心功能不全时机体的代偿反应

第二节　心功能不全时机体的代偿反应

心脏泵血功能受损时，心输出量减少可以通过多种途径激活神经－体液调节机制，通过心内与心外代偿途径来防止心输出量的过度减少，以满足机体的代谢需要。急性心力衰竭时机体来不及代偿，患者短时间就发生严重心力衰竭，相反，心瓣膜病患者发生心力衰竭前往往可经历数年甚至数十年的代偿期，代偿期内患者没有明显的心力衰竭的症状和体征。

在神经－体液机制的调控下，机体对心功能降低的代偿反应可以分为心脏本身的代偿和心外代偿两部分。

一、心脏本身的代偿反应

心脏本身的代偿形式包括心率加快、心脏扩张、心肌收缩力增强和心室重塑。其中，心率加快、心脏扩张和心肌收缩力增强属于功能性调整，可以在短时间内被动员起来；而心室重塑是心脏长期负荷过重时通过改变心室的结构、代谢和功能而发生的慢性代偿反应。

（一）心率加快

心率加快是一种快速代偿反应，贯穿于心功能不全发生和发展的全过程。

1．心率加快的机制

①由于心输出量减少，对主动脉弓和颈动脉窦压力感受器的刺激减弱，经窦神经传到中枢的抑制性冲动减少，交感神经兴奋，引起心率加快；②心脏泵血减少使心腔内剩余血量增加，心室舒张末期容积和压力升高，可刺激右心房和腔静脉容量感受器，经迷走神经传入纤维至中枢，使迷走神经抑制，交感神经兴奋；③如果合并缺氧，可以刺激主动脉体和颈动脉体化学感受器，使呼吸加深加快，通过肺牵张反射引起心率加快。

2．心率加快的意义

心输出量是每搏输出量与心率的乘积。在一定的范围内，心率加快可提高心输出量，并可提高舒张压，有利于冠状动脉的血液灌流，对维持动脉血压，保证重要器官的血流供应有积极意义。心率加快的代偿作用也有一定的局限性，其原因如下。①心率加快，心肌耗氧量增加；②心率过快（成人大于180次／min），由于心脏舒张期明显缩短，冠状动脉灌流量减少，使心肌缺血、缺氧加重，并且心室充盈时间明显缩短，充盈量减少，使每搏输出量减少，心输出量降低。因此，一定范围内心率加快对心力衰竭具有代偿意义，而心率过快不但失去代偿作用，而且会促进心力衰竭的发生。

（二）心脏扩张

1．Frank－Starling定律

肌节长度在1．7～2．2μm的范围内，心肌收缩能力随心脏前负荷（心肌纤维初长度）的增加而增加。当肌节长度达到2．2μm时，粗、细肌丝处于最佳重叠状态，形成有效横桥（cross－bridge）的数目最多，产生的收缩力最大，这个肌节长度称为最适长度。当肌节长度超过2．2μm，有效横桥的数目减少，心肌收缩力下降，每搏输出量减少。当肌节长度达到3．6μm时，粗、细肌丝不能重叠而丧失收缩能力。

2．心脏紧张源性扩张

正常情况下，左心室舒张末期压在0～6mmHg的范围内，肌小节长度为1．7～1．9μm，尚未达到最适初长度，因此，随着左心室舒张末期充盈量增加，肌节长度增长，心肌收缩力和心输出量会逐渐增大。在心力衰竭时，由于每搏输出量降低，心室残余血量增多，使心室舒张末期容积增加，导致心肌纤维初长度增大（肌节长度不超过2．2μm），此时，心肌收缩力增强，代偿性增加每搏输出量，这种伴有心肌收缩力增强的心腔扩大称为心脏紧张源性扩张。

3．心脏肌源性扩张

当前负荷过大，舒张末期容积或压力过高时，心室扩张使肌节长度过长（肌节长度超过2．2μm），心肌收缩力反而下降，每搏输出量减少。这种心肌过度拉长并伴有心肌收缩力减弱的心腔扩大称为肌源性扩张，已失去增加心肌收缩力的代偿意义。此外，过度的心室扩张还会增加心肌耗氧量，加重心肌损伤。因此，在一定限度内的心室扩张可增加心肌收缩力，对心力衰竭具有代偿意义。心室过度扩张反而失去代偿作用并且加重心力衰竭。

