Elettrocardiogramma: fisiologia cardiaca e potenziali d'azione

Introduzione all'Elettrofisiologia Cardiaca

Il professore inizia la lezione con un riassunto in inglese riguardante l'elettrofisiologia, di cui è riportata la traduzione, e annuncia che la lezione odierna riguarderà l'elettrocardiogramma.

Come detto in precedenza, ci sono diversi tipi di potenziale d'azione del miocardio a seconda di durata, forma e correnti coinvolte.

Sono descritti 2 principali potenziali d'azione:

• Uno per i cardiomiociti ventricolari
• Uno per le cellule autoritmiche del miocardio (situate nel nodo senoatriale).

Dobbiamo conoscere che è presente un gradiente tra le due specializzazioni del potenziale d'azione citate precedentemente.

Il potenziale d'azione registrato in un cardiomiocita ventricolare è 105-120 mV: questo significa che il potenziale d'azione intracellulare può andare da un valore negativo (-85/90 mV) a un valore che può essere molto positivo nel corso di ogni singolo battito cardiaco, e può quindi raggiungere un picco che si ripete nella continuità dei battiti.

Dopo il picco iniziale, la membrana di queste cellule rimane depolarizzata per 1,2-1,3 secondi, periodo che viene chiamato "plateau", al quale segue una rapida ripolarizzazione (idealmente il grafico scende in maniere molto rapida).

La presenza di questo plateau porta la contrazione ventricolare a durare molto di più della contrazione che avviene a livello delle cellule muscolari scheletriche.

Per capire il perché di tutto ciò dobbiamo guardare ai principi biofisici che sottostanno a questi eventi, e che ci spiegano cosa avviene a livello di queste differenze.

Differenze tra Potenziale d'Azione Cardiaco e Scheletrico

Ci sono due differenze principali tra questi:

1. Il potenziale d'azione delle cellule muscolari scheletriche è causato quasi interamente dall'apertura molto veloce e contemporanea dei canali del sodio, che causa depolarizzazione della membrana, e permette quindi ad un ammontare considerevole di ioni sodio di entrare nella cellula muscolare in questione. Questi canali si aprono velocemente, rimangono aperti per pochi millisecondi (da 2 a 5), e si chiudono altrettanto velocemente, portando ad una ripolarizzazione della membrana. Nelle cellule cardiache il potenziale d'azione è causato dall'apertura di due tipologie di canali: i canali veloci del sodio (come nel muscolare scheletrico) e canali del calcio di tipo L (long lasting: si aprono ad un potenziale di membrana di circa -20mV, in modo più lento rispetto agli altri canali, e possono rimanere aperti per tempi più lunghi). Mentre il calcio è portato ad entrare nella cellula, il potassio uscirà per garantire equilibrio ionico tra interno ed esterno.

Durante la fase di plateau lo ione calcio attiva anche la contrazione di tipo muscolare: il calcio rilasciato dal reticolo sarcoplasmatico attiverà questo tipo di processo.

1. Dopo l'overshoot del potenziale d'azione, nel muscolo cardiaco c'è un deflusso iniziale del potassio che porta il potenziale a +10mV. Questo fenomeno non è presente nel muscolo scheletrico, ed evita che il potenziale d'azione torni prima del dovuto al suo valore detto "di riposo".

Quando i canali del calcio sono tutti aperti, alla fine del 1,2-1,3 secondi, la permeabilità di membrana per il potassio aumenta di molto, finché il potenziale d'azione non viene riportato al suo stato di riposo.

Fasi del Potenziale d'Azione nel Muscolo Cardiaco

Il professore propone di analizzare meglio le varie fasi del potenziale d'azione a livello del muscolo cardiaco:

• Fase 0: depolarizzazione > la cellula cardiaca viene stimolata e si verifica l'apertura dei canali veloci del sodio. Il potenziale d'azione arriva a circa 20 mV.
• Fase 1: ripolarizzazione iniziale -> i canali veloci del sodio si chiudono e nel mentre iniziano ad aprirsi i canali veloci del potassio.
• Fase 2: plateau > i canali veloci del potassio si chiudono e iniziano ad aprirsi i canali del calcio.

