1. Механизм Франка-Старлинга при линейном растяжении препаратов сердечной мышцы
2. Механизм Франка-Старлинга в изолированном сердце
3. Закон Лапласа
4. Резюме
5. Список использованной литературы

а) Механизм Франка-Старлинга при линейном растяжении препаратов сердечной мышцы. Отто Франк и Эрнест Г. Старлинг обнаружили, что сила, развиваемая сердечной мышцей, увеличивается вместе с возрастанием преднагрузки.

1. Соотношение между длиной мышцы и силой. Максимальная сила, которую может развить сердечная мышца во время ПД, зависит от ее предварительного растяжения. Эту взаимосвязь в конце XIX в. впервые подробно исследовал немец Отто Франк, а в начале XX в. — англичанин Эрнест Г. Старлинг. Механизм Франка-Старлинга можно наиболее просто продемонстрировать на примере изометрического сокращения изолированного препарата сердечной мышцы.

Чем сильнее предварительное растяжение изолированной папиллярной мышцы, тем больше развиваемая ею изометрическая сила (рис. 1) или изометрическое напряжение (сила на 1 см² поперечного сечения мышцы). Изменение длины мышцы в этом эксперименте осуществляется за счет того, что расстояние между верхней частью папиллярной мышцы и пьезоэлектрическим сенсором увеличивают с помощью микроманипулятора (рис. 1).

Вместо длины всего изолированного препарата сердечной мышцы можно с помощью микроскопа измерить и среднюю длину саркомера. Если построить зависимость максимальной изометрической силы, развивающейся при генерации ПД, от этих значений, на графике получается очень крутая кривая, достигающая своего максимума при длине саркомера в 2,2 мкм (рис. 1). Полученная красная линия соответствует рабочей области сердечной мышцы in vivo.

На рис. 1 отражена активная изометрическая сила, развиваемая при генерации ПД. Она прибавляется к пассивной силе, которая генерируется (аналогично растянутой пружине) начальным растяжением невозбужденной сердечной мышцы (пунктирная красная линия; кривая напряжения в покое).

2. Различие между сердечной и скелетной мышцами. Длина сердечной мышцы, при которой регистрируется максимально развиваемая сила, называется оптимальной длиной; она соответствует длине саркомера, равной примерно 2,2 мкм. Из-за свойств внеклеточного матрикса и цитоскелета миокарда пассивная растяжимость (комплиентность) сердечной мышцы при длине саркомера > 2,2 мкм очень низка (пунктирная красная линия).

При превышении оптимальной длины сердечная мышца повреждается (рис. 1; пунктирная нисходящая часть красной кривой линии). Механические свойства скелетной мышцы, также представленные на графике (синяя кривая), совершенно иные. Пассивная растяжимость скелетной мышцы значительно больше по сравнению с миокардом (пунктирная синяя линия), до достижения длины саркомера около 2,6 мкм скелетная мышца практически не развивает пассивной силы.

Она начинает значительно снижаться, что явно свидетельствует о длине саркомера > 3 мкм. Развиваемая скелетной мышцей активная сила, напротив, становится все меньше при начальном растяжении больше 2,2 мкм. Причина этого заключается в уменьшении перекрытия актиновых и миозиновых филаментов. Хотя сократительные белки сердечной и скелетной мышц похожи, оба типа поперечнополосатых мышц характеризуются различной зависимостью активного и пассивного развития напряжения от предварительного растяжения (рис. 1).

3. Изменение чувствительности к Са²⁺. Если построить график зависимости напряжения, развиваемого сердечной мышцей, от цитозольной концентрации Са²⁺ (в логарифмической шкале), то получится сигмовидная кривая, отражающая связывание ионов Са²⁺ с тропонином С (рис. 1). При длине саркомера 1,9 мкм необходимая для достижения полумаксимального эффекта свободная концентрация Са²⁺ составляет примерно 3,2 мкмоль (пунктирная синяя линия).

При максимальном растяжении сердечной мышцы соотношение между концентрацией Са²⁺ и силой сокращения сдвигается влево, а концентрация Са²⁺, необходимая для полумаксимальной активации, снижается примерно до 1,3 мкмоль (пунктирная красная линия). При равной концентрации Са²⁺ в цитозоле растянутая сердечная мышца развивает значительно большее напряжение (стрелка), поэтому говорят об увеличении чувствительности сократительных белков к Са²⁺.

Механизм Франка-Старлинга в основном основан на зависимом от растяжения увеличении чувствительности к Са²⁺; изменение перекрывания сократительных белков играет при этом незначительную роль. Молекулярные механизмы, лежащие в основе изменения кальциевой чувствительности, еще не вполне ясны. В скелетной мышце не наблюдается зависимое от деформации изменение чувствительности к Са²⁺.

