OBJETIVO: Analisar a influência da depressão miocárdica pós-isquemia/reperfusão (DMPIR) sobre os efeitos inotrópico e lusitrópico promovidos pela freqüência cardíaca (FC). MÉTODOS: Nove preparações de coração isolado de cães nutrido pelo sangue arterial de um outro cão e contraindo isovolumetricamente tiveram a freqüência cardíaca elevada de 60 bpm a 200 bpm, em etapas de 20 bpm. Foram avaliadas as variáveis antes (C) e depois (D) da isquemia (15 min) e reperfusão (30 min): a pressão desenvolvida durante a contração (PD), sua 1ª derivada positiva (+dP/dt) e negativa (-dP/dt), o tempo de pressão máxima (TPM), a pressão de repouso (Pr) e o tempo para a pressão desenvolvida regredir em 90% de seu valor máximo (TR90%). RESULTADOS: Os efeitos estimulantes da elevação da FC sobre o inotropismo e o relaxamento foram semelhantes em C e em D: houve aumento dos valores da +dP/dt, redução do TPM, acentuação da -dP/dt e diminuição do TR90%. A PD não sofreu alteração e a Pr se elevou. CONCLUSÃO: Os resultados confirmaram o efeito inotrópico positivo da elevação da FC (efeito Bowditch) e a ação depressora da isquemia/reperfusão. Evidenciaram ainda que a DMPIR não altera a ação estimulante do efeito Bowditch. Os resultados se adequam ao conceito vigente de que a DMPIR não compromete a cinética miocárdica do cálcio, favorecendo, a hipótese prevalente de que o decaimento da capacidade contrátil pós-isquemia/reperfusão depende de redução da responsividade dos miofilamentos ao cálcio.
A depressão miocárdica pós-isquemia/reperfusão não altera a resposta cardíaca à elevação da freqüência de contrações
Orlando Sant'Ana Jr; Roberto J. Nogueira; Neif Murad; Antonio Carlos Lopes; Paulo J. F. Tucci
São Paulo, SP
Fisiologia Cardiovascular, Escola Paulista de Medicina, Universidade Federal de São Paulo
Heyndrickx e cols1, em 1975, descreveram pela primeira vez a depressão miocárdica pós-isquemia/reperfusão, que viria a ser popularizada na literatura inglesa sob a denominação
Há indicações muito convincentes de que a cinética do cálcio não se altera na depressão miocárdica pós-isquemia/reperfusão. Assim, já foi comprovado que a depressão miocárdica pós-isquemia/reperfusão não reduz o teor intracelular do íon3,4,7 e preserva as manobras fisiológicas e farmacológicas que estimulam o inotropismo por acentuarem o cálcio intracelular ([Ca]i): agonistas beta-adrenérgicos8-11, milrinone8,12, administração de cálcio5,13, potenciação pós-pausa14 e potenciação pós-extrassistólica9,13.
Há, contudo, relato de que o efeito inotrópico positivo dependente da elevação da freqüência cardíaca, estudado em segmento de miocárdio de cães submetidos à isquemia regional, é transformado em ação inotrópica negativa seguindo-se ao conjunto isquemia/reperfusão12. Em se confirmando este resultado de inversão da resposta miocárdica à elevação da freqüência cardíaca, o conceito de integridade da cinética do cálcio após períodos de isquemia/reperfusão deveria ser revisto, pois, tipicamente, a ação inotrópica ligada às oscilações da freqüência cardíaca é uma manobra fisiológica que depende, estritamente, da cinética do cálcio.
