Sistole VS Diastole: Il cuore come pompa

ESORDI

Il primo sospetto sull’intenzione di William Harvey di riferirsi al cuore come una pompa si può trovare nella seguente citazione delle sue note per la Lezione Lumleiana del 17aprile 1616, molto prima del suo De Motu Cordis:

“…Il movimento del sangue avviene costantemente in un circolo, ed è determinato dal battito del cuore. Dunque, la questione è se ciò avviene con il fine del nutrimento o del calore, essendo il sangue raffreddato dalle estremità e quindi riscaldato dal cuore”.

Nel Capitolo 2 del De Motu Cordis, Harvey descrive come il cuore si contragga in sistole e che il sangue viene espulso durante la contrazione. L’arteria polmonare e l’aorta sono viste dilatarsi durante la sistole. Ciò viene descritto nel Capitolo 3. Il Capitolo 5 descrive come entrambe le auricole si contraggono inviando sangue nei ventricoli, seguite da contrazioni ventricolari che inviano sangue nelle arterie.

Richard Lower (1631 – 17gennaio 1691) ascrisse l’incremento del flusso di sangue durante l’esercizio fisico all’azione di pompa dei muscoli scheletrici piuttosto che al cuore. Riguardo alla portata cardiaca, il contributo di Lower non fu diretto. Senza esserne consapevole, egli creò la base strutturale del concetto di pompa allorchè descrisse la disposizione delle fibre muscolari ventricolari.

IL SETTECENTO

Stephen Hales fornì una stima della portata cardiaca nel cavallo. Egli fece ciò portando via tutto il sangue dell’animale e riempiendo il ventricolo sinistro con cera vergine fusa. Assumendo che la camera ventricolare sinistra era stata completamente svuotata prima della morte, e dal momento che conosceva la normale frequenza cardiaca del cavallo sano a riposo, egli calcolò la portata cardiaca al minuto moltiplicando il volume misurato della camera ventricolare sinistra per la frequenza del polso. Egli notò anche che la sistole occupava solo un terzo del ciclo cardiaco e concluse che la fuoriuscita di sangue dal cuore era favorita dall’elasticità dei grandi vasi.

L’OTTOCENTO

Non si ebbero ulteriori progressi nella comprensione dei meccanismi sottostanti all’azione di pompa del cuore fino al tempo di Carl Ludwig (Witzenhausen, 29dicembre 1816 – Lipsia, 27aprile 1895) con la sua invenzione del chimografo ed il suo ruolo di guida nella fisiologia sperimentale. Lui e la sua scuola svolsero una funzione prominente, durante il XIX secolo, nell’estendere le frontiere della fisiologia cardiovascolare. Ludwig fece strada nell’era della metodologia grafica applicata alla ricerca fisiologica preparando i tempi all’uso del suo chimografo ed altri metodi grafici per lo studio delle emodinamiche della circolazione. La maggior parte del lavoro di Ludwig fu condotto a Leipzig (Lipsia) dove fu la guida dell’Istituto di Fisiologia, creato nel 1865 per lui. In precedenza aveva passato 10 anni a Vienna e 6 anni a Zurigo. Uno dei maggiori contributi di Ludwig fu la sua straordinaria capacità di aver allevato una grande famiglia di fisiologi. Nel 1867, Ludwig e Dogiel inventarono lo stromuro, un doppio tubo su un anello girevole per la misurazione del flusso. Nel 1874, Ludwig e Bowditch scoprirono i fenomeni del “tutto-o-niente” e della “scala” sul muscolo cardiaco, che erano due elementi cruciali per la comprensione della portata cardiaca.

Adolph Fick (Kassel, 3settembre 1829 – Blankenberge, 21agosto 1901), un ex allievo di Ludwig e suo prosettore a Zurigo, fu il primo a capire quale relazione esistesse tra il flusso di sangue e lo scambio di gas nei polmoni. Ciò divenne la base della sua formula per calcolare la portata cardiaca. Fick scrisse:

“Si misuri la quantità di ossigeno che un animale assorbe dall’aria in un dato tempo, e quanta anidride carbonica viene emessa. Durante l’esperimento si ottenga un campione di sangue arterioso e venoso; in entrambi si misuri il contenuto di ossigeno e anidride carbonica. La differenza del contenuto di ossigeno ci dice quanto ossigeno viene legato da ogni centimetro cubico di sangue al suo passaggio nei polmoni. Conoscendo la quantità totale di ossigeno assorbito in un dato tempo si può calcolare quanti centimetri cubici di sangue passano nei polmoni in un dato tempo. Se si divide per il numero dei battiti cardiaci durante tale tempo si può calcolare quanti centimetri cubici di sangue sono espulsi con ogni battito cardiaco. Il corrispondente calcolo con le quantità di anidride carbonica ci da una determinazione dello stesso valore, che conferma il primo”.

