ORIGINE E PROPAGAZIONE DELL IMPULSO CARDIACO

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1 ORIGINE DEL BATTITO CARDIACO E ATTIVITÀ ELETTRICA DEL CUORE PROF.SSA AUSILIA ELCE

2 Indice 1 INTRODUZIONE ORIGINE E PROPAGAZIONE DELL IMPULSO CARDIACO L ELETTROCARDIOGRAMMA BIBLIOGRAFIA di 25

3 1 Introduzione Il cuore è un organo cavo di natura fibromuscolare, che costituisce la pompa dell apparato circolatorio (fig 1). Origine del battito cardiaco e attività elettrica Introduzione Il cuore è un organo cavo di natura fibromuscolare, che costituisce la pompa dell apparato circolatorio. Figura 1 Il cuore si compone di quattro cavità: due atri, posti superiormente e due ventricoli, posti sotto gli atri. Atri e ventricoli comunicano tra loro: l atrio destro pompa sangue nel ventricolo destro, mentre l atrio sinistro pompa sangue al ventricolo sinistro. Inoltre, atrio e ventricolo destro pompano il sangue venoso (non ossigenato) verso il polmone, mentre atrio e ventricolo sinistro pompano il sangue arterioso (ossigenato) a tutti i distretti corporei (fig 2). 3 di 25

4 Origine del battito cardiaco e attività elettrica Introduzione Il cuore si compone di 4 cavità: 2 atri, posti superiormente e 2 ventricoli, posti sotto gli atri. Atri e ventricoli comunicano tra loro. Atrio e ventricolo destro pompano il sangue venoso (non ossigenato). Atrio e ventricolo sinistro pompano il sangue arterioso (ossigenato).. Figura 2 Le varie parti battono in sequenza ordinata: prima gli atri (sistole atriale), poi i ventricoli (sistole ventricolari). Durante la fase di diastole (o di rilasciamento) tutte e 4 le camere sono rilasciate. Mentre i ventricoli sono ancora rilasciati, inizia di nuovo la contrazione degli atri (sistole) (fig 3). Figura 3: sequenza delle fasi di contrazione e rilasciamento del miocardio Il battito ha origine in un punto specifico e viene trasmesso in tutte le parti del miocardio. Il sistema preposto a condurre l impulso della contrazione a tutto il miocardio è chiamato sistema di conduzione cardiaco. Questo si compone del nodo seno atriale, che 4 di 25

5 costituisce la sede d origine del battito cardiaco, dal nodo atrio ventricolare, dal fascio di His, che determina il passaggio del segnale di contrazione dagli atri ai ventricoli. Il fascio di His, nel passaggio all interno dei ventricoli si divide in branca destra e branca sinistra. Il sistema termina con le fibre di Purkinje (fig 4 e 5). Figura 4 5 di 25

6 Figura 5 Il nodo del seno ha la caratteristica di determinare una scarica a più alta frequenza, rispetto agli altri centri del sistema, la scarica si propaga successivamente lungo tutto il sistema di conduzione. Per questa sua caratteristica, il nodo del seno atriale costituisce il pacemaker del cuore, la sua frequenza di scarica determina la frequenza alla quale il cuore pulsa (fig 6). 6 di 25

7 Origine del battito cardiaco e attività elettrica Introduzione Il nodo del seno atriale costituisce il pacemaker, la sua frequenza di scarica determina la frequenza alla quale il cuore pulsa. Pacemaker = segnapassi, avviatore. Figura 6 7 di 25

8 2 Il sistema di conduzione è composto da cellule miocardiche modificate. Queste presentano un minor numero di striature rispetto alle cellule miocardiche e contorni indistinti, ma l origine di tali cellule è la stessa di quella che compone il miocardio (fig 7). Il sistema di conduzione è composto da cellule miocardiche modificate. Queste presentano un minor numero di striature rispetto alle cellule miocardiche e contorni indistinti. Figura 7 La figura 8 illustra in maniera esemplificativa l origine delle cellule che popolano il miocardio. Queste derivano da un unico precursore multipotente di origine mesodermica, che si differenzia il cellule progenitrici cardiache grazie all azione di alcuni fattori di crescita, e cellule della componente del sistema nervoso autonomo, grazie all azione di altri fattori di crescita. In risposta ad altri stimoli differenziativi, le cellule cardiache si differenziano a loro volta in cardiomiociti degli atri, cardiomiociti dei ventricoli e cardiomiociti del sistema di conduzione cardiaco. 8 di 25

