Kuten muualla on kuvattu, sydämen teho kasvaa tai vähenee vasteena sykkeen tai aivohalvauksen voimakkuuden muutoksiin. Esimerkiksi henkilön noustessa ylöspäin sydämen teho laskee, koska laskimopaineen lasku johtaa aivohalvauksen vähenemiseen. Toisena esimerkkinä raajan liike (lihaspumppu) liikunnan aikana parantaa laskimoiden paluuta sydämeen, mikä lisää aivohalvauksen määrää. Mitkä ovat mekanismit, joilla laskimopalautuksen muutokset muuttavat aivohalvauksen määrää?
Laskimon paluu ja aivohalvaus
1800-luvun lopulla Otto Frank havaitsi eristettyjä sammakosydämiä käyttäen, että kammion supistumisen vahvuus kasvoi, kun kammio venytettiin ennen supistumista. Tätä havaintoa laajensivat Ernest Starlingin ja hänen kollegoidensa tyylikkäät tutkimukset 1900-luvun alussa. He havaitsivat, että lisääntyvä laskimopaluu sydämeen (ks. Kuva), mikä lisäsi täyttöpaineita (vasemman kammion loppudiatolinen paine; kuvassa LVEDP) kammion, johti lisääntyneeseen aivohalvaustilavuuteen (SV). Päinvastoin laskimoiden paluun lasku vähensi aivohalvausten määrää. Tämä sydämen vaste laskimopalauteen ja kammion täyttöpaineen muutoksiin on luontainen sydämelle eikä ole riippuvainen ulkoisista neurohumoraalisista mekanismeista, vaikka tällaiset mekanismit voivat muuttaa sisäistä sydämen vastetta. Näiden kahden varhaisen tienraivaajan kunniaksi sydämen kykyä muuttaa supistumisvoimaansa ja siten aivohalvauksen määrää vasteena laskimon paluun muutoksiin kutsutaan Frank-Starling-mekanismiksi (tai Starlingin sydämen lakiksi).
Ei ole yhtä Frank-Starling-käyrää, jolla kammio toimii. Sen sijaan on käyräperhe, joista kukin määritetään sydämen jälkikuormituksen ja inotrooppisen tilan avulla.
Useita käyriä esittävässä kuvassa punainen katkoviiva edustaa ”normaalia” kammion Frank-Starling-käyrää. Lisääntyvä jälkikuormitus tai vähenevä inotropia siirtää käyrän alaspäin ja oikealle. Siksi tietyssä LVEDP: ssä käyrän painaminen johtaa pienempään SV: hen. Vähentynyt jälkikuorma ja lisääntyvä inotropia siirtää käyrää ylös ja vasemmalle. Siksi tietyllä LVEDP: llä Frank-Starling-käyrän siirtäminen ylöspäin ja vasemmalle johtaa suurempaan SV: ään tietyllä LVEDP: llä inotropia ja jälkikuormitus, kammio reagoi muutoksiin laskimopalautuksessa ja kammiotäytteessä näiden olosuhteiden ainutlaatuisen käyrän perusteella. Yhteenvetona voidaan todeta, että laskimopalauteen muutokset aiheuttavat kammion liikkumisen ylös tai alas yhtä Frank-Starling-käyrää pitkin; käyrän kaltevuus määräytyy kuitenkin nykyisten jälkikuormituksen ja inotropian olosuhteiden mukaan.
Frank-Starling-käyrät osoittavat, kuinka kammion esikuormituksen muutokset johtavat muutoksiin aivohalvauksessa. Tämän tyyppinen graafinen esitys ei kuitenkaan osoita, kuinka laskimoiden paluun muutokset vaikuttavat loppudiastolisiin ja loppusystolisiin tilavuuksiin. Tätä varten on tarpeen kuvata kammiotoimintaa paine-tilavuus-kaavioiden avulla.
Kun laskimopaluu lisääntyy, kammion täyttö lisääntyy passiivisen painekäyränsä pitkin, mikä johtaa pään kasvuun -diastolinen tilavuus (katso kuva). Jos kammio supistuu nyt tällä lisääntyneellä esikuormituksella ja jälkikuormitus ja inotropia pidetään vakiona, kammio tyhjenee samaan loppusystoliseen tilavuuteen, mikä lisää sen aivohalvaustilavuutta, joka määritellään loppudiastolisena miinus loppusystolisena tilavuutena. Lisääntynyt iskutilavuus näkyy paine-tilavuus-silmukan leveyden kasvuna. Siksi normaali kammio kykenee lisäämään aivohalvaustilavuuttaan vastaamaan laskimoiden paluun fysiologista kasvua. Tämä ei kuitenkaan koske epäonnistuneita kammioita.
Mekanismit
Lisääntynyt laskimopalautus lisää kammiotäytettä (diastolinen lopputilavuus) ja siten esikuormitusta, joka on sydämen myosyyttien ensimmäinen venytys ennen supistumista. Myosyyttien venyttäminen lisää sarkomeerin pituutta, mikä lisää voiman muodostumista ja antaa sydämen poistaa ylimääräisen laskimopalautuksen ja siten lisätä aivohalvauksen määrää.
Tätä ilmiötä voidaan kuvata mekaaniset termit sydämen lihaksen pituuden ja jännityksen sekä voiman ja nopeuden suhteen perusteella. Lisääntyvä esikuormitus lisää lihaskuidun kehittämää aktiivista jännitettä ja lisää kuidun lyhenemisen nopeutta tietyllä jälkikuormituksella ja inotrooppisessa tilassa.
Yksi mekanismi selittää, kuinka esikuormitus vaikuttaa supistumisvoimaan, on se, että sarkoomin pituuden lisääminen lisää troponiinia C-kalsiumherkkyys, joka lisää sillan kiinnittymisen ja irtoamisen nopeutta ja lihaskudoksen kehittämän jännityksen määrää (katso Excitation-Contraction Coupling).Muita mekanismeja on epäilemättä mukana. Lisääntyneen sarkomeeripituuden vaikutusta supistuviin proteiineihin kutsutaan pituudesta riippuvaiseksi aktivaatioksi.
Useiden vuosikymmenien ajan Starlingin työn jälkeen opetettiin, että Frank-Starling-mekanismi johtuu päällekkäisten lukumäärien muutoksista. aktiini- ja myosiiniyksiköt sarkomeerissa kuten luurankolihaksissa. Tämän näkemyksen mukaan supistumisvoiman muutokset eivät johdu inotropian muutoksesta. Koska tiedämme nyt, että esikuormituksen muutokset liittyvät muuttuneeseen kalsiumin käsittelyyn ja troponiini C-affiniteettiin kalsiumille ei voida tehdä terävää mekaanista eroa kontraktiotoiminnossa pituudesta riippuvien muutosten (Frank-Starling-mekanismi) ja pituudesta riippumattomien muutosten (inotrooppiset mekanismit) välillä.
Tarkistettu 7.3.2015