Determinantes de la contractilidad

Este capítulo es relevante para la sección G2(ii) del programa de estudios primario del CICM de 2017, que pide al candidato al examen que «defina los componentes y determinantes del gasto cardíaco». En concreto, este capítulo se centra en la contractilidad cardíaca, el elemento olvidado e ignorado. A diferencia de la poscarga y la precarga, la contractilidad sólo ha aparecido una vez en los exámenes, y fue en la pregunta 4 del segundo trabajo de 2012. «Describa brevemente la dP/dT, la relación presión-volumen sistólica final (ESPV) y la fracción de eyección (EF)», preguntaban. Y «defina la contractilidad miocárdica».

El porcentaje de aprobados fue del 13,6%.

Sin descender al nivel más bajo del discurso, tras una breve pausa y algunas respiraciones profundas, el autor pudo reconocer con calma que, aunque no hay una forma justa de poner a prueba los conocimientos del alumno sobre una definición que no existe, sigue siendo probablemente sensato determinar si entiende los conceptos circundantes lo suficientemente bien como para recombinarlos durante una pregunta de respuesta corta. Eso actúa como una especie de test de inteligencia, equivalente a un ejercicio de rotación mental. Si eres capaz de sintetizar una definición aceptable en tan poco tiempo, debes tener algunos conocimientos sustanciales de fisiología, y el tipo de pensamiento rápido y seguro que sería valioso en la planta de la UCI.

En resumen:

Hay pocos recursos buenos para ayudar al lector en este tema problemático. Muir & Hamlin (2020) presentan una magnífica vista de pájaro de los principales problemas a los que se enfrenta cualquiera que intente definir y cuantificar la contractilidad cardíaca. Para el autor, esto tuvo valor por el mismo mecanismo que la visita a un grupo de apoyo, en el sentido de que normalizó los sentimientos de frustración y confusión como una reacción natural al tema. Todos estamos aquí por la misma razón, parecían decir los otros autores.

Definición de contractilidad

Sin inmutarse por la falta de consenso científico en la materia, los examinadores parecen dar su propia definición de contractilidad en las sorprendentemente completas notas para la pregunta 4 del segundo trabajo de 2012:

«La contractilidad representa el rendimiento del corazón en una precarga y poscarga dadas. Es
el cambio en la fuerza isométrica máxima (presión isovolumétrica) a una longitud de fibra inicial dada (volumen
diastólico final).»

Esta definición tiene su origen en Berne & Levy (p. 250 de la 4ª edición), en el sentido de que fue plagiada de allí textualmente:

«La contractilidad representa el rendimiento del corazón a una precarga y poscarga dadas y a una frecuencia cardíaca constante. La contractilidad puede determinarse experimentalmente como el cambio en la fuerza isométrica máxima (presión isovolumétrica) a una longitud de fibra inicial dada (volumen diastólico final)»

Y se sabe que es una definición oficial porque en el libro de texto original aparece en mayúsculas. Aunque Berne & Levy no está en la Lista Oficial de Lectura de la Primera Parte del CICM, la entrada de contractilidad en Pappano & Weir (p.78 de la 10ª edición) es idéntica, un copia y pega directo. Así que, o bien esta definición es particularmente buena, o los editores son particularmente perezosos. En cualquiera de los casos, parece que los aprendices necesitan memorizar esta definición específica para la primaria.

