2013年初級藥士生理學(xué)輔導(dǎo)：心臟泵功能的調(diào)節(jié)

　　機(jī)體在長期進(jìn)化的過程中， 發(fā)生和發(fā)展了一套逐步完善的循環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使循環(huán)功能適應(yīng)于不同生理情況下新陳代謝的需要。這種調(diào)節(jié)是在復(fù)雜的神經(jīng)和體液機(jī)制參與下，通過對心臟和血管活動的綜合調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的(整體調(diào)節(jié)機(jī)制將后述)。本節(jié)主要從心臟本身來闡述控制心輸出量的因素的作用機(jī)制。

　　心輸出量取決于心率和搏出量，機(jī)體通過對心率和搏出量兩方面的調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)心輸出量。

　　(一)搏出量的調(diào)節(jié)

　　心室肌的收縮是面臨著動脈壓(后負(fù)荷)的阻擋進(jìn)行的。等容收縮相內(nèi)，心室肌收縮首先引起室內(nèi)壓升高，只有當(dāng)室內(nèi)壓升高到超過動脈壓時，心肌纖維才能縮短，心室容積才能縮小，血液才能射出。由此可見，在心率恒定情況下，心室每次收縮的射血量取決于心肌纖維縮短的程度和速度，這決定了心肌收縮產(chǎn)生張力(表現(xiàn)為心室內(nèi)血液的壓力)的程度和速度。凡是能影響心肌收縮強(qiáng)度和速度的因素都能影響搏出量，而搏出量的調(diào)節(jié)正是通過改變心肌收縮的強(qiáng)度和速度來實(shí)現(xiàn)的。

　　1.心肌收縮的“全或無”現(xiàn)象心肌細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞一樣，收縮反應(yīng)是由肌膜的興奮通過興奮～收縮耦聯(lián)觸發(fā)引起的;但是，從整塊肌肉來看，在骨骼肌，一個細(xì)胞產(chǎn)生的興奮不能擴(kuò)布到另一個細(xì)胞，只有在支配一個肌細(xì)胞有神經(jīng)纖維發(fā)放神經(jīng)波動時，才會出現(xiàn)收縮效應(yīng);若發(fā)放沖動的神經(jīng)纖維數(shù)目增加，可以引起更多的肌細(xì)胞興奮和收縮，整塊肌肉的收縮增強(qiáng)。因此，如果骨骼肌作單收縮，其收縮強(qiáng)度的改變可以來自兩個方面，一是由于單個肌細(xì)胞收縮強(qiáng)度的改變，另一原因是參與收縮活動的肌細(xì)胞數(shù)目發(fā)生變化。心肌則不同，相鄰的心肌細(xì)胞是由閏盤的特殊結(jié)構(gòu)和特性，興奮可以通過它由一個心肌細(xì)胞傳播到另一個心肌細(xì)胞。因此，整個心室(或整個心房)可以看成是一個功能上互相聯(lián)系的合胞體，產(chǎn)生于心室某一處的興奮可以在心肌細(xì)胞之間迅速傳遞，引起組成心室的所有心肌細(xì)胞幾乎同步收縮。從參與活動的肌細(xì)胞數(shù)目上看，心肌的收縮是“全或無”的。這就是說，心肌據(jù)要么不產(chǎn)生，一旦產(chǎn)生則全部心肌細(xì)胞都參與收縮。由此可見，心肌收縮的強(qiáng)度，不象骨骼肌那樣可以因參加活動的細(xì)胞數(shù)目的不同而改變;各個心肌細(xì)胞收縮強(qiáng)度的變化是整塊心肌收縮強(qiáng)度發(fā)生的唯一原因。所以搏出量的調(diào)節(jié)可以從單個心肌細(xì)胞收縮功能調(diào)控的角度來探討。