б) Механизм Франка-Старлинга в изолированном сердце. Соотношение между начальным растяжением клеток сердечной мышцы и развиваемой изометрической силой также отражается на диаграмме давление-объем сердца.

1. Соотношение между объемом желудочков и давлением. В опытах на изолированном сердце тоже можно наблюдать функциональные последствия механизма Франка-Старлинга. Во время систолы клетки сердечной мышцы (ориентированные тангенциально к поверхности желудочков) сокращаются; это приводит к увеличению тангенциального напряжения стенок (сила на 1 см² поперечного сечения стенки) и к повышению внутрижелудочкового давления.

Если в конце диастолы желудочек наполнен, то клетки миокарда растягиваются сильнее и могут сильнее сокращаться во время систолы. Увеличение наполнения в конце диастолы ведет к повышению внутрижелудочкового давления во время следующей систолы. Соотношение между объемом и давлением в (трехмерном) сердце аналогично соотношению между длиной и силой в (одномерном) препарате сердечной мышцы.

2. Механизм Франка-Старлинга в левом желудочке. Механизм Франка-Старлинга можно продемонстрировать в экспериментах на животных путем постепенного увеличения объема левого желудочка и измерения внутрижелудочкового давления при электрической стимуляции стенки желудочка (рис. 2). Аорту изолированного сердца подсоединяют к канюле и с помощью перистальтического насоса перфузируют физиологическим солевым раствором, насыщенным кислородом.

Аортальный клапан закрывается, а кровь поступает в сосуды сердца через устья коронарных сосудов так же, как in vivo, в результате чего миокард снабжается кислородом в достаточной степени. Синусовый узел не функционирует, поэтому сердечный ритм может поддерживаться посредством внешней стимуляции с помощью платиновых электродов. В левый желудочек через предсердие вводят эластичный тонкостенный резиновый баллон, объем которого можно точно регулировать с помощью шприца.

Давление в баллоне, возникающее при сокращении сердца, измеряют с помощью пьезоэлектрического датчика. Поскольку объем желудочка при таком сокращении не изменяется, его называют изоволюметрическим.

Вследствие механизма Франка-Старлинга изоволюметрическое давление, развиваемое при электрическом раздражении стенки желудочка, тем больше, чем больше объем желудочка перед сокращением (рис. 2; синяя кривая). Соотношение между объемом левого желудочка и максимальным давлением, развиваемым при изоволюметрическом сокращении, достаточно велико при среднем наполнении и приближается к норме при сильном наполнении (т. е. при сильном предварительном растяжении клеток сердечной мышцы).

Механизм Франка-Старлинга действует в обоих желудочках. Он обусловливает форму кривой сердечной функции и косвенно способствует тому, что МОС в большом и малом круге кровообращения одинаков. Если для малого круга кровообращения временно требуется немного большее количество крови, то конечное диастолическое давление, и конечное диастолическое наполнение, и, следовательно, объем левого желудочка увеличиваются. Таким образом насосная функция обоих желудочков снова выравнивается.

в) Закон Лапласа. Напряжение стенки, необходимое для достижения определенного давления в желудочке, зависит от объема наполнения.

Закон Лапласа описывает взаимосвязь между внутренним давлением, радиусом и напряжением стенок сферы. Он применим только к шарам, толщина стенок которых (d, см) по сравнению с радиусом (r, см) ничтожно мала. Лаплас обнаружил (рис. 3), что когезионная сила шара (тангенциальное напряжение стенок K, Н * см-²) должна быть такой же, как и взрывная сила, которая заставляет два полушария разделиться (внутреннее давление Р, единица H * см²).

Разрывное усилие составляет P х r² х п (где r² х п — поперечное сечение полушария); когезионная сила может быть аппроксимирована выражением K х 2r х п х d, если толщина стенок очень мала (2r х п х d, что примерно соответствует площади поперечного сечения стенки сердца). Если уравнять обе силы, то зависимость для Р выражается уравнением:

Р = K • (2d/r).

Закон Лапласа гласит, что при удвоении радиуса (r) для развития равного давления (Р) мышечная ткань сердца должна развивать в два раза большее напряжение (K). Итак, если сердце наполнено очень сильно (а клетки миокарда растянуты), то последние должны развить намного большую силу, чтобы достичь внутрижелудочкового давления, необходимого для выброса крови в аорту.

Закон Лапласа представляет лишь достаточно грубое приближение зависимости давления и напряжения стенок в настоящем сердце; во-первых, оба желудочка не являются шарами идеальной формы (левый желудочек скорее имеет форму эллипса); во-вторых, стенка достаточно толстая по сравнению с радиусом, и, в-третьих, клетки сердечной мышцы расположены не по кругу, а скорее по спирали. Тем не менее закон помогает нам лучше понять некоторые физиологические основы функционирования сердца.

