心血管耦合篇（4）：心衰竭之心室-動脈耦合變異與治療策略

文： 張國柱（Chang，Kuo-Chu）

         台大生理退休

 

日期：2021/03/01

 

 

以力學的觀點言：「慢性心衰竭可視為負荷過高所產生的心肌病變，其特點是 ATP 產能下降導致能源缺乏。」ATP 的缺乏是持續、漸進的過程，因此心肌收縮所需的化學能轉換為心臟所做外部力學功的效率，便實質地影響著慢性心衰竭的後果。臨床上應用此觀點來處置心衰竭時，便須清楚地定義並量化「心室-動脈耦合的最適性」。

 

從工程的觀點言，心臟可說是血行力學能（hemodynamic energy）的產生器，可將收縮的力學能（mechanical energy）傳遞至累積於心室的血液，造成循環系統的血流。由於能源與其負荷相互匹配時，最大的能量才可從能源轉移到負荷，因此心室與動脈物理特性的匹配程度便決定性地影響著心臟所做的心搏出功（cardiac stroke work， SW）和心臟力學效率（cardiac mechanical efficiency）。由於感壓反射對心臟-動脈耦合的急性調控扮演相當重要的角色（請見「感壓反射與心臟-血管交互作用」），本文將討論自律神經系統在未受損的情況下，心衰竭之心室-動脈耦合變異與治療策略之預期。

 

最大之理論心搏出功和心臟力學效率

由 Sunagawa 所發展的解析架構，配合 Suga 的左心室壓-體積關係，可以預測心臟最大心搏出功和力學效率（請見「心臟做功之效率」）。依此架構，心臟收縮力可用左心室末期收縮壓-體積關係（LV end-systolic pressure-volume relationship）之斜率 Ees 加以量化，而動脈負荷則可用末期收縮壓-心搏出量關係（arterial end-systolic pressure-stroke volume relationship）之斜率 Ea 加以代表。當 Ea 增加時，一開始 SW 是增加的，隨後達到高原平台（plateau），爾後則隨 Ea 的增加而下降。Sunagawa 驗證了最大之 SW 發生於動脈與左心室之物理特性相匹配時，也就是 Ea = Ees。另一方面，心室力學效率（SW/VO₂）一開始隨著 Ea 的增加而增加，達到高原平台之後，隨即下降。Burkhoff 和 Sagawa 理論性預測最大力學效率發生於 Ea = Ees/2。由於心室-動脈耦合可用 Ea/Ees 之比值表示之，上述觀念性的架構説明了當 Ea/Ees 介於 0.5～1 之間，心血管系統存在著最佳化的心室-動脈耦合，此外具最大力學效率之後負荷比擁有最大心搏出功之後負荷來得小。

 

正常或被阻斷的感壓反射系統與心室-動脈耦合

研究顯示：Nitroprusside 在正常的感壓反射系統運作下，近乎不改變 Ea，並且實質地增加Ees，導致 Ea/Ees 的比值下降。這是因為 Nitroprusside 可降低血管平滑肌的活性，減少血管阻力而降低血壓。當血壓下降時，感壓反射系統動作的結果就是提高交感神經、並抑制副交感神經的活性，導致心臟收縮力、心跳和血管阻力增加。心跳和血管阻力的增加使得 Ea 幾乎不受Nitroprusside 影響。

 

相反地，Angiotensin II在不改變 Ees 的情況下實質地增加了 Ea，導致 Ea/Ees 的比值上升。這是因為 Angiotensin II 是強烈的血管收縮劑，增加血管阻力而造成血壓上升。當動脈壓增高時，感壓反射系統動作的結果就是抑制交感神經、並提升副交感神經的活性。由於副交感神經對心肌收縮力的作用微乎其微，因此近乎不影響 Ees。此外血管系統幾乎不受副交感神經支配，因此血管阻力不受影響，心跳的變慢不足以改變 Angiotensin II 對 Ea 的增強效果。

 

然而，當自律神經系統被阻斷而造成感壓反射系統失能後，Nitroprusside 降低 Ees 的同時，近乎等同程度地降低了 Ea，導致 Ea/Ees 的比值不甚改變。另一方面，Angiotensin II 在增加 Ees 的情況下，也近乎等同程度地提高了 Ea，導致 Ea/Ees 的改變微乎其微。這些結果顯示：自律神經系統被阻斷後，作用於血管的藥物並不影響 Ea/Ees。此時的 Ea/Ees 與自律神經系統正常運下，不使用藥物處理的 Ea/Ees 近乎相同。