È rimarchevole notare che il principio di Fick fu il prodotto di un puro ragionamento, senza alcuna prova sperimentale della sua validità nell’uomo. Egli concettualizzò e definì i termini “isometrico” ed “isotonico” in relazione alla contrazione muscolare. Un’estensione di tali studi lo portò a investigare sui meccanismi miocardici. Tra i molti strumenti congegnati da Fick, alcuni dei quali ebbero un impatto sulla fisiologia cardiovascolare, ci furono il pletismografo, il pneumografo e la sua versione del manometro aneroide, sempre seguendo la tradizione di Ludwig di aggiungere la precisione alla sperimentazione fisiologica.
Grehant e Quinquad furono i primi a dimostrare la validità della formula di Fick. Ciò accadde nel 1885. Essi utilizzarono dei cani per le loro misurazioni del flusso di sangue. Dodici anni dopo e tre anni prima della morte di Fick, Zuntz e Hagemann aggiunsero la loro prova sperimentale. Il loro modello animale fu il cavallo. Nel 1903, Loewy e von Schrotter tentarono di aggirare il problema negli umani ottenendo una stima dei gas sanguigni entrando nel cuore destro senza ricorrere alla cateterizzazione cardiaca, che al tempo era ancora una procedura laboratoristica ristretta ai cavalli. loro metodo indiretto non ottenne successo. Un metodo più semplice e più pratico fu introdotto da J. Plesch sei anni dopo. Esso fu descritto nella sua monografia Hamodynamische Studien. Egli ottenne i valori del sangue venoso misto reinalando misture di gas di una sacca fino a quando il sangue che arrivava ai polmoni era in equilibrio con il sistema polmone-sacca. Questo divenne noto come il metodo indiretto di Fick per la determinazione della portata cardiaca. La verifica del principio di Fick nell’uomo, utilizzando un approccio diretto, fu raggiunta per la prima volta nel 1930. Ciò fu reso possibile dagli exploit di Baumann e Grollman. Essi riuscirono ad ottenere campioni di sangue venoso misto inserendo una siringa per puntura lombare a destra dello sterno ed entrando nella camera ventricolare destra attraverso la puntura della sua parete. Il loro metodo presentava “qualche inconveniente di tipo etico” dal momento che prescindeva dal consenso informato, prevedendo al contrario che il soggetto fosse inconsapevole della natura della procedura contemplata. Nello stesso anno Klein ottenne i suoi campioni di sangue venoso misto accedendo al ventricolo destro con un tubo di gomma inserito sulla vena basilica mediana. Ciò accadde un anno dopo l’auto-cateterizzazione di Forssmann e undici anni prima che Cournand ed i suoi associati iniziassero le loro osservazioni con la cateterizzazione del cuore destro.
Otto Frank, un altro ex allievo di Ludwig, fu uno dei primi a studiare i segreti della contrazione muscolare. Le osservazioni di Frank furono pubblicate nel 1895 nel suo articolo Zur Dynamik des Herzmuskels. Egli descrive come avesse misurato e registrato le pressioni, il volume delle camere e la portata del cuore di rana perfuso con sangue bovino diluito. Vennero utilizzati dei rubinetti per regolare l’afflusso ed il deflusso. I suoi esperimenti furono semplici ma dettagliati, e delinearono le caratteristiche della contrazione isometrica contro varie pressioni aortiche iniziali, la rapida crescita della pressione camerale durante la fase sistolica precoce della contrazione ventricolare, e la presenza di sangue residuo in ventricolo alla fine della sistole. Egli valutò le curve isometriche del ventricolo rapportando le pressioni atriali e ventricolari a livelli variabili di riempimento ventricolare. Tali curve lo portarono a concludere che:

“la tensione massima della contrazione isometrica all’inizio incrementa con l’aumento della lunghezza o della tensione iniziale, ma oltre un certo livello di riempimento il picco declina”.

