Slide 1 Eccitabilità BATMOTROPISMO Automatismo-Ritmicità CRONOTROPISMO Conduzione del Pot. dAz. DROMOTROPISMO Contrattilità INOTROPISMO PROPRIETA FUNZIONALI DELLE CELLULE CARDIACHE Su queste proprietà sono in gran parte basate funzione, regolazione, disfunzione del cuore e possibilità terapeutiche Slide 2 La conoscenza delle proprietà elettrofisiolofiche del cuore (eccitabilità, automatismo e modalità di conduzione del potenziale dazione) sono indispensabili per la comprensione dellECG Slide 3 Elettrofisiologia cardiaca Il potenziale dazione cardiaco Slide 4 Nodo S-A e A-V Miocardio di lavoro Atriale Sist. Conduzione Ventricolare Miocardio di lavoro Ventricolare Il potenziale dazione cardiaco è un fenomeno: - eterogeneo (2 morfologie principali: rapido e lento) - di lunga durata (centinaia di ms) - multifasico - durata e morfologia sono sensibili a molti fattori Slide 5 Potenziale dazione delle cellule del miocardio di lavoro ventricolare Fase 0: rapida depolarizzazione Fase 1: ripolarizzazione iniziale rapida Fase 2: plateau o ripolarizzazione lenta Fase 3: ripolarizzazione finale rapida Fase 4: diastolica Slide 6 Come nel caso di altri tessuti eccitabili, il meccanismo del potenziale dazione cardiaco è rappresentato da modificazioni transitorie e sequenziali della conduttanza della membrana ad alcune specie ioniche. La sequenza di modificazioni di conduttanza è innescata da una depolarizzazione critica del potenziale di membrana di riposo. Slide 7 IKIK I Na Nellassone gigante di calamaro e nelle fibre muscolari scheletriche, la tecnica di blocco del voltaggio aveva consentito: - di dimostrare le variazioni di G ionica innescate da una depolarizzazione sopraliminare di Vm I i =Σ(G i.(V m -E i )); - di dissezionare la corrente ionica totale nelle sue componenti inward e outward responsabili della depolarizzazione e ripolarizzazione del pot. daz. Slide 8 Dissezione della corrente ionica totale nelle componenti inward e outward responsabili della depolarizzazione e ripolarizzazione del pot. daz. Slide 9 Vecchie osservazioni sperimentali avevano suggerito che la lunga durata del potenziale dazione cardiaco fosse giustificata: -da un secondo meccanismo depolarizzante Ca 2+ dipendente lento e di lunga durata - da una riduzione della conduttanza di riposo per il K + - da un ritardato aumento di quella conduttanza per il K + che nel nervo e nel muscolo è capace di produrre la rapida ripolarizzazione del pot. daz. Slide 10 (I Na ) (I K1 ) (I Kr, I Ks ) (I Ca-L ) (I TO ) Le basi ioniche del potenziale dazione cardiaco sono state dissezionate solo dopo lintroduzione delle tecniche di patch clamp e di metodiche che hanno consentito di isolare singoli miociti cardiaci intatti. Slide 11 CORRENTI DEPOLARIZZANTI I Na Fast Inward Current I Ca-L Slow Inward Current Slide 12 I Na Fast Inward Current -Corrente transitoria molto rapida e intensa -Mediata da famiglia di canali sodio simili a quelli dei neuroni e del m. schel. ma specifici del cuore -Responsabile della fase di rapida depolarizzazione (fase 0) del pot daz. Cardiaco -Contribuisce allelevata velocità di conduzione del pot. daz. I Na = G Na. (E m -E Na ) In seguito allo step di Em, G Na si attiva molto rapidamente e si inattiva più lentamente I Na =G Na (t) Slide 13 Slide 14 Confronto I Na cardiac vs. neuron Slide 15 Lo studio della V m dipendenza dellattivazione di I Na spiega le caratteristiche (soglia, rapidità, ampiezza) della fase 0 del potenziale dazione cardiaco. -Curva Intensità-Voltaggio I Na = G Na. (E m -E Na ) Slide 16 E m -dipendenza dellattivazione di I Na Slide 17 Lo studio dellinattivazione di I Na (tempo- e voltaggio-dipendenza) spiega: -le caratteristiche della refrattarietà elettrica del miocardio di lavoro; -la sensibilità del pot. daz. cardiaco e della sua velocità di conduzione al potenziale di membrana di riposo Slide 