการเลื่อนของเส้นใยแอคตินและไมโอซิน และทำให้เกิดการหดตัวที่ขับไล่เลือดออกไป ความสัมพันธ์ระหว่างการเติมเลือด แรง และการขับไล่เลือดออกไปเป็นตัวกำหนดความแข็งแรงในการสูบฉีดของหัวใจ

Definition

การหดตัวและกลไกของกล้ามเนื้อหัวใจหมายถึงกระบวนการระดับโมเลกุลและกลไก — การเชื่อมโยงการกระตุ้นกับการหดตัว วงจรสะพานไขว้ และพฤติกรรมความดัน-ปริมาตรของวงจรการทำงานของหัวใจ — ซึ่งกล้ามเนื้อหัวใจสร้างแรงและขับไล่เลือดออกไป

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงซาร์โคเมียร์และโปรตีนที่หดตัว การเชื่อมโยงการกระตุ้นกับการหดตัวและการหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม บทบาทของร่างแหซาร์โคพลาซึม วงจรการทำงานของหัวใจพร้อมความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตร และปัจจัยกำหนดประสิทธิภาพการหดตัว เช่น พรีโหลด (preload) อาฟเตอร์โหลด (afterload) และความสามารถในการหดตัว (contractility) เป็นสรีรวิทยาเชิงพรรณนาและไม่ได้ให้คำแนะนำในการรักษา

Core questions

• ศักย์กิจกรรมถูกเปลี่ยนเป็นการหดตัวเชิงกลได้อย่างไร?
• แคลเซียมมีบทบาทอย่างไรในการกระตุ้นและคลายตัวของการเต้นของหัวใจ?
• พรีโหลด อาฟเตอร์โหลด และความสามารถในการหดตัวมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพการสูบฉีดอย่างไร?
• ระยะต่างๆ ของวงจรการทำงานของหัวใจมีความสัมพันธ์กับความดันและปริมาตรของห้องหัวใจอย่างไร?

Key concepts

• ซาร์โคเมียร์และโปรตีนที่หดตัว (แอคติน, ไมโอซิน, โทรโปนิน)
• การเชื่อมโยงการกระตุ้นกับการหดตัว
• การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียมและร่างแหซาร์โคพลาซึม
• วงจรสะพานไขว้
• พรีโหลด อาฟเตอร์โหลด และความสามารถในการหดตัว
• ความสัมพันธ์แฟรงก์-สตาร์ลิงและกราฟความดัน-ปริมาตร

Mechanisms

การลดขั้วของเยื่อหุ้มเซลล์จะเปิดช่องแคลเซียมชนิด L (L-type calcium channels); การไหลเข้าของแคลเซียมเพียงเล็กน้อยจะกระตุ้นการหลั่งแคลเซียมจำนวนมากจากร่างแหซาร์โคพลาซึมผ่านตัวรับไรยาโนดีน (ryanodine receptors) — ซึ่งเป็นการหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียม แคลเซียมจะจับกับโทรโปนิน ซี (troponin C) ทำให้แอคตินเป็นอิสระเพื่อทำปฏิกิริยากับไมโอซิน และวงจรสะพานไขว้จะทำให้ซาร์โคเมียร์สั้นลง การคลายตัวจะเกิดขึ้นเมื่อแคลเซียมถูกปั๊มกลับเข้าไปในร่างแหซาร์โคพลาซึมและถูกขับออกจากเซลล์ (Bers, 2002; Bers, 2014) ในระดับอวัยวะ การเติมเลือดในระยะคลายตัวที่มากขึ้นจะยืดกล้ามเนื้อหัวใจและเพิ่มแรงของการหดตัวครั้งต่อไป (ความสัมพันธ์แฟรงก์-สตาร์ลิง) และวงจรการทำงานของหัวใจสามารถแสดงได้ด้วยกราฟความดัน-ปริมาตร (pressure-volume loop) ซึ่งรูปร่างของกราฟสะท้อนถึงพรีโหลด อาฟเตอร์โหลด และความสามารถในการหดตัว

Clinical relevance

การวัดการทำงานของการหดตัวและกรอบแนวคิดความดัน-ปริมาตรเป็นแนวคิดอ้างอิงเบื้องหลังการประเมินประสิทธิภาพการทำงานในระยะบีบตัวและระยะคลายตัว หัวข้อนี้อธิบายกลไกปกติของการหดตัวและมีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษา ไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการบำบัดรายบุคคล

Evidence & guidelines

สรีรวิทยาของการหดตัวมีพื้นฐานมาจากการทบทวนพื้นฐานของการเชื่อมโยงการกระตุ้นกับการหดตัว (Bers, 2002; Bers, 2014) และตำราสรีรวิทยาหัวใจมาตรฐาน (Katz, 2010; Opie, 2004) หัวข้อนี้สรุปกลไกปกติและไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

แนวคิดเรื่องการเลื่อนของเส้นใยและสะพานไขว้ของการหดตัวของกล้ามเนื้อที่พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 ได้ถูกขยายไปยังกล้ามเนื้อหัวใจและเชื่อมโยงกับการจัดการแคลเซียมในทศวรรษต่อมา ความสัมพันธ์แฟรงก์-สตาร์ลิง ซึ่งอธิบายไว้ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่ 20 ยังคงเป็นรากฐานสำคัญในระดับอวัยวะที่เชื่อมโยงการเติมเลือดเข้ากับแรงที่ขับไล่ออกไป

Key figures

• Donald M. Bers
• Andrew F. Huxley
• Hugh Huxley
• Otto Frank
• Ernest Starling

Seminal works

• bers-2002
• bers-2014

Frequently asked questions

การหลั่งแคลเซียมที่ถูกกระตุ้นด้วยแคลเซียมคืออะไร?

แคลเซียมจำนวนเล็กน้อยที่เข้าสู่เซลล์ระหว่างศักย์กิจกรรมจะกระตุ้นการหลั่งแคลเซียมจำนวนมากจากร่างแหซาร์โคพลาซึม ซึ่งเป็นสิ่งที่กระตุ้นโปรตีนที่หดตัวจริงๆ

ความสัมพันธ์แฟรงก์-สตาร์ลิงคืออะไร?

ภายใต้ขีดจำกัดทางสรีรวิทยา การเติมเลือดในโพรงหัวใจที่มากขึ้นจะยืดกล้ามเนื้อหัวใจและเพิ่มแรงของการหดตัวครั้งต่อไป ดังนั้นหัวใจจึงสูบฉีดเลือดออกไปเท่ากับที่ได้รับมา