IL NOVECENTO

Nel 1914 Ernest H. Starling ed i suoi associati pubblicarono tre articoli riguardanti la regolazione del battito cardiaco ed il fattori meccanici determinanti la portata dei ventricoli, che rappresentano il culmine di 25 anni di ricerca. Il lavoro di Starling sul cuore merita di essere annoverato come una delle più grandi conquiste della fisiologia cardiovascolare. È vero che ci furono altri prima di lui che compresero bene la relazione tra la lunghezza delle fibre e la forza di contrazione, ma come ha affermato O’Rourke nel 1984

“il lavoro (di Starling) è un classico perché descrive un semplice meccanismo applicato anche al muscolo scheletrico, e spiega in modo completo il comportamento del cuore in differenti circostante, poiché Starling applicò i suoi esperimenti al cuore intatto, anticipando i progressi futuri, e perché egli previde una base ultrastrutturale della legge, che venne successivamente descritta”.

Ciò non equivale a dire che principio enunciato da lui fosse nella sua forma finale. Esso venne ulteriormente cristallizzato dal lavoro di Wiggers, Straub, Katz e Krayer. L’articolo che traccia i contorni di quella che oggi è chiamata la Legge di Frank-Starling occupò l’intera edizione del London Journal of Physiology. L’articolo illustra la legge del cuore con una modificazione della figura di Frank così come era apparsa nel suo Zur Dynamik des Herzmuskels. La figura modificata sostituisce con il volume la pressione di riempimento sull’ascissa. Gli esperimenti di Starling furono condotti con un preparato di cuore canino. Starling costruì la famosa curva variando il flusso venoso e misurando la portata cardiaca. La legge del cuore viene così descritta:

“Il comportamento del cuore deve essere la somma del comportamento delle fibre muscolari di cui è composto … perciò, più lungo è il muscolo (entro i limiti fisiologici), maggiore è la quantità di energia chimica, la produzione di calore e la tensione prodotta dal passaggio dei muscoli dalla condizione di riposo a quella attiva … questi risultati si possono trasferire in modo incondizionato al muscolo cardiaco facendo solo determinate modificazioni che sono necessarie per la disposizione anatomica dell’organo … Nel cuore non abbiamo strumenti per misurare direttamente la lunghezza o la tensione delle fibre muscolari, ma dalla lunghezza delle fibre muscolari dipende la capacità o il volume del cuore mentre la tensione delle fibre muscolari determina la pressione intracardiaca … la legge del cuore è perciò la stessa del muscolo scheletrico, cioè l’energia meccanica determina il passaggio dalla condizione di riposo allo stato di contrazione in base all’area della superficie chimicamente attiva, e quindi, dalla lunghezza delle fibre muscolari. Questa semplice formula serve a spiegare l’intero comportamento del cuore nei mammiferi”.

Si è in seguito documentato che la tensione attiva ottimale si manifesta quando si raggiunge la lunghezza ottimale individuale del sarcomero a riposo. Questa è stata stimata in 2.2 ìm. Quando il sarcomero è troppo lungo o troppo corto, la sovrapposizione tra i filamenti spessi e sottili non raggiunge la lunghezza ottimale e ciò si riflette sulla forza di contrazione.
Si deve notare che Newell Martin fu il primo a sviluppare nel 1880 un preparato cuore-polmone di mammifero, e ciò avvenne mentre era professore di fisiologia al Johns Hopkins. Sewall, un suo assistente ricorda in proposito:

“… alla chiusura del lavoro giornaliero anestetizzammo un cane, lo preparammo per la respirazione artificiale e dopo il professor Martin aprì il torace e legò una ad una le vene cave e l’aorta in maniera tale da lasciare una sufficiente quantità di sangue dentro al cuore. Il cuore continuò a battere in maniera normale, con il circuito fatto dal sangue che si muoveva dal lato destro attraverso i polmoni al lato sinistro e di nuovo indietro attraverso i vasi coronarici nella parete cardiaca verso l’auricola destra. Perciò il cuore ed i polmoni vennero isolati completamente dal resto del corpo e poterono essere studiati senza le interferenze di fattori esterni … il cuore isolato potè essere tenuto nelle condizioni di continuare a battere in maniera pressoché normale fino a cinque ore”.