Como todo lo demás en la desconcertante dimensión infernal de la fisiología del gasto cardíaco, la contractilidad tiene varias otras definiciones, ninguna de las cuales es claramente superior a la otra. Vincent & Hall (2012) nos da esta:

«La contractilidad cardíaca puede definirse como la tensión desarrollada y la velocidad de acortamiento (es decir, la «fuerza» de la contracción) de las fibras miocárdicas a una precarga y poscarga dadas. Representa una capacidad única e intrínseca del músculo cardíaco para generar una fuerza que es independiente de cualquier carga o estiramiento aplicado»

Asombrado por la falta de progreso en esta área en los últimos doscientos años, Muir & Hamlin (2020) se refugió en la etimología:

«Definido literalmente, el término contrato infiere que algo se ha hecho más pequeño, encogido o acortado. La adición del sufijo «ility» implica la calidad de este proceso»

Hemodinámica Cardiovascular de Anvaruddin et al (2013), en una excelente evasión de la cuestión, decidió en cambio definir la contractilidad en términos de lo que no es:

«La contractilidad describe los factores distintos de la frecuencia cardíaca, la precarga y la poscarga que son responsables de los cambios en el rendimiento del miocardio»

Esta definición también aparece en la Primera Parte, que la sitúa en el siguiente pedestal más alto, justo por debajo de la definición de los examinadores del CICM. En fin, es evidente que se podría continuar con esta sarcástica autopsia de los libros de texto durante algunos párrafos más, pero el creciente cúmulo de definiciones malogradas no aportaría ninguna satisfacción adicional al autor, y desde luego ninguna comprensión adicional al lector. Más allá de memorizar la definición de los examinadores de la CICM, no se puede hacer ninguna recomendación útil.

Determinantes de la contractilidad

Después de buscar en la literatura, quedó claro que Penefsky (1994) es el recurso más útil sobre este tema, ya que todos los parámetros que afectan a la poscarga están expuestos en un patrón lógico por el autor. Se hace un claro esfuerzo por producir algún tipo de unión conceptual entre los factores macroscópicos que influyen en el rendimiento del sistema cardiovascular en su conjunto y los factores microscópicos que influyen en el rendimiento de las preparaciones celulares.

Las propiedades del sistema cardiovascular que afectan a la contractilidad son:

• Precarga
• Después de la carga
• Ritmo cardíaco

Los factores bioquímicos y celulares que afectan a la contractilidad son:

• Concentración de calcio
  • Catecolaminas y sistema nervioso autónomo
  • Disponibilidad de ATP (Ej. isquemia)
  • Calcio extracelular
• Temperatura

Efectos de la precarga en la contractilidad

La precarga es un factor determinante de la contracción. El grado de estiramiento del sarcómero al final de la diástole es un factor importante para determinar la fuerza de contracción, como podemos recordar de la relación Frank-Starling. Cuanto más volumen, mayor es la fuerza de contracción, hasta que más allá de cierto punto el estiramiento de los sarcómeros se vuelve demasiado

Pero esa es la fuerza de contracción. ¿Qué pasa con la contractilidad, la «calidad de este proceso» de contracción? Eso también cambia, en un patrón predecible. La carga de volumen (un bolo de líquido de unos 250-600ml de Hartmann) aumentó la contractilidad de los ventrículos del perro en un estudio de Mahler et al (1975) en aproximadamente un 11% (se midió por dP/dT, que se discute más adelante).

Sin embargo, ese no es el elemento más interesante o que más puntos de examen tiene. Los cambios en la contractilidad cambian la relación entre la presión ventricular y el volumen ventricular. Y en este punto nos vemos obligados a hablar de los bucles de presión-volumen del VI.

El bucle de presión-volumen como dispositivo narrativo

Para la explicación de la relación entre la contractilidad y la precarga, el uso de los bucles de presión-volumen se hace inevitable por algunas de las declaraciones de los examinadores de la universidad. Comenzaron con algo más bien poco comprometedor como «un diagrama de un bucle de presión-volumen es muy útil cuando se describe la ESPV», pero terminaron con una advertencia agresiva de que «la ausencia de un diagrama (correctamente etiquetado y a escala) era un punto débil en muchas respuestas». En resumen, es evidente que necesitas este diagrama para que tu respuesta tenga una buena puntuación. Cuando está correctamente etiquetado y escalado, el bucle de presión-volumen del VI se parece un poco a esto:

Sin adelantarnos al contenido de todo el capítulo sobre el bucle del VI, la discusión de los bucles del VI se centrará principalmente en su uso para describir la contractilidad, y en particular sus cambios con la precarga y la poscarga.

