Stiff heart

Haemodynamik des Herzens in der Diastole

Dr. med. Konstantin Schraepler, Bremen 03/2023

...was bedeutet Herzinsuffizienz?

Herzinsuffizienz

• Unvermögen des Herz den Organismus ausreichend mit Blut und Sauerstoff unter Ruhe-/ Belastungsbedingungen zu versorgen
• durch strukturelle/ funktionelle Beeinträchtigung
  • des Blutauswurfs
  • der ventrikulären Füllung
  • z.B. Erkrankungen Myokard, Endokard, Herzklappen, Perikards
• Symptomatik:
  • Dyspnoe
  • Müdigkeit
  • Einschränkung körperliche Belastbarkeit
  • Flüssigkeitsretention (Stauung und/oder Ödeme)
•  2021 erste(!) einheitliche, international gültige Definition und Klassifizierung 

Definition und Klassifizierung der Herzinsuffizienz

• Symptome u./o. Anzeichen verursacht durch strukturelle/ funktionelle Herzanomalie,
  festgelegt als:
  • LV-EF <50%
  • abnorme Herzkammervergrößerung
  • E/e′ >15
  • mäßige/schwere ventrikuläre Wandverdickung
  • mäßige/schwere Klappenvitien
• und mindestens eines der folgenden Anzeichen:
  • erhöhte natriuretische Peptidwerte
  • Nachweis kardiogene pulmonale/ systemische Stauung mittels Bildgebung

...wie funktioniert das Herz?

Funktion des Herzens

• elektrische Stimulation führt zur  Verkürzung  der Herzmuskelzellen
• nach Beendigung Stimulation  Entspannung  der Herzmuskelzellen

• Verkürzung der Herzmuskulatur: Kontraktion =  Systole 
• Entspannung der Herzmuskulatur: Relaxation =  Diastole 

2 Phasen Herzaktion

• der ventrikulären Systole ist die  atriale Systole  vorgelagert

  Vorhofkontraktion   (atriale Systole)

• aktive linksventrikulären Füllung
  • trägt zu 20 bis 30 Prozent zum gesamten linksventrikulären Füllungsvolumen bei
• erhöht normalerweise den diastolischen Druck hierdurch um weniger als 5 mmHg

die   ventrikuläre Systole   (kardialer Output)

• durch die Kontraktion hervorgerufene Inwärtsbewegung der Herzmuskelwand steigt der Druck in der Herzkammer —
• wenn der Druck in den Herzkammern den Druck in der Aorta übersteigt, wird Blut ausgeworfen —

die   ventrikuläre Diastole   (kardialer Input)

• entscheidend für die linksventrikuläre Füllung und damit der Herzfunktion
• für die Füllung muss der LV-Druck kleiner als der LA-Druck sein
  • diastolischer LV-Druck wird bestimmt durch intraventrikuläres Blutvolumen, ventrikuläre Dehnbarkeit (Compliance) und durch den von Herzbeutel und rechter Herzkammer auf den linken Ventrikel ausgeübten externen Druck

1. Phase Diastole:   isovolumetrische Relaxation  

• Zeitraum zwischen Aortenklappenschluss und der Mitralklappenöffnung
• Druck im linken Herzen nimmt bei gleichbleibendem Volumen ab
• rascher Druckabfall
  • Aufdrehen (Untwist) und elastische Rückfederung (Recoil) des linken Ventrikels ➙ Saugeffekt ➙ Mitralklappenöffnung und Ventrikelfüllung führt
  Silverthorn DU (2022) Adv Physiol Educ 46:714-723
  Silverthorn DU. Human Physiology: an Integrated Approach. Boston, MA: Pearson Education, 2007–2020
  Wiggers CJ. Physiology in Health and Disease (2nd ed.). Philadelphia, PA: Lea & Febiger, 1937

2. Phase Diastole:   auxotonische Relaxation  

• Zeitraum zwischen Mitralklappenöffnung und atrialer Kontraktion
• mit Mitralklappenöffnung füllt linker Ventrikel mit variablen Druck
• in späterer Phase Entspannung sämtlicher Herzmuskelzellen
  • linke Ventrikel nun nachgiebig, leicht dehnbar und weist normalerweise nur minimalem Widerstand gegenüber Füllung auf

Begriffserklärung

• Vorlast (Volumen)
  • definiert als das maximale Volumen, mit dem das Herz am Ende der Diastole gefüllt ist
    (= enddiastolisches Volumen)
• Nachlast (Druck)
  • definiert als der Druck, den der linke Ventrikel überwinden muss, um das Blut während der Systole in die Aorta auszuwerfen
• Ejektionsfraktion
  • prozentuelle Anteil des enddiastolisches Volumen, der in die Aorta ausgeworfen wird

... von hier ausgehend

Unterteilung Herzinsuffizienz

• systolische
  • Auswurf von Blut vermindert
  • anhand eingeschränkter Ejektionsfraktion erkennbar

