心功能不全 (Cardiac Insufficiency) 北京大学医学部病生理学教研室 王瑾瑜 1
第一节概述 (introduction) 心排血量 (cardiac ouput) 的调节 : 心率 心排血量 心肌收缩性 心室前 后负荷
心功能不全的概念 (Concept of cardiac insufficiency) 各种原因引起心脏结构和功能的改变, 使心室泵血量和 ( 或 ) 充盈功能低下, 以至不能满足组织代谢需要的病理生理过程, 在临床上表现静脉淤血 ( 呼吸困难 水肿及静脉压升高等 ) 和心排血量减少 ( 乏力等 ) 的综合征, 又称为心力衰竭 (heart failure) 3
防治心功能不全迫在眉睫 国外资料显示, 人群中心功能不全的患病率为 1.5%-2.0%,65 岁以上老年人 6%-10%, 全球患者超过 3800 万 WHO 预测, 至 2020 年以心功能不全和脑卒中为代表的心 脑血管病将成为全球第一位的致死和致残原因 中国心血管病报告 2017 4
第二节 心功能不全的病因和诱因 (Underlying and predisposing causes of cardiac insufficiency) 5
一 病因 (Underlying Causes) ( 一 ) 心肌收缩性降低 ( 二 ) 心室负荷过重 ( 三 ) 心室舒张及充盈受限 6
( 一 ) 心肌收缩性降低 心肌梗死 心肌炎 心肌病 心肌缺血 缺氧阿霉素酒精 结构或代谢性损伤 心肌收缩性降低 7
( 二 ) 心室负荷过重 1. 容量负荷过度 (Volume overload ) 左室 : 二尖瓣 / 主动脉瓣关闭不全 右室 : 房室间隔缺损 三尖瓣 / 肺动脉瓣关闭不全 两室 : 严重贫血 甲亢 VitB 1 缺乏 动 - 静脉瘘心室舒张末期容量 / 压力 2. 压力负荷过度 (Pressure overload ) 左室 : 高血压 主动脉缩窄 主动脉瓣狭窄 右室 : 肺动脉高压 肺动脉瓣狭窄 肺心病 心室收缩时射血阻力 8
( 三 ) 心室舒张及充盈受限 指在静脉回心血量无明显减少的情况下, 因心脏本身的病变引起的心脏舒张和充盈障碍 心肌缺血 左心室肥厚 纤维化 限制性心肌病 二 / 三尖瓣狭窄 心包炎 9
冠心病和高血压是引起心功能不全的主要病因 中国心血管病患病率处于持续上升阶段 推算 CVD 现患人数 2.9 亿, 其中脑卒中 1 300 万, 冠心病 1 100 万, 肺原性心脏病 500 万, 心力衰竭 450 万, 风湿性心脏病 250 万, 先天性心脏病 200 万, 高血压 2.7 亿 中国心血管病报告 2017 10
二 诱因 (Predisposing factors) ( 一 ) 感染 ( 二 ) 心律失常 ( 三 ) 妊娠和分娩 ( 四 ) 水 电解质及酸碱平衡紊乱 ( 五 ) 其他 11
( 一 ) 感染 1. 致病微生物及其产物可直接损伤心肌 ; 2. 感染引起的发热可导致交感神经兴奋, 增加心率和心肌耗氧量 ; 3. 支气管痉挛 黏膜充血水肿等可使肺循环阻力增加, 加重右心室负荷 12
( 二 ) 心律失常 1. 快速型心律失常时心肌耗氧量增加 ; 心舒期缩短 冠脉供血减少 + 心室充盈不足 ; 房 室收缩不协调造成心排血量下降 2. 缓慢型心律失常亦可引起心排血量降低 13