　　2.搏出量的調(diào)節(jié)搏出量和搏功的調(diào)節(jié)，是心臟生理中最基本最重要地課題之一，從世紀(jì)末、本世紀(jì)初以來，眾多學(xué)者對此進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。50年代中期，Sarnoff對這些研究資料進(jìn)行詳細(xì)分析之后，將搏出量和搏功的調(diào)節(jié)歸納為：①由初長度改變引起的異長調(diào)節(jié)，以及②由心肌收縮能力改變引起的等長調(diào)節(jié)等方式。

　　(1)異長調(diào)節(jié)：前已述，控制骨骼股收縮強(qiáng)度和速度的一個重要因素就是肌肉本身的初長度，而初長度是被動地由該肌肉收縮前所隨的負(fù)荷(前負(fù)荷)所決定的。前負(fù)荷和初長度對肌肉收縮強(qiáng)度和作功能力的影響是雙相的，構(gòu)成的長度～張力曲線類似拋物線，在前負(fù)荷和初長度達(dá)最適水平之前，肌肉收縮強(qiáng)度和作功能力隨前負(fù)荷～初長度的增加而增加;超過最適水平，收縮效果將隨前負(fù)荷～初長度的繼續(xù)增加而降低。

　　在心肌，初長度同樣是控制收縮功能最重要的因素，不過，初長度和收縮功能的關(guān)系具有某些特殊性。為了分析前負(fù)荷和初長度對心臟泵血功能的影響，可以在實(shí)驗(yàn)中逐步改變心室舒張末期壓力(亦稱充盈壓)和容積(相當(dāng)于前負(fù)荷或初長)，并測量射血心室的搏功或等容心室的室內(nèi)峰壓，將一系列搏功或室內(nèi)峰壓數(shù)據(jù)對應(yīng)心室舒張末期壓力和容積，繪制成坐標(biāo)圖，即為心室功能曲線。心室功能曲線大致可分為三段：①充盈壓1.6～2kPa(12～15mmHg)是人體心室最適前負(fù)荷,位于其左側(cè)的一段為功能曲線升支,它與骨骼肌長度～長力曲張升支段相似;均表明當(dāng)前負(fù)荷～初長度未達(dá)最適水平之前，搏功或等容峰壓隨初長度的增加而增加，通常情況下，左室充壓約0.7～0.8kPa(5～6mmHg),可見正常心室是在功能曲線的升支段工作,前負(fù)荷～初長度尚遠(yuǎn)離其適水平.這一特征表明心室具有較大程度的初長度貯備,心室通過前負(fù)荷～初長度的增加即異長調(diào)節(jié)機(jī)制使泵血功能增強(qiáng)的容許范圍是很寬的.而體內(nèi)骨骼肌的自然長度已經(jīng)接近最適長度,前負(fù)荷～初長度貯備很小,通過初長度調(diào)節(jié)其收縮功能的范圍也很小;②充盈壓2～2.7kPa(15～20mmHg)范圍內(nèi),曲線逐漸平坦,說明前負(fù)荷在上限范圍內(nèi)變動時對泵血功能的影響不大;③隨后的曲線呈平坦?fàn)�，或輕度下傾，并不出現(xiàn)明顯的降支，這一點(diǎn)明顯不同于骨骼，說明正常心室充壓即使超過2.7kPa(20mmHg)，搏功不變或僅輕度減少，只有在民生嚴(yán)重病理變化的心室，功能曲線才出現(xiàn)降支。