Relación presión-volumen telesistólico (ESPVR)

El uso específico del bucle PV en la discusión de la contractilidad cardíaca es para describir el cambio en la presión telesistólica final con el aumento del volumen diastólico final. Esta relación, abreviada como ESPVR, describe la presión sistólica final máxima que puede alcanzarse con ese volumen.

¿Cómo influye esto en la contractilidad? Pues bien:

• A medida que se aumenta la precarga (aquí representada por el volumen diastólico final), aumenta la presión arterial.
• Tanto la presión arterial sistólica como la diastólica aumentan.
• Así, la válvula aórtica se cierra a una presión más alta
• Esta presión más alta al final de la sístole significa que el volumen telesistólico también es mayor
• Así, el punto de presión y volumen de fin de sístole (y el resto del bucle) se desplaza hacia la derecha

Así, si se trazara el bucle varias veces en diferentes condiciones de volumen de fin de diástole, el punto de presión y volumen de fin de sístole migraría hacia el noreste:

La relación de estos puntos de presión-volumen telesistólico se puede trazar como una línea, que es la relación presión-volumen telesistólico (ESPVR):

Así que… buena historia, pero de nuevo, ¿cómo se integra esto en una discusión sobre la contractilidad?

Así:

Cuanto más «contráctil» sea el ventrículo, mayor será el cambio de presión a partir de un nivel dado de precarga. Ergo, la pendiente de la línea ESPVR describe la contractilidad, o al menos cómo la contractilidad afecta a la respuesta a los cambios en el volumen del VI.

Un lector bien familiarizado con las tradiciones de la fisiología trastornada se preguntará a estas alturas cuándo intentará el autor apoyar esta teoría sacando a relucir los resultados experimentales de alguna abominable vivisección. Así pues, he aquí un registro de bucles de presión-volumen a diferentes volúmenes ventriculares de Kass et al (1986), que capturaron estos datos de ventrículos de perros. Un conjunto demuestra los efectos del bloqueo autonómico (con cloruro de hexametonio), y el otro demuestra los efectos de la dobutamina.

Así pues, la ESPVR parece una buena medida sustitutiva de la contractilidad. Sin embargo, no es perfecta:

• La pendiente de la ESPVR disminuye progresivamente a medida que aumenta el tamaño ventricular sin que este cambio indique necesariamente un cambio en la contractilidad (Nakano et al, 1990)
• La medición directa in vivo de ésta se ve frustrada por el hecho de que, durante el desafío de precarga, en respuesta al aumento del gasto cardíaco los barorreceptores y los receptores de estiramiento disminuirían la frecuencia cardíaca y, por tanto, la contractilidad, oscureciendo la verdadera relación

Por supuesto, la ESPVR no es la única forma de representar la contractilidad. Una multitud de otros métodos se hace posible por la falta de definición acordada. Esto se convierte en…

Medidas de contractilidad

Sí, hay varias. Las más comunes son:

• ESPVR, como se ha comentado anteriormente; la relación de la contractilidad con el efecto de la precarga sobre la presión sistólica final del VI.
• Fracción de eyección, la relación del volumen sistólico con el volumen telediastólico final expresado en porcentaje. Es básicamente SV/EDV ×100.
• Tensión miocárdica (Abraham & Nishimura, 2001)
• Velocidad media de acortamiento de las fibras (Vcfc; Karliner et al, 1971)
• dP/dT, la tasa máxima de cambio de la presión del VI, que es el tema del siguiente epígrafe:

dP/dT como medida de la contractilidad

El dP/dT (o ΔP/ΔT) es un cambio de presión por unidad de tiempo. Específicamente, en este escenario, es la tasa máxima de cambio en la presión del ventrículo izquierdo durante la contracción isovolumétrica:

