Cellulær elektrofysiologi

Grunnlaget for elektriske impulser er et overskudd av negativt ladede partikler/ioner inne i hjertecellene og et overskudd av positivt ladede partikler/ioner på utsiden. Dette er situasjonen når hjertet er i hvilefase.

Det "negative overskuddet" inne i cellene lages dels av negativt ladede proteiner og dels av at det bare er de positivt ladede ionene (K⁺) som kan forlate cellene i hvilefasen. Det er mye større konsentrasjon av K⁺ inne i cellene (ca. 150 mM) sammenlignet med utsiden (ca. 4 mM). K⁺ har derfor en tendens til å forlate cellene ved diffusjon, og etterlate seg et enda større overskudd av negative ladninger inne i cellene.

Ladningsforskjellen mellom innsiden (negativ) og utsiden (positiv) av cellemembranen skaper potensiell energi, dvs. et elektrisk potensial som kan måles som en spenningsforskjell. Spenningsforskjellen mellom innsiden og utsiden av cellen i hvile kalles hvilemembranpotensialet, og er ca. minus 90 mV i ventrikkelceller. I denne fasen kan man si at membranen er polarisert.

Hvilemembranpotensialet avhenger av to viktige bestanddeler i cellene:

1. En cellemembran som ikke kan krysses av ladede partikler, og
2. Ionepumper som kan pumpe kaliumioner fra utsiden til innsiden av cellene. Disse pumpene krever mye energi. Hvilefasen er altså svært energikrevende!

Aksjonspotensialet og eksitasjons-kontraksjonskoblingen

OBS! Animasjonen har verbal forklaring. Skru på lyd.

Kalsium
Cellemembranen inneholder også andre ionekanaler som reagerer på spenningsendringer, bl.a. kalsiumkanaler. Kalsiumkanalene åpner etter at natriumkanalene har åpnet seg og medført et spenningsfall over cellemembranen. Siden det er mye større konsentrasjon av Ca²⁺ på utsiden (ca. 2 mM) enn på innsiden (ca. 0,0001 mM), vil kalsium strømme inn i cellene når kalsiumkanalene åpnes.

Inne i cellene er det er stort lager (sarkoplasmatisk retikulum) med høy konsentrasjon av kalsium. Ca²⁺, som strømmer inn i cellene fra utsiden, binder seg til en lukket kanal i dette lageret (ryanodinreseptoren, RyR), som dermed åpnes og slipper store mengder Ca²⁺ ut i cytosol.

Ca²⁺ i cytosol binder seg til troponin C i komplekset av kontraktile proteiner og innleder glidebevegelsen mellom aktin og myosin, som fører til sammentrekning i sarkomerene.

Kalium
Åpning av natrium- og kalsiumkanaler i cellemembranen fører altså til at positivt ladede partikler strømmer inn i cellene, og cellemembranen depolariseres. Kanalene står imidlertid kun åpne en kort stund. Dessuten medfører depolariseringen at nye kaliumkanaler åpner. Dermed kan K⁺ strømme ut av cellene. Dette har en motsatt effekt av natrium- og kalsiumkanalene. Vi sier at K⁺ som strømmer ut av cellene, har en repolariserende effekt på cellemembranen. Ved repolariseringen lukkes natriumkanalene.

Bevegelsene av ioner over cellemembranen følger et fast mønster i hvert hjerteslag. Dette mønsteret medfører en variasjon i potensialet som kan måles over cellemembranen, og kalles aksjonspotensialet. Aksjonspotensialet i en celle avhenger av mengde og aktivitet i de forskjellige ionekanalene i cellemembranen. Beskrivelsen vi har gitt hittil, gjelder for majoriteten av atrie- og ventrikkelceller:

I utgangspunktet er cellemembranen polarisert. Na⁺-innstrømming i cellene medfører depolarisering (fase 0). Dette leder til åpning av kalsiumkanaler, men også til åpning av flere typer kaliumkanaler. Én kaliumkanaltype åpner tidlig, og gir en delvis, tidlig repolarisering (fase 1), fra ca. +30 mV til 0 mV. Denne tendensen til repolarisering balanseres imidlertid av at Ca²⁺ strømmer inn i cellene og depolariserer. Dermed blir membranpotensialet stabilt i en periode, aksjonspotensialets platåfase (fase 2). Med noe forsinkelse åpner så flere kaliumkanaler, mens kalsiumkanalene lukker. Da dominerer utstrømmingen av K⁺, med repolarisering av cellemembranen til følge (fase 3). Til slutt når cellemembranen sin hviletilstand når Na⁺/K⁺-pumpen sørger for at Na⁺ pumpes ut av cellen igjen i bytte mot K⁺, som pumpes inn i cellen (fase 4).