（三）心室重塑

心室重塑（ventricular remodeling）是心室在长期容量和压力负荷增加时，通过改变心室的结构、代谢和功能而发生的慢性代偿适应性反应。近年的研究资料表明，心脏的结构性适应不仅有量的增加，即心肌肥大（myocardial hypertrophy），还伴随着质的变化，即细胞表型（phenotype）的改变。

1．心肌肥大

心肌肥大在细胞水平是指心肌细胞体积增大，即细胞的直径增宽，长度增加；在组织水平表现为心室质（重）量增加。虽然大多数学者认为，哺乳类动物于出生后不久，心肌细胞即丧失了有丝分裂能力而成为终末分化细胞。但心肌肥大达到一定程度（成人心脏重量超过500g）时，心肌细胞亦可有数量的增多。

（1）向心性肥大（concentric hypertrophy）：由于长期压力负荷过度，收缩期室壁张力持续增加，肌节呈并联性增生，心肌纤维增粗。其特征是心室壁显著增厚而心腔容积正常甚至减小，室壁厚度与心腔半径之比增大，常见于高血压性心脏病及主动脉瓣狭窄。

（2）离心性肥大（eccentric hypertrophy）：由于长期容量负荷过度，舒张期室壁张力持续增加，肌节呈串联性增生，心肌纤维增长。其特征是心腔容积显著增大与室壁轻度增厚并存，室壁厚度与心腔半径之比基本保持正常，常见于二尖瓣或主动脉瓣关闭不全。

心肌肥大可以在两方面发挥代偿作用：一是可以增加心肌的收缩力，有助于维持心输出量；二是降低心室壁张力而减少心肌的耗氧量，有助于减轻心脏负担。因此，心肌肥大有积极的代偿作用。但心肌肥大的代偿作用也是有一定限度的，过度肥大心肌可发生不同程度的缺血、缺氧、能量代谢障碍和心肌舒缩能力减弱等，使心功能由代偿转为失代偿。

2．心肌细胞表型（myocyte phenotype）改变

心肌细胞表型改变是指由于所合成的蛋白质的种类变化所导致的心肌细胞“质”的改变。在引起心肌肥大的机械信号和化学信号刺激下，可使在成年心肌细胞处于静止状态的胎儿期基因被激活，如心房钠尿肽基因、β^－肌球蛋白重链（β^－myosin heavy chain，β^－MHC）基因等，合成胎儿型蛋白质增加；或是某些功能基因表达受到抑制，发生同工型蛋白之间的转换，引起细胞表型改变。转型的心肌细胞可以通过分泌细胞因子（cytokies）和局部激素（local hormones）的变化，进一步促进细胞生长、增殖、凋亡及表型改变，从而使细胞器（包括细胞膜、线粒体、肌浆网、肌原纤维及细胞骨架）发生了在蛋白质分子水平上的变化，导致肥大心肌舒缩功能降低。

二、心脏以外的代偿反应

心功能减退时，除心脏本身发生功能和结构的代偿外，机体还会启动心外的多种代偿机制，以适应心输出量的降低。

（一）血容量增加

血容量增加是慢性心功能不全时的主要代偿方式之一。血容量增加一方面可以使静脉回流增加，进而增加心输出量，对心功能不全具有代偿意义；另一方面，血容量增加也加重心脏的容量负荷和心肌的耗氧，使心输出量下降而加重心力衰竭。

1．交感－肾上腺髄质系统兴奋

心功能不全时，心输出量减少，引起交感－肾上腺髄质系统兴奋，通过以下机制引起血容量增加。①肾小球滤过分数增加。交感神经兴奋，使肾出球小动脉收缩大于入球小动脉收缩，肾小球滤过率相对增加，肾小球滤过分数随之增加。由于肾小球滤过压相对增大，血中非胶体成分滤出增多，因此，通过肾小球流到肾小管周围的毛细血管的血液胶体渗透压增大，流体静压下降，近曲小管对水、钠重吸收增加。②肾素－血管紧张素－醛固酮系统激活，促进远端小管和集合管对水、钠的重吸收。③抗利尿激素（ADH）释放增多。随着钠的重吸收增加，ADH的分泌和释放也增加，加上肝脏对ADH的灭活减少，使血浆ADH水平增高，促进远端小管和集合管对水的重吸收。

2．肾血流量减少

心功能不全时，心输出量和有效循环血量减少进而使肾血流量减少。交感－肾上腺髄质系统兴奋，肾动脉收缩，肾血流量进一步减少。肾血流量减少引起血容量增加的机制：①肾血流量减少，肾小球滤过率降低，肾脏对水、钠排出减少，从而使机体血容量增加；②肾血流量减少，肾缺血使PGE₂合成酶活性降低，PGE₂合成、分泌减少，促进水钠潴留。