9 Figura 8: Il differenziamento dei cardiomiociti, tratta dalla rivista Cardiovascular research (2011). Il nodo seno atriale e in grado minore il nodo atrio ventricolare presentano anche piccole cellule tonde, con pochi organuli, collegate da giunzioni comunicanti (gap junctions). Queste cellule sono dette cellule P e costituiscono la sede d origine del battito (fig 9). 9 di 25

10 Il nodo seno atriale e in grado minore il nodo atrio ventricolare presentano anche piccole cellule tonde, con pochi organuli, collegate da giunzioni comunicanti (gap junctions). Queste cellule sono dette cellule P e costituiscono la sede d origine del battito. Figura 9 Il sistema di conduzione cardiaco rappresenta per atri e ventricoli l unico tessuto di continuità tra queste due strutture: le fibre muscolari atriali destro e sinistro sono separate dalle relative fibre muscolari ventricolari mediante un anello di tessuto fibroso. L unico tessuto di conduzione tra atri e ventricoli destro e sinistro è il fascio di His (fig 10). 10 di 25

11 Potenziale di membr. del nodo SA (mv) Università Telematica Pegaso Figura 10 Le cellule che compongono il sistema di conduzione cardiaco sono soggette a depolarizzazioni spontanee della membrana plasmatica. Questa depolarizzazione si propaga lungo tutto il sistema fino alle fibrocellule che compongono atri e ventricoli. L attività depolarizzante dei sistema di conduzione varia in relazione alle diverse cellule che compongono il sistema. Analizziamo in dettaglio ciò che avviene in primo luogo nelle cellule del nodo seno atriale, responsabili della genesi del battito. Nelle cellule del nodo seno atriale è possibile mai riscontrare una condizione di riposo per quello che concerne il potenziale di membrana. Questo oscilla da valori che vallo da -50 mv a +20mV. La depolarizzazione della membrana è di tipo lento e generata dall ingresso di calcio nelle cellule, successivamente entra in gioco il potassio che ripolarizza la membrana fuoriuscendo dalla cellula. Al termine della ripolarizzazione, inizia un nuovo ciclo depolarizzante indotto sempre dal calcio (fig 11). Depolarizzazione lenta calcio dipendente 0 Ripolarizzazione K + -dipendente msec Non c è potenziale di riposo (prepotenziale) Figura 11 La depolarizzazione dalle cellule del nodo seno atriale si propaga alle cellule del seno atrio ventricolare. Queste possiedono a loro volta un attività di depolarizzazione peculiare, infatti come per le cellule del nodo seno atriale, non possiedono potenziale a riposo, si depolarizzano 11 di 25

12 per entrata di calcio nella cellula, subiscono una ripolarizzazione potassio dipendente e danno vita a potenziali lenti che si propagano nel sistema di conduzione. Questo centro ha il compito di coordinare il ritmo di contrazione (fig 12) msec nodo SA nodo AV Depolarizzazione simile al nodo SA Segnaritmo latente Depolarizzazione lenta, Ca +2 -dipendente Conduzione lenta (ritardo) Ripolarizzazione K + -dipendente Figura 12 A livello degli atri la depolarizzazione, determinata dall attività del sistema di conduzione si propaga ulteriormente. In questo distretto i cardiomiociti sono soggetti a depolarizzazioni differenti rispetto a quelle scaturite nel sistema di conduzione. Qui, infatti, la depolarizzazione di membrana avviene ad opera del sodio, che entra nelle cellule, grazie alla presenza in membrana di canali permeabili a questo ione e sensibili al voltaggio. L attivazione della depolarizzazione è rapida, ma il mantenimento della depolarizzazione è determinata da correnti del calcio in membrana, la ripolarizzazione è operata dalla fuoriuscita di potassio dalla cellula e gli eventi che si susseguono in membrana determinano la contrazione e il rilassamento della fibrocellula muscolare cardiaca (fig 13). 12 di 25

