心臓のポンプ機能。心拍出量とその調節。

🧠 心拍出量の調節は「異長性heterometric異長性（heterometric）heterometric（異長性）」と「等長性homometric等長性（homometric）homometric（等長性）」の2軸で整理する。 異長性調節heterometric regulation (Frank-Starling mechanism) 異長性調節（heterometric regulation (Frank-Starling mechanism)）heterometric regulation (Frank-Starling mechanism)（異長性調節） ＝内因性機構 Frank-Starling 内因性機構（Frank-Starling） Frank-Starling（内因性機構） 機構＝「筋線維の初期長 initial length 初期長（initial length） initial length（初期長） （前負荷, preload）を変えて力を変える」、等長性調節Homometric regulation 等長性調節（Homometric regulation）Homometric regulation（等長性調節） ＝神経・液性因子Humoral factors 液性因子（Humoral factors）Humoral factors（液性因子） ＝「線維長を変えずに収縮力そのものを変える」。この2つが独立に、しかし協調してCOを決めている。

心拍出量

左心室が大動脈へ1分間に拍出する血液量。

$CO = HR \times SV = 70\ \text{拍/分} \times 80\ \text{mL} = 5.6\ \text{L/分（安静時）}$

心係数cardiac index 心係数（cardiac index）cardiac index（心係数） （CI）＝CO／体表面積body surface area, BSA体表面積（body surface area, BSA）body surface area, BSA（体表面積）。体格の異なる人どうしでCOを比べるための指標で、基準値baseline / reference value 基準値（baseline / reference value）baseline / reference value（基準値） は約2.6〜4.2 L/分/m²である（別講義の例：CO 5 L/分）。

⚠️ 心拍出量の測定法には「唯一正しい値」はなく、どの方法にも誤差がある。 ヒトでの既報14件を統合した解析では、熱希釈法thermodilution熱希釈法（thermodilution）thermodilution（熱希釈法）・Fick法・色素希釈法 dilution method 希釈法（dilution method） dilution method（希釈法） は互いに同程度の正確さを持つ独立参照法とみなせる一方、市販marketing 市販（marketing）marketing（市販） の熱希釈法 thermodilution 熱希釈法（thermodilution） thermodilution（熱希釈法） 装置による再現性には限界があり、3回測定の平均同士の比較で12〜15%（平均13%）、1回測定同士の比較で20〜26%（平均22%）以上の差がなければ臨床的に意味のある変化とはいえない¹。心エコーによる推定にも同様に測定・計算過程に由来する誤差が伴う。

総末梢血管抵抗total peripheral resistance, TPR 総末梢血管抵抗（total peripheral resistance, TPR）total peripheral resistance, TPR（総末梢血管抵抗） ： 動静脈圧較差 pressure gradient 圧較差（pressure gradient） pressure gradient（圧較差） と血流量（≈CO）の比。

一回拍出量（SV）と駆出率（EF）

COを決める4因子

flowchart TD
  A["心拍出量 CO"]
  A --> B["心臓因子"]
  A --> C["結合因子（心臓+循環系）"]
  B --> B1["心拍数 HR（heart rate）"]
  B --> B2["心筋<span class='jp-term jp-term-diagram' title='contractility'>収縮性</span>（SYM活動の影響を受ける）"]
  C --> C1["前負荷：拡張期に筋線維を伸展させる力（=<span class='jp-term jp-term-diagram' title='diastolic filling'>拡張期充満</span>）"]
  C --> C2["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='afterload'>後負荷</span>：収縮する筋が抗すべき力（=<span class='jp-term jp-term-diagram' title='aortic pressure'>大動脈圧</span>）"]

異長性調節＝内因性機構機構

筋線維の初期長 initial length 初期長（initial length） initial length（初期長） の違いが収縮力を変える、という原理。

• Otto Frankの実験： 生理的範囲内では収縮力は初期線維長に比例する。拡張期充満diastolic filling 拡張期充満（diastolic filling）diastolic filling（拡張期充満） （前負荷）が大きいほど収縮が強くなるが、ある点を超えるとそれ以上圧は増えない。
• Starlingの実験： 静脈還流増加→拡張期充満圧 diastolic filling pressure 拡張期充満圧（diastolic filling pressure） diastolic filling pressure（拡張期充満圧） 増加→SV増加という結論 conclusion結論（conclusion） conclusion（結論）。