Esto no es malo, en cuanto a las medidas de contractilidad. Un ventrículo más «contráctil» debería contraerse mejor (más duro, más rápido, más fuerte) y este parámetro lo reflejará en una contracción isovolumétrica más corta, o en una mayor presión alcanzada en el mismo tiempo. Del mismo modo, el ventrículo débil e inútil tardará más tiempo en alcanzar una presión más baja, por lo que es:

Obviamente, la contractilidad no es tan simple, y este parámetro tiene sus inconvenientes. Tomando prestado a Mason (1969):

• la dP/dT se ve afectada por las alteraciones de la presión diastólica arterial, es decir, una presión diastólica elevada provoca un aumento del pico de dP/dT.
• La dP/dT depende de la frecuencia cardíaca, lo que significa que es imposible evaluar los efectos de un inótropo si también tiene efectos cronotrópicos.

Así pues, la dP/dT está influida por algunos parámetros hemodinámicos importantes, que son difíciles de controlar. Está lejos de ser perfecto, y probablemente lo más amable que se puede decir de él es que «los cambios en el dp/dt máximo pueden reflejar, y con frecuencia lo hacen, cambios en la contractilidad miocárdica» (Wallace et al, 1963).

En su respuesta a la pregunta 4 del segundo trabajo de 2012, los examinadores mencionaron que este parámetro depende de la precarga y es independiente de la poscarga. ¿De dónde viene esta afirmación? Bueno, parece ser un resultado lógico de utilizar la contracción isovolumétrica como período dT. Considere: la mayoría de las definiciones de poscarga implican la presión aórtica en un grado u otro (o, afirman que la poscarga es la presión aórtica). Sin embargo, durante el período de contracción isovolumétrica, la válvula aórtica permanece cerrada. Entonces, argumentan, ¿cómo puede la dP/dT verse afectada por la poscarga, si se observa antes de que la poscarga tenga su efecto sobre el VI?

Esta línea de razonamiento es algo sospechosa. En primer lugar, la presión diastólica aórtica es sin duda un factor que afecta a la dP/dT, y sin duda está relacionada con la poscarga. También hay que tener en cuenta que la dP/dTmáx (es decir, la pendiente máxima de la curva, la tangente más pronunciada) podría observarse en algún momento después de la apertura de la válvula aórtica.

Entonces, ¿cuál es la evidencia experimental? Para poner a prueba estas ideas, Quiñones et al (1976), ya que era 1976, lograron convencer a pacientes ambulatorios electivos de que recibieran enormes bolos de angiotensina. La tensión máxima de la pared aumentó en un 44%, pero la dP/dT apenas se movió (el cambio fue del 2,5%). Del mismo modo, Kass et al (1987) descubrieron que la dP/dT no variaba mucho en un intervalo de valores de poscarga elevados, pasando a depender de la poscarga sólo cuando ésta era extremadamente baja (es decir, cuando la presión diastólica aórtica era tan baja que el valor máximo de dP/dT se observaba mucho después de la apertura de la válvula aórtica). En resumen, es justo decir que dentro de un rango normal de valores de poscarga, la dP/dT debería ser relativamente independiente de la poscarga. Lo cual va a ser un problema para su calidad como medida de la contractilidad, ya que ésta se ve claramente afectada por la poscarga.