13 Potenziale di membr. del muscolo atriale (mv) 0-50 Potenziale di riposo (-80 /-90 mv) Attivazione rapida Na + -dipendente, Spalla generata da Ca 2+ Ripolarizzazione K + -dipendente Contrazione e conduzione 200 msec Figura 13 A livello dei ventricoli, i cardiomiociti rispondono ai potenziali d azione propagati a partire dal sistema di conduzione, attraverso eventi depolarizzanti caratteristici. In questo tipo di cellule e in quello degli atri il potenziale di membrana a riposo è circa -90/-80mV. La depolarizzazione è innescata anche in questo distretto da un massivo ingresso di ioni sodio nella cellula. La cellula permane in uno stato di depolarizzazione (contrazione) dovuto al flusso di ioni calcio, successivamente inizia la ripolarizzazione ad opera del potassio (fig 14). Le depolarizzazioni ventricolari inducono la contrazione massiva del muscolo cardiaco. 13 di 25

14 Potenziale di membr. del muscolo ventricolare (mv) msec Potenziale di riposo (-80 / -90 mv) Attivazione rapida, Na + -dipendente Plateau Ca 2+ -dipendente Ripolarizzazione K + -dipendente Contrazione Figura 14 La figura 15 schematizza il processo di depolarizzazione dei cardiomiociti ventricolari e le relative correnti ioniche responsabili delle varie fasi dell evento. Potenziale d azione nel muscolo cardiaco e andamento delle correnti ioniche. Figura di 25

15 Il lunghissimo plateau del potenziale d azione dei miociti ventricolari è funzionalmente importante per Il massivo ingresso di calcio dai canali della membrana plasmatica che determina anche la fuoriuscita calcio dal reticolo sarcoplasmatico, quindi la contrazione massiva ; la depolarizzazione prolungata rende ineccitabile la membrana plasmatica per tutta la sua durata, determinando lo stato di refrattarietà assoluta per tutta la durata della contrazione. Il cuore in questa fase non può essere ulteriormente eccitato (fig 16). Figura 16 Il cuore genera il battito, ma subisce anche le influenze del sistema nervoso autonomo. E innervato, infatti, da quest ultimo. Nello specifico, il nodo seno atriale è innervato dal nervo vago destro, mentre quello atrio ventricolare dal nervo vago sinistro, tramite l innervazione sensitiva parasimpatica. L innervazione simpatica innerva anch essa il nodo seno atriale e atrioventricolare. Le connessioni tra innervazione simpatica e parasimpatica sono molteplici e determinano effetti modulatori sull attività cardiaca. Ad esempio, l acetilcolina, tramite le fibre simpatiche, determina inibizione del rilascio di noradrenalina dalle fibre parasimpatiche, il neuropeptide Y, rilasciato dalle fibre parasimpatiche, determina inibizione del rilascio di acetilcolina sulle fibre simpatiche. 15 di 25

16 Il sistema nervoso parasimpatico, con le proprie terminazioni nervose, determina una diminuzione della frequenza cardiaca, per diminuito rilascio di acetilcolina. Il sistema nervoso simpatico o ortosimpatico, con le proprie fibre, determina un aumento della frequenza cardiaca, per aumentato rilascio di acetilcolina (fig 17). Parasimpatico diminuzione della frequenza cardiaca, per diminuito rilascio di acetilcolina. Simpatico o ortosimpatico aumento della frequenza cardiaca, per aumentato rilascio di acetilcolina. Figura 17 A livello molecolare la contrazione è determinata dall espressione in membrana, da parte delle diverse cellule, di canali selettivi per specie ioniche differenti. I canali del sodio cardiaci sono simili ai canali del sodio neuronali per struttura e funzione, sono espressi esclusivamente nel tessuto non nodale e sono responsabili dell innesco e della propagazione del potenziale d azione in cellule non nodali. I canali del calcio sono espressi in cellule nodali (SA- AV) ed in cellule non nodali. La tipologia espressa nei nodi ha un innesco e propagazione dei potenziali d azione di tipo lento (T-type). La tipologia espressa dalle cellule non nodali è chiamata L-type, controlla la durata del potenziale d azione e la contrazione. Nel tessuto pacemaker, il prepotenziale e dunque l automatismo cardiaco è generato dall apertura dei canali di tipo f per il calcio. I canali f vengono attivati alla fine di ogni potenziale d azione, quando la membrana si iperpolarizza. La loro apertura genera una corrente cationica entrante 16 di 25

