心血管耦合篇（5）：心臟收縮力 vs Frank–Starling 定律

文：張國柱

台大名榮譽教授

 

日期：2023/12/01

 

心臟收縮力（cardiac contractility）是心臟收縮的能力（ability），從而將血液泵浦進入循環系統。雖然收縮力的大小取決於細胞内鈣離子濃度與心肌纖維横橋週期滑動（cross–bridge cycling）的交互作用，心臟收縮力卻是個非常抽象的概念。Frank–Starling 定律言明：被延展的心肌纖維長度愈長，所釋出儲存的鈣離子就愈多，心肌細胞收縮所產生之力（force generated by the contraction of cardiomyocyte）也就愈大。因此有些學者便認為 Frank–Starling 機制是決定心臟收縮力的關鍵因素。然而心肌收縮力與心肌纖維收縮所產生之力在生物物理觀念上是否有一致性，必須加以釐清，方能進一步討論「收縮力」與「Frank–Starling 定律」在心臟生理意義上的差異。

 

心臟收縮力與收縮末期彈性（end–sytolic elastance，E_es）

收縮力是生理學家、心臟學家、臨床醫師非常熟悉的概念，但是對所有專家而言，此概念既抽象又缺乏明確而有共識的定義，這使得心臟收縮力在學界的討論變得莫衷一是。因此 Braunwald 對收縮力的改變下了工作性的定義（working definition）：心臟收縮力（或肌力性狀態，inotropic state）的改變是心臟性能（cardiac performance）獨立於前負荷（preload）、後負荷（afterload）變異的改變，這意味著收縮力具備了不受前負荷、後負荷干擾的特性。依此原則，在等張收縮（isotonic contraction）的情況下，力–速度–長度關係（force-velocity-length relationship）可能是描述離體心肌收縮力最佳的度量。然而對完整心室（intact ventricle）而言，似乎難有收縮力的單一指標能夠滿足所有狀況和定義的需求。現階段用來描述整體心臟收縮力最佳的指標應屬由末期收縮壓–體積關係（end–systolic pressure–volume relationship，ESPVR）所衍生的收縮末期彈性（E_es），因為 E_es 不受前負荷、後負荷的影響，然而臨床應用上必須留意其局限性。

 

Frank–Starling 定律與心臟前負荷

Frank–Starling 定律的主要內涵是心肌纖維所發展的力或張力（tension）取決於心肌細胞被拉伸的程度。以離體心肌而言，等長收縮（isometric contraction）所產生之主動張力（active tension）隨著收縮前之心肌長度（前負荷）的增加而增加，這就是力–長度關係（force–length relationship）。以整體心臟而言，灌注心臟的血量愈多，心室壁被擴展的程度就愈高，前荷負也就愈大。舉例來說，增加靜脈回流可增加填充心室的血量，導致舒張末期體積（end–diastolic volume，EDV）（前負荷）的增加。心臟收縮之前心肌細胞被拉伸的程度愈大，收縮所產生之力也就愈大，使得心臟能夠逐出多餘的靜脈回流，增加心搏出量（stroke volume，SV），這就是心搏出量–左心室舒張末期體積關係（SV–LV EDV relationship）。由此可知，無論是離體心肌或是整體心臟，心肌收縮所產生之力或整體心室收縮所逐出之心搏出量都與前負荷有相當程度的關聯，因此力或是心搏出量並不適於描述心肌細胞或心臟的收縮力，也就是說「Frank–Starling 機制並不是決定心臟收縮力的關鍵因子。」

 

心臟收縮力、Frank–Starling 機制在心搏出量所扮演的角色

1970年代，H Suga 和 K Sagawa 使用了左心室壓–體積關係曲線來描述心臟的力學特性。Sagawa 和 Suga 等人發現：哺乳類動物在生理範疇內，左心室末期收縮壓–體積關係（ESPVR）具有直線的特性，其數學式如下：

 

E_es = P_es/(V_es–V₀) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（1）

 

E_es 代表收縮末期彈性，也就是 ESPVR 的斜率，是心臟收縮力的良好指標；P_es 代表收縮末期壓（end–systolic pressure）；V_es 代表收縮末期體積（end–systolic volume）；V₀ 則是 ESPVR 的截距。

 

左心室收縮末期壓–體積關係可用來描述心臟–血管交互作用所導致的結果。對左心室而言，

 

P_es = E_es(V_es–V₀) = E_es(V_ed–SV–V₀) ⋯⋯⋯⋯⋯（2）

 

V_ed = 舒張末期體積（end–diastolic volume）；SV = 心搏出量。

 

對動脈系統而言，

 

P_m = Q_m × R_p = SV × HR × R_p

 

      = (SV × R_p)/T = SV × E_a

 

P_m = 平均動脈壓; Q_m = 平均血流; R_p = 總週邊血管阻力; HR = 心率; T = 心週期；E_a = R_p/T = 有效動脈體積彈性（effective arterial volume elastance），可用來評估心室後負荷。

 

令 P_m ≈ P_es，那麼

 

P_es = E_a × SV ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（3）

 

解方程式（2）跟（3）可得

 

SV = (V_ed–V₀)/[1+(E_a/E_es)] ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（4）

 

公式（4）簡明地整合了影響心搏出量的三個重要且彼此相互獨立的生理因子，那就是心臟收縮力（E_es）、前負荷（V_ed）和後負荷（E_a）。當前負荷和後負荷沒有變動的情況下，心臟收縮力的增加是導致心搏出量增加的主因；而當收縮力和後負荷維持不變時，前負荷的增加則是造成心搏出量增加的關鍵因素。後者就是 Frank–Starling 定律的主要內涵。由此可知心肌收縮力與心肌纖維收縮所產生之力在生物物理觀念上是彼此獨立的物理量，具有不同的生理意義，並說明了「Frank–Starling 機制並不是決定心臟收縮力的關鍵因子。」

 

結語

心肌收縮力是以解剖、生化為基礎的力學表現，也就是心肌細胞收縮裝置如肌動蛋白（actin）、肌凝蛋白（myosin）、肌漿質網（sarcoplasmic reticulum）等之物理化學狀態的表現。然而心臟收縮力是一個非常抽象的觀念，缺乏明確而有共識的定義。為著整合各界不同的論點，生理學家對收縮力提出了操作性定義（operational definition）：無論是心肌纖維或完整心臟，度量收縮力的指標必須具備不受前負荷、後負荷干擾的專一性，並且能夠受到生理狀態和疾病對它的檢視（靈敏性）。公式（4）明確地說明了心臟收縮力與 Frank–Starling 機制各自以獨特的能力影響心臟與血管的交互作用，並反應了心搏出量在藥物或生理病理狀態下（心衰竭、交感神經亢奮⋯）的變動。這一結果說明了心肌收縮力與心肌纖維收縮所產生之力是兩個彼此相互獨立的物理量，各具不同的生理意義，也就是「Frank–Starling 機制並不是決定心臟收縮力的關鍵因子。」