Význam nových parametrů kontraktility a tepové práce pro hodnocení srdeční funkce a prognózy

Souhrn

Hodnocení srdeční funkce je klíčový prvek pro odhad prognózy srdečních onemocnění. Posouzení srdeční funkce in vivo je však ovlivněno mnoha faktory, univerzální parametr, který by definoval status „mechanicky zdravého srdce“, proto neexistuje. V přehledu jsou nové i stávající ukazatele srdeční funkce rozděleny podle toho, zda vyjadřují kontraktilitu nebo mechanickou energii srdeční činnosti. Je diskutována jejich role v hodnocení srdeční fyziologie, způsoby stanovení, možné klinické využití i nevýhody.

Klíčová slova:
srdce – funkce komor – srdeční selhání – ejekční frakce – systolická elastance – tepová práce – srdeční výkon – preload recruitable stroke work

Úvod

Hodnocení srdeční funkce je klíčovou determinantou ke stanovení prognózy kardiologických pacientů. Na rozdíl od stanovení mechanické funkce – ontraktility – ednoho svalového vlákna v laboratorních podmínkách je posouzení funkce celého srdce in vivo ovlivněno mnoha faktory [1]. Ty lze rozdělit na orgánové a systémové. K těm orgánovým patří jednak trojrozměrnost srdečních struktur, jejich anatomický tvar, jejich počet a vzájemný vztah, mikroskopické uspořádání svalových vláken, posloupnost kontrakce svalových vláken, dále pak vlastnosti vazivového intersticia myokardu a mechanické vlastnosti perikardu a chlopenního aparátu. Systémové vlivy zahrnují vlastnosti cévního stromu malého i velkého oběhu (především impedance a elasticita), dále objem krve, její reologické vlastnosti a konečně neurohumorální vlivy.

Je zřejmé, že nalézt in vivo jediný parametr srdeční funkce, který by přesně definoval status „mechanicky zdravého srdce“ není možné. Dosavadní výzkum i klinická praxe dávají přednost ukazatelům s prokázaným prognostickým významem, které jsou snadno měřitelné.

Matematicky i fyzikálně je srdeční funkce nejlépe vyjádřena křivkou srdečního cyklu v PV diagramu (plocha křivky –  závislost tlaku na objemu). Význam i limitace jednotlivých užívaných i nových parametrů ukážeme na něm (obr. 1). Na PV diagramu je vyjádřen srdeční cyklus křivkou, která má pro naše účely přibližně obdélníkový tvar. V praxi je plocha obdélníku ohraničena endsystolickým (endsystolic volume – SV) a enddiastolickým (enddiastolic volume – DV) objemem a středním ejekčním tlakem (mean ejection pressure – MEP) a enddiastolickým tlakem (enddiastolic pressure – DP). Šíře opsaného obdélníku odpovídá tepovému objemu (stroke volume – V). Plocha obdélníku je odrazem srdeční práce vykonané v průběhu jednoho srdečního cyklu, nazývané tepová práce (stroke work – W). Je zřejmé, že při nárůstu systolického tlaku při SW musí klesnout SV. Chceme-li funkci srdce hodnotit dle SV, musíme tak zohlednit skutečnost, že SV je výrazně afterload dependentní. Afterload (neboli dotížení) odpovídá systolickému tlaku v aortě, k překonání vyššího tlaku v aortě zbývá méně energie na vypuzení krve, SV tak klesá při zachování SW. Současně při pohledu na PV diagram je zřejmé, že zvýšení EDV vede k nárůstu SV, a tedy že SV je výrazně preload dependentní (neboli závislý na předtížení). Tedy při zvýšeném plnění levé komory (LK) dojde v důsledku Frank-Starligova principu ke zvýšení SV.