17 che, depolarizzando la membrana, produce il prepotenziale, e quindi innesca il potenziale d azione successivo. Le cellule pacemaker non si trovano mai in condizioni di riposo (fig 18). Ruolo dei canali del calcio nella genesi dell impulso Nel tessuto pacemaker, il prepotenziale e dunque l automatismo cardiaco è generato dall apertura dei canali di tipo f per il calcio. I canali f vengono attivati alla fine di ogni pda, quando la membrana si iperpolarizza. La loro apertura genera una corrente cationica entrante che, depolarizzando la membrana, produce il prepotenziale, e quindi innesca il pda successivo. Le cellule pacemaker non si trovano mai in condizioni di riposo. Figura 18 La figura 19 schematizza la sequenza degli eventi che avvengono ciò nel cuore a partire dalla genesi del potenziale d azione nel nodo seno atriale, fino alla contrazione di atri e ventricoli. 17 di 25

18 Nodo SA Andatura (stabilisce il ritmo cardiaco) Muscolo atriale Contrazione Nodo SA Nodo AV Ritardo Fascio AV Nodo AV Fibre di Purkinje Fibre del Purkinje Rapide, distribuite uniformemente Muscolo ventricol. Contrazione Figura 19 La contrazione si propaga lungo tutte le fibre cardiache anche in virtù dell architettura di questo tessuto. Il muscolo cardiaco è striato come quello scheletrico, tra le cellule è presente il disco Z (o disco intercalare), che rappresenta la zona di contatto fra due cellule cardiache vicine, le fibre si ramificano e si interdigitano tra loro, ma ognuna rimane un unità singola (fig 20 e 21). 18 di 25

19 Figura 20 Il muscolo cardiaco è striato come quello scheletrico, tra le cellule è presente il disco Z (o disco intercalare), che rappresenta la zona di contatto fra due cellule cardiache vicine, le fibre si ramificano e si interdigitano tra loro, ma ognuna rimane un unità singola. Gap junctions Intercalated disc Il muscolo cardiaco è, in genere, lento ed ha una bassa attività ATPasica. Ha un metabolismo di tipo ossidativo e pertanto necessita di un continuo rifornimento di O 2. Figura 21 Una caratteristica peculiare del muscolo cardiaco è quella di presentare una salda unione tra le fibre, grazie al fenomeno della interdigitazione delle cellule, un alta capacità di conduzione 19 di 25

20 della trazione esercitata da una fibra all unità seguente, e un alta capacità di trasmissione della contrazione, grazie alle giunzioni gap, che lasciano fluire liberamente le specie ioniche tra cellule adiacenti (fig 23). Caratteristiche del muscolo cardiaco: salda unione tra le fibre, alta capacità di conduzione della trazione esercitata da una fibra all unità seguente, alta capacità di trasmissione della contrazione, grazie alle giunzioni gap. Figura di 25

21 3 L elettrocardiogramma L'elettrocardiogramma (ECG) è la riproduzione grafica dell'attività elettrica durante il suo funzionamento, registrata dalla superficie del corpo (fig 24). L elettrocardiogramma L'elettrocardiogramma (ECG) è la riproduzione grafica dell'attività elettrica durante il suo funzionamento, registrata dalla superficie del corpo. Figura 24 La sua invenzione si deve al fisiologo olandese Willem Einthoven, che vinse nel 1924 il premio Nobel per la medicina. Che il cuore avesse proprietà elettriche era già noto alla fine dell 800. Attualmente, l elettrocardiogramma viene adoperato come indagine strumentale sia per evidenziare eventuali condizioni patologiche in cui è coinvolto il cuore, sia come tecnica di monitoraggio e di screening durante la gravidanza o prima di un intervento chirurgico (fig 25). 21 di 25

22 L elettrocardiogramma Willem Einthoven fisiologo olandese, inventore nel 1903 dell'elettrocardiografia (ECG). Premio Nobel per la medicina del 1924 Figura 25 Il principio su cui si basa la misurazione dell'attività elettrica è di tipo fisiologico: l'insorgenza degli impulsi nel miocardio porta alla generazione di differenze di potenziale, che variano nello spazio e nel tempo e che possono essere registrate tramite degli elettrodi. La registrazione della differenza di potenziale da parte di elettrodi posti sulla superficie corporea avviene grazie alla conducibilità dei liquidi interstiziali del corpo umano. Il tracciato elettrocardiografico rappresenta il metodo più facile, meno dispendioso e più pratico per osservare se l'attività elettrica è normale oppure se sono presenti patologie di natura meccanica o bioelettrica. Il normale tracciato ECG presenta un aspetto caratteristico che varia soltanto in presenza di problemi. Il tracciato è caratterizzato da diversi tratti denominati onde, che si ripetono ad ogni ciclo cardiaco (fig 26). 22 di 25