( 三 ) 妊娠和分娩 1. 血容量显著增加 ; 2. 疼痛 紧张使交感 - 肾上腺髓质系统兴奋, 引起心率加快 外周小血管收缩, 心脏后负荷加重 14
( 四 ) 水 电解质及酸碱平衡紊乱 1. 过量 过快输液可加重心脏前负荷 ; 2. 酸中毒可通过干扰钙离子转运而抑制心肌收缩力 ; 3. 钾代谢紊乱可通过干扰心肌兴奋性 传导性和自律性引起心律失常 15
( 五 ) 其他 1. 抑制心肌收缩力的药物 : 钙通道拮抗剂等 2. 洋地黄中毒 3. 劳累 4. 气温变化 5. 情绪波动 6. 外伤与手术 16
第三节 心功能不全的分类 (Classification of cardiac insufficiency) 17
一 按发生部位分类 左心衰竭 冠心病 高血压病主动脉 ( 瓣 ) 狭窄及关闭不全 左心室舒张期充盈和 收缩期射血功能障碍 心排血量减少 肺循环淤血 肺水肿 右心衰竭 缺氧 慢阻肺肺动脉狭窄 / 高压法洛四联症房室间隔缺损 右心室负荷过重 泵血功能下降 体循环淤血 全身性水肿 全心衰竭 左右心室同时或先后衰竭 : 心肌炎 心肌病 长期左心衰 肺循环阻力 合并右心衰 18
二 按左室射血分数分类 左室射血分数 (left ventricular ejection fraction, LVEF) 每搏输出量占左心室舒张末容积 (VEDV) 的百分比, 静息状态下为 55%-70% 射血分数降低的心力衰竭 (HFrEF) LVEF<40%, 常见于冠心病 心肌病等, VEDV 增加, 心腔扩大, 又称为收缩性心力衰竭 射血分数中间范围的心力衰竭 (HFmrEF) LVEF:40%-49%, 主要为轻度收缩功能不全 + 舒张功能不全 射血分数保留的心力衰竭 (HFpEF) LVEF 50%, 常见于高血压伴左室肥厚和肥厚型心肌病等, 左室扩大不明显, 又称为舒张性心力衰竭 19
三 按心排血量分类 低输出量性心力衰竭 冠心病高血压病心瓣膜病心肌炎 高输出量性心力衰竭 严重贫血妊娠 甲亢动 - 静脉瘘 VitB 1 缺乏症 心脏泵血减少外周血管阻力增加四肢发冷 苍白脉压减小动 - 静脉血氧含量差增多 外周血管阻力降低血容量扩大循环速度加快静脉回流增多, 心脏过度充盈代偿阶段 : 心排血量显著高于正常心功能不全时 : 心排血量较代偿阶段有所下降, 但仍高于 / 不低于正常 20
四 按病变程度分类 纽约心脏病协会分级 NYHA Grades for cardiac function I 级 : 无心衰症状, 体力活动不受限制 II 级 : 静息时无症状, 体力活动轻度受限, 日常活动可引起呼吸困难 疲乏和心悸等 III 级 : 静息时无症状, 轻度活动即感不适, 体力活动明显受限 IV 级 : 静息时也有症状, 任何活动均严重受限 美国心脏病学院 / 美国心脏学会 ACC/AHA grades for cardiac function A 期 : 将来可能发生心衰的高危人群 ( 冠心病 高血压 ), 但目前尚无心脏结构性损伤或心衰症状 B 期 : 有结构性心脏损伤, 如既往有心梗 瓣膜病, 但无心衰的症状, 相当于 NYHA 心功能 I 级 C 期 : 已有器质性心脏病, 以往或目前有心衰的临床症状, 包括 NYHA 心功能 II, III 级和部分 IV 级 D 期 : 难治性终末期心衰, 有进行性器质性心脏病, 虽经积极的内科治疗, 患者仍表现出心衰症状
