Сердца от перегрузки

Главной задачей работы сердца как насоса является обеспечение тканей кислородом в соответствии с их потребностями. При усиленной работе скелетных мышц значительное количество крови из их сосудистого ложа «выжимается» в системную циркуляцию, что ведет к увеличению венозного возврата к сердцу. При этом повышается нагрузка на сердце, поскольку ему необходимо перекачать больший объем крови. Этот вид нагрузки на сердце обозначается как «нагрузка объемом» или «преднагрузка» (нагрузка на входе). Такая нагрузка на сердце имеет место при обычной физической работе, занятиях спортом и т.п., а также может встречаться при тиреотоксикозе, артериовенозных шунтах, клапанной недостаточности. Нагрузка объемом, если она не превышает функциональных возможностей сердца, является для сердца «удобным» вариантом нагрузки, поскольку, компенсируя такую нагрузку, мышечные волокна сердца работают в гетерометрическом режиме (сокращение с укорочением), при котором достаточно экономно расходуется АТФ и нет изнашивания миокардиальных структур.

Менее удачным вариантом нагрузки на сердце является нагрузка сопротивлением, или постнагрузка (нагрузка на выходе). Такая нагрузка возникает при наличии препятствия для изгнания крови сердцем. Примерами такого вида нагрузки являются стеноз или коарктация аорты, стенозирующие пороки сердца, гипертоническая болезнь, атеросклероз магистральных сосудов, когда значительно возрастает сопротивление кровотоку и сердцу приходится значительно напрягаться для проталкивания крови. Компенсируя нагрузку сопротивлением, сердце работает в гомеометрическом режиме, когда длина мышечных волокон остается постоянной, но значительно возрастает их напряжение. На развитие напряжения тратится много энергии, быстро изнашиваются миокардиальные структуры и наступает декомпенсация.

В процессе эволюции сформировались стандартные формы адаптации сердца к нагрузке. Различают срочную и долговременную адаптацию сердца.

Срочная адаптация это приспособление сердца к однократным нагрузкам (бег, физическая работа). При усиленной работе мышц раздражаются механо-, проприо- и хеморецепторы, импульсация с рецепторов поступает через спинной мозг в ствол мозга и далее в гипоталамус, где возбуждаются высшие симпатические центры, что ведет к активации симпато-адреналовой системы (САС). Активация САС сопровождается усилением симпатических нервных влияний на сердце, реализуемых через освобождение медиатора норадреналина, а также через выброс гормона мозгового слоя надпочечников — адреналина. Катехоламины (адреналин и норадреналин), за счет стимуляции поступления Са²⁺ в кардиомиоциты извне, а также за счет его освобождения из внутриклеточных компартментов (пузырьков СПР), вызывают усиление сердечных сокращений, ведущее к повышению ударного сердечного выброса. Это первый механизм срочной адаптации. Одновременно катехоламины способствуют развитию медленной диастолической деполяризации в пейсмекерных клетках синусного узла, вызывая увеличение частоты сердечных сокращений (тахикардию) и возрастание минутного сердечного выброса. Это второй механизм срочной адаптации. Следовательно, под влиянием катехоламинов увеличивается насосная функция сердца, то есть сердце становится способным перекачать больший объем крови. Наконец, третий механизм срочной адаптации связан с включением механизма Франка-Старлинга, в основе которого лежит увеличение силы сокращений мышечных волокон при их растяжении (до 40 % исходной длины). Поскольку при мышечной работе возрастает венозный возврат к сердцу, возрастает внутриполостное давление, полости сердца и отдельные кардиомиоциты растягиваются, что создает условия для реализации механизма Франка-Старлинга.

Включением вышеперечисленных трех механизмов ограничивается адаптация сердца к однократной нагрузке. Если же на сердце действует значительная периодически повторяющаяся или постоянная нагрузка, то включаются механизмы долговременной адаптации, в основе которой лежит гипертрофия миокарда.

Гипертрофия — увеличение массы каждого мышечного волокна и всего миокарда в целом за счет усиления биосинтеза белка. Биологический смысл гипертрофии заключается в том, что за счет увеличения массы мышечных волокон миокарда прежняя нагрузка распределяется в большей массе, следовательно, на единицу массы падает меньшая нагрузка. Сердце как бы само себя разгружает.

Каковы же механизмы формирования гипертрофии? Очевидно, что гипертрофия возникает как ответная реакция органа на его гиперфункцию. При усиленной функции органа активируется работа всех его элементов (клеток, внутриклеточных органоидов). Иными словами — повышается интенсивность функционирования структур. При этом в клетке и в органе происходит накопление «метаболитов изнашивания» — группы молекул, образующихся в интенсивно работающих клетках. К метаболитам изнашивания относятся: молочная, пировиноградная кислоты, СО₂, ионы водорода, продукты распада АТФ (АДФ, АМФ, неорганический фосфат, аденозин), креатин, спермин, спермидин, оксид азота и ряд других молекул. Под влиянием метаболитов изнашивания происходит активация кислых ядерных белков, которые снимают гистонный блок с ДНК, активируя транскрипцию ряда структурных генов. Усиливается синтез иРНК, которая поступает на рибосомы и участвует в биосинтезе новых клеточных белков. Морфологическим проявлением усиления белкового синтеза является развитие гипертрофии миокарда.

