Inotropian muutokset ovat sydänlihaksen tärkeä ominaisuus, koska toisin kuin luurankolihaksessa, sydänlihas ei pysty muokkaamaan voimantuottoa muutoksilla motoriikkahermojen aktiivisuudessa ja motoristen yksiköiden rekrytoinnissa. Kun sydänlihas supistuu, kaikki lihassäikeet aktivoituvat, ja ainoat mekanismit, jotka voivat muuttaa voimantuottoa, ovat muutokset kuitujen pituudessa (esikuormitus; pituusriippuvainen aktivoituminen) ja muutokset inotropiassa (pituusriippumaton aktivoituminen). Inotrooppisten muutosten vaikutus voimantuottoon osoitetaan selvästi käyttämällä pituus-jännitysdiagrammeja, joissa lisääntynyt inotropia johtaa aktiivisen jännityksen lisääntymiseen kiinteällä esijännityksellä. Lisäksi sydänlihaksen inotrooppinen ominaisuus näkyy voima-nopeussuhteessa Vmax:n muutoksena eli kuitujen lyhenemisen maksiminopeuden muutoksena nollakuormalla. Lisääntyneen inotropian myötä lisääntynyt kuitujen lyhenemisnopeus lisää kammiopaineen kehittymisnopeutta, mikä näkyy maksimaalisen dP/dt:n (eli paineen muutosnopeuden) kasvuna isovolumetrisen supistumisen vaiheessa. Näiden supistuvan sydänlihaksen mekaanisissa ominaisuuksissa tapahtuvien muutosten vuoksi inotropian lisääntyminen johtaa kammion iskutilavuuden kasvuun.
Inotropian vaikutukset Frank-Starling-käyriin
Muuttamalla kammion paineen kehittymisnopeutta muuttuu myös kammion aorttaan tapahtuvan ulosvirtauksen nopeus (eli ejektionopeus). Koska ejektioon on käytettävissä rajallinen aika (~200 msec), muutokset ejektionopeudessa muuttavat aivohalvaustilavuutta – lisääntynyt ejektionopeus lisää aivohalvaustilavuutta, kun taas vähentynyt ejektionopeus pienentää aivohalvaustilavuutta.
Inotropian väheneminen siirtää Frank-Starling-käyrää alaspäin (kuvassa pisteestä A pisteeseen B). Tämä aiheuttaa sen, että iskutilavuus (SV) pienenee ja vasemman kammion loppudiastolinen paine (LVEDP) ja tilavuus kasvavat. SV:n muutos on ensisijainen vaste, kun taas LVEDP:n muutos on toissijainen vaste SV:n muutokseen. Näin tapahtuu esimerkiksi silloin, kun kammion inotropia heikkenee tietyntyyppisen sydämen vajaatoiminnan aikana. Jos inotropia lisääntyy (kuten tapahtuu rasituksen aikana), Frank-Starling-käyrä siirtyy ylöspäin ja vasemmalle (kuvan kohdat A-C), jolloin SV kasvaa ja LVEDP laskee. Kun Frank-Starling-käyrä siirtyy vastauksena muuttuneeseen inotrooppiseen tilaan, muutokset kammion täyttymisessä muuttavat SV:tä siirtymällä joko ylös- tai alaspäin uudella Frank-Starling-käyrällä.
Inotropian vaikutukset kammion paine-tilavuus-silmukoihin
Syy siihen, miksi LVEDP laskee SV:n suurentuessa, voidaan parhaiten osoittaa vasemman kammion (LV) paine-tilavuus-silmukoiden avulla (ks. kuva). Tässä kuvassa kontrollisilmukan loppudiastolinen tilavuus on 120 ml ja loppusystolinen tilavuus 50 ml. Silmukan leveys (loppudiastolinen tilavuus miinus loppusystolinen tilavuus) on iskutilavuus (70 ml). Kun inotropiaa lisätään (valtimopaineen ja sykkeen pysyessä vakiona), SV kasvaa, jolloin endosystolinen tilavuus pienenee 20 ml:aan. Tähän liittyy kammion loppudiastolisen tilavuuden (110 ml:aan) ja paineen toissijainen pieneneminen, koska SV:n kasvaessa kammiossa on vähemmän jäännösveritilavuutta ejektion jälkeen (pienentynyt loppusystolinen tilavuus), joka voidaan lisätä tulevaan laskimopalautukseen täytön aikana. Siksi kammion täyttö (loppudiastolinen tilavuus) pienenee. Kahden silmukan katkoviivat kuvaavat loppusystolisen paineen ja tilavuuden suhdetta (ESPVR). ESPVR siirtyy vasemmalle ja sen kaltevuus muuttuu jyrkemmäksi, kun inotropiaa lisätään. ESPVR:ää käytetään joskus kammion inotrooppisen tilan indeksinä.