18 RRP=periodo refrattario relativo SN= periodo supernormale ERP= periodo refrattario effettivo Slide 19 Slide 20 Cinetica del recupero dallinattivazione di I Na Slide 21 Voltaggio-dipendenza dellinattivazione dei canali di I Na Slide 22 Voltaggio-dipendenza dellinattivazione dei canali del sodio Slide 23 Linattivazione Em-dipendente dei canali di I Na è responsabile della riduzione di ampiezza, velocità di depolarizzazione e velocità di conduzione del potenziale dazione cardiaco (condizioni pro-aritmogeniche) causata da riduzioni del potenziale di riposo presenti in varie condizioni patologiche. Effetto dellaumento della [K + ] e sul potenziale dazione cardiaco: riduzione ampiezza, riduzione velocità depolarizzazione, riduzione velocità di conduzione Slide 24 100 ms 100 mV I canali che mediano I Na sono bloccati da TTX e dagli anti-aritmici di classe I (anestetici locali) alcuni dei quali prolungano il periodo refrattario effettivo delle cellule cardiache. Slide 25 I Na Fast Inward Current -Corrente transitoria molto rapida e intensa -Mediata da famiglia di canali sodio simili a quelli dei neuroni e del m. schel. ma specifici del cuore -Responsabile della fase di rapida depolarizzazione (fase 0) del pot daz. cardiaco -Contribuisce allelevata velocità di conduzione del pot. daz. -Principale responsabile di refrattarietà e restituzione elettrica -Bersaglio di fattori di regolazione fisiologica? -Bersaglio di farmaci anti-aritmici di classe I (anestetici locali) I Na = G Na. (E m -E Na ) Slide 26 CORRENTI DEPOLARIZZANTI I Na Fast Inward Current I Ca-L Slow Inward Current Slide 27 -Corrente transitoria relativamente lenta e non molto intensa -Mediata da famiglia di canali del Ca 2+ di tipo L (long lasting, high threshold) -Contribuisce alla fase 2 (plateau) del pot.daz. cardiaco -Attiva e partecipa ai meccanismi di accoppiamento E-C -60 mV +20 mV 100 pA I Ca-L = G Ca. (E m -E Ca ) In seguito allo step di E m, G Ca si attiva in tempi non molto rapidi e si inattiva piuttosto lentamente Slide 28 Curva intensità-voltaggio e attivazione di I Ca-L I Ca-L = G Ca. (E m -E Ca ) outw inw Slide 29 Ruolo di I Ca-L nel potenziale dazione Slide 30 Recupero del PARecupero dallinattivazione di I Ca-L Il recupero dallinattivazione di I Ca-L contribuisce alla restituzione elettrica del miocardio Slide 31 Ruolo di I Ca-L nellaccoppiamento E-C del muscolo cardiaco Slide 32 Voltaggio dipendenza del transiente di Ca 2+ e della contrazione dei miociti cardiaci sono simili a quella di I Ca-L Slide 33 Calcium Induced Calcium Release (CICR) 2 Lingresso di Ca 2+ dal LEC è indispensabile per la contrazione del m. cardiaco perché rappresenta il segnale necessario per la liberazione di Ca 2+ dai depositi intracellulari. (DHPR) Slide 34 Accoppiamento Eccitazione-Contrazione nel Miocardio Contributo del Ca 2+ extra- e intra-cellulare e macromolecole ancorate a membrane coinvolte nel trasporto dello ione (DHPR, RyR, SERCA; PLB (phospholamban); NCX (sodium- calcium exchanger); PMCA (plasma-membrane calcium ATPase) DHPR Slide 35 Regolazione fisiologica e farmacologica di I Ca-L Slide 36 La fosforilazione dei canali del Ca 2+ di tipo L (DHPR), mediata da cAMP, è parzialmente responsabile delleffetto inotropo + (aumento della quantità di Ca 2+ che entra dal LEC e di quella liberata dal RS durante il PA) prodotto dalla stimolazione beta-adrenergica DHPR A Kinase Anchoring Protein L Slide 37 I canali del Ca2+ di tipo L sono bersaglio diretto di antiaritmici di classe IV (Ca- antagonisti, DHP) e indiretto di anti-aritmici di classe II (β-bloccanti) Effetto diltiazem Slide 38 I Ca-L Slow Inward Current -Corrente transitoria lenta e non molto intensa -Mediata da famiglia di canali del Ca 2+ di tipo L (long lasting, high threshold) -Contribuisce alla fase 2 (plateau) del pot.daz. cardiaco -Attiva e partecipa ai meccanismi di