　　在一組心肌肌小節(jié)標(biāo)本上的研究表明，在心室最適前負(fù)荷和最適初長度時，肌小節(jié)初長度為2.0～2.2μm，這正是肌小節(jié)的最適初長度，粗細(xì)肌絲處于最佳重疊狀態(tài)。這種情況下，肌小節(jié)等長收縮產(chǎn)生的張力最大。達(dá)最適水平之前，隨著前負(fù)荷和肌小的初長度的增加，粗細(xì)肌絲有效地重疊的程度增加，激活時可能形成的橫橋聯(lián)接的數(shù)目相應(yīng)增加，肌小節(jié)以至整個心室的收縮強(qiáng)度增加，搏出量和搏功增加。由此可見，心室功能曲線的升支正是肌小節(jié)初長度～主動張力關(guān)系的升支在整個心室功能上的一種反映。在搏出量的這種調(diào)節(jié)機(jī)制中，引起調(diào)節(jié)的因素是心肌細(xì)胞本身初長度的改變，其效應(yīng)是心肌細(xì)胞收縮強(qiáng)度的改變，因些將這種形式的調(diào)節(jié)稱為異長調(diào)節(jié)。

　　為什么骨骼肌的長度～張力曲線出現(xiàn)降支，而正常心室的功能曲綞不再現(xiàn)降支?已知，一個具有彈性的物質(zhì)受到外力作用時，一方面可被拉長，隨之產(chǎn)生彈性張力，與此同時，這一個彈性張力又具有阻止它本身被進(jìn)一步拉長的作用。當(dāng)骨骼肌處于最適長度即肌小節(jié)初長度為2.0～2.2μm的狀態(tài)下，所產(chǎn)生的靜息張力較小，繼續(xù)增加前負(fù)荷，肌細(xì)胞可被進(jìn)一步延伸，肌小節(jié)初長度可大大超過2.2μm，肌絲重疊程度明顯減小，收縮能力因此下降。但是，由于心肌細(xì)胞外間內(nèi)含有大量勁度較大的膠原纖維，因而心肌的伸展性較小，處于最適初長度時，產(chǎn)生的靜息張力已經(jīng)很大，從而阻止心肌細(xì)胞繼續(xù)被拉長。實(shí)驗(yàn)證明，即使在前負(fù)荷很大的情況下，心肌肌小節(jié)初長度一般也不會超過2.25～2.30μm。心肌細(xì)胞這種抵抗過度延伸的特性，對心臟泵血功能具有重要生理意義，它使心臟不致于被在前負(fù)荷明顯增加時，引起搏出師長作功能力的下降。心室功能曲線不再現(xiàn)降支，并不是心肌初長度超過最適水平之后心肌的收縮功能依然不受影響，而只是在這種情況下初長度不再與前負(fù)荷呈平行關(guān)系。而在慢性過度擴(kuò)張的病理心臟上觀察到的功能曲線降支，是由于室壁心肌發(fā)生了組織學(xué)改變，心室容積擴(kuò)大，心肌細(xì)胞收縮功能又嚴(yán)重?fù)p傷的緣故。

　　既然前負(fù)荷～初長度是調(diào)節(jié)搏出量的主要因素，那么在體情況下有哪些因素可以影響心室的前負(fù)荷和初長度?在心室其它條件(主要是心室肌的順應(yīng)性)不變的情況下，心室前負(fù)荷～舒張末期壓是由心室舒張末期充盈的血液量來決定的，充盈量大，舒張末期容積也較大�？梢栽O(shè)想，凡是影響心室充盈量的因素，都能夠通過異長調(diào)節(jié)機(jī)制來使搏出量發(fā)生改變。

　　心室充盈的血量，是靜脈回心血量和心室射血剩余血量兩者的總和。靜脈回心血量又受下述因素的影響：①心室舒張充盈期持續(xù)時間。例如，心率增快時，充盈期縮短，心室充盈不完全，充盈壓降低，搏出量減少;②靜脈回流速度。在充盈期持續(xù)時間不變的情況下，靜脈內(nèi)血液通過驚訝進(jìn)入心室的速度愈快，充盈量愈大，搏出量相應(yīng)增加。靜脈加流速度取決于外周靜脈壓與心房壓和心室壓之差。外周靜脈增高(如循環(huán)血量增加、外周靜脈管壁張力增高等情況下)和(或)心房心室壓力降低時，可促進(jìn)靜脈回流。心臟每次射血之后的剩余血液量，也影響心室的充盈量，但是，這種影響是多方面的;如果靜脈回心血量不變，心室剩余血量的增加將導(dǎo)致部充盈量增加，充盈壓增高，搏出量隨之增加;但另一方面，當(dāng)心室剩余血量增加時，心室舒張期內(nèi)室壓增高，靜脈回心血量將因此減少，總充盈量不一定增加�？傊�，在心室射血功能不為的情況下，心室剩余血量的增減對搏出量是否有影響以及發(fā)生何種影響，取決于心室總充盈量是否改變以及發(fā)生何種改變。