Inkotropian muutokset aiheuttavat merkittäviä muutoksia ejektiofraktiossa (EF, joka lasketaan iskutilavuudella jaettuna loppudiastolisella tilavuudella). Edellisessä kuvassa kontrollin EF on 0,58 ja kasvaa 0,82:een inotropian lisääntyessä. Näin ollen inotropian lisääminen johtaa EF:n kasvuun. Sitä vastoin inotropian väheneminen pienentää EF:tä. Siksi EF:tä käytetään yleisesti kliinisenä indeksinä sydämen inotrooppisen tilan arvioimiseksi. Esimerkiksi sydämen vajaatoiminnassa inotropia usein heikkenee, mikä johtaa iskutilavuuden pienenemiseen ja esikuormituksen lisääntymiseen, jolloin EF pienenee.
Inotrooppisen tilan muutokset ovat erityisen tärkeitä rasituksen aikana. Inotrooppisen tilan lisääntyminen auttaa ylläpitämään iskutilavuutta korkeilla sykkeillä ja kohonneilla valtimopaineilla. Pelkkä sykkeen nousu pienentää aivohalvaustilavuutta, koska diastolisen täyttymisen aika lyhenee, mikä pienentää loppudiastolista tilavuutta. Liikunnan aikana kohonnut valtimopaine lisää sydämen jälkikuormitusta, mikä yleensä pienentää aivohalvaustilavuutta. Kun inotrooppinen tila lisääntyy samanaikaisesti, loppudiastolinen tilavuus pienenee, jolloin aivohalvaustilavuus voidaan säilyttää ja sen annetaan kasvaa huolimatta kammion lyhentyneestä täyttöajasta ja kohonneesta valtimopaineesta.
Inotropiaa säätelevät tekijät
Tärkein inotropiaa säätelevä mekanismi on autonomiset hermot. Sympaattisilla hermoilla on merkittävä rooli kammioiden ja eteisten inotrooppisessa säätelyssä, kun taas parasympaattisilla hermoilla (vagaaliset efferentit) on merkittävä negatiivinen inotrooppinen vaikutus eteisissä, mutta vain pieni vaikutus kammioissa. Tietyissä olosuhteissa (esim. liikunta, stressi ja ahdistus) korkeat verenkierron adrenaliinipitoisuudet lisäävät sympaattisia adrenergisiä vaikutuksia. Ihmissydämessä jälkikuorman äkillinen lisääntyminen voi aiheuttaa inotropian lisääntymisen (Anrep-vaikutus). Myös sykkeen nousu stimuloi inotropiaa (Bowditch-ilmiö; treppe; taajuusriippuvainen inotropia). Jälkimmäinen ilmiö johtuu todennäköisesti Na+/K+-ATPaasin kyvyttömyydestä pysyä natriumin sisäänvirtauksen perässä korkeammilla syketaajuuksilla, mikä johtaa solunsisäisen kalsiumin kertymiseen natrium-kalsiuminvaihtimen kautta. Kardiomyopatiasta, iskemiasta, läppien sairaudesta, rytmihäiriöistä ja muista tiloista johtuvalle systoliselle vajaatoiminnalle on ominaista sisäisen inotropian häviäminen.
Näiden fysiologisten mekanismien lisäksi erilaisia inotrooppisia lääkkeitä käytetään kliinisesti sydämen stimuloimiseksi erityisesti akuutissa ja toisinaan kroonisessa sydämen vajaatoiminnassa. Näihin lääkkeisiin kuuluvat digoksiini (estää sarcolemmaalista Na+/K+-ATPaasia), beeta-adrenoreseptoriagonistit (esim. dopamiini, dobutamiini, adrenaliini, isoproterenoli) ja fosfodiesteraasin estäjät (esim, milrinoni).
Inotropian mekanismit
Useimpiin inotropiaa stimuloiviin signaalinsiirtoreitteihin liittyy viime kädessä Ca++, joko lisäämällä Ca++-tuloa (Ca++-kanavien välityksellä) aktiopotentiaalin aikana (ensisijaisesti vaiheen 2 aikana), lisäämällä Ca++:n vapautumista sakroplasmisesta retikulumista tai herkistämällä troponiini-C:tä (TN-C) Ca++:lle.