Parametry kontraktility

Ejekční frakce

Výraznou závislost SV na preloadu částečně eliminuje základní parametr mechanické srdeční funkce, ejekční frakce (EF). Je definována jako podíl SV a EDV komory [1,2]. Pokud vzroste EDV, naroste i SV a relativní změna jejich poměru je pak menší než relativní změna samotného SV. Například pokud bude SV 70 ml a EDV 140 ml, EF má hodnotu 0,5. Pokud dojde k nárůstu EDV na 170 ml a k nárůstu SV například na 100 ml (tedy nárůst SV o 42 %), naroste EF na 0,58, tedy „jen“ o 16 %. Podobně, pokud v důsledku nárůstu afterloadu klesne SV, EF se změní méně výrazně –  změna SV se totiž dělí EDV.

Po rozšíření echokardiografie se EF, resp. její přibližný odhad s využitím aproximativních vzorců, stala díky svému prognostickému významu a snadné stanovitelnosti kritériem pro indikaci celé řady farmakologických i chirurgických terapeutických intervencí –  od farmakoterapie srdečního selhání přes srdeční resynchronizační léčbu až po indikace ke kardiochirurgickým operacím [3– 5]. Jak ale vyplývá právě z PV diagramu, jedná se o jed-norozměrnou veličinu, která při popisu srdeční funkce vůbec nezohledňuje tlakové poměry v srdečních oddílech a vykonanou srdeční práci. EF má při posuzování srdeční kontraktility především tyto limitace:

1. Relativitu parametru – podíl SV a EDV. To způsobuje, že patologicky hypertrofická LK s malou dutinou bude mít malý SV, malý minutový výdej srdeční, a přesto díky malému EDV normální nebo dokonce vysokou EF. Příkladem jsou pacienti s těžkou hypertrofickou kardiomyopatií, syndromem nízkého minutového výdeje, a přesto EF často nad 70 %. Uvedené může představovat obtíže např. při kvantifikaci chlopenních vad [6].
2. Závislost EF na preloadu a afterloadu není zanedbatelná [7–9]. V klinické praxi EF nejvíce selhává u pacientů s regurgitačními chlopenními vadami, zejména mitrální regurgitací, při níž si LK v systole „odlehčí“ regurgitací krve do „nízkotlaké“ levé síně. EF je „falešně“ vyšší, což ozřejmí její pokles po korekci regurgitační vady v důsledku nárůstu afterloadu po korekci vady. Celý vztah je ještě složitější a přesahuje rámec tohoto přehledu, odkazujeme na literaturu v referencích [10]. Dalším příkladem nedostatečnosti EF jako parametru pro hodnocení srdeční funkce je tzv. afterload mismatch při kritické aortální stenóze, kdy vysoký afterload vede k významnému poklesu EF.

Z uvedených důvodů EF LK není jako samostatný parametr použitelná jako kritérium k zavedení mimotělních oběhových podpor u pacientů s akutním selháním LK v kardiogenním šoku, k ukončení oběhové podpory, ale ani jako indikační kritérium k ortotopické transplantaci srdce (OTS) [11]. Uvedené limitace a uvedené nové léčebné postupy vedly k hledání nových parametrů globální srdeční funkce a kontraktility. Mezi intenzivně zkoumané ukazatele patří endsystolická elastance (end-systolic elastance), tepová práce (stroke work –  SW) a PRSWR nebo také zkráceně Mw (slope of preload recruitable stroke work a cardiac power output).

Endsystolická elastance

Pokud by byla teoreticky v průběhu celé systoly uzavřena aortální chlopeň, bude veškerá srdeční energie v průběhu systoly vynaložená jen do zvýšení krevního tlaku v komoře. Spojíme-li na PV diagramu průsečík maximálního tlaku dosaženého při této čistě izovolumické kontrakci (P_max) a daného EDV s průsečíkem endsystolického tlaku (ESP) a ESV v průběhu běžného srdečního cyklu, získáme přímku vyjadřující vztah mezi ESP a ESV (end-systolic pressure volume relationship – ESPVR). Sklon této křivky se nazývá slope of ESPVR neboli endsystolická elastance (obr. 2) [12]. Tento parametr je dobrým ukazatelem srdeční kontraktility. Sklon křivky ESPVR (neboli endsystolická elastance) se změní vlivem pozitivně inotropního podnětu (např. podáním dobutaminu nebo při zátěži) [13]. Přesto vykazuje jistou míru preload dependence, a to i při reálném použití během srdeční katetrizace [14]. Z toho důvodu je nyní v experimentu více k hodnocení kontraktility využíván slope of preload recruitable stroke work relationship, viz dále. Byla vyvinuta metodika k neinvazivnímu stanovení endsystolické elastance, vyžaduje však stanovení celé řady parametrů, a jeví se tak poměrně pracná [13].