五 按心力衰竭发生速度分类 急性心力衰竭 (acute heart failure) 指突然起病或在原有慢性心力衰竭基础上急性加重的心肌收缩力降低 心脏负荷加重, 造成急性心排血量骤降和组织淤血的临床综合征 慢性心力衰竭 (chronic heart failure) 22
第四节 心功能不全时机体的代偿反应 (Compensatory response to cardiac insufficiency) 23
心排血量 神经 - 体液调节机制激活 心内代偿 心外代偿
一 神经 - 体液调节机制激活 ( 一 ) 交感 - 肾上腺髓质系统激活 利 : 心肌收缩性增强 ; 心率加快 ; 心排出量增加 ; 血管收缩有助于维持血压及提高回心血量弊 : 心肌耗氧量增加 ; 心脏后负荷加重 ; 内脏器官供血不足 ( 二 ) 肾素 - 血管紧张素 - 醛固酮系统激活 利 : 升高肾灌注压, 维持肾小球滤过率 ; 重吸收钠水, 维持循环血量弊 :AngII 促进血管收缩 心肌肥大增殖 ; 醛固酮促进水钠潴留 成纤维细胞合成胶原 ( 三 ) 钠尿肽系统激活利钠排尿 扩张血管 抑制肾素醛固酮的作用 BNP/NT-proBNP
二 心脏本身的代偿 ( 一 ) 心率加快 机制 :1. 心排血量 压力感受器刺激减弱 2. 心排血量 心腔舒张末期容积和压力 迷走神经抑制, 交感神经兴奋 3. 合并缺氧 主动脉体 颈动脉体化学感受器兴奋 26
心率加快 积极意义 : 1. 提高心排出量 2. 提高舒张压, 利于冠脉灌流 3. 维持动脉血压, 保证重要器官血供 4. 代偿迅速 不利影响 :1. 心肌耗氧量增多 2. 心率过快 (>180 次 /min), 心脏舒张期明显缩短, 冠脉灌流量减少, 心肌缺血缺氧加重, 而且心室充盈间缩短, 充盈量, 心排血量 27
( 二 ) 心脏紧张源性扩张 机制 :Frank-Starling 定律 收缩力 通过增加前负荷增强心肌收缩力 紧张源性扩张 1.7 2.1 2.2 3.6 µm 正常状态下 肌节初长度 伴有心肌收缩力增强的心腔扩大, 有利于心室及时泵出血 肌源性扩张 : 心肌过度拉长并伴有心肌收缩力减弱的心腔扩大, 丧失代偿意义 28
( 三 ) 心肌收缩性增强 交感 - 肾上腺髓质系统兴奋 (+) β 肾上腺素受体 camp (+) PKA 肌膜钙通道蛋白 -p 胞浆 Ca 2+ 正性变力作用 心功能损伤急性期有助于维持心排血量和血流动力学稳态 29
( 四 ) 心室重塑 心肌损伤或负荷增加 非心肌细胞心肌细胞细胞外基质 结构 代谢和功能发生慢性代偿适应性反应 心室重塑 (ventricular remodeling) 30
1. 心肌细胞重塑 (1) 心肌肥大 心肌细胞体积增大, 重量增加, 又称心室肥厚 向心性肥大 (concentric hypertrophy) 离心性肥大 (eccentric hypertrophy) (2) 心肌细胞表型改变 胎儿型蛋白增加 / 同工型蛋白之间转换结构 代谢 功能改变 31
原因肌节复制形态变化心腔容积室壁厚度心腔半径 向心性肥大压力超负荷并联性增生室壁显著增厚正常或减小增大 离心性肥大容量超负荷串联性增生心腔增大 室壁增厚显著增大基本正常 32