　　早在1914～1918年，生理學(xué)家Starling在哺乳動物身上就觀察到肌纖維初長度對心臟的功能的影響，因此異長調(diào)節(jié)也稱為Starling機(jī)制，心室功能曲線也可稱為Starling曲線。通常，心室射血量與靜脈回心血量相平衡，從而維持心室舒張末期壓力和容積于正常范圍，如果因某種原因造成靜脈回心血量超過射血量，則充盈壓將增高，通過Starling機(jī)制增加搏出量使之與回流量重新達(dá)到平衡，否則舒張末期壓力和容積將持續(xù)增高而得不到糾正。但Starling機(jī)制的主要作用是對搏出量進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)體位改變以及當(dāng)左右心室搏出量不平衡等情況下所出現(xiàn)的充盈量的微小變化，是通過異長調(diào)節(jié)機(jī)制來改變搏出量使之與充盈量達(dá)到平衡的;而對于持續(xù)的、劇烈的循環(huán)功能變化，例如體力勞動時搏出量持久且大幅度的增高，主要靠心肌收縮能力的變化來調(diào)節(jié)，這時異長調(diào)節(jié)機(jī)制的作用不大。

　　(2)等長調(diào)節(jié)：人們進(jìn)行強(qiáng)體力勞動時，搏出量和搏功可成倍增加，而此時心臟舒張末期容積不一定增大，甚至有所減小;相反，心力衰竭病人，心臟容積擴(kuò)大而其作功能力反而降低。由此推測，對于心臟的泵血功能，除異長調(diào)節(jié)處，還有另一種與心肌初長度無關(guān)的調(diào)節(jié)機(jī)制存在。精確的實(shí)驗(yàn)研究表明，將離體心有保持在最適長度情況下，支甲腎上腺素促使心肌等長收縮產(chǎn)生的最大張力和張力上升速率都增加，等張收縮的幅度增大，縮短速度加快，將一系列等長收縮或等張收縮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成長度～張力曲線和張力～速度曲張，可以看到，在去甲腎上腺素作用下，長度～張力曲線升支向左上方移位，張力～速度曲張向右上方移位。這些結(jié)果表明，處于任何一種初長度下(不只是最適初長度)的心肌，在有去甲腎上腺素的情況下，等長收縮產(chǎn)生的張力都比沒有去甲腎上腺素時為高;后一結(jié)果表明，任何一種后負(fù)荷情況下，受去甲腎腺素作用的心肌等張收縮的縮短速度增快。完整心室的結(jié)果類似：給予去甲腎上腺素后，心肺功能曲線左上移位，表明有同一前負(fù)荷～舒末容積條件下，等容心室的峰壓增高，射血心室容積縮小程度增加;室內(nèi)壓上升速率和射血期容積縮小的速度也能增加。其結(jié)果，搏出量和搏功增加，心臟泵血功能明顯加強(qiáng)。另一些因素，如乙酰膽堿，則引起相反效應(yīng)。很明顯，上述干預(yù)因素引起心肌收縮功能和心臟泵血功能改變的原因并不是初長度的變化，而是通過心肌另一種功能變數(shù)起作用的。這種功能變數(shù)稱之為心肌收縮能力(myocardial contractility)。心肌收縮能力一般地定義為：心肌不依賴于負(fù)荷而改變其力學(xué)活動(包括收縮活動的強(qiáng)度和速度)的一種內(nèi)在特性，因此，心肌收縮能力又稱為心肌變力狀態(tài)(inotropic state)。在某些因素作用下，心肌收縮能力發(fā)生改變，從而影響心肌細(xì)胞學(xué)活動的強(qiáng)度和速度，使心臟搏出量和搏功相應(yīng)發(fā)生改變。心臟泵血功能的這種調(diào)節(jié)是通過收縮能力這個與初長度無關(guān)的、心肌內(nèi)在功能變數(shù)的改變而實(shí)現(xiàn)的，故稱等長調(diào)節(jié)。