Efectos de la poscarga sobre la contractilidad (efecto Anrep)

La poscarga afecta a la contractilidad. Es algo conocido. Gleb von Anrep lo detectó en 1912 tras pinzar la aorta de un perro, aunque no tenía ni idea de lo que estaba viendo. El corazón, con un aumento brusco de la poscarga, aumentaba de forma notable e inmediata su fuerza de contracción, y luego, gradualmente, aún más, durante los minutos siguientes. Aquí hay una grabación de cómo se ve eso, hecha por Cingolani et al (2013) de un músculo papilar de rata que estaban torturando:

El mecanismo detrás de la fase abrupta del aumento es puro Frank-Starling:

• El aumento de la poscarga provoca un aumento del volumen telesistólico
• Esto aumenta el estiramiento del sarcómero
• Eso conduce a un aumento de la fuerza de contracción

A partir de entonces, se produce un aumento gradual y sigiloso del calcio intracelular, impulsado principalmente por influencias neurohormonales. Cingolani et al (2013) lo repasan con mucho más detalle del que toleraría incluso un lector paciente. En pocas palabras hay un aumento de la actividad del intercambiador Na+/Ca2+ debido a una captación de sodio intracelular relacionada con la aldosterona, y esto se apoya en el hecho de que este aumento de la contractilidad fue totalmente bloqueado por la eplerenona.

Efectos de la frecuencia cardíaca sobre la contractilidad (efecto Bowditch)

Los autores más importantes también lo han llamado fenómeno Treppe, fenómeno de la escalera (treppe es la palabra alemana para escalera) y activación dependiente de la frecuencia. Como en el caso del efecto Anrep, todo se reduce a tener más calcio en los miocitos, que es la vía final común para todos los aumentos de la contractilidad. A nivel fundamental, el mecanismo es el siguiente:

• La contracción de los miocitos es la consecuencia de una afluencia significativa de calcio en los miocitos
• La relajación se debe principalmente a que este calcio se expulsa de nuevo fuera de la célula, o se vuelve a secuestrar en el sarcolema
• Esta expulsión de calcio es un proceso químico con un tiempo de reacción finito
• Ergo, con el aumento de la frecuencia cardíaca, el tiempo que queda para la eliminación del calcio disminuye
• Ergo, el calcio residual aumentará la contractilidad de los miocitos siempre que se mantenga una frecuencia cardíaca elevada.

Hasta cierto punto, los mecanismos que mejoran la relajación con el aumento de la frecuencia cardíaca también ayudan a la eliminación del calcio, pero éstos luchan contra el hecho de que el calcio intracelular se modula a sí mismo (por ejemplo, la liberación de calcio del sarcolema es desencadenada por el calcio intracelular).

Así que, ¿cómo de rápido tienes que ir, para producir un efecto Bowditch considerable en tus miocitos? Para producir tamaños de efecto publicables de buena apariencia, los investigadores normalmente tienen que aumentar la frecuencia cardíaca. En este caso, Haizlip et al. hicieron funcionar las fibras del ventrículo del conejo a una frecuencia de 240 para producir un aumento satisfactorio de la fuerza generada:

En este punto, el lector puede señalar que cualquier aumento de la contractilidad que dependa de una frecuencia cardíaca absurda debe compensarse sin duda con el fracaso total del llenado diastólico producido por dicha frecuencia. Recordemos los crueles estudios realizados en voluntarios propensos al síncope que produjeron volúmenes de carrera de 20 ml y presiones sistólicas de 50 mmHg a una frecuencia de 200. En resumen, aunque este efecto es un fenómeno conocido y necesita ser discutido en un entorno de examen, la mayoría de las personas razonables reconocerán que tiene una utilidad mínima a la cabecera del paciente.

Efecto Woodworth

Esto probablemente también merece una mención, ya que es otra versión del fenómeno de la escalera – o más bien, es lo que sea lo contrario de una escalera. Esencialmente, este efecto describe el efecto inotrópico positivo de un período prolongado entre contracciones – «el efecto recuperador de una larga pausa», para tomar las palabras del propio Woodworth (1902). Aquí hay un diagrama ilustrativo del artículo original de Woodworth, etiquetado con el efecto relevante.

Sí, eso es todo lo que hay: un pico sistólico más alto de lo normal tras un período de taquicardia. De nuevo, esto está relacionado con el calcio. Lavando las fibras musculares en una solución libre de calcio, el efecto fue completamente abolido por Hajdu (1969).