心肌肥大 积极意义 : 是对室壁应力增加产生的适应性变化 可降低室壁张力, 减少心肌耗氧量 心脏总收缩力增加, 有助于维持心排血量 不利影响 : 过度肥大心肌可发生不同程度的缺血 缺氧 能量代谢障碍 心肌舒缩能力减弱, 由代偿转为失代偿 33
2. 非心肌细胞及细胞外基质的变化 AngII 去甲肾上腺素 醛固酮 分泌大量胶原 成纤维细胞 合成间质胶原酶 明胶酶等 改变胶原网络结构的生化组成 (Ⅰ 型 /Ⅲ 型比值 ) 空间结构 心肌间质增生 重塑 34
非心肌细胞及细胞外基质的变化 积极意义 : 重塑早期以 Ⅲ 型胶原增多明显, 有利于肥大心肌肌束组合的重新排列及心室的结构性扩张 ; 重塑后期以 Ⅰ 型胶原增加为主, 可提高心肌的抗张强度, 防止在室壁应力过高的情况下心肌细胞侧向滑动造成室壁变薄和心腔扩大 不利影响 : 降低室壁顺应性使僵硬度相应增加, 影响心脏舒张 ; 冠脉周围纤维增生和管壁增厚, 冠脉供血量减少 ; 影响心肌细胞之间的信息传递和舒缩的协调性 35
三 心脏以外的代偿 ( 一 ) 增加血容量 ( 二 ) 血流重分布 ( 三 ) 红细胞增多 ( 四 ) 组织细胞利用氧的能力增强 36
( 一 ) 增加血容量 1. 交感神经兴奋 2. 肾素 - 血管紧张素 - 醛固酮系统激活 3. 抗利尿激素释放增多 4. 抑制钠水重吸收的激素减少 积极意义 : 一定范围内的血容量增加可提高心排血量和组织灌流量 不利影响 : 长期过度血容量增加可加重心脏负荷, 使心排血量下降而加重心功能不全 37
( 二 ) 血流重分布 交感 - 肾上腺髓质系统兴奋 皮肤 骨骼肌及内脏器官血流量减少 心 脑血流量不变或略增加 优点 : 防止血压下降, 保证重要器官血流量 缺点 : 外周器官长期供血不足可导致脏器功能减退 ; 外周血管长期收缩将导致心脏后负荷增大而使心排血量减少 38
( 三 ) 红细胞增多 体循环淤血 肺循环淤血 缺氧 促红细胞生成素 骨髓造血 优点 : 提高血液携氧能力, 改善机体缺氧 缺点 : 红细胞过多可使血液黏度增大, 加重心脏后负荷 红细胞 39
( 四 ) 组织细胞利用氧的能力增强 低灌注 周围组织供氧减少 细胞线粒体数量增多, 细胞色素氧化酶活性增强 能量生成增多 肌红蛋白含量增多 改善肌肉对氧的储存和利用 细胞利用氧的能力增强 40
心脏舒缩功能障碍心脏负荷过重 心排血量 神经 - 体液调节机制激活 紧张源性扩张 心率加快 心肌收缩性增强 心室重塑 血容量增加 血流重分布 心内代偿 心外代偿 心功能不全时机体的代偿 41
第五节心功能不全的发生机制 (Mechanisms of cardiac insufficiency) 42
一 正常心肌舒缩的分子基础 肌节 粗肌丝 细肌丝 尾部 肌球蛋白 颈部 头部 ATP 酶 收缩蛋白 肌动蛋白 向肌球蛋白亚单位 TnT 肌钙蛋白 钙结合亚单位 TnC 向肌球蛋白 抑制亚单位 TnI
心肌的兴奋 - 收缩耦联和心肌的舒张 肌球蛋白 向肌球蛋白 肌钙蛋白肌钙蛋白 肌动蛋白 44
二 心功能不全发生机制 ( 一 ) 心肌收缩功能降低 ( 二 ) 心肌舒张功能障碍 ( 三 ) 心脏各部分舒缩活动不协调
