Zmiany inotropii są ważną cechą mięśnia sercowego, ponieważ w przeciwieństwie do mięśni szkieletowych, mięsień sercowy nie może modulować generowania siły poprzez zmiany aktywności nerwów motorycznych i rekrutacji jednostek motorycznych. Podczas skurczu mięśnia sercowego aktywowane są wszystkie włókna mięśniowe, a jedynymi mechanizmami, które mogą zmienić generowanie siły są zmiany długości włókien (obciążenie wstępne; aktywacja zależna od długości) oraz zmiany inotropii (aktywacja niezależna od długości). Wpływ zmian inotropowych na generowanie siły jest wyraźnie widoczny na wykresach długość-napięcie, na których zwiększona inotropia powoduje wzrost napięcia czynnego przy ustalonym obciążeniu wstępnym. Ponadto właściwość inotropowa mięśnia sercowego uwidacznia się w zależności siła-prędkość jako zmiana Vmax, czyli zmiana maksymalnej prędkości skracania włókien przy zerowym obciążeniu następczym. Zwiększona prędkość skracania włókien, która występuje przy zwiększonej inotropii, zwiększa tempo rozwoju ciśnienia w komorze, co objawia się wzrostem maksymalnego dP/dt (tj. szybkości zmiany ciśnienia) w fazie skurczu izowolumetrycznego. Z powodu tych zmian we właściwościach mechanicznych kurczącego się mięśnia sercowego wzrost inotropii prowadzi do zwiększenia objętości wyrzutowej komory.
Wpływ inotropii na krzywe Franka-Starlinga
Zmieniając szybkość rozwoju ciśnienia w komorze, zmienia się szybkość wyrzutu komór do aorty (tj. prędkość wyrzutu). Ponieważ czas dostępny na wyrzut jest skończony (~200 msec), zmiany prędkości wyrzutu zmieniają objętość wyrzutową – zwiększona prędkość wyrzutu zwiększa objętość wyrzutową, podczas gdy zmniejszona prędkość wyrzutu zmniejsza objętość wyrzutową.
Zmniejszenie inotropii przesuwa krzywą Franka-Starlinga w dół (punkt A do B na rycinie). Powoduje to zmniejszenie objętości wyrzutowej (SV) oraz wzrost ciśnienia końcoworozkurczowego (LVEDP) i objętości lewej komory. Zmiana SV jest odpowiedzią pierwotną, podczas gdy zmiana LVEDP jest odpowiedzią wtórną do zmiany SV. Dzieje się tak na przykład w przypadku utraty inotropii komorowej w niektórych typach niewydolności serca. W przypadku zwiększenia inotropii (co ma miejsce podczas wysiłku) krzywa Franka-Starlinga przesuwa się w górę i w lewo (punkt A do C na rycinie), powodując wzrost SV i spadek LVEDP. Kiedy krzywa Franka-Starlinga przesunie się w odpowiedzi na zmieniony stan inotropowy, zmiany wypełnienia komory spowodują zmianę SV poprzez przesunięcie w górę lub w dół nowej krzywej Franka-Starlinga.
Effects of Inotropy on Ventricular Pressure-Volume Loops
Przyczynę, dla której LVEDP spada po zwiększeniu SV, można najlepiej przedstawić za pomocą pętli ciśnieniowo-objętościowych lewej komory (LV) (patrz rycina). Na tym rysunku pętla kontrolna ma objętość końcoworozkurczową 120 mL i końcowoskurczową 50 mL. Szerokość pętli (objętość końcoworozkurczowa minus objętość końcowoskurczowa) to objętość wyrzutowa (70 mL). Po zwiększeniu inotropii (przy stałym ciśnieniu tętniczym i częstości rytmu serca) zwiększa się SV, co powoduje zmniejszenie objętości końcoworozkurczowej do 20 mL. Towarzyszy temu wtórne zmniejszenie objętości końcoworozkurczowej komory (do 110 mL) i ciśnienia, ponieważ przy zwiększonej SV komora zawiera mniej resztkowej objętości krwi po wyrzucie (zmniejszona objętość końcoworozkurczowa), która może być dodana do napływającego powrotu żylnego podczas napełniania. W związku z tym napełnianie komory (objętość końcoworozkurczowa) ulega zmniejszeniu. Linie przerywane dla obu pętli przedstawiają zależność ciśnienie końcoworozkurczowe-objętość (ESPVR). ESPVR jest przesunięta w lewo, a jej nachylenie staje się bardziej strome, gdy zwiększa się inotropia. Wskaźnik ESPVR jest czasem używany jako wskaźnik stanu inotropowego komory.