Il passaggio dal XIX al XX secolo vide anche i contributi di un altro grande fisiologo, Carl Wiggers (28maggio 1883 – 28aprile 1963). Uno dei suoi contributi fu la modificazione del manometro per una registrazione più accurata delle variazioni pressorie. Questo era uno strumento ottico capace di una maggiore frequenza di risposta di quelli precedentemente disponibili. I vasi e le camere cardiache venivano incannulati direttamente e venivano ottenuti tracciati pressori ad alta fedeltà grazie ad una serie di specchi che riflettevano la luce. Gli esperimenti di Wiggers con adrenalina mostrarono un aumento della frequenza cardiaca, un iniziale riduzione della pressione intraventricolare seguita da un rapido aumento durante il periodo isometrico. Questo è il nostro parametro dp/dt che si riferisce al massimo aumento della pressione per unità di tempo ed è, in definitiva, dipendente dalla forza di contrattilità miocardica.
Il lavoro di Archibald Vivian Hill (Bristol, 26settembre 1886 – Cambridge, 3giugno 1977), The heat of shortening and the dynamic constants of muscle, fornì all’era moderna la comprensione dei meccanismi e del metabolismo muscolare. Questo venne pubblicato nel 1938.
Furono Starling e Visscher nel 1927 a scoprire che il metabolismo cardiaco aumenta con l’accrescere del suo lavoro. Così aprirono la strada agli studi che avrebbero aiutato a definire l’interazione tra lavoro, metabolismo e mobilizzazione dell’energia. Sfortunatamente, Starling morì prima di poter compiere questa scoperta. Fenn aveva scoperto nel 1923 che durante la contrazione isometrica, una certa quantità di energia si libera come calore. Inoltre, se il lavoro è eseguito da quel muscolo, sebbene si produca la stessa quantità di calore, l’energia totale generata è aumentata. Tali osservazioni condussero all’idea che il lavoro veniva eseguito attraverso una mobilizzazione di energia. L’articolo pubblicato da Hill nel 1938 rappresentò un’estensione degli studi di Fenn.
Fenn, Marsh e Hill formularono anche una relazione forza-velocità nel muscolo che Mommaerts in seguito suggerì basata su reazioni chimiche avvenenti durante la contrazione.
L’importanza della fosforilazione fu scoperta da negli anni trenta allorché l’adenosina trifosfato (ATP) venne riconosciuta come un coenzima essenziale del processo. Fritz A. Lippman introdusse il proprio concetto dei composti di fosfato ad alta energia con l’ATP come suo prototipo nel 1941.
Gli studi di W. J. Schmidt con l’uso del microscopio a luce polarizzata suggerirono nel 1937 che a livello submicroscopico il muscolo avesse una struttura filamentosa disposta longitudinalmente rispetto alla direzione delle miofibrille. Le pubblicazioni di Von Muralt e Edsall nel 1930 indicarono che la miosina consiste di lunghe particelle che conferiscono l’aspetto filamentoso del sarcomero. Engelhardt e Ljubimova scoprirono nel 1939 che la miosina conteneva l’enzima catalitico coinvolto nell’idrolisi dell’ATP. Ciò aprì un nuovo campo della sperimentazione. Il gruppo di Needham fu il primo a concentrare l’attenzione verso questa via, ma i nostri attuali concetti sono derivati dai contributi dettagliati di Albert Szent-Gyorgyi. Egli riconobbe per prima cosa che i preparati di miosina disponibili al tempo avevano proprietà variabili poiché in realtà erano un complesso contenente due tipi di proteine: la miosina e l’actina. L’actina fu scoperta nel 1942 da Straub. Ulteriori ricerche di Szent-Gyorgyi ed altri autori condussero allo sviluppo di una fibra stabile di actomiosina che poteva servire da modello per lo studio dei meccanismi contrattili. Un fattore “rilassante” fu scoperto da Marsh nel 1952 e confermato da Bendall in seguito. Esso poteva causare un’inversione del processo di contrazione del preparato. La possibilità che questa inversione fosse parzialmente dipendente da un enzima capace di ricostruire l’ATP