( 一 ) 心肌收缩功能降低 1. 细胞收缩相关的蛋白改变 心肌细胞数量减少 心肌结构改变 心肌细胞坏死 心肌细胞凋亡 分子水平 肥大心肌表型改变, 钙通道蛋白等合成减少 细胞水平 肌丝与线粒体不成比例增加, 肌原纤维排列紊乱 器官水平 心腔扩大室壁变薄心脏成球 46 形, 瓣膜 返流
2. 心肌能量代谢障碍 心肌缺血缺氧 能量生成障碍 肥大心肌细胞内线粒体和毛细血管含量相对不足 VitB 1 缺乏引起丙酮酸氧化脱羧障碍 能量储备减少 能量利用障碍 肥大心肌细胞磷酸肌酸激酶同工型转换 磷酸肌酸激酶活性, 储能形式的磷酸肌酸 肌球蛋白及肌钙蛋白的胎儿型同工型 肥大心肌肌球蛋白头部 ATP 酶活性
3. 心肌兴奋 - 收缩耦联障碍 肌浆网 Ca 2+ 转运功能障碍 胞外 Ca 2+ 内流障碍 肥大心肌细胞肌质网钙释放蛋白的含量或活性降低 肌质网 Ca 2+ -ATP 酶含量或活性降低, 摄钙减少 去甲肾上腺素合成减少消耗增多, β 去甲肾上腺素受体密度相对减少敏感性降低,L 型钙通道开放减少 肌钙蛋白与 Ca 2+ 结合障碍 酸中毒 H + 占据肌钙蛋白上的 Ca 2+ 结合位点
( 二 ) 心肌舒张功能障碍 心肌肥大衰竭 缺血缺氧 ATP 酶活性降低 ATP 含量减少 Ca 2+ 与肌钙蛋白亲和力 Ca 2+ 复位延缓 肌球 - 肌动蛋白复合体解离障碍 心室肥厚 限制性心肌病 心肌纤维化 心室顺应性降低 心室充盈量减少心室充盈压增高
( 三 ) 心脏各部舒缩活动不协调 心律失常 心肌缺血等 左右心之间收缩 - 舒张活动不协调 房室之间收缩 - 舒张活动不协调 同一心室不同区域之间收缩 - 舒张活动不协调 心泵功能紊乱 心排血量降低
第六节 心功能不全临床表现的 病理生理基础 (Pathophysiologic bases of cardiac insufficiency) 51
心功能不全时的主要临床表现 心功能不全 心排血量减少 静脉淤血 组织器官 灌流量减少 肺循环淤血 体循环淤血 52
一 心排血量减少 ( 一 ) 心脏泵血功能降低 1. 心排血量 (cardiac output, CO) 减少 2. 心脏指数 (cardiac index, CI) 降低 心排血量经单位体表面积标准化后的心脏泵血功能指标 严重心功能不全时,CO< 3.5L/min,CI <2.2L/min/m 2 53
3. 左室射血分数 (ejection fraction, EF ) 降低 EF> 50%~55%, 左室收缩功能尚可 EF= 40%~55%, 收缩功能轻度损伤 EF= 30%~40%, 收缩功能中度损伤 EF< 30%, 收缩功能严重抑制 EF 受压力负荷和容量负荷的影响, 不能单以射血分数来判断是否存在心力衰竭! 4. 等容收缩期心室内压上升的最大速率 (+dp/dt max ) 降低 等容舒张期心室内压下降最大速率 (-dp/dt max ) 降低 54
5. 心室充盈受损 肺毛细血管楔压 (pulmonary capillary wedge pressure, PCWP) 升高 中心静脉压 (central venous pressure, CVP) 升高 EF 心室射血后剩余血量 心室容量负荷增大, 充盈受限, 在心功能不全早期阶段即可出现心室舒张末压升高 55