23 L elettrocardiogramma L onda P è dovuta alla depolarizzazione del nodo SA. Il complesso QRS è dovuto alla depolarizzazione ventricolare. L onda T corrisponde alla ripolarizzazione ventricolare. Figura 26 L onda P è la prima onda che si genera nel ciclo e corrisponde alla depolarizzazione degli atri, in particolare alla depolarizzazione del nodo seno atriale. È di piccole dimensioni, poiché la contrazione degli atri non è così potente. La sua durata varia tra i 60 e i 120 ms, l'ampiezza (o altezza) è uguale o inferiore ai 2,5 mm. Il complesso QRS è costituito da un insieme di tre onde che si susseguono l'una all'altra e corrisponde alla depolarizzazione dei ventricoli. L'onda Q è negativa e di piccole dimensioni, e corrisponde alla depolarizzazione del setto interventricolare; la R è un picco molto alto positivo e corrisponde alla depolarizzazione dell'apice del ventricolo sinistro; la S è un'onda negativa anch'essa di piccole dimensioni e corrisponde alla depolarizzazione delle regioni basale e posteriore del ventricolo sinistro. La durata dell'intero complesso è compresa tra i 60 e 90 ms. In questo intervallo avviene anche la ripolarizzazione atriale che però non risulta visibile perché mascherata dalla depolarizzazione ventricolare. L onda T rappresenta la ripolarizzazione dei ventricoli. Non sempre è identificabile, perché può anche essere di lieve entità. L onda U è un'onda non sempre apprezzabile in un tracciato, dovuta alla ripolarizzazione dei muscoli papillari 1. 1 I muscoli papillari sono appendici di muscolatura cardiaca che protrudono all'interno delle cavità ventricolari. Sono la sede d'inserzione delle corde tendinee e quindi impediscono ai lembi delle valvole atrioventricolari di prolassare durante la sistole ventricolare. 23 di 25

24 Il tratto ST rappresenta il periodo in cui le cellule ventricolari sono tutte depolarizzate e pertanto non sono rilevabili movimenti elettrici. Il tratto ST è isoelettrico, cioè posto sulla linea di base del tracciato da cui si può spostare verso l'alto o il basso di non più di 1 mm. L intervallo QT rappresenta la sistole elettrica, cioè il tempo in cui avviene la depolarizzazione e la ripolarizzazione ventricolare. La sua durata varia al variare della frequenza cardiaca, generalmente si mantiene tra i 350 e i 440ms. Il tracciato ECG viene compilato su carta millimetrata, che scorre nell'elettrocardiografo ad una velocità di 25 mm al secondo, quindi cinque lati di quadrati da 5 mm rappresentano 1 secondo. Dal numero di eventi elettrici nel tempo è possibile ricavare la frequenza cardiaca, valutando quanto tempo passa tra un ciclo e l'altro (si misura il tempo intercorso tra due picchi R). Di seguito sono riportati esempi di anomalie del tracciato. Siccome l intervallo P-R è normalmente secondi, gran parte di questo tempo è il ritardo con cui l eccitamento arriva al nodo atri ventricolare. Il complesso QRS dura normalmente meno di 0.10 sec. Un aumento nella durata del complesso è una caratteristica di difetti a livello delle ramificazioni del fascio o delle fibre del Purkinje. L intervallo Q-T varia in maniera inversamente proporzionale alla velocità cardiaca. L elettrocardiogramma L intervallo P-R è normalmente sec, gran parte di questo tempo è il ritardo con cui l eccitamento arriva al nodo AV. Il complesso QRS dura normalmente meno di 0.10 sec. Un aumento nella durata del complesso è una caratteristica di difetti a livello delle ramificazioni del fascio o delle fibre del Purkinje. L intervallo Q-T varia in maniera inversamente proporzionale alla velocità cardiaca. Figura di 25

25 Bibliografia Barrett K. E., Barman S. M., Boitano S., Brooks H. L. Fisiologia Medica di Ganong. Piccin Enciclopedia Zanichelli on line di 25