Figuren viser hvordan aksjonspotensialet ser ut i en myocytt i ventriklene eller atriene. Pacemakercellene har et helt annet mønster, se figuren nedenfor:

Pacemakercellene har spontan depolarisering i fase 4, dvs. de utlades langsomt i diastolen av en «funny current» (If), som gjør at positive ladninger slipper inn i hyperpolariserte celler, og (sammen med innsig av Ca²⁺) bidrar til at fyringsterskelen nås og et aksjonspotensial starter med en rask depolarisering. Funny current fikk navnet fordi kanalen åpnes ved hyperpolarisering, mens det er depolarisering som åpner andre kanaler. Legg merke til at aksjonspotensialet i pacemakercellene ikke har noen fase 1 og 2; de går rett over fra depolarisering til repolarisering.

Ledningssystemet

• Impulsgenerering (pacemakeraktivitet). Dette skjer i små celler.
• Impulsledning (tykke, langstrakte celler).
• Synkronisering av atrienes og ventriklenes arbeid, og mellom lunge- og systemkretsløpet.

Ledningscellene i His’ bunt, ledningsgrenene til henholdsvis høyre og venstre ventrikler, fasiklene og purkinjefibrene er tykkere, langstrakte og har kabelfunksjon. Deres utseende vitner om at hovedfunksjonen ikke er kontraksjon. Også de har pacemakerfunksjon, men fyrer mye langsommere enn cellene i sinus- og AV-knuten.

Pacemakerfunksjon

Impulsutbredelse og ledningshastigheter

Den første aktiveringen i hjertekamrene skjer høyt i septum, som derved strammes opp og stabiliseres. Impulser som følger ledningssystemet, spres raskt i begge hjertekamrene og aktiverer all muskulatur nesten samtidig. Det gir en samlet kontraksjon av ventriklene, så blodet pumpes effektivt ut av hjertet.

Det autonome nervesystemet

• Sympatikus øker frekvensen, både via nervesystemet og sirkulerende katekolaminer.
• Parasympatikus (vagus) bremser

Sinusknuten

Blodforsyningen til sinusknuten er fra den første sidegrenen fra høyre koronararterie. Hvis sinusknuten svikter hos en pasient som har akutt hjerteinfarkt, kan man derfor regne med at det er en proksimal okklusjon av høyre koronararterie (RCA).

Det er rikelig innervering fra vagus og sympatikus. Hjertets egenrytme er rundt 100 slag/min, men vagus bremser vanligvis hvilepulsen ned til 50-80/min. I sinusknuten er det strekkreseptorer. Hvis blodstrømmen til høyre forkammer øker (for eksempel ved innpust). sendes afferente signaler via vagus, vaguskjernen hemmes, bremsingen avtar og pulsen øker. Dette er hovedmekanismen bak de respiratoriske variasjonene i hjertefrekvensen, som avspeiler balansen i det autonome nervesystemet. (Dette blir beskrevet nærmere i Del 4). Det er stor variasjon, med sterk vaguskontroll hos barn, unge og veltrente, mens vagus er svakere og hjerterytmen raskere og jevnere hos utrente og eldre, og variasjonene kan mangle helt hos hjertesyke.

Ved «upassende sinustakykardi», en sjelden, men plagsom tilstand, forsøker en først å bremse sinusknuten med betaadrenerg reseptorblokade, så med L-type kalsiumantagonist, og endelig med ivabradin, en hemmer av «funny current», If. Hvis ikke dette hjelper, kan en unntaksvis destruere cellene øverst i sinusknuten med kateterablasjon (brenning eller frysing ved hjelp av et kateter ført inn til hjertet via venesystemet). En syk sinusknute kan også gi for langsom puls eller stoppe opp og gi besvimelse hvis ikke andre pacemakerceller overtar. Dette blir nærmere belyst i Del 4 om arytmier.