⭐ 内因性機構Frank-Starling 内因性機構（Frank-Starling）Frank-Starling（内因性機構） の法則 Frank-Starling law 法則（Frank-Starling law） Frank-Starling law（法則） ： 他の条件が一定なら、心室内血液量intraventricular blood volume 心室内血液量（intraventricular blood volume）intraventricular blood volume（心室内血液量） の増加に応じてSVが増加する。

💡 Frank-Starling曲線は収縮性 contractility 収縮性（contractility） contractility（収縮性） が変わると「曲線の族」として動く。 運動（収縮性contractility 収縮性（contractility）contractility（収縮性） ↑）では同じ拡張末期容積 end-diastolic volume, EDV 拡張末期容積（end-diastolic volume, EDV） end-diastolic volume, EDV（拡張末期容積） でも出力の大きい左上の曲線へ、心不全では平坦で下方の曲線へ、重度の心筋抑制 myocardial depression 心筋抑制（myocardial depression） myocardial depression（心筋抑制） ではさらに低い曲線へ移る（別講義の曲線の族）。前負荷（曲線上の移動）と収縮性 contractility 収縮性（contractility） contractility（収縮性） （曲線そのものの移動）は別の軸である。右房圧right atrial pressure 右房圧（right atrial pressure）right atrial pressure（右房圧） に対する心拍出量の図でも同じで、交感神経の刺激が強いほど曲線の上限が上がり（授業の図の読み取りで、最大刺激で約23 L/分、通常の交感神経緊張 sympathetic tone 交感神経緊張（sympathetic tone） sympathetic tone（交感神経緊張） で約13 L/分、交感神経刺激なしで約10〜11 L/分）、副交感神経の刺激では下がる（約8 L/分）。

収縮力への影響機序

flowchart TD
  A["静脈還流増加→EDV増加（前負荷↑）"]
  A --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='sarcomere length'>筋節長</span>増加"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='troponin C'>トロポニンC</span>（TnC）のCa2+感受性上昇"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cross-bridge'>クロスブリッジ</span>の結合/<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dissociation rate'>解離速度</span>↑・張力↑"]
  D --> E["SV増加"]

• 等尺性isometric 等尺性（isometric）isometric（等尺性） 張力の観点： 至適長で太い・細いフィラメントの重なりが最適になり、活性張力active tension 活性張力（active tension）active tension（活性張力） が最大になる。
• 変力性inotropy 変力性（inotropy）inotropy（変力性） の観点： 筋節が伸びるとTnCのCa²⁺親和性が上がり、同じ[Ca²⁺]ICでもより強い収縮が生まれる。

💡 筋節長sarcomere length 筋節長（sarcomere length）sarcomere length（筋節長） がどのようにTnCのCa²⁺感受性を変えるかは、100年以上研究されてなお完全には解明されていない。 心筋の筋節長 sarcomere length 筋節長（sarcomere length） sarcomere length（筋節長） 依存性活性化を扱ったレビューでは、フィラメント間隔の変化・太い/細いフィラメントを介した調節・サルコメアsarcomere サルコメア（sarcomere）sarcomere（サルコメア） 制御タンパクなど複数の候補機序が検討されているが、筋節長sarcomere length 筋節長（sarcomere length）sarcomere length（筋節長） の情報が収縮装置へどう伝達されるかは依然未解明と総括されている²。授業は候補として、至適筋節長 sarcomere length 筋節長（sarcomere length） sarcomere length（筋節長） でのCa²⁺感受性の変化に加え、機械感受性Ca²⁺チャネル calcium channel Ca²⁺チャネル（calcium channel） calcium channel（Ca²⁺チャネル） も挙げる。Frank-Starling機序は「現象としては確立しているが分子機序 molecular mechanism 分子機序（molecular mechanism） molecular mechanism（分子機序） は今も研究途上」という位置づけで理解する。

後負荷の影響

後負荷afterload 後負荷（afterload）afterload（後負荷） （大動脈圧aortic pressure大動脈圧（aortic pressure）aortic pressure（大動脈圧））が上昇すると、最初の拍動では通常量を駆出 ejection 駆出（ejection） ejection（駆出） できずEDVが増加する→（前負荷一定下で）より強い収縮が誘発される。収縮期圧systolic pressure収縮期圧（systolic pressure）systolic pressure（収縮期圧）・拡張期圧diastolic pressure 拡張期圧（diastolic pressure）diastolic pressure（拡張期圧） はともに上昇するが、その差（脈圧, pulse pressure）は静脈還流一定なら変わらない。

心室充満を決める因子

• 静脈還流（静脈圧、中心静脈圧central venous pressure, CVP中心静脈圧（central venous pressure, CVP）central venous pressure, CVP（中心静脈圧）、右房圧right atrial pressure右房圧（right atrial pressure）right atrial pressure（右房圧））
• 心拍数（拡張期の長さ）：HR↑→拡張期短縮→充満時間が制限される
• 心房収縮atrial contraction 心房収縮（atrial contraction）atrial contraction（心房収縮） （充満の約20%を担う）
• 心室収縮時 contracted state 収縮時（contracted state） contracted state（収縮時） に房室境界が心尖 cardiac apex 心尖（cardiac apex） cardiac apex（心尖） 方向へ移動し、静脈から血液を吸引する効果

等長性調節＝神経・液性調節

線維長とは独立に収縮力を変える機構。外因性（神経・化学的）調節が内因性機構 Frank-Starling 内因性機構（Frank-Starling） Frank-Starling（内因性機構） を上書きしうる。

交感神経

PKAが以下をリン酸化：

💡 交感神経刺激は「速く強く収縮し、かつ速く弛緩する」という一見矛盾した効果を同時に起こす。 これはTnIリン酸化によるCa²⁺親和性低下とSERCA促進（ホスホランバンphospholamban ホスホランバン（phospholamban）phospholamban（ホスホランバン） 経由）が、収縮力自体はCa²⁺流入増大で確保しつつ弛緩だけを速めるため。頻脈時に拡張期を確保するための合目的的な仕組み。イソプロテレノールisoproterenol イソプロテレノール（isoproterenol）isoproterenol（イソプロテレノール） （β-AR作動薬）も同じ効果を再現する。

副交感神経

上記のリン酸化（Ca²⁺チャネルcalcium channelCa²⁺チャネル（calcium channel）calcium channel（Ca²⁺チャネル）、TnIなど）が起こらず、さらにGβγがGIRKを開口させる。

💡 心拍数そのものも収縮力を変える（force-frequency relationship、階段stairs; step (stepwise) 階段（stairs; step (stepwise)）stairs; step (stepwise)（階段） 現象／Bowditch効果）。 1871年にBowditchが報告した現象で、刺激頻度を上げると心筋の収縮力が増大する。神経系を介さず心筋自体が持つ頻度依存的な性質であり、交感神経刺激（β刺激）とは独立に存在しつつβ刺激でさらに増幅される。頻脈時に心拍数と収縮力がともに高まるよう協調して働く³。授業の機序は、頻度が高いとNa⁺/K⁺-ATPaseが細胞内へのNa⁺流入に追いつかず、細胞内Ca²⁺が増えて収縮が強まるというものである。途中の経路は教科書的な説明で補うと、Ca²⁺は細胞質から、SERCAによる筋小胞体 sarcoplasmic reticulum 筋小胞体（sarcoplasmic reticulum） sarcoplasmic reticulum（筋小胞体） への取り込みと、Na⁺/Ca²⁺交換体による細胞外への排出で除かれ、Na⁺/K⁺-ATPaseは交換体を動かすNa⁺勾配を保つ。頻度が高くて細胞内Na⁺が増えると、交換体によるCa²⁺の排出が減って細胞内Ca²⁺が増える。極端な高頻度では収縮力は逆に低下し、不全心ではこの頻度-張力の関係が平坦化する（別講義が示した摘出ヒト心筋の図）。

⚠️ 副交感神経の陰性変力作用 negative inotropic effect 陰性変力作用（negative inotropic effect） negative inotropic effect（陰性変力作用） は心房に限られる。 心室にはPARA神経終末がほとんど分布しないため（1-10-parasympathetic-and-sympathetic-efferent-mechanisms、2-01-impulse-generation-and-conduction-in-the-heart-mechanism-of-pacemaker-potential参照）。

収縮性に影響するその他の因子

収縮性の評価

収縮性contractility 収縮性（contractility）contractility（収縮性） の評価は難しく、正確な指標も非侵襲的な方法もない。理想的な指標は、前負荷・後負荷afterload後負荷（afterload）afterload（後負荷）・心拍数に依存せず、変力作用inotropy 変力作用（inotropy）inotropy（変力作用） に鋭敏であることである。

精密な評価は、下大静脈を一時的に閉塞して前負荷を一拍ごとに下げ、圧容積ループpressure-volume loop 圧容積ループ（pressure-volume loop）pressure-volume loop（圧容積ループ） が縮んでいく過程を連続して記録する。拡張期側の関係（EDPVR）は心室の硬さを表す。圧容積解析の概念は心臓の圧容積関係を参照する⁵。

flowchart TD
    A["下大静脈を一時的に閉塞"] --> B["静脈還流が減り前負荷が一拍ごとに低下"]
    B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pressure-volume loop'>圧容積ループ</span>が連続して縮小"]
    C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='end-systolic'>収縮末期</span>点を結ぶ直線<br>ESPVR（傾き＝<span class='jp-term jp-term-diagram' title='contractility'>収縮性</span>）"]
    C --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='stroke work'>一回仕事</span>と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='end-diastolic volume, EDV'>拡張末期容積</span>の関係<br>PRSW（傾き＝<span class='jp-term jp-term-diagram' title='contractility'>収縮性</span>）"]
    D --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='contractility'>収縮性</span>が増すと傾きが大きくなる"]
    E --> F

💡 EFは「収縮性contractility収縮性（contractility）contractility（収縮性）」そのものではない。 同じ心筋でも前負荷・後負荷afterload 後負荷（afterload）afterload（後負荷） が変わればEFは動く。変力薬の効果や心筋自体の変化を知りたいときは、負荷に依存しない傾き（ESPVR・PRSW）で見る。

まとめ

• CO = HR × SV = 5.6 L/分（安静時）。TPR = ΔP/CO、MABP = CO × TPR。
• 異長性調節heterometric regulation (Frank-Starling mechanism) 異長性調節（heterometric regulation (Frank-Starling mechanism)）heterometric regulation (Frank-Starling mechanism)（異長性調節） ：前負荷↑→筋節伸展→TnCのCa²⁺感受性↑→SV↑。後負荷afterload 後負荷（afterload）afterload（後負荷） ↑は一時的にEDVを増やし代償的 compensatory 代償的（compensatory） compensatory（代償的） に収縮力を高める。
• 等長性調節Homometric regulation 等長性調節（Homometric regulation）Homometric regulation（等長性調節） ：交感神経（β1-Gs-cAMP-PKA）は変時・変伝導・変力・変弛緩のすべてを陽性に、副交感神経（M2-Gi）はほぼ逆向き（ただし変力作用 inotropy 変力作用（inotropy） inotropy（変力作用） は心房限定）に動かす。
• 温度・電解質・低酸素も収縮性 contractility 収縮性（contractility） contractility（収縮性） に影響し、特に[Ca²⁺]EC↑は陽性変力 positive inotropic陽性変力（positive inotropic） positive inotropic（陽性変力）、[K⁺]EC↑は陰性変力 negative inotropic 陰性変力（negative inotropic） negative inotropic（陰性変力） に働く。
• 収縮性contractility 収縮性（contractility）contractility（収縮性） の評価は難しく、EFとdP/dtmaxは負荷条件に依存する。負荷に依存しにくい指標は、前負荷を下げる操作中の圧容積ループ pressure-volume loop 圧容積ループ（pressure-volume loop） pressure-volume loop（圧容積ループ） から得るESPVRとPRSWの傾きで、収縮性contractility 収縮性（contractility）contractility（収縮性） が増すと傾きが大きくなる。心係数cardiac index 心係数（cardiac index）cardiac index（心係数） （CI＝CO／体表面積body surface area, BSA体表面積（body surface area, BSA）body surface area, BSA（体表面積））は約2.6〜4.2 L/分/m²。