• diastolische
  • Füllung mit Blut während Diastole beeinträchtigt
  • anhand Ejektionsfraktion (LVEF ≥50 %) nicht erkennbar

Unterteilung Herzinsuffizienz

• LV-EF ≤40%
  
    Herzversagen mit eingeschränkter Ejektionsfraktion  
      Heart Failure with reduced Ejection Fraction, HFrEF
• LV-EF ≥50%:
  
    Herzversagen mit erhaltener Ejektionsfraktion  
      Heart Failure with preserved Ejection Fraction, HFpEF
• LV-EF ≥40-50%:
  
    Herzversagen mit leicht eingeschränkter Ejektionsfraktion  
      Heart Failure with mild reduced Ejection Fraction, HFmrEF
Folse R et Braunwald E (1962) Circulation 25:674-685
Kitzman DW et al. (1991) J Am Coll Cardiol 17:1065-1072
Maurer MS et al. (2005) J Card Fail 11:177-187

echokardiographisches Bild

5J-Statistik: Krankenhauseinweisung Herzinsuffizienz (n = 39.982)

... die Pathophysiologie?

Diastolische Dysfunktion durch Störung

• Entspannungsfähigkeit des Herzmuskels (Relaxation)
• frühen diastolischen linksventrikulären Rückstoß (Recoil)
• Kammersteifigkeit (Stiffness)

Störungen der Diastole

... alles geklärt?

Begriffsdefinitionen

• abnorme mechanische Eigenschaften in der Diastole
  = diastolische Dysfunktion
• symptomatische diastolische Dysfunktion
  = diastolische Herzinsuffizienz
• dann sollte diastolische Herzinsuffizienz einer HFpEF entsprechen
  diastolische Herzinsuffizienz ≠ HFpEF

... warum?

es bestehen weitere beitragende Faktoren

• Einschränkungen der
  • systolischen linksventrikulären und linksatrialen Funktion
  • systemischen und pulmonalen Gefäßfunktion
  • Stickoxid-Bioverfügbarkeit
  • chronotropen Reserve
  • Funktion des rechten Herzens
  • des autonomen Tonus
  • Einfluss des Perikards auf die LV-Füllung
  • Wechselwirkungen zwischen rechtem und linkem Ventrikel
  • systolische und diastolische linksventrikuläre Dyssynchronie
  • koronare Blutfluss und Gewebeperfusion
  • sonstige periphere Beeinträchtigungen
• häufig Zusammenspiel mehrerer Mechanismen
  • wobei Ausmaß der einzelnen beeinträchtigenden Komponenten sehr unterschiedlich sein

... erklärt das nun alles?

ein paar Fakten...

• Mortalität steigt auch bei Abweichungen der LV-EF >60% an ^{(n = 203 135)}
  •  unabhängig von Alter, Geschlecht oder anderen relevanten Begleiterkrankungen 
  • = Herzinsuffizienz mit supranormaler Ejektionsfraktion, HfsnEF
• bestimmte Therapieprinzipien wirken nur innerhalb eines bestimmten Ejektionsfraktionsbereichs
  • Empagliflozin-Wirkung konsistent in der Wirkung bei EF <65%, oberhalb jedoch abgeschwächt
    Sacubitril/Valsartan-Wirkung EF-abhängig, jedoch bei Frauen zusätzlich bei höherer EF

... weitere Fakten

Herzinsuffizienzen mit LVEF >60% besitzen im Gegensatz zu solchen von 50-60%

• kleineres endsystolisches und enddiastolisches linksventrikuläres Volumen (ESV, EDV)
• höheren enddiastolischen LV-Druck
  • steilere, nach links verschobene endsystolische und enddiastolische Druck-Volumen-Beziehung (EDPVR)

• reagiert empfindlicher auf Verringerung der Vorlast
  • mit stärkerer Verringerung von Blutdruck und Schlagvolumen

Aufbau des Herzens, revisited

erneute Betrachtung

• Vorstellung über Herzfunktion basiert im klinischen Alltag weitgehend auf Mechanik, die sich an Aufteilung in linke/ rechte Herzkammer, Herzscheidewand orientiert
• Sichtweise beruht auf William Harveys Werk „De Motu Cordis“
  • Herzmuskel in Form eines Herzmuskelbandes angeordnet, Herzwände einheitlich durch laminare Bahnen aus faserigem Gewebe vom Epikard zum Endokard gebündelt, erstmals 1628 veröffentlicht
  • von anatomischer Realität weit entfernt
  • ignoriert wichtige frühere Erkenntnisse der letzten 400 Jahre