Slope of preload recruitable stroke work relationship (slope of PRSWR nebo také zkráceně Mw)

Tepová práce LK je energie vynaložená srdcem na vypuzení SV krve do aorty v průběhu systoly a odpovídá ploše ohraničené křivkou vykreslenou na diagramu závislosti tlaku na objemu LK (PV diagram) v průběhu jednoho srdečního cyklu (obr. 1).

Zjednodušeně ji lze vyjádřit vztahem [11,15,16]:

SW ≈ (MEP – EDP) × SV

přičemž SV = EDV – ESV

Na rozdíl od EF je SW nezávislá na afterloadu. S narůstajícím afterloadem totiž sice klesá SV (plocha opsaná křivkou se ve směru osy x zužuje), ale roste tlak (nárůst plochy ve směru osy y).

Podle Frank-Starlingova principu je SW závislá jen na preloadu a tento vztah je považován za lineární [11,16,17]. Linearita tohoto vztahu byla předložena v roce 1985 Glowerem et al [18]. Autoři měřili u psů celkový objem LK (včetně myokardu) a posléze stanovili i objem myokardu LK (po usmrcení psů), z rozdílu počítali EDV. Dále byl při experimentu sledován průtok krve a tlak krve v aortě a transmurální tlak LK. SW počítali jednak jako součin rozdílu MEP –  EDP a tepového objemu v aortě (viz vzorec výše) a jednak jako integrál křivky transmurálního tlaku a objemu LK (PV diagram – plocha křivky). Hodnoty SW z pěti srdečních cyklů při různém EDV navozeném experimentálně byly zaznamenány do diagramu závislosti SW na EDV LK. Tento vztah je v angličtině označovaném jako „preload recruitable stroke work“. Závislost vykazovala jasnou linearitu, sklon přímky je pak označován v angličtině jako „slope of preload recruitable stroke work – Mw“, průsečík přímky s osou x je označován jako volume intercept (Vw) (obr. 3). Pro SW pak platí lineární vztah:

SW = Mw (EDV – Vw)

Hodnota Mw odráží kontraktilitu myokardu. Nižší hodnota Mw odpovídá nižší kontraktilitě, vyšší hodnota Mw pak odráží vyšší kontraktilitu srdečního myokardu. Glower et al prokázali nezávislost parametru Mw na venodilatačních i vazokonstrikčních podnětech (tedy na preloadu a afterloadu) a naopak jeho závislost na inotropních podnětech; podání pozitivně inotropních látek vedlo k vzestupu Mw [18].

V experimentu je pro stanovení PRSW výše uvedeným postupem dosahováno změny EDV částečnou okluzí dolní duté žíly, což v klinické praxi nelze. Protože je hodnota Vw u jednotlivce poměrně konstantní, lze při znalosti echokardiograficky/ ventrikulograficky změřených objemů LK, srdeční masy, tlaku v aortě a EDV v LK stanovit Mw z jednoho srdečního cyklu při srdeční katetrizaci [19]. Mw je tedy v klinické praxi stanovitelný s využitím levostranné srdeční katetrizace.

Význam nových parametrů kontraktility

V klinickém výzkumu se Mw stal uznávaným referenčním ukazatelem kontraktility, se kterým jsou porovnávány jiné zavedené nebo klinicky snadněji využitelné metody, např. echokardiograficky stanovený strain a strain rate [20– 22].