Atriene

Store forkamre med bindevev (fibrose) og betennelser har forsinket impulsledning, og er disponert for sirkelstrømmer som kan vedlikeholde flimmerrytme (mer om det i Del 2 og 4 Arytmier).

Atrioventrikulærknuten (AV-knuten)

AV-knuten tar imot impulser fra atriene, bearbeider dem og leverer signaler videre til His’ bunt. Dens funksjon vises tydelig i EKG, som tiden det tar fra forkamrene depolariseres til hjertekamrene starter sin depolarisering.

AV-knuten ligger mellom aorta, mitral- og trikuspidalklaffen (se figurene), ned mot det elektrisk isolerende klaffeopphenget annulus fibrosus. Den skades derfor lett ved betennelser og operasjoner på klaffene. Fordi den ligger i hjertets sentrum, mellom atrier og ventrikler og mellom høyre og venstre side, utsettes AV-knuten hele tiden for mekanisk stress. Den kan svekkes av bindevev (fibrose) og kalknedslag, og dårlig funksjon vil gi forsinket impulsoverledning til ventriklene, eller impulsene kan blokkeres og slukne. Hvis overledningen plutselig svikter forbigående, kan det gi hjertestans og besvimelse, og hvis ikke AV-knuten eller lavere deler av ledningssystemet kommer i gang, dør pasienten i asystole.

AV-knuten har noen områder som leder impulser raskt (oppad fortil), og andre langsomt (nede baktil); disse banene har ulike refraktærperioder: de som leder raskt, må hvile lenger mellom hver impuls. Strukturen med disse to hovedbanene gjør at depolariseringsbølgen av og til kan gå i ring rundt i AV-knuten, som i en rundkjøring, og lage anfall med rask puls (paroksysmal takykardi, mer i Del 4 Arytmier).

Cellene i AV-knuten ligger som et maskeverk, og strukturen forsinker impulsene fra atriene til ventriklene. Forsinkelsen gjør at hjertet arbeider mer effektivt fordi ventriklene ikke slår før atriene har fylt dem helt. AV-knuten blokkerer også alt for tette impulser fra atriene slik at de ikke sendes videre (overledet rytme er sjelden >240/min). AV-knuten er rikt innervert. Vagusnerven kan bremse den ned, mens sympatikus øker ledningshastigheten, se figur nedenfor.

I veggen til arteria carotis communis på halsen ligger en trykksensor, sinus caroticus, som gir et reflektorisk vagusformidlet blodtrykksfall og impulsblokkering både i sinus- og i AV-knuten hvis blodtrykket til hodet blir for høyt. (Dette blir nærmere omtalt i Del 4.) Det er en hensiktsmessig sikringsmekanisme for hjernen. Sinus caroticus kan være til nytte ved anfall med alt for rask puls når feilmekanismen ligger i ledningssystemet: vagusstimulering kan bremse og eventuelt kortvarig stanse impulsledningen i hjertet og bryte et anfall med hjertebank. Det er fint å være lege når «en magisk finger» som trykker på halsen, kan stanse et slitsomt takykardianfall (mer i Del 4 Arytmier). Andre ganger er denne refleksen til skade; noen eldre har en overfølsom trykksensor, og en trang snipp eller kraftig hodedreining kan forbigående hemme sinus- eller AV-knuten og gi langsom puls eller pause som fører til svimmelhet eller besvimelse.

His’ bunt, grener og fasikler

Den ble beskrevet i 1893 av sveitseren Wilhelm His, som var professor i Berlin. His’ bunt har normalt de eneste elektrisk ledende celler som trenger gjennom bindevevet som isolerer forkamrene fra hjertekamrene.

Bunten har vanlige myocytter med rask ledningsevne, men også pacemakerceller, så hvis det er impulsstopp (blokk) i AV-knuten, kan erstatningsrytme fra His’ bunt gi en normal, om enn langsom ventrikkelaktivering. Blokk i His’ bunt kan gi besvimelse eller død hvis ikke erstatningsrytme fra enda lavere pacemakerceller redder situasjonen.