Fakten

• ein Herzmuskelzelle verkürzt sich bei Stimulation um  15% 
• zirkulär/ konstriktorische Fasern reichen für benötigten kardialen Auswurf nicht aus
• ein gesunder Herzmuskel verkürzt sich im Speckle tracking um  >18%  um die notwendige Auswurfraktion zu erzielen

der reale Aufbau des Herzens

der reale Aufbau des Herzens

• wickel- und schraubenförmige architektonische Herzaufbau
  • lässt ein an Herzkammern orientiertes Herzmodell sehr fraglich erscheinen
• nur durch Kenntnis der Architektur Verständnis der Herzfunktion
  • ansonsten Fehlverständnisse und Fehleinschätzungen
• durch helikalen Aufbau bedingtes Twisting des Myokards

Twisting-Modell nach Mall FP (1911)

• durch Verdrehen der Apex Imitierung der Verdrehung der inneren Muskelbündel wodurch das Blut aus dem Herzen "gewrungen" wird

Twisting im Speckle tracking

• ventrikuläres Twisting lässt sich echokardiographisch in der
  kurzen parasternalen Achse darstellen

aktuelle physiologische Herzmodelle

• Modell des spiralförmigen ventrikulären Myokardbandes (HVMB)
  • Torrent-Guasp F, 1966
  • aktive Muskelkontraktion in der frühen ventrikulären Diastole
    • späte aktiven Muskelkontraktion des aufsteigenden Herzmuskelband-Segments am Ende der klassischen Systole und frühen Diastole mit mit Anhebung Ventrikelbasis, Verlängerung ventrikuläre Längsachse und hierdurch bedingtem Vakkumeffekt
• diffuse, verschachtelte Myokard-Schichtmodelle (Nested layer Modelle)
  • Krehl L, 1891
  • linke Ventrikelwand und Septum besteht aus konzentrisch miteinander verbundenen Muskelschichten, die in einem unterschiedlichen Schrägungswinkel zueinander stehen
  • komplexe Interaktionen
    • trotz der Aktivierung kann sich Herzmuskelzelle verlängern (nicht verkürzen), wenn äußere Kraft der Verkürzung entgegenwirkt, gleiche gilt bei Inaktivierung mit ausbleibender Verlängerung
    l
  Streeter DD et al. MIT Press, Cambridge 1978: 73
  Torrent-Guasp F et al. (2004) Eur J Cardiothorac Surg 25:376-386
  Krehl L (1891) Abh Math Phys 29, 341–362
  Streeter DD et Hanna WT (1973) Circ Res 33:639-655
  Bayer JD et al. (2012) Ann Biomed Eng 40:2243-2254

modernste Bildgebung (experimentell)

• 3D-Analyse Myokardarchitektur im Diffusions-Tensor-MRT
  • Nachweis einer spiralförmigen Myokardfaseranordnung
  • Farbschema stellt die Faserorientierungen dar

... trotz aller Fortschritte

• genaue Beziehung zwischen ventrikulärer Anatomie und Funktion auch heute noch nicht in allen Einzelheiten geklärt
• Auffassung das effiziente Ventrikelfüllung durch starken Sog passiv durch elastischen Rückstoß (Recoil) erfolgt umstritten
• häufende Hinweise, dass durch segmentale elektrische und mechanische Aktivierung Ventrikelfüllung Folge  aktiver Myokardkontraktion  ist

HFpEF = komplexes Krankheitsbild

• umfasst breites Spektrum unterschiedlicher Ätiologien
• Ausmaß wird durch Störung der Feinstruktur des Herzens erklärt

histologische Bilder

adultes Myokard

hypertensive Herzkrankheit

hypertrophe Kardiomyopathie

kardiale Amyloidose

kardiale Hämochromatose

Glykogen-Speicherkrankheit

in der Echokardiographie bedenken

"Standard"-Echokardiographie bietet nur unzureichende Beachtung

• der linksventikulären Architektur
  • kompliziert spiralförmig in Muskelbändern angeordnete Muskelfasern, die am Apex eine Achterschleife bilden
• des für die Herzfunktion wesentlichen Twistings
  • wird durch die achtförmig im Uhrzeigersinn und spiralförmig gegen den Uhrzeigersinn angeordnete Muskelfasern verursacht
• der zeitlichen und räumlichen Ablauf der Kontraktion
  • das Myokard kontrahiert/ relaxiert nicht gleichzeitig homogen alle Fasern

Möglichkeit neuer echokardiographischer Verfahren

LA-Strain

• bewertet nicht Einschränkung der kardialen Funktion
• bewertet Auswirkung der eingeschränkten kardialen Funktion

was nehme ich mit?

• Stiff heart - leider nur ein schönes Schlagwort
  • lediglich Teilaspekt der HFpEF, erklärt sie nicht
• bis heute verstehen wir noch nicht in Einzelheiten wie das Herz arbeitet
• können uns in der Echokardiographie nicht auf traditionelle Parameter verlassen
  • weitere Entwicklungen und Etablierung im klinischen Alltag sind notwendig
• Biomarker wie das BNP/ NT pro-BNP mit in die Diagnostik einbeziehen
• klinische Symptomatik immer berücksichtigen