Verschanderingen in inotropie zijn een belangrijk kenmerk van hartspieren omdat, in tegenstelling tot skeletspieren, hartspieren hun krachtopwekking niet kunnen moduleren door veranderingen in motorische zenuwactiviteit en motorische unit rekrutering. Wanneer de hartspier samentrekt, worden alle spiervezels geactiveerd en de enige mechanismen die de krachtopwekking kunnen veranderen zijn veranderingen in vezellengte (preload; lengte-afhankelijke activering) en veranderingen in inotropie (lengte-onafhankelijke activering). De invloed van inotropische veranderingen op de krachtopwekking wordt duidelijk aangetoond met behulp van lengte-spanningsdiagrammen waarin een toename van de inotropie leidt tot een toename van de actieve spanning bij een vaste voorspanning. Bovendien wordt de inotropische eigenschap van hartspier weergegeven in de kracht-velociteitsrelatie als een verandering in Vmax; dat wil zeggen, een verandering in de maximale snelheid van vezelverkorting bij nul nábelasting. De verhoogde snelheid van vezelkorting die optreedt bij verhoogde inotropie verhoogt de snelheid van ventriculaire drukontwikkeling, wat tot uiting komt in een toename van de maximale dP/dt (d.w.z. de snelheid van drukverandering) tijdens de fase van isovolumetrische contractie. Door deze veranderingen in de mechanische eigenschappen van de samentrekkende hartspier leidt een toename van de inotropie tot een toename van het ventriculaire slagvolume.
Effecten van inotropie op de Frank-Starling Curves
Door de snelheid van de ventriculaire drukontwikkeling te veranderen, wordt de snelheid van ventriculaire ejectie in de aorta (d.w.z., ejectiesnelheid) veranderd. Omdat er een eindige tijd beschikbaar is voor de uitwerping (~200 msec), veranderen veranderingen in de uitwerpsnelheid het slagvolume – een verhoogde uitwerpsnelheid verhoogt het slagvolume, terwijl een verlaagde uitwerpsnelheid het slagvolume verlaagt.
Een afname van de inotropie verschuift de Frank-Starling curve naar beneden (punt A naar B in de figuur). Hierdoor neemt het slagvolume (SV) af en nemen de linker ventrikel einddiastolische druk (LVEDP) en het volume toe. De verandering in SV is de primaire reactie, terwijl de verandering in LVEDP een secundaire reactie is op de verandering in SV. Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer er bij bepaalde vormen van hartfalen sprake is van een verlies van ventriculaire inotropie. Als de inotropie toeneemt (zoals tijdens inspanning), verschuift de Frank-Starling-curve naar boven en naar links (punt A tot C in de figuur), wat resulteert in een toename van de SV en een afname van de LVEDP. Zodra een Frank-Starling curve verschuift als reactie op een veranderde inotropische toestand, zullen veranderingen in de ventriculaire vulling de SV veranderen door de nieuwe Frank-Starling curve omhoog of omlaag te bewegen.
Effecten van inotropie op ventriculaire druk-volume-lussen
De reden waarom de LVEDP daalt wanneer de SV wordt verhoogd, kan het best worden aangetoond aan de hand van de druk-volume-lussen van de linkerventrikel (LV) (zie figuur). In deze figuur heeft de controle-lus een eind-diastolisch volume van 120 mL en een eind-systolisch volume van 50 mL. De breedte van de lus (eind-diastolisch min eind-systolisch volume) is het slagvolume (70 mL). Wanneer de inotropie wordt verhoogd (bij constante arteriële druk en hartfrequentie) neemt de SV toe, waardoor het end-systolische volume daalt tot 20 mL. Dit gaat gepaard met een secundaire verlaging van het ventriculaire einddiastolische volume (tot 110 mL) en de druk, omdat wanneer de SV wordt verhoogd, de ventrikel minder restbloedvolume bevat na ejectie (verlaagd eind-systolisch volume), dat kan worden toegevoegd aan de inkomende veneuze terugkeer tijdens het vullen. Daarom wordt de ventriculaire vulling (einddiastolisch volume) verminderd. De stippellijnen voor de twee lussen geven de verhouding tussen eind-systolische druk en volume (ESPVR) weer. De ESPVR is naar links verschoven en de helling wordt steiler wanneer de inotropie toeneemt. De ESPVR wordt soms gebruikt als een index van de ventriculaire inotropische toestand.