Shingu et al demonstrovali prognostický význam Mw u operace mitrální chlopně pro regurgitaci [23]. PRSW není zatížen fenoménem afterload mismatch, a může tak být přínosný k odlišení pseudostenózy a kritické aortální stenózy s nízkou EF, ale zachovanou kontraktilitou.

PRSW je považován za dobrý parametr pro hodnocení důsledků akutní ischemie myokardu, a stal se proto frekventně využívaným v experimentu [24– 28] na zvířecích modelech. Metodika je však pro rutinní klinickou praxi poměrně pracná.

Zjednodušením vzorce pro Mw lze získat parametr, který [29] odpovídá hodnotě SW/ EDV a který je zároveň silným prognostickým markerem v akutní fázi infarktu myokardu a lze jej stanovit pouze z hodnot EF LK, EDP LK a systolického krevního tlaku v aortě.

Limitace nových parametrů kontraktility při odhadu prognózy nemocných

V současnosti nejsou k dispozici rozsáhlejší práce dokumentující dobře prognostický význam kontraktility myokardu na širší populaci. Problémem může být skutečnost, že kontraktilita myokardu se v čase u zdravého i nemocného srdce mění a je ovlivněna pozitivně a negativně inotropními léky (katecholaminy, anestetika apod.) [30]. Uvedený problém se však týká i v současnosti užívaných prognostických markerů, jako je EF, dP/ dt apod. Roli hraje i změna kontraktility ve fyziologickém rozmezí vlivem endogenní aktivace sympatiku např. při zátěži apod. Řešením je stanovení myokardiální rezervy pomocí PRSW relationship nebo SW [31]. Opět ale narážíme na pracnost, a tak omezenou použitelnost v klinické praxi. U pacientů na mimotělní oběhové podpoře je měření vztahu PRSW zkresleno, přičemž právě u této skupiny by hodnocení kontraktility mohlo pomoci při rozhodování o ukončení oběhové podpory [32].

Parametry práce a výkonu

SW LK (left ventricular stroke work, stroke work)

Byla popsána výše.

Srdeční výkon

Srdeční výkon (cardiac power output – CPO) je ukazatelem intenzity srdeční práce či přesněji rychlosti, s jakou je srdeční práce vykonávána (tepovou frekvenci – R). CPO je tedy podobně jako SW závislý na preloadu a kontraktilitě a navíc i srdeční frekvenci. Je vyjádřením minutového výdeje a krevního tlaku [33]: 

CPO = MAP × SV × HR = MAP × CO

(MAP – třední hodnota krevního tlaku, mean arterial pressure, CO –  srdeční výdej)

Z uvedeného vyplývá, že CPO není SW LK × HR, protože nezohledňuje diastolický tlak v LK. Terminologie je v literatuře značně měnlivá a nepřesná, parametry SW a CPO/ HR bývají zaměňovány [34]. Tato skutečnost je velmi podstatná zejména u regurgitačních vad, kdy roste preload (diastolický tlak v komoře) a jeho zohlednění je pro hodnocení srdeční funkce nezbytné [10], což využití CPO v těchto případech (pro odhad vývoje srdeční funkce po operaci vady) teoreticky kompromituje. Na druhou stranu, podobně jako v případě SW není CPO afterload dependentní a netrpí fenoménem tzv. afterload mismatch. Protože je CPO na kontraktilitě závislý, je rovněž ovlivněn inotropními faktory.