accoppiamento E-C -Bersaglio importante di fattori fisiologici di regolazione dellinotropismo -Bersaglio di farmaci anti-aritmici di classe II (β-boccanti)e IV (Ca-antagonisti) -Responsabile di insorgenza e refrattarietà di pot.daz. lenti (nodo S-A e A-V) -60 mV +20 mV 100 pA I Ca-L = G Ca. (E m -E Ca ) Slide 39 (I Na ) (I K1 ) (I Kr, I Ks ) (I Ca-L ) (I to ) Slide 40 CORRENTI RIPOLARIZZANTI Slide 41 I K1 Inward (Anomalous) Rectifier -Corrente outward responsabile del potenziale di riposo del miocardio di lavoro. -Mediata da canali dotati di rettificazione verso linterno, …. Slide 42 I K1 Inward (Anomalous) Rectifier -Corrente outward responsabile del potenziale di riposo del miocardio di lavoro. -Mediata da canali dotati di rettificazione verso linterno, sparisce durante il pot. daz. innalzando la resistenza dingresso delle cellule miocardiche e favorendo in modo importante la lunga durata del pot. daz. (in generale amplifica leffetto di correnti ioniche anche modeste su E m ). Limita la perdita di K + dalle cellule cardiache durante lattività elettrica. -Contribuisce alla fase terminale (3) della ripolarizzazione Slide 43 Comportamento di I K1 nel potenziale dazione Slide 44 I K1 Inward (Anomalous) Rectifier -Corrente outward responsabile del potenziale di riposo del miocardio di lavoro. -Mediata da canali dotati di rettificazione verso linterno, sparisce durante il pot. daz. innalzando la resistenza dingresso delle cellule miocardiche e favorendo in modo importante la lunga durata del pot. daz. (in generale amplifica leffetto di correnti ioniche anche modeste su E m ). Limita la perdita di K + dalle cellule cardiache durante lattività elettrica. -Contribuisce alla fase terminale (3) della ripolarizzazione -La sua sensibilità a [K + ] e contribuisce (con la E m -dipendenza dellinattivazione dei canali del Na + ) a spiegare gli effetti di variazioni di kaliemia sulleccitabilità cardiaca Slide 45 Slide 46 I to Transient Outward Currents -Gruppo eterogeneo di correnti E m e [Ca 2+ ]-dipendenti. -La pricipale di queste (I to1 ) è mediata da canali E m -dipendenti del K + dotati di attivazione e inattivazione relativamente rapide e rappresenta il principale meccanismo responsabile della fase 1 del pot. daz. -80 mV +20 mV Slide 47 Comportamento di I to1 nel potenziale dazione Slide 48 -Gruppo eterogeneo di correnti E m e [Ca 2+ ]-dipendenti. -La pricipale di queste (I to1 ) è mediata da canali E m -dipendenti del K + dotati di attivazione e inattivazione relativamente rapide e rappresenta il principale meccanismo responsabile della fase 1 del pot. daz. La variabilità della sua espressione contribuisce alla eterogeneità della morfologia del potenziale dazione nel miocardio di lavoro I to Transient Outward Currents Slide 49 -Gruppo eterogeneo di correnti E m e [Ca 2+ ]-dipendenti. -La pricipale di queste (I to1 ) è mediata da canali E m -dipendenti del K + dotati di attivazione e inattivazione relativamente rapide e rappresenta il principale meccanismo responsabile della fase 1 del pot. daz. La variabilità della sua espressione contribuisce alla eterogeneità della morfologia del potenziale dazione nel miocardio di lavoro. -La componente [Ca 2+ ] i -dipendente (I to2 ) è mediata da canali del Cl - attivati dallaumento della [Ca 2+ ] i innescata dai processi di accoppiamento E-C. Questa componente dura un po più a lungo di I to1 e, oltre a contribuire alla fase 1, partecipa ai meccanismi ripolarizzanti di fase 2 (contribuisce anche ai meccanismi di feed-back negativo tra ampiezza del transiente di Ca2+ e durata del potenziale dazione). I to Transient Outward Currents Slide 50 Comportamento di I to nel potenziale dazione I to2 (I Cl(Ca) ) Slide 51 I K Delayed (Outward) Rectifiers -Famiglia disomogenea di piccole correnti ripolarizzanti mediate da almeno 3 tipi di canali ionici E m -dipendenti (I Ks I Kr I Kur ) che contribuiscono alla fase 2 e sono responsabili della fase 3 del pot. daz. - Questi canali sono bersaglio di farmaci anti-aritmici di classe III (bloccanti dei canali del K + che tendono a prolungare pot. daz. e periodo refrattario) che bloccano in modo selettivo i diversi tipi canale Slide 52 I Ks (prototipo classico delle Delayed Rectifiers) -Corrente outward (rettificante verso lesterno) con attivazione estremamente lenta e che non si inattiva nel tempo: inattivazione solo E m - dipendente e lenta. -Rappresenta uno dei pricipali meccanismi responsabili della fase 3; nella fase 2 contribuisce al delicato equilibrio tra correnti de- e ripolarizzanti. Slide 53 Comportamento di I Ks nel potenziale dazione Slide 54 I Ks (prototipo classico delle Delayed Rectifiers) -Corrente outward (rettificante verso lesterno) con attivazione estremamente lenta e che non si inattiva nel tempo: inattivazione solo E m -dipendente e lenta. -Rappresenta uno dei pricipali meccanismi responsabili della fase 3; nella fase 2 contribuisce al delicato equilibrio tra correnti de- e ripolarizzanti. -La sua lenta inattivazione contribuisce allabbreviazione della durata del potenziale dazione che si osserva allaumentare della frequenza cardiaca. - Bersaglio di meccanismi di regolazione fisiologica (stimolazione beta- adrenergica); in buona parte responsabile dellabbreviazione del potenziale dazione che si osserva sotto stimolazione beta-adrenergica Slide 55 I Kur (una delayed rectifier poco delayed) - Mediata da canali K+ con proprietà qualitativamente simili a quelli di I Ks ma con attivazione estremamente più rapida. - La sua espressione variabile contribuisce alla eterogeneità di forma e durata del potenziale dazione: una significativa espressione di I Kur abbrevia il potenziale dazione accelerandone la ripolarizzazione Slide 56 I Kr (una strana Delayed Rectifier) -Mediata da canali K+ espressione di un gene denominato hERG (Human Ether-a-go-go Related Gene) -Lattivazione della corrente è relativamente rapida mentre linattivazione è rapidissima ma viene istantaneamente rimossa dalla ripolarizzazione di Em. Slide 57 Comportamento di I Kr nel potenziale dazione I Kr In fase 3, la ripolarizzazione rimuove rapidamente linattivazione dei canali hERG con aumento di I Kr che accelera la velocità di ripolarizzazione (feed-back positivo ) Grazie alle sue proprietà elettrofisiologiche contribuisce moderatamente alle correnti ripolarizzanti in fase 2 ma aumenta in modo significativo in fase 3. Slide 58 Slide 59 FASI E PRINCIPALI CORRENTI IONICHE DEL POTENZIALE DAZIONE DEL MIOCARDIO DI LAVORO Fase 0 I Na Fase 1 I to, Fase 2 I Ca-L, I Kur, I Kr, I Ks Fase 3 I Kur, I Kr, I Ks, I K1 Fase 4 I K1 Slide 60 1.5 x I to1 1.5 x I to2 I Kr + I Ks I Na-K-ATPase CORRENTI INWARD DEPOLARIZZANTI CORRENTI OUTWARD RIPOLARIZZANTI Slide 61 PRINCIPALI MECCANISMI DI MEMBRANA CHE GENERANO CORRENTI IONICHE NEL MIOCARDIO DI LAVORO Canali ionici: Voltaggio-dipendenti: I inward : I Na, I Ca-L I outward : I K1, I to1, I Kur, I Kr, I Ks Ligand gated : I outward : I K(Ach), I K(ATP) Altre macromolecole: Scambiatori : I inward : I Na/Ca di membrana Pompe attive : I outward : I Na-K ATPase Le conduttanze (e le correnti) ioniche che si attivano durante gran parte del potenziale dazione cardiaco sono molto modeste. Lelevata resistenza dingresso offerta dai miociti durante il potenziale dazione consente anche a meccanismi elettrogenici, trascurabili in altri tessuti, di influenzare morfologia e durata del potenziale dazione cardiaco. Slide 62 Slide 63 Lingresso di 3Na + mediante NCX può garantire efflusso di 1Ca 2+ se 3(E Na – E m )>2(E Ca – E m ) Il potenziale di equilibrio (inversione) di NCX è E NCX = 3E Na – 2E Ca Le quantità di Ca 2+ espulso dalla cellula da NCX variano col variare dei gradienti elettrochimici di Na + e Ca 2+