Algunos autores también parecen atribuir el nombre de «efecto Woodworth» a la observación de que la bradicardia aumenta la fuerza aparente de contracción, pero en realidad puede ser simplemente el efecto de una mejor precarga. Hay muy pocas menciones de este fenómeno en la literatura moderna.

La influencia del calcio en la contractilidad

Su papel central en el acoplamiento excitación-contracción hace que el calcio intracelular sea la vía común final para la actividad de la mayoría de los fármacos inotrópicos y los factores fisiológicos que influyen en la contractilidad. Básicamente, es la palanca de la que se tira cuando se quiere modificar la contractilidad de una forma u otra. La base de su papel central en este proceso se discute en otro lugar; para una visión general instantánea uno puede dirigirse a Eisener et al (2017). En resumen:

• La entrada de calcio en los miocitos cardíacos desencadena una liberación de calcio dependiente del calcio del sarcolema
• El calcio se une a la troponina dando lugar al deslizamiento de los filamentos gruesos y finos
• La fuerza de contracción depende de la cantidad de calcio unido a la troponina
• Por tanto, el principal factor que regula la fuerza de contracción es el nivel de calcio intracelular

De esto se deduce que la concentración de calcio intracelular es un determinante de la contractilidad. Eso es algo bastante indirecto para discutir, ya que normalmente no lo medimos, o titulamos nuestras intervenciones a él, o realmente pensar en ello en cualquier sentido significativo. Sin embargo, está ahí. Cualquier debate sobre la contractilidad cardíaca debería incluir la contribución del calcio y los factores que la modifican. Los cuales son:

Catecolaminas. Los efectos inotrópicos de las catecolaminas sistémicas y del sistema nervioso simpático están mediados por los receptores β-1, que son receptores acoplados a proteínas Gs. El aumento del AMP cíclico que resulta de su activación aumenta la actividad de la proteína quinasa A, que a su vez fosforila los canales de calcio. Se produce una afluencia de calcio. Sperelakis (1990) y Rüegg (1998) juntos dan más detalles de los que la mayoría de la gente podría manejar, cuando se trata de este aspecto.

Isquemia. Aunque el agotamiento del ATP que se espera que se produzca en ausencia de oxígeno es un mecanismo conveniente para culpar a la disminución de la contractilidad asociada a la isquemia, en realidad la cantidad de ATP en las células isquémicas agudas no se reduce durante un tiempo, mientras que la contractilidad sufre inmediatamente. Se cree que este deterioro de la función contráctil se debe a una disminución de la capacidad del calcio intracelular para desencadenar la liberación de más calcio del sarcolema (Gómez et al, 2001).

Calcio extracelular. Ese calcio -cuando se vierte en la célula durante el potencial de acción- tiene que venir de alguna parte. Bañar las células en un líquido desprovisto de calcio es una forma segura de abolir toda contracción. Lang et al (1988) dializaron a siete pacientes con insuficiencia renal crónica para conseguir diferentes niveles de calcio sérico y pudieron demostrar que el Vcfc (su medida de contractilidad elegida) disminuía significativamente con la hipocalcemia. De hecho, la relación entre los niveles de calcio y la contractilidad parecía ser lineal, en el rango éticamente permisible de concentraciones de calcio.

La influencia de la temperatura en la contractilidad

La hipotermia moderada (32-38º C) deteriora la contractilidad, y es bien conocida la disminución proporcional a la temperatura del gasto cardíaco. Se podría pensar que esto tiene que ver con la pérdida de afinidad de los receptores de catecolaminas (y para ser justos, así es), pero también hay otros factores en juego. En concreto, la hipotermia provoca una disminución de la sensibilidad de los miofilamentos cardíacos al calcio (Han et al, 2010) y la actividad de la miosina ATPasa activada por la actina cardíaca disminuye (de Tombe et al, 1990).