6. 心率增快 : 心悸 心功能不全患者最早和最明显的症状 交感神经兴奋 早期即有心率增快 随心搏出量的进行性降低, 心排血量的维持对心率增快的依赖程度增大 心率过快使心排血量下降 心肌缺血 缺氧, 加重心肌损害 56
( 二 ) 器官血流重新分配 心排血量减少 动脉血压 器官血流重新分配 急性心衰下降 慢性心衰正常或升高 肾血流量减少 尿量减少 骨骼肌血流量减少 疲乏无力 脑血流量减少 头晕失眠晕厥 皮肤血流量减少 苍白发绀 57
二 静脉淤血 右心衰竭全心衰竭 体循环淤血 左心衰竭 肺循环淤血 静脉淤血和静脉压升高 肝肿大肝功能损害 心性水肿 胃肠功能改变 急性肺水肿 劳力性呼吸困难 (dyspnea on exertion) 呼吸困难 夜间阵发性呼吸困难 (paroxysmal nocturnal dyspnea) 端坐呼吸 (orthopnea) 58
呼吸困难发生的基本机制 左心衰竭 肺毛细血管压升高 肺淤血 肺水肿 肺顺应性下降 呼吸机做功增加消耗能量增多 呼吸费力 支气管黏膜充血肿胀 气道内分泌物增多 气道阻力增大 呼吸困难 (dyspnea) 肺间质压力增高 肺毛细血管旁 J 受体兴奋 反射性浅快呼吸 59
劳力性呼吸困难的发生机制 轻度左心衰竭患者仅在体力活动时出现呼吸困难, 休息后消失, 称为劳力性呼吸困难 (dyspnea on exertion), 为左心衰竭最早的表现 体力活动时 : 四肢血流量增加, 回心血量增多, 肺淤血加重 ; 心率加快, 舒张期缩短, 左心室充盈减少, 肺循环淤血加重 ; 机体需氧量增加, 缺氧加重, 刺激呼吸中枢, 使呼吸加快加深, 出现呼吸困难 60
夜间阵发性呼吸困难的概念 夜间阵发性呼吸困难 (paroxysmal nocturnal dyspnea): 患者夜间入睡后 ( 多在入睡 1~2 小时后 ) 因突感气闷 气急而惊醒, 被迫坐起, 可伴有咳嗽或泡沫样痰, 发作较轻者在坐起后有所缓解, 经一段时间后自行消失 严重者可持续发作, 咳粉红色泡沫样痰, 甚至发展为急性肺水肿 61
夜间阵发性呼吸困难的发生机制 患者入睡后由端坐位改为平卧位, 下半身静脉回流增多, 水肿液吸收入血液循环也增多, 加重肺淤血 ; 入睡后迷走神经紧张性增高, 使小支气管收缩, 气道阻力增大 ; 熟睡后中枢对传入刺激的敏感性降低, 只有当肺淤血程度较为严重, 动脉血氧分压降低到一定程度时, 方能刺激呼吸中枢, 使患者感到呼吸困难而惊醒 若患者在气促咳嗽的同时伴有哮鸣音, 则称为心性哮喘 (cardiac asthma) 62
端坐呼吸的发生机制 患者在静息时已出现呼吸困难, 平卧时加重, 故需被迫采取端坐位或半卧位以减轻呼吸困难的程度, 称为端坐呼吸 (orthopnea) 端坐位时下肢血液回流减少, 肺淤血减轻 ; 膈肌下移, 胸腔容积增大, 肺活量增加, 通气改善 ; 端坐位可减少下肢水肿液的吸收, 使血容量降低, 减轻肺淤血 63
第七节防治的病理生理基础 (Pathophysiological basis of prevention and treatment) 64
一 防治原发病, 消除诱因 二 调整神经体液系统失衡及干预心室重塑 ACEI;ARB;β 受体阻滞剂 ; 醛固酮拮抗剂 三 减轻心脏前负荷和后负荷 利尿剂 ACEI β 肾上腺素受体阻滞剂 静脉血管扩张剂 四 改善心肌的收缩和舒张性能 洋地黄类 五 其他 65