Na maioria dos mamíferos, as elevações da freqüência cardíaca despertam estímulo do inotropismo miocárdico. Esta ação estimulante da contratilidade miocárdica exercida pela freqüência cardíaca recebeu o nome de efeito Bowditch ou fenômeno
O objetivo deste trabalho foi reavaliar a influência de período transitório de isquemia, seguido de reperfusão, na resposta de corações isolados de cães às elevações da freqüência de contrações. Foi utilizada a preparação de coração isolado de cães nutrido pelo sangue arterial de outro cão e mantido em contrações isovolumétricas. O volume ventricular imutável desta preparação permite que se utilizem as pressões ventriculares como indicadores da contratilidade miocárdica e da complacência ventricular com apreciável fidelidade. Estando constante o volume ventricular, oscilações das pressões desenvolvidas durante as contrações apontam para variações do estado inotrópico no mesmo sentido e alterações da pressão diastólica sinalizam para modificações da complacência ventricular.
O trabalho foi desenvolvido em corações isolados de cães (n=9) nutridos pelo sangue arterial de outro animal (
Dois cães, anestesiados com mistura de cloralose (60 mg/kg) e uretana (600 mg/kg) e heparinizados (500 UI/kg), foram utilizados em cada experiência: o animal do qual se extraia o coração (12-16 kg) e o que era mantido como suporte (19-23 kg), provendo o sangue arterial para o coração isolado. O animal suporte era ventilado mecanicamente e recebia doses adicionais de cloralose (6 mg/kg), uretana (60 mg/kg) e heparina (50 UI/kg) a cada hora. O pH (7,35-7,45) e as concentrações dos gases sangüíneos (pO2 > 100 mmHg; pCO2= 35-45 mmHg) eram avaliadas a cada hora e seus desvios eram corrigidos mudando-se a programação dos parâmetros ventilatórios ou pela administração de bicarbonato de sódio a 8%.
O sangue das artérias femurais do cão suporte era impulsionado por bomba de rolete para um reservatório, no qual o sangue era mantido sob pressão constante de 100 mmHg, para prover sangue para as coronárias do coração isolado, por meio de um regulador de pressão alimentado por oxigênio. Antes de perfundir as coronárias, por uma cânula colocada na aorta ascendente do coração isolado, o sangue era aquecido a 37ºC por um permutador de calor. O fluxo do seio coronariano e da circulação de Thebésio retornava para as veias jugulares do animal suporte por cateteres inseridos no tronco da artéria pulmonar e no ápice do ventrículo esquerdo, respectivamente.
Através de incisão na parede anterior do átrio direito, era injetado formol 10% (0,6-2,0 ml) na região do nó atrioventricular para promover bloqueio atrioventricular total e a freqüência cardíaca era comandada por estimulador artificial cujos eletrodos eram colocados na parede anterior do ventrículo direito. A atriostomia era fechada por sutura em bolsa previamente preparada. Este procedimento foi realizado durante oclusão temporária da linha de perfusão coronariana e a isquemia cardíaca resultante perdurou por, somente, 50-170 s. O aparelho valvar mitral era excisado, um balão de látex bastante maleável e delicado, montado em uma cânula (18 mm de diâmetro), era colocado no interior do ventrículo esquerdo e uma sutura em bolsa em torno da base do átrio esquerdo era ocluída para manter o balão no interior da cavidade ventricular. O balão era complacente e tinha dimensões suficientes para não contribuir com pressão em todo o montante de líqüido utilizado para distender o ventrículo esquerdo. A extremidade distal da cânula do balão era ocluída e transpassada por dois cateteres (15 cm de comprimento e 0,3 cm de diâmetro interno). Um dos cateteres era utilizado para controlar o volume de líquido no interior do balão e o outro era ligado a transdutor de pressão P23ID. O transdutor acoplava-se a amplificador Gold modelo 13-6615-50 para determinação das pressões ventriculares e a primeira derivada temporal da pressão ventricular (dP/dt) era obtida por amplificador Gold modelo 13-4615-71. Estas variáveis foram registradas em polígrafo Windograf.
Instalada a preparação, a freqüência de estímulos do marcapasso era regulada para 60 bpm e o volume de líquido no interior do balão era ajustado para que a pressão sistólica, observada no monitor do polígrafo, atingisse valor próximo de 70 mmHg. A freqüência do estimulador era progressivamente elevada até 200 bpm para se reassegurar que não ocorreria: a) elevação da pressão desenvolvida acima da pressão de perfusão coronariana; b) valores excessivos de freqüência de estimulações, capazes de promover desajustes da capacidade contrátil que desaconselhassem a continuidade do protocolo. Alcançada esta situação, o marcapasso era novamente programado para emitir a freqüência de estímulos considerada como basal (60 bpm), e aguardava-se intervalo de 10 a 20min, suficiente para se obter equilíbrio funcional da preparação.