Høyre gren tar først av og går samlet ned i kammeret. Derfor kan en liten skade som treffer uheldig, blokkere ledningen og gi høyre grenblokk. Venstre gren deles i to (i blant tre) fasikler: bakre og fremre (og ev. en intermediær). Den brer seg som en vifte over et større område, og det skal gjerne en stor skade til for å hindre all ledningen. Når det er grenblokk, er den ene av de to elektriske «motorveiene» i hjertet stengt, og impulsene må krysse et stort antall myocytter for å aktivere det andre hjertekammeret. Det tar tid, og kamrene vil ikke slå helt samtidig. Det gir slark av septum og et mindre effektivt hjertearbeid. I venstre gren kan det også bli blokk enten i fremre eller bakre fasikkel. Aktiveringen av venstre kammer vil da ta litt lengre tid, QRS blir bredere og aktiveringsmønsteret (QRS-aksen) blir unormalt. Dette kalles hemiblokk.

Grenene deles videre til purkinjefibre, som går overalt innunder endokard.

Blodforsyningen

Purkinjefibre

Purkinjefibrene danner et nettverk rett under endokard i hjertekamrene, og sikrer rask impulsspredning til myokard. Cellene er større (både bredere og lengre) enn vanlige myocytter, og har færre myofibriller og rikelig med mitokondrier. Innimellom fins celler med pacemakerevne.

Kardiomyocyttene

Myocyttene leder impulser raskt på langs, og impulsledningen lettes ved at cellene ofte forgrenes og både har kryss- og endeforbindelser. Impulser spres derimot langsomt på tvers (slik de må når det er grenblokk). Impulsutbredelsen bremses ved innskuddsskivene. Ved arvelige feil i innskuddsskivene får myocyttene dårlig kontakt. Impulsene spres da langsomt, kan gå i ring, og det kan oppstå livstruende anfall med rask hjerterytme. Myocyttene i endokard har litt annerledes aksjonspotensialer enn de i epikard (se senere). Det får betydning for EKG.

Depolarisering og repolarisering av myokard

Muskelcellene i endokard har lange aksjonspotensialer, mens de i epikard har kortere. Det skyldes forskjellig fordeling av ionekanalene i epi- og endokard, og særlig at den utadrettede kaliumstrømmen ("transient outward", Ito), som gir den lille repolariseringen i aksjonspotensialets fase I, er kraftigst i epikard.

Den elektriske systolen i epikard er derfor ferdig før enn i endokard, og repolariseringen starter dermed utenfra og går innover. Et galvanometer som registrerer strømmen, vil derfor slå ut samme vei ved de- og repolarisering. Depolariseringens QRS-takker og repolariseringens T-bølger (som vi kommer tilbake til) peker dermed normalt samme vei, de er konkordante.

Den elektriske aktiveringen av hjertekamrene utløser en samlet, kalsiummediert kontraksjon som blir litt faseforskjøvet (forsinket) i forhold til aksjonspotensialet. Denne eksitasjons-kontraksjonskoplingen er både komplisert og klinisk viktig, men det faller utenfor denne kursrammen.

Fra ionestrøm til EKG

Hva er EKG?

• Atriene: EKG viser små utslag fordi de har liten muskelmasse.
• Depolariseringene gir P-bølgen. Langsom bølge gir en avrundet P.
• Repolariseringene gir små utslag (Ta) som som oftest «drukner» i QRS
• Hjertekamrene: EKG viser store utslag fordi hjertekamrene / ventriklene har stor muskelmasse.
• Depolariseringene (summen av alle fase 0-utslagene) gir QRS. Rask ledning gir steile utslag og skarpe takker.
• Repolariseringene gir T-bølgen. Den er avrundet fordi aksjonspotensialene starter lett faseforskjøvet og har ulik varighet.
• Venstre hjertekammer bidrar mest til QRS fordi det har større muskelmasse enn høyre hjertekammer.

Bølger, takker og intervaller i EKG-komplekset

P-bølger og PQ-tid

Varighet maks 0,12 s; styrt av ledningshastigheten, av om atriebanen i taket mellom høyre og venstre atrium er intakt, og størrelsen på venstre atrium. Bredden måles fra første til siste avvik fra grunnlinjen i diastolen, som defineres som T-P-strekningen.

QRS-takker og ST-linjen

U-bølgen