一定范围内的血容量增加可提高心输出量，维持动脉血压和组织灌流量，但长期过度的血容量增加可加重心脏负荷，增加心肌耗氧量，使心输出量下降而加重心力衰竭。

（二）血流重新分布

心功能不全时，交感－肾上腺髓质系统兴奋，儿茶酚胺增多，由于各器官对其反应性不同，使各器官血管收缩程度不同，引起全身血流重新分布。皮肤、肾与内脏器官的血流量减少，其中以肾脏血流减少最为显著，而心、脑血流量不变或略增加，这样既能防止血压下降，又能保证重要器官的血液灌流。但是，若外周器官长期供血不足，亦可导致该脏器功能减退。另外，外周血管长期收缩，也会导致心脏后负荷增大而使心输出量减少。

（三）红细胞增多

心功能不全时，体循环淤血和血流速度减慢可引起循环性缺氧，肺淤血和肺水肿又可引起乏氧性缺氧。缺氧刺激肾间质细胞分泌促红细胞生成素（erythropoietin）增加，后者促进骨髓造血功能，使红细胞和血红蛋白生成增多，以提高血液携氧的能力，改善机体缺氧。但红细胞过多又可使血液黏度增大，加重心脏后负荷，也可诱发血栓形成，使心输出量减少。

（四）组织利用氧的能力增加

心功能不全时，低灌注导致周围组织的供氧减少，组织细胞可发生一系列代谢、功能与形态、结构的改变。例如，慢性缺氧时细胞线粒体数量增多，表面积增大，细胞色素氧化酶活性增强等，这些变化可改善细胞的内呼吸功能；细胞内磷酸果糖激酶活性增强可以使细胞从糖酵解中获得能量的补充；肌肉中的肌红蛋白含量增多，可改善肌肉组织对氧的储存和利用。通过组织细胞自身代谢、功能与形态、结构的调整，使细胞利用氧的能力增强，以克服供氧不足带来的不利影响。

三、神经－体液调节在代偿中的作用

心脏本身的代偿反应和心外的代偿反应往往需要通过激活神经－内分泌系统来实现。在心功能不全的最初阶段，这些适应性变化对于维持心脏泵血功能、血流动力学稳态及重要器官的血流灌注起着十分重要的作用。但是，随着时间的推移，神经－体液调节机制失衡的有害作用也逐渐显露出来，AngⅡ等的长期、慢性激活又能加重心肌损伤，促使心脏泵血功能降低及心功能不全的进展。在神经－体液调节机制中，最为重要的是交感－肾上腺髓质系统和肾素－血管紧张素－醛固酮系统（rennin－angiotensin－aldosterone system，RAAS）的激活。

（一）交感神经系统激活

心功能不全时，心输出量减少使交感神经兴奋，血浆儿茶酚胺浓度明显升高。交感神经兴奋的代偿作用主要通过以下方式实现：①使心肌收缩性增强、心率增快，心排出量增加，调节心脏本身的泵血功能；②通过对外周血管舒缩功能的调节，使血液在机体内重新分布，使腹腔内脏等阻力血管收缩有助于维持动脉血压，保证心脏和脑重要器官的血流灌注。但长期过度地激活交感神经也会对心脏泵血功能产生许多不利影响：①外周血管收缩加重心脏后负荷；②内脏器官供血不足会引起其代谢、功能和形态、结构的改变；③心率增快，心肌耗氧量增加。同时，舒张期缩短，冠脉血流量减少。此时，交感神经激活的负面效应将成为使心力衰竭恶化的重要因素。

（二）肾素－血管紧张素－醛固酮系统激活

心输出量减少可激活肾素－血管紧张素－醛固酮系统。该系统激活对心功能不全的代偿作用有：①AngⅡ协同交感神经兴奋通过其强大的缩血管作用，有利于维持血压，调节血液的重新分布，保证心、脑的血液供应；②醛固酮增加可促进远端小管和集合管上皮细胞对水、钠的重吸收，增加血容量及前负荷，有利于恢复心输出量。肾素－血管紧张素－醛固酮系统激活过度或过久也会产生负面影响：①过度血管收缩和水、钠潴留会增加心脏前、后负荷，使病情加重；②AngⅡ还可直接促进心肌和非心肌细胞肥大或增殖，是导致心室重塑的主要因素。因此，心功能不全晚期肾素－血管紧张素－醛固酮系统再度激活是病情恶化的重要因素。