Terminado o período de estabilização, efetuava-se o registro das variáveis na condição basal. Em seguida, a freqüência de estímulos do marcapasso era elevada sucessivamente, em etapas de 20 bpm, até o valor de 200 bpm. A cada aumento da freqüência de estímulos, aguardava-se um minuto para que a nova situação funcional alcançasse equilíbrio e procedia-se a novo registro das variáveis. As manobras descritas compunham a situação controle (C) do protocolo.
Na seqüência, era promovida a situação de depressão contrátil pós-isquemia/reperfusão.
Retornava-se a freqüência de estímulos ao valor basal e iniciava-se período de isquemia global do coração por oclusão da linha de perfusão coronária. Transcorridos 15min de isquemia, restabelecia-se a perfusão coronariana; o período de reperfusão foi de 30min. Durante o período de isquemia o marcapasso artificial era desligado logo após o coração ter alcançado a situação de assistolia ou fibrilação ventricular (aproximadamente 10min). No início do período de reperfusão, o sangue proveniente do coração era deixado drenar para o exterior (aproximadamente 250 ml) para que catabólitos cardíacos que pudessem ter se acumulado durante a isquemia não fossem injetados no cão suporte. Ao final dos 30min de reperfusão realizavam-se os registros das variáveis em freqüências de estímulos idênticas àquelas utilizadas quando dos registros da situação c. Estes registros representaram os dados da situação depressão (D). Em algumas experiências ocorreu fibrilação ventricular no coração isolado durante o período de isquemia ou logo no início do período de reperfusão. Quando ocorrida, procedeu-se à desfibrilação elétrica utilizando-se descarga elétrica de 10 joules.
Para efeito da análise, cada variável foi analisada sob três enfoques: 1) se a elevação da freqüência cardíaca promoveu modificação das variáveis dentro de cada condição estudada controle e depressão; 2) se a isquemia/reperfusão deprimiu a ação mecânica do coração; 3) se o comportamento das diversas variáveis foi diferente dentro de cada condição controle e depressão.
Para cada uma das variáveis foi realizada, preliminarmente, uma análise de variância (ANOVA) com medidas repetidas com um único grupo de animais, referida na literatura estatística como análise de variância em blocos20. Depois que se caracterizou a diferença entre as diversas freqüências cardíacas utilizadas (p < 0,0001), foram feitas duas partições hierárquicas da soma de quadrados dos valores das diferentes variáveis, nos diversos níveis de freqüência cardíaca. A primeira partição comparou, separadamente, para cada uma das condições C e D, as médias de cada variável obtidas nas diversas freqüências cardíacas analisadas. Esta manobra permitiu avaliar se a elevação da freqüência cardíaca promoveu modificação da variável dentro de cada condição estudada. No caso de haver significância estatística, foram utilizados contrastes ortogonais21 para testar a existência de efeitos linear, quadrático e cúbico. A outra partição testou, para cada uma das variáveis, em cada valor de freqüência cardíaca, a hipótese de igualdade de médias entre as condições C e D. Esta análise possibilitou caracterizar se a isquemia/reperfusão afetou o valor das variáveis. Nos casos em que houve diferenças significantes entre os valores das condições C e D, determinaram-se os intervalos de confiança a 95% das diferenças entre as médias alcançadas pela variável nas freqüências cardíacas de 60 e de 200 bpm nas duas condições experimentais. Foram admitidos como indicativos de comportamento diferente nas duas condições os resultados cujos intervalos de confiança a 95% não se superpuseram.
Os dados são apresentados sob a forma de média ± erro padrão da média (x ± epm).