　　心肌收縮能力受多種因素的影響，興奮～收縮耦聯(lián)過程中各個環(huán)節(jié)(參看第二章)都能影響收縮能力，其中活化橫橋數(shù)和肌凝蛋白的ATP酶活性是控制收縮能力的主要因素，已知，粗肌絲上的橫橋，只有與細(xì)肌絲的肌纖蛋白結(jié)合形成橫橋聯(lián)接并活化，才能導(dǎo)致肌絲滑行并產(chǎn)生力。在一定初長度的條件下，粗細(xì)肌絲的重疊區(qū)提供了可以形成橫橋聯(lián)接的最大橫橋數(shù)，然而不是所有橫橋都會形成活化橫橋。海參化橫橋數(shù)與最大橫橋數(shù)的比例，取決于興奮后胞漿Ca2+濃度的升高程度和肌鈣蛋白對Ca2+的親和力;凡能增加興奮后胞漿Ca2+濃度(或)肌鈣蛋白Ca2+親和力的因素，均可增加活化橫橋的比例，導(dǎo)致收縮能力的增強(qiáng)。例如兒茶酚胺增加收縮能力的原因之一，就是它通過激活β～腎上腺素能受體，增加胞漿cANP濃度，使肌膜Ca2+通道和肌漿網(wǎng)Ca2+的通道的開放程度增加，導(dǎo)致心肌興奮后胞漿Ca2+濃度升高程度增加。一些鈣增敏劑，如茶堿，可以增加肌鈣蛋白對Ca2+的親和力使肌鈣蛋白結(jié)合形成活化橫橋，肌凝蛋白的ATP酶就被激活，它分解ATP以提供肌絲滑行的能量。甲狀腺激素和體育鍛煉能提高肌凝蛋白ATP酶活性，促進(jìn)心肌收縮能力增強(qiáng);相反，老年人的心臟和甲狀腺功能減退患者的心臟，心肌肌凝蛋白分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其ATP酶的活性較低，收縮能力減弱。

　　心肌收縮能力的評定：

　　泵血功能反映的是心室前負(fù)荷的后負(fù)荷(見后文)、心肌收縮能力及及心率等變數(shù)的綜合效果，而心肌收縮能力直接反映心肌本身的功能狀態(tài)，收縮能力的改變具有極其重要的生理和病理意義。因此，理論研究和臨床實(shí)踐中都需要對收縮能力進(jìn)行定量測量和評定，以了解收縮能力的水平和變化。由于收縮能力并不是某種可測量的單一變數(shù)，因此，對收縮能力的具體度量是比較困難的。衡量泵血功能的指標(biāo)(如搏出量、搏功等)受前、后負(fù)荷影響，并不能直接反映收縮能力的水平，只有根據(jù)心肌長度～張力曲線或心室功能曲線的移位來判斷收縮能力的變化(左上移位提示收縮能力增強(qiáng)，右下移位表明收縮能力低下，圖4～4)。但這種評定方法具有操作繁雜、敏感性較低的缺點(diǎn)。目前，常用的方法是采用一系列速度指標(biāo)來定量評定收縮能力。在離體心肌，最常采用的是張力變化速率(Dt/dt)和長度變化速率(Dl/dt);對完整心室，常采用的指標(biāo)有：等容相室內(nèi)壓變化速率(Dp/dt)、射血相心室容積變化速率(dV/dt)或心室直徑變化速率(dD/dt)等，以及心肌纖維收縮成分的縮短程度(VCE)等。這些速度指標(biāo)受負(fù)荷改變的影響較小，對收縮能力的變化比較敏感，為國內(nèi)外心臟學(xué)研究工作者廣泛采用。