29- Fase 3: rapida ripolarizzazione > i canali del calcio si chiudono e si aprono i canali lenti del potassio. La chiusura dei canali del calcio porta la membrana ad essere molto più permeabile agli ioni potassio e questo porterà il potenziale a ritornare al suo valore di riposo.

• Fase 4: potenziale a riposo > i canali del potassio rimangono aperti fino ad una nuova stimolazione delle cellule cardiache.

Periodo Refrattario Cardiaco

Il muscolo cardiaco, come tutti i muscoli eccitabili, va incontro ad un periodo refrattario post attivazione del potenziale d'azione. Inoltre, il periodo refrattario del cuore è l'intervallo di tempo in cui dei normali impulsi cardiaci non riescono a stimolare le cellule cardiache come avveniva precedentemente al primo stimolo (servono stimoli di intensità molto maggiore).

Il periodo refrattario normale nel ventricolo è 0.25-0.30 secondi, ovvero circa la durata del potenziale d'azione prolungato (che si trova ad esempio negli animali in caso di ipertrofia).

C'è un periodo refrattario aggiuntivo di circa 0,05 secondi in cui il muscolo è più difficile da eccitare rispetto al normale, ma è comunque stimolabile.

Per quanto riguarda quello che succede negli atri, il periodo refrattario è più corto di quello dei ventricoli (0,15s).

Fine del riassunto in inglese

Elettrocardiogramma

Il professore mostra l'estratto del syllabus in cui è presente il programma:

• Triangolo di Einthoven: ricercatore che ha reso fruibile l'elettrocardiogramma, vincendo il Nobel nel 1924.
• Derivazioni: definizione di derivazione standard, precordiale e periferica
• Relazione tra tracciato ECG (onde P, onde T, complesso QRS ... ) e potenziali cardiaci intracellulari
• Principali informazioni fornite dall'elettrocardiogramma: frequenza cardiaca, asse elettrico del cuore

Cenni Storici dell'ECG

La presenza di fenomeni elettrici all'interno del cuore è un concetto conosciuto già dall'800, ma solo agli inizi del 900, con Willem Einthoven, si può parlare di elettrocardiogramma (per la precisione nel 1904).

Esso consiste nella registrazione dell'attività cardiaca complessiva del cuore, registrata tramite elettrodi posizionati sulla superficie corporea. Questa modalità di esame proposta da Einthoven è molto semplice ed è stata automatizzata nel corso del suo sviluppo: dal punto di vista concettuale, invece, non c'è stato un vero e proprio cambiamento da quel tempo ad oggi. I meccanismi fisici alla base sono rimasti gli stessi.

Oltre a basarsi su principi semplici, è un esame facile da eseguire ed a costo relativamente basso, quindi è diventato molto popolare. È più complesso interpretarlo: questo richiede esperienza e preparazione.

Principi Biofisici dell'ECG

I fondamenti in questione sono i flussi di corrente ionica: all'interno del cuore sono in grado di generare dei campi elettrici che non rimangono soltanto nel tessuto miocardico, ma visto che il nostro organismo è ricco di acqua e ioni possono propagarsi fino alla superficie corporea. Il cuore presenta regioni con diversi potenziali, quindi la distribuzione delle cariche elettriche non è uniforme.

Abbiamo quindi la possibilità di poter registrare variazioni di potenziale elettrico che arrivano fino alla superficie.

30Dal punto di vista dell'intensità, quello che registriamo a livello miocardico (si arriva al centinaio di mV, e a volte lo si supera anche) ovviamente è diverso da quello che registriamo sulla cute (1-2 mV): questo perché il segnale viene attenuato.

I mV che arrivano sulla cute possono essere amplificati, ottenendo i cosiddetti "segnali aumentati": il sistema dell'ECG prevede di avere degli amplificatori interni in modo da rendere visibile all'occhio umano quello che sta succedendo, quindi renderlo analizzabile.