idrolizzato fu in seguito dimostrata. Gli studi al microscopio elettronico furono condotti insieme agli studi appena menzionati. Essi iniziarono con il gruppo di Szent-Gyorgyi, Hall ed i suoi associati ed il team di Draper e Hodge. In seguito furono ampliati con migliorie tecnologiche da Hanson e Huxley, e da Sjostrand. Tali studi condussero all’opinione che la contrazione avvenisse quando i filamenti di actina si muovono verso l’interno della regione A (miosina) del sarcomero. Mommaerts ed i suoi associati svilupparono nel 1955 un metodo di congelamento per confermare questo concetto. I loro preparati muscolari erano congelati in ogni momento dell’attività e dopo il preparato veniva sottoposto a studio molecolare e morfologico. Gli sforzi furono in seguito diretti verso la comprensione dei meccanismi biochimici che a livello cellulare regolano la contrazione muscolare. Divenne chiaro che questo era un processo che implicava una relazione tra recettori ormonali, ioni ed vie metaboliche. Emerse quindi con il tempo il concetto di eccitazione-accoppiamento. Bing chiamò tale concetto “il più importante sviluppo della storia del metabolismo cardiaco”.
Tornando indietro nel 1882, Sydney Ringer (Norwich, 1835 – Lastingham, 14ottobre 1910) fu il primo a porre l’attenzione sul ruolo del calcio nella contrazione muscolare. Egli mostrò che la contrazione cardiaca dipendeva dalla concentrazione esterna del calcioione. Nel 1955 fu identificato il “fattore rilassante” da parte di Kumagai, Ebashi e Taked ocome un fattore granulare che conteneva i microsomi cardiaci leganti il calcio. Molti anni dopo Schwartz dimostrò che questi microsomi hanno una capacità sufficiente per legare il calcio acquisendo il ruolo di rilassare il reticolo sarcoplasmatico nel muscolo cardiaco. Nel 1965, Ebashi, proseguendo le sue precedenti ricerche, isolò, in collaborazione con Kodama, la troponina come proteina legante il calcio responsabile della sensibilità al calcio delle miofibrille native.
Negli anni ‘60 e ‘70 del novecento accaddero due fatti che aumentarono la nostra conoscenza sui meccanismi biochimici regolatori a livello intracellulare. Negli anni ‘60 si iniziò a riconoscere il ruolo dei nucleotidi ciclici come secondi messaggeri. L’adenosina monofosfato ciclica (AMPc) e la guanosina monofosfato ciclica (GMPc) furono identificate come parte di questo sistema. Albert Wollenberger presentò evidenze che l’AMPc induceva un aumento della captazione del calcio da parte delle cellule cardiache al meeting dell’International Society for Heart Research del 1973. Il miocardio di rana fu usato come modello per i suoi esperimenti. Egli ed il suo gruppo mostrarono anche che il GMPc aveva un effetto opposto. Negli anni ‘70 fu svelato il ruolo della calmodulinada Means ed il suo gruppo. La scoperta della calmodulina e dei nucleotidi ciclici portarono alla delineazione dei vari passaggi della contrazione muscolare. Questa è chiamata la via fosfoinositidica, ed utilizza la calmodulina come recettore del calcioione ed i processi di fosforilazione per la formazione dei due metaboliti intermedi (diacilglicerolo e inositol fosfato).
Un altro fronte importante di progresso si aprì grazie agli sforzi pionieristici di Richard Bing a partire dal 1947. Egli sfruttò la relativamente nuova tecnica della cateterizzazione cardiaca che iniziava ad essere utilizzata nella pratica clinica. Egli riuscì a determinare il substrato e l’uptake metabolico del cuore umano in situ analizzando campioni di sangue del seno coronarico prelevati con questa tecnica. Entro il 1954 egli riuscì a presentare nella sua lezione harveyana il suo The Metabolism of the Heart, e presentò i principali substrati del cuore umano ponendo l’accento sul contributo dei substrati non-carboidrati nel processo metabolico. Gli acidi grassi costituivano la porzione principale dei substrati non-carboidrati.