Pressão desenvolvida durante a contração (PD: pressão sistólica menos pressão diastólica), valor positivo máximo da dP/dt (+dP/dt) e tempo de pressão máxima (TPM: período decorrido desde o início da ascensão sistólica da curva de pressão ventricular até seu valor máximo, indicando a duração da sístole) foram utilizados para analisar a contração ventricular (
A elevação da freqüência cardíaca despertou influências diferentes na PD e na +dP/dt tanto em C quanto em D. Em toda faixa de freqüência cardíaca analisada não se identificaram valores estatisticamente diferentes da PD em C (p = 0,2986) e em D (p = 0,7027), indicando que a PD não variou em nenhuma das condições (
Concomitantemente, como decorrência da elevação da freqüência cardíaca, houve encurtamento da contração (
Tomados em conjunto, estes resultados indicam que a depressão miocárdica pós-isquemia/reperfusão não exerceu efeito quantitativo ou qualitativo nas modificações da função sistólica promovidas pelo efeito Bowditch. O efeito Bowditch estimulou a contração, enquanto a depressão pós-isquemia/reperfusão deprimiu esta função. Foi marcante que a isquemia/reperfusão não exerceu nenhum efeito sobre a influência da elevação da freqüência cardíaca sobre a contração ventricular.
A função diastólica ventricular foi analisada avaliando-se a complacência ventricular e o relaxamento miocárdico. Os valores assumidos pela pressão de repouso (Pr), mantendo constante o volume ventricular, foram utilizados como indicadores de flutuações da complacência ventricular. A análise do relaxamento miocárdico foi concretizada estudando-se o comportamento dos valores negativos máximos da dP/dt (-dP/dt) e o tempo necessário para que a pressão desenvolvida se reduzisse em 90% dos valores máximos (tempo de relaxamento a 90%: TR90%).
Os valores das pressões de repouso (Pr) para as diversas freqüências cardíacas nos estados C e D são apresentados na
Foram verificadas diferenças estatisticamente significantes entre as medias das pressões de repouso para as condições C (p < 0,0001) e D (p < 0,0001), indicando que a Pr variou quando se elevou a freqüência cardíaca. Foi verificado que a Pr comportou-se como uma função quadrática da freqüência cardíaca tanto para a condição C (y = 5.641 — 0,049x + 0,00024 x2; p = 0,0002) quanto para D (y = 5.0 — 0,032x + 0,00018x2; p = 0,0036). Comparando-se os valores médios da Pr nas condições C e D, em cada uma das freqüências, verificou-se igualdade das médias de pressão diastólica dessas duas condições nas freqüências de 60, 80, 100, 120 e 140 bpm. Para a freqüência de 160 bpm foi identificada significância sugestiva de tendência de a Pr ser maior na condição D do que na condição C (p = 0,0532) e para a freqüência de 180 bpm foi detectada diferença estatisticamente significante entre as médias das pressões de repouso das duas condições (C: 4,1 ± 0,8 mmHg; D: 5,3 ± 0,7 mmHg; p = 0,0071). Já para a freqüência cardíaca de 200 bpm não houve significância estatística (p = 0,4239) para a diferença verificada entre os valores de Pr nas duas condições. O conjunto dos resultados indica que a Pr varia com as elevações de freqüência cardíaca segundo padrões parabólicos crescentes, de concavidades superiores, não coincidentes nas condições C e D, desde que a equivalência das condições C e D só ocorre até a freqüência cardíaca de 140 bpm.