Bisogna che ci siano accorgimenti per quanto riguarda la pulizia del segnale: dal punto di vista pratico, quando si esegue un ECG, bisogna posizionare gli elettrodi nei posti designati e stare attenti ad eventuali interferenze (elettrodi non sporchi, evitare interferenze di rete elettrica o dell'ambiente).

Registrazione Integrata dell'Attività Cardiaca

Le registrazioni elettrocardiogramo quello che sta succedendo dal punto di vista elettrico in maniera integrata a livello dei tessuti cardiaci, quindi nel cuore in toto o a livello dei due sincizi.

Non andiamo a studiare singole cellule, ma utilizziamo una registrazione che ci dice cosa sta succedendo a livello globale. Tutte le cellule che stanno scaricando in quel preciso momento si sommano e danno un effetto finale. Quelle che, invece, sono a riposo, non mostrano segnali.

Non parliamo di cellule ma di aree/regioni del cuore/tessuto miocardico che in un certo momento sono attive ed in un altro possono invece essere inattive, in quanto il potenziale d'azione stimolato in un punto non attiva tutto il cuore in maniera sincrona (ci sono aree attivate ed aree adiacenti inattive).

Riassumendo, si tratta di una sommatoria di eventi dielettrici registrati istante per istante.

In ogni momento, da quando inizio la registrazione, vedo un'attivazione in una certa parte del cuore e posso seguirla nel corso del tempo: se l'evento elettrico si sposta, posso creare un tracciato.

Questo concetto riprende la definizione fisica di segnale come grandezza fisica che cambia nel tempo, quindi non fissa, e registrabile con un tracciato.

La grandezza fisica che a noi in questo esame interessa misurare è la differenza di potenziale.

Il tutto è ben diverso da un'analisi effettuata sulla singola cellula: in quel caso oltrepasso la membrana cellulare ed analizzo cosa succede all'interno della cellula rispetto all'esterno, quindi tutte le cariche presenti sul versante interno della membrana rispetto alle cariche presenti all'esterno (vedo la differenza di potenziale a cavallo della membrana).

Per quanto riguarda l'ECG, invece, vedo regioni diverse (attivate o inattivate). Ogni regione, però, è la sommatoria di quello che sta succedendo nelle singole cellule che la compongono.

Il Cuore come Dipolo Elettrico

All'interno del cuore in toto (o di un singolo sincizio) si creano regioni con diversi potenziali: osservo una distribuzione di cariche non uniforme.

Ogni volta che ho delle cariche opposte (positive e negative) sufficientemente vicine, si crea un campo elettrico, ed il modello più semplice in assoluto che abbiamo per descrivere il campo elettrico è quello mostrato nella figura accanto, in cui cariche positive e negative sono cariche elementari e sufficientemente vicine. Questo sistema viene chiamato dipolo (sono presenti due poli che creano il campo stesso).

Il cuore può essere, se lo si semplifica molto, accumunato ad un dipolo elettrico.

All'interno di un campo elettrico, per convenzione, le entità di questo campo (quindi il suo valore, che può essere più o meno alto stando ad indicare quanto è sviluppato il campo stesso) e la direzione con cui si muove la carica sono rappresentate da un vettore, chiamato vettore dipolo o vettore complessivo (se il sistema è più complesso di un dipolo).

Questo vettore, per convenzione, si sposta verso la carica positiva.

Vettore Istantaneo nell'ECG

Abbiamo due modi di ragionare parlando di vettore:

• Vettore istantaneo: andiamo a vedere istante per istante quel vettore quanto è grande (intensità) e in che posizione si trova. Nell'istante successivo, potrebbe essere più o meno ampio rispetto a prima e potrebbe aver cambiato anche la sua direzione. Lo studio avviene sulla sequenza di vettori istantanei, e porta ad un tracciato dell'andamento del segnale.

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