Verschanderingen in inotropie veroorzaken aanzienlijke veranderingen in de ejectiefractie (EF, berekend als slagvolume gedeeld door einddiastolisch volume). In de vorige figuur is de controle-EF 0,58 en neemt toe tot 0,82 bij verhoogde inotropie. Een toename van de inotropie leidt dus tot een toename van de EF. Een afname van de inotropie daarentegen verlaagt de EF. Daarom wordt de EF vaak gebruikt als een klinische index om de inotropische toestand van het hart te beoordelen. Bij hartfalen is er bijvoorbeeld vaak een afname van de inotropie die leidt tot een afname van het slagvolume en een toename van de voorspanning, waardoor de EF afneemt.
Verschuivingen in inotropie zijn vooral belangrijk tijdens inspanning. Verhoging van de inotrope toestand helpt het slagvolume op peil te houden bij hoge hartfrequenties en verhoogde slagaderlijke drukken. Verhoogde hartfrequentie alleen verlaagt het slagvolume vanwege de kortere tijd voor diastolische vulling, waardoor het einddiastolische volume afneemt. Verhoogde arteriële druk tijdens inspanning verhoogt de nabelasting van het hart, waardoor het slagvolume meestal afneemt. Wanneer de inotropische toestand tegelijkertijd toeneemt, neemt het end-systolische volume af, zodat het slagvolume kan worden gehandhaafd en kan toenemen ondanks de verminderde tijd voor ventriculaire vulling en de verhoogde arteriële druk.
Factoren die inotropie regelen
Het belangrijkste mechanisme dat inotropie regelt, zijn de autonome zenuwen. Sympatische zenuwen spelen een prominente rol in de ventriculaire en atriale inotropische regulatie, terwijl parasympathische zenuwen (vagale efferenten) een belangrijk negatief inotropisch effect hebben in de atria, maar slechts een gering effect in de ventrikels. Onder bepaalde omstandigheden (b.v. inspanning, stress en angst) versterken hoge circulatieniveaus van epinefrine de sympathische adrenerge effecten. In het menselijk hart kan een abrupte toename van de afterload een toename van de inotropie veroorzaken (Anrep-effect). Een verhoging van de hartfrequentie stimuleert eveneens de inotropie (Bowditch-effect; treppe; frequentie-afhankelijke inotropie). Dit laatste verschijnsel is waarschijnlijk te wijten aan een onvermogen van de Na+/K+-ATPase om de natrium-instroom bij te houden bij hogere hartfrequenties, wat leidt tot een accumulatie van intracellulair calcium via de natrium-calciumwisselaar. Systolisch falen ten gevolge van cardiomyopathie, ischemie, klepaandoeningen, aritmieën en andere aandoeningen wordt gekenmerkt door een verlies van intrinsieke inotropie.
Naast deze fysiologische mechanismen wordt een verscheidenheid aan inotrope geneesmiddelen klinisch gebruikt om het hart te stimuleren, met name bij acuut en soms bij chronisch hartfalen. Deze geneesmiddelen omvatten digoxine (remt sarcolemmale Na+/K+-ATPase), beta-adrenoceptor agonisten (b.v. dopamine, dobutamine, epinefrine, isoproterenol), en fosfodiesteraseremmers (b.v, milrinone).
Mechanismen van inotropie
De meeste signaaltransductieroutes die inotropie stimuleren, hebben uiteindelijk te maken met Ca++, hetzij door Ca++-instroom te verhogen (via Ca++-kanalen) tijdens de actiepotentiaal (voornamelijk tijdens fase 2), hetzij door de afgifte van Ca++ door het sacroplasmatisch reticulum te verhogen, hetzij door troponine-C (TN-C) te sensibiliseren voor Ca++.