Zmiany inotropii powodują istotne zmiany frakcji wyrzutowej (EF, obliczanej jako objętość wyrzutowa podzielona przez objętość końcoworozkurczową). Na poprzedniej rycinie kontrolna EF wynosi 0,58 i wzrasta do 0,82 przy zwiększonej inotropii. Zatem zwiększenie inotropii prowadzi do wzrostu EF. Z kolei zmniejszenie inotropii powoduje zmniejszenie EF. Dlatego też EF jest powszechnie stosowana jako kliniczny wskaźnik oceny stanu inotropowego serca. Na przykład w niewydolności serca często dochodzi do zmniejszenia inotropii, co prowadzi do spadku objętości wyrzutowej, a także zwiększenia obciążenia wstępnego, a tym samym zmniejszenia EF.
Zmiany stanu inotropowego są szczególnie ważne podczas wysiłku fizycznego. Wzrost stanu inotropowego pomaga utrzymać objętość wyrzutową przy dużej częstości akcji serca i podwyższonym ciśnieniu tętniczym. Samo zwiększenie częstości akcji serca zmniejsza objętość wyrzutową z powodu skrócenia czasu napełniania rozkurczowego, co zmniejsza objętość końcoworozkurczową. Podwyższone ciśnienie tętnicze podczas wysiłku zwiększa obciążenie następcze serca, co powoduje zmniejszenie objętości wyrzutowej. Gdy jednocześnie zwiększa się stan inotropowy, zmniejsza się objętość końcoworozkurczowa, dzięki czemu można utrzymać objętość wyrzutową i pozwolić na jej zwiększenie pomimo skrócenia czasu napełniania komór i podwyższenia ciśnienia tętniczego.
Faktory regulujące inotropię
Najważniejszym mechanizmem regulującym inotropię są nerwy autonomiczne. Nerwy współczulne odgrywają główną rolę w regulacji inotropowej komór i przedsionków, podczas gdy nerwy przywspółczulne (efferenty wagalne) mają znaczący ujemny efekt inotropowy w przedsionkach, ale tylko niewielki w komorach. W pewnych warunkach (np. wysiłek fizyczny, stres, lęk) wysokie stężenie krążącej epinefryny nasila współczulne działanie adrenergiczne. W ludzkim sercu nagły wzrost obciążenia następczego może spowodować wzrost inotropii (efekt Anrepa). Wzrost częstości pracy serca również stymuluje inotropię (efekt Bowditcha; treppe; inotropia zależna od częstotliwości). To ostatnie zjawisko jest prawdopodobnie spowodowane niezdolnością Na+/K+-ATPazy do nadążania za napływem sodu przy większej częstości pracy serca, co prowadzi do akumulacji wapnia wewnątrzkomórkowego poprzez wymiennik sodowo-wapniowy. Niewydolność skurczowa wynikająca z kardiomiopatii, niedokrwienia, chorób zastawek, arytmii i innych schorzeń charakteryzuje się utratą wewnętrznej inotropii.
Oprócz tych mechanizmów fizjologicznych, w celu stymulacji serca, szczególnie w ostrej i sporadycznie w przewlekłej niewydolności serca, stosuje się klinicznie różne leki inotropowe. Do leków tych należą digoksyna (hamuje sarkolemalną Na+/K+-ATPazę), agoniści beta-adrenoreceptorów (np. dopamina, dobutamina, epinefryna, izoproterenol) oraz inhibitory fosfodiesterazy (np, milrinon).
Mechanizmy inotropii
Większość szlaków transdukcji sygnału, które stymulują inotropię, ostatecznie angażuje Ca++, albo przez zwiększenie napływu Ca++ (przez kanały Ca++) podczas potencjału czynnościowego (głównie podczas fazy 2), przez zwiększenie uwalniania Ca++ przez siateczkę sakroplazmatyczną, albo przez uwrażliwienie troponiny-C (TN-C) na Ca++.