Он объясняет, например, почему во время фазы изгнания внутрижелудочковое давление повышается (рис. 3; синяя кривая), в то время как тангенциальное напряжение стенок уменьшается (рис. 3; красная кривая). Причиной изменения давления является уменьшение радиуса (рис. 3). Толщина стенки также увеличивается во время фазы изгнания (рис. 3; красная кривая), что приводит к увеличению площади поперечного сечения, и, следовательно, к дальнейшему снижению напряжения стенок.

Таким образом, за счет закона Лапласа облегчается выброс крови во время систолы.

1. Взаимосвязь закона Лапласа и механизма Франка-Старлинга. Важнейшим выводом, который мы делаем из применения закона Лапласа к работе сердца, является то, что при усиленном наполнении желудочка необходимо большее напряжение стенок, чтобы выработать равное систолическое давление.

Следовало бы ожидать, что при усиленном наполнении желудочек будет развивать значительно меньшее давление, чем при более слабом наполнении, если бы не механизм Франка-Старлинга, благодаря которому компенсируется потенциально фатальное последствие закона Лапласа и каждая отдельная клетка миокарда развивает большую силу при более сильном растяжении.

2. Дилатационная кардиомиопатия. Закон Лапласа демонстрирует фатальные последствия распространенного заболевания сердца — дилатационной кардиомиопатии. При этом заболевании увеличивается радиус сердца при сохраняющейся или даже уменьшающейся толщине стенок, т. е. соотношение между толщиной стенки d и радиусом r уменьшается. Увеличение радиуса сердца в этом случае может лишь частично компенсироваться механизмом Франка-Старлинга.

При дилатационной кардиомиопатии сердце в результате сильного увеличения диаметра желудочков больше неспособно развивать напряжение стенок, необходимое для изгнания достаточного количества крови. Вследствие этого насосная функция ослабляется, и развивается сердечная недостаточность.

P.S. Дилатационная кардиомиопатия:

- Определение. Дилатационной кардиомиопатией (ДКМ) называют нарушение сократимости, затрагивающее в основном левый желудочек и сопровождающееся увеличением объема сердца без утолщения сердечной стенки.

- Причины и патогенез. Считается, что в 25-50% случаев причина возникновения ДКМ обусловлена наследственными факторами, однако в большинстве случаев дефектные гены еще не известны (идиопатическая ДКМ).

В некоторых семьях пациентов с ДКМ недавно были обнаружены точечные мутации в гене тропонина С, которые сопровождаются сниженной чувствительностью комплекса тропонина к кальцию, т. е. в присутствии свободных ионов кальция внутри клетки сократительные белки развивают меньшее усилие. Это приводит к тому, что во время систолы левый желудочек работает хуже, увеличиваются как конечный систолический, так и конечный диастолический объем.

Предполагается, что хроническое растяжение левого желудочка приводит к ремоделированию кардиомиоцитов и соединительной ткани сердца, что, в конце концов, проявляется в расширении сердца (дилатации). Усиливающееся расширение приводит к тому, что ослабляется насосная функция и, наконец, либо еще в детстве, либо уже у взрослых пациентов с описанной мутацией, развиваются симптомы сердечной недостаточности.

Возникновение ДКМ может быть обусловлено мутациями других экспрессируемых в сердце генов, при вирусном миокардите или в результате длительной перегрузки левого желудочка, например при гипертонии, при дефектах сердечного клапана или при коронарной болезни сердца.

- Диагностика. Диагноз ДКМ часто ставят на основании результатов эхокардиографии и последующего катетерного исследования сердца, а также магнитно-резонансной томографии.

- Терапия. ДКМ служит достаточно частой причиной смерти. Методы каузального лечения до сих пор неизвестны.

г) Резюме. Механизм Франка-Старлинга и закон Лапласа. В соответствии с механизмом Франка-Старлинга максимальная сила, которую может развить изолированная сердечная мышца (например, тонкая папиллярная мышца) во время генерации ПД, зависит от ее предварительного растяжения. Чем сильнее растянута мышца, тем больше изометрическая сила. Механизм Франка-Старлинга основан на зависимом от растяжения повышении чувствительности сократительных белков к ионам кальция.

В эксперименте на изолированном препарате сердца животного механизм Франка-Старлинга проявляется в повышении изоволюметрического давления при увеличении наполнения желудочков.

Закон Лапласа описывает взаимосвязь между внутренним давлением шара и напряжением его стенок: Р = K * (2d/r), где Р — внутрижелудочковое давление (Н/см²), K — тангенциальное напряжение; d — толщина стенки сердца (см), а r — радиус левого желудочка (см). В соответствии с законом Лапласа при удвоении радиуса миокард должен развивать в два раза большее напряжение стенок, чтобы достичь равного давления.

- Рекомендуем ознакомиться далее "Диаграмма работы сердца - с точки зрения физиологии человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 3.6.2025