 

心衰竭之心室-動脈耦合與感壓反射靈敏度、血漿正腎上腺素之關係

資料顯示：感壓反射靈敏度與 Ea/Ees、血漿正腎上腺素與 Ea/Ees 都具有良好的相關性；（1）感壓反射靈敏度與 Ea/Ees 的關係略呈双曲線。一開始隨著 Ea/Ees 的增加，感壓反射靈敏度迅速下降，爾後隨著 Ea/Ees的持續增加而趨近於橫軸；（2）血漿正腎上腺素與 Ea/Ees 的關係則為線性，隨著 Ea/Ees 的增加而增加。

 

正常 Ea/Ees 的上限值為 1.0，超過此值，感壓反射靈敏度實質地下降。相反地，Ea/Ees 在 1.5 或更大時，血漿正腎上腺素則顯著上升。Asanoi 指出心衰竭的病人，循環調控的過程中 Ea/Ees 呈現三種變化：當 Ea/Ees 為 0.5 或更小時，保有正常感壓反射的功能，並且交感神經的興奮性幾乎不受影響；當 Ea/Ees 大於 1.5 或更甚時，感壓反射之功能大幅下降，並有增強的交感神經興奮性；當 Ea/Ees 介於 0.5 到 1.5 之間時，SW 可望達到最大，並且交感神經和副交感神經之功能似乎達到平衡。

 

 

心衰竭之心室-動脈耦合變異與治療策略之預期

一般而言，身體是透過偵測動脈壓來監控循環系統的運作，並將動脈壓維持在正常範圍內，這有賴於自律神經系統對心臟和血管的調控。Kubota 等人驗証了頸動脈竇感壓反射對未受干擾的左心室與動脈物理特性的調控，具等同程度的平衡。這使得能量從左心室傳輸至動脈系統能夠得到最佳化的效果，並維持最低的耗氧量以供應各組織或器官行代謝之所需。然而重度心衰竭的病人，卻因調控系統欲將動脈壓維持在生理範圍之內，反而使得心血管系統的運作點偏離了心搏出功和力學效率的最適性。

 

由於心搏出功和力學效率都是 Ea/Ees 的函數，吾人可透過兩種策略預測在尋求最佳化心室-動脈耦合的同時，能夠將動脈壓維持在正常範圍之內：（1）使用降壓而不影響心臟收縮力的血管擴張劑，（2）使用維持動脈壓的強心劑。

 

輕度心衰竭的病人，動脈壓總在正常範圍內，其 Ea/Ees 非常接近於 1，幾乎與正常值無異，因此可維持最大的心搏出功。血管擴張劑的使用可降低血管阻力和 Ea，使得 Ea/Ees 略低於 1，但可提高心臟的力學效率，並維持動脈壓於正常範圍內。重度心衰竭的病人，由於 Ea 總是高出 Ees 甚多而使得心搏出功下降。血管擴張劑的使用，在不影響心臟收縮力的情況下，後負荷的下降使得 Ea/Ees 接近於 1 而達到最大的心搏出功。此時血管擴張劑雖可將動脈壓維持在正常範圍內，但其最佳化心臟力學效率的血壓卻遠低於動脈壓的正常值，這是因為最佳化力學效率的血壓總是低於最大心搏出功的血壓。為著解決這一問題，強心劑的使用可提高 Ees，進而降低 Ea/Ees，使得最大心搏出功和最佳化力學效率的動脈壓都能夠維持在正常範圍之內。

 

結語

心臟衰竭時，心室-動脈耦合會偏離最大心搏出功和最佳心臟力學效率，此種匹配的受損與神經體液異常（neurohumoral abnormalities）有關。使用左心室彈性（Ees）和動脈彈性（Ea），配合左心室壓-體積面積（LV pressure-volume area，PVA）架構，理論分析顯示：心衰竭的病人，雖然動脈壓可維持在正常狀範圍內，但其最佳化力學效率的血壓總是低於最大心搏出功的血壓。由於心搏出功和力學效率是 Ea/Ees 的函數，使用血管擴張劑（輕度心衰竭）或血管擴張劑合併強心劑（重度心衰竭）治療時，可望達到最佳化心室-動脈耦合的同時，將動脈壓維持在正常範圍內。這些預測顯示：穩定動脈壓的負回饋感壓反射機制，反而是造成心衰竭心血管系統偏離心室-動脈耦合最適性的元兇。但在藥物的使用下，干擾這個神經調控機制，可望為心衰竭的治療帶來一些期待。