Význam a limitace parametrů práce a výkonu

Hodnota SW i CPO v klidu je závislá na kontraktilitě i preloadu. Pro odhad prognózy trpí stejnými limitacemi jako parametry kontraktility. Na rozdíl od nich je ale CPO snáze stanovitelný, a proto i snáze měřitelný při zátěži. Spiroergometrie u chronického srdečního selhání opakovaně prokázala svůj přínos, přičemž vrcholová spotřeba kyslíku koreluje s vrcholovým srdečním výkonem [35]. Zatímco měření kontraktilní rezervy je vzhledem k náročnosti stanovení srdeční kontraktility (viz výše) poměrně složité, zhodnocení peak CPO (vrcholového srdečního výkonu při fyzické nebo farmakologické zátěži) se jeví jednodušší. Jedná se v podstatě o srdeční rezervu vyjádřenou pomocí CPO. Chomsky et al ve své práci prokázali, že odpověď CPO na zátěž je silným prognostickým markerem 1ročního přežití pacientů s chronickým srdečním selháním [35]. Dle Tana mají pacienti s CPO při stimulaci dobutaminem nižším než 1 W, což odpovídá normální klidové hodnotě CPO u zdravého člověka, velmi špatnou prognózu [36].

U pacientů s akutním koronárním syndromem v kardiogenním šoku je kontraktilní rezerva zcela vyčerpána. U této skupiny pacientů stanovení srdeční rezervy nemá smysl a samotný aktuální CPO je nejsilnějším prediktorem hospitalizační mortality, převyšuje všechny ostatní zkoumané hemodynamické ukazatele (PRSW jako přesný parametr kontraktility nebyl v této souvislosti dosud v žádné práci hodnocen). Spolu s tepovou prací se ukázal být nezávislým prediktorem i v multivariantní analýze [34]. Důležité je rovněž zjištění, že CPO si zachoval svůj prediktivní význam i v případě užití intraaortální balonkové kontrapulzace (IABP). Tato práce však nezahrnovala pacienty s izolovaným selháním pravé komory srdeční.

Zajímavým příkladem dlouhodobě využívaného hodnocení CPO (aniž by bylo takto označováno) je stanovení kontraktilní rezervy myokardu u těsné aortální stenózy s dysfunkcí LK pomocí dobutaminové echokardiografie. V průběhu vyšetření hodnotíme SV a srdeční frekvenci (minutový výdej), krevní tlak a gradient na aortální chlopni, dohromady tak v podstatě posuzujeme CPO a jeho vývoj při farmakologické zátěži. Vzestup gradientu na aortální chlopni se vzestupem minutového výdeje při neklesajícím systémovém krevním tlaku (tedy v podstatě vzestup CPO) je pokládán za průkaz kontraktilní rezervy a prognosticky příznivou známku podporující indikaci k operačnímu řešení vady.

Závěr

EF neodráží přesně srdeční kontraktilitu, je částečně preload i afterload dependentní a v některých situacích se o ni nelze opírat při rozhodování o další léčbě – apř. při indikaci k operaci chlopenní vady nebo indikaci k OTS. Nové parametry hodnocení srdeční funkce se staly užitečnými v klinickém výzkumu a díky tomu mohou najít uplatnění i v klinické praxi. Jejich největší limitací pro rutinní užití je pracnost jejich stanovení. V určitých situacích (chlopenní vady, kardiogenní šok) však nemají alternativu. Lze shrnout, že parametry kontraktility jako endsystolická elastance a PRSW relationship našly svůj význam především jako referenční ukazatele srdeční stažlivosti ve výzkumu a klinicky mohou být přínosné v situacích, kde je preload či afterload výrazně patologicky změněný a EF nelze pro hodnocení srdeční funkce použít. Tyto situace zahrnují především zmíněné regurgitační vady, jako je akutní ischemická mitrální regurgitace a také stenotické vady s afterload mismatch. Oproti tomu ukazatele srdeční práce a výkonu – W index a CPO – jsou snadněji stanovitelné, měřitelné tak i při zátěži, a především jejich vrcholové hodnoty (tedy srdeční rezerva) jsou silným prognostickým markerem pacientů se srdečním selháním nezávisle na hodnotě EF. V případě kardiogenního šoku je srdeční rezerva vyčerpána a vztah mezi CPO a prognózou je přímý.

Doručeno do redakce: 24. 9. 2017

Přijato po recenzi: 2. 10. 2017

MUDr. Martin Tesák

www.nem-tr.cz

mtesak@nem-tr.cz