As elevações de freqüência cardíaca acarretaram incrementos progressivos nos valores absolutos da —dP/dt em C (363 + 1,438x; p < 0.0001) e em D (200 + 1,394x; p < 0.0001) (
O período de relaxamento ventricular, avaliado pelo tempo de relaxamento a 90% da PD, foi reduzido em C (238 — 0.557x; p < 0.0001) e em D (249 — 0.589x; p < 0.0001) e não foram identificadas diferenças entre os pares de valores do TR90% em todos os níveis de freqüência cardíaca analisados (
O conjunto dos dados da —dP/dt e do TR90% indica que o relaxamento miocárdico foi ativado pelo aumento da freqüência cardíaca. Os dados mostraram, também, que a depressão miocárdica pós-isquemia reperfusão reduziu a velocidade de relaxamento, embora não tenha ocorrido alteração do TR90%. Adicionalmente, foi evidenciado que o conjunto isquemia/reperfusão não altera a influência exercida pelo efeito Bowditch nas propriedades lusitrópicas, visto que as modificações da —dP/dt e da TR90% despertadas pelo aumento de freqüência cardíaca não foram diferentes em C e D.
Nossos resultados caracterizaram, claramente, o efeito inotrópico positivo da elevação da freqüência cardíaca e a ação depressora da contração promovida pela isquemia/reperfusão. A ação estimulante da contratilidade ficou bem manifesta no incremento progressivo da +dP/dt que acompanhou o aumento da freqüência cardíaca. É possível argumentar que a ausência de crescimento da PD, simultaneamente à elevação da freqüência cardíaca, contraria a idéia de ação inotrópica positiva do efeito Bowditch. Esta contestação possível é contrariada por informações da literatura. Dados de outros autores22-24 já evidenciaram que a força gerada durante a sístole (indicada pelo valor máximo da PD) depende da intensidade com que a contração é gerada (melhor refletida pelo valor máximo da +dP/dt) e da duração da contração (apontada pelo TPM). Caracteristicamente, como parte integrante do efeito Bowditch, estas duas variáveis que regulam a força gerada sofrem modificações em sentidos opostos, exatamente como ocorreu em nossos experimentos: a contração se intensifica (aumentando a +dP/dt) e se encurta (diminuindo o TPM). O resultado final sobre o valor da força dependerá do predomínio de um ou de outro destes fatores, podendo ocorrer, até mesmo, a sua redução.
Por outro lado, foi nítido o efeito depressor da contração desencadeado pela isquemia/reperfusão. Após o período de 30 minutos de retomada do fluxo coronário, os valores da PD e da dP/dt foram claramente inferiores àqueles verificados na situação controle. É notável o crescimento, na literatura, de tendência a admitir as alterações da responsividade dos miofilamentos como o mecanismo patogenético mais relevante na depressão miocárdica pós-isquemia/reperfusão3,6,7,25,26 . Esta interpretação está se consolidando levando em conta, principalmente, a existência de demonstrações convincentes de que a oferta de cálcio para o mioplasma não está alterada depois de poucos minutos que a reperfusão miocárdica é retomada. Considere-se, ainda, como apoiador desta hipótese, o fato de a capacidade funcional do miocárdio deprimido poder ser estimulada por manobras inotrópicas que atuam sobre a cinética celular do cálcio: aminas simpatomiméticas8-11,27, milrinone12, administração de cálcio5,13, estimulação pós-extrassistólica9,13 e estimulação pós-pausa14.
A redução dos valores da —dP/dt em D contrasta com a idéia de que a cinética do cálcio não seja afetada pelo binômio isquemia/reperfusão. Este resultado não pode ser compreendido por alterações que tenham ocorrido na responsividade dos miofilamentos ao cálcio e, em princípio, sinalizaria para a possibilidade de a recaptação de cálcio pelo retículo sarcoplasmático ter sido prejudicada. Contudo, resultados descritos por outros autores7,28 indicaram que, quando se analisa o relaxamento miocárdico no ventrículo intacto, outros fatores necessitam ser considerados além da responsividade dos miofilamentos e da cinética do cálcio. Os resultados destes autores indicaram que o edema miocárdico e o turgor coronariano, presentes no ventrículo intacto, conferem características de comprometimento ao relaxamento muscular que não se identificam em amostras isoladas de miocárdio. Estas informações permitem admitir que a depressão do relaxamento por nós verificada em D não deve ser associada a comprometimento da cinética intracelular do cálcio causada pelo binômio isquemia/reperfusão
Nossos resultados indicaram que isquemia global de corações isolados, