Physiology · 2.4

心臓のポンプ機能。心拍出量とその調節。

Pump function of the heart. Cardiac output and its control.

応用トピック: ショックの病態・分類・診断・治療心原性ショック心拍再開後管理血管収縮薬と強心薬急性右心不全・左心不全の病態・診断・治療拡張型心筋症急性心不全・心原性ショック―病因、症状、診断慢性心不全―病因、症状、診断心臓カテーテル検査・血行動態評価・心周期 ICDとCRT：適応と種類機械的循環補助による末期心不全の治療体外循環と人工心肺装置の理論・実際心不全妊娠に伴う生理的変化（心血管・呼吸器系）妊娠と心血管疾患小児一次・二次救命処置腹部外科における腹腔鏡手術の役割
検査値: 左室駆出率

🧠 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）}

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。

TPR = \frac{P_{

一回拍出量（SV）と駆出率（EF）

SV = EDV - ESV = 140 - 60 = 80\ \text{mL}

EF = \frac{SV}{EDV},\quad 0.5 < EF < 0.75

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（=拡張期充満）"]
  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（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。

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/解離速度↑・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。

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distended state充満時（distended state）distended state（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

NE \to \beta_1\text{-AR}(G_s) \to AC\uparrow \to cAMP\uparrow \to PKA\uparrow

PKAが以下をリン酸化：

標的	効果
L型VDCC	活性化→Ca²⁺流入増大
リアノジン受容体ryanodine receptor (RyR)リアノジン受容体（ryanodine receptor (RyR)）ryanodine receptor (RyR)（リアノジン受容体）	SR内腔からのCa²⁺放出増大
トロポニンtroponinトロポニン（troponin）troponin（トロポニン）I（troponin I, TnI）	TnCのCa²⁺結合を阻害する方向に働き、トロポミオシンtropomyosinトロポミオシン（tropomyosin）tropomyosin（トロポミオシン）が早く戻る→弛緩を促進
ホスホランバンphospholambanホスホランバン（phospholamban）phospholamban（ホスホランバン）	SERCA活性化→[Ca²⁺]IC低下だがより速い弛緩を可能にする

効果の分類	内容
陽性変時positive chronotropic陽性変時（positive chronotropic）positive chronotropic（陽性変時）	If↑→心拍数↑
陽性変伝導positive dromotropic陽性変伝導（positive dromotropic）positive dromotropic（陽性変伝導）	I_Ca↑→伝導速度conduction velocity伝導速度（conduction velocity）conduction velocity（伝導速度）↑
陽性変力positive inotropic陽性変力（positive inotropic）positive inotropic（陽性変力）	I_Ca↑→収縮力↑
陽性変弛緩positive lusitropic陽性変弛緩（positive lusitropic）positive lusitropic（陽性変弛緩）	SERCA↑・トロポニンCtroponin CトロポニンC（troponin C）troponin C（トロポニンC）a²⁺親和性↓→弛緩速度↑

💡 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

ACh \to M_2\text{-R}(G_i) \to AC\downarrow \to cAMP\downarrow \to PKA\downarrow

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。

効果の分類	内容
陰性変時negative chronotropic陰性変時（negative chronotropic）negative chronotropic（陰性変時）	If↓、I_K,ACh↑
陰性変伝導negative dromotropic陰性変伝導（negative dromotropic）negative dromotropic（陰性変伝導）	I_Ca↓（主にAV結節）
陰性変力negative inotropic陰性変力（negative inotropic）negative inotropic（陰性変力）	I_Ca↓、I_K,ACh↑（心房のみ——心室はPARA支配をほぼ受けない）
陽性変弛緩positive lusitropic陽性変弛緩（positive lusitropic）positive lusitropic（陽性変弛緩）	SERCA↓、トロポニンCtroponin CトロポニンC（troponin C）troponin C（トロポニンC）a²⁺親和性↑

⚠️ 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

因子	効果
低体温	陰性変力negative inotropic陰性変力（negative inotropic）negative inotropic（陰性変力）・陰性変時negative chronotropic陰性変時（negative chronotropic）negative chronotropic（陰性変時）（摘出心）
[Ca²⁺]EC↑	陽性変力positive inotropic陽性変力（positive inotropic）positive inotropic（陽性変力）（I_Ca↑）
[K⁺]EC↑	陰性変力negative inotropic陰性変力（negative inotropic）negative inotropic（陰性変力）
低酸素・虚血	心室APの短縮、I_K,ATP↑、イオン勾配（特にK⁺）の喪失、脱分極した細胞でペースメーカーpacemakersペースメーカー（pacemakers）pacemakers（ペースメーカー）チャネルが不活性化したまま

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。