Различают физиологическую и патологическую гипертрофию миокарда. Физиологическая гипертрофия возникает при действии на сердце значительных периодических нагрузок с паузами. Такая гипертрофия развивается, например, в сердце спортсмена, у которого периоды тренировок чередуются с периодами отдыха. Физиологическая гипертрофия формируется медленно, постепенно. За ростом мышечных волокон успевают расти капилляры и нервы, то есть сохраняются нормальное кровоснабжение и нервная трофика. В миокарде повышается количество митохондрий, возрастает активность ферментов дыхательной цепи и АТФазная активность головок миозина, увеличивается содержание миоглобина, повышается мощность мембранных ионных насосов, сохраняется нормальное отношение объема ядра к объему цитоплазмы (1: 5). Физиологическая гипертрофия — это сбалансированный рост кардиомиоцитов, позволяющий им эффективно справляться с возросшей нагрузкой.

В отличие от физиологической гипертрофии, патологическая гипертрофия формируется при действии на сердце постоянной большой нагрузки без пауз (например, при пороке сердца). Гипертрофия в этом случае развивается очень быстро: в течение недели масса миокарда может возрасти вдвое. За ростом мышечных волокон не успевают расти кровеносные капилляры и нервы и, следовательно, нарушается доставка кислорода к кардиомиоцитам и нервная трофика. Уменьшается количество митохондрий и других клеточных органелл, приходящихся на единицу объема клетки. Снижается мощность мембранных ионных насосов, обеспечивающих реполяризацию мембраны кардиомиоцитов и удаление из миоплазмы избытка ионов кальция. Возрастает ядерно-цитоплазматический индекс (до 1: 15), что ведет к нарушению взаимоотношений между клеточными органеллами и ядром и создает препятствия для диффузии кислорода к ядру. В целом патологическая гипертрофия — это несбалансированный рост, позволяющий, однако, сердцу на какое-то время адаптироваться к повышенной нагрузке. С течением времени патологическая гипертрофия приводит к изнашиванию миокардиальных структур. Этому способствует и возникающее при патологической гипертрофии ремоделирование миокарда, под которым понимается изменение архитектоники сердечной мышцы, вследствие нарушения пространственного соотношения между кардиомиоцитами, кровеносными и лимфатическими капиллярами, нервными волокнами и соединительнотканными элементами, приводящее к изменению геометрии камер сердца. Нарушение оптимальной структуры миокарда в конечном итоге приводит к нарушению его систолической и диастолической функции.

Стадии патологической гиперфункции сердца

Несмотря на наличие мощных и совершенных механизмов адаптации сердца к нагрузке, тем не менее, возможны ситуации, когда нагрузка, падающая на сердце, превышает его способность совершать работу. В этом случае развиваются фазные изменения его метаболизма, структуры и функции миокарда.

I стадия ­— аварийная. Клинически эта стадия соответствует острой сердечной недостаточности. У больного отмечается резкое падение кровяного давления, нитевидный пульс, холодный пот, возможна потеря сознания, то есть развиваются все клинические признаки гемодинамической катастрофы. В эту стадию в миокарде возникают очаги дистрофии и некроза, падает содержание АТФ и КрФ, повышается уровень АДФ, АМФ и аденозина. За счет повышения интенсивности функционирования структур увеличивается продукция метаболитов изнашивания и достаточно быстро формируется патологическая гипертрофия миокарда. Стимулируется анаэробный метаболизм и развивается внутриклеточный ацидоз. В части кардиомиоцитов ионы водорода вызывают блокаду активных участков в молекуле тропонина и не позволяют ионам кальция снять тропомиозиновый блок с актина. Эти мышечные волокна находятся в состоянии расслабления и не могут сокращаться при приходе ПД, то есть в миокарде возникают участки асистолии. В другой части кардиомиоцитов на первый план выходит дефицят энергии и нарушение функционирования Са-насосов, обеспечивающих расслабление кардиомиоцитов. При выраженном дефекте диастолы эти клетки могут находиться в состоянии контрактуры — стойкого сокращения без расслабления. Мозаичное распределение в миокарде участков асистолии и контрактуры ведет к уменьшению общей сократимости миокарда и, следовательно, насосной функции сердца, что ведет к снижению ударного и минутного сердечного выброса и является непосредственной причиной острой сердечной недостаточности.

В аварийную стадию летальность достигает 20 %. При достаточности компенсаторных возможностей сердечно-сосудистой системы процесс переходит во вторую фазу.

II стадия — относительной устойчивости (завершившейся патологической гипертрофии миокарда). В эту фазу в миокарде уменьшаются очаги дистрофии и некроза, восстанавливается метаболизм, нормализуется содержание макроэргов, снижается ацидоз. За счет сформировавшейся гипертрофии нагрузка распределяется в большей массе миокарда и снижается нагрузка на единицу массы. Поскольку механизмы адаптации в эту фазу работают с большим напряжением, больному противопоказаны повышенные нагрузки, что может провоцировать повторение аварийной фазы. Постепенно эта фаза переходит в третью стадию.

III стадия — прогрессирующего кардиосклероза. Сохраняющиеся в миокарде мелкие очаги дистрофии и некроза являются источниками аутоантигенов, против которых начинают вырабатываться аутоантитела и цитотоксические CD8+ Т‑ лимфоциты. Под влиянием лимфокинов и монокинов активируется пролиферация фибробластов и продукция ими коллагена. В миокарде развивается соединительная ткань, что в сочетании с повреждением кардиомиоцитов ведет к постепенному снижению сократительной способности миокарда.

Гемодинамические признаки сердечной недостаточности