　　(3)后負(fù)荷對搏出量的影響：已知，離體肌肉的后負(fù)荷對收縮過程產(chǎn)生一定的影響，對心室而言，動脈壓起著后負(fù)荷的作用，因此，動脈壓的變化將影響心室肌的收縮過程，影響搏出量。在心率、心肌初長度和收縮能力不變的情況下，如果動脈壓增高，等容收縮相室內(nèi)壓峰值必然也增高，從而使等容收縮相延長而射血相縮短，同時，射血相心室肌纖維縮短的程度和速度均減小，射血速度減慢，搏出量因此減少。應(yīng)該看到，后負(fù)荷對心肌收縮活動的上述影響，是一種單純機(jī)械效應(yīng)，并不是某種功能調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)的結(jié)果。從心肌收縮釋放的能量的分配比例上，可以很容易理解這個問題。當(dāng)心肌收縮能力不變時，收縮釋放的能量是恒定的。如果室內(nèi)壓力升高，表示心肌產(chǎn)生張力消耗的能量相對增加，用于心肌纖維縮短將相對減少;如果肌肉作等長收縮，釋放的能量幾乎全部用于產(chǎn)生張力。另一方面，也應(yīng)該看到，由于動脈壓影響了搏出量，又常常繼發(fā)地引起一些調(diào)節(jié)機(jī)制的活動。如上述，動脈壓的突然升高首先導(dǎo)致搏出量減少，結(jié)果造成心室內(nèi)剩余血量增加，充盈量增加，后者又再引起異長調(diào)節(jié)機(jī)制的調(diào)節(jié)，搏出量可以恢復(fù)正常水平，即通過異長調(diào)節(jié)可以使動脈壓增高所招致的搏出量減少的現(xiàn)象得到糾正。但是，既然通過異長調(diào)節(jié)，搏出量已經(jīng)恢復(fù)原有水平，那么，心室的充盈一不是將同時恢復(fù)原水平，異長調(diào)節(jié)的作用被取消，搏出量不是又因高動脈壓狀態(tài)的存在而減少了嗎?這就是說，搏出量是否會出現(xiàn)時而降低、時而恢復(fù)的現(xiàn)象?許多實(shí)驗(yàn)都證明，隨著搏出題的恢復(fù)，心室舒張末期容積確實(shí)也恢復(fù)到原水平，但此時，搏出量仍然維持高水平，并不出現(xiàn)再次減少的現(xiàn)象。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，后一情況的出現(xiàn)乃是心肌收縮能力增強(qiáng)所致。盡管此時產(chǎn)生的張力隨負(fù)荷的增加而有所增加，但縮短的程度不但可以不降低，反而可能增加。至于這種情況下心肌收縮能力為什么增強(qiáng)，原因尚不十分清楚，可能是神經(jīng)機(jī)液機(jī)制調(diào)節(jié)的結(jié)果。

　　綜上所述，心室后負(fù)荷的本身直接著搏出量，隨后通過異長和等長調(diào)節(jié)機(jī)制，使前負(fù)荷和心肌收縮能力與后負(fù)荷相匹配，從而使機(jī)體得在在動脈壓增高的情況下，能夠維持適當(dāng)?shù)男妮敵隽俊＿@種情況對于機(jī)體是有重要生理意義的。但也應(yīng)看到，此時搏出量的維持，是心肌加強(qiáng)收縮的結(jié)果，如果動脈壓持續(xù)增高，心室肌將因處于收縮強(qiáng)狀太而逐漸肥厚，即發(fā)生了病理性改變，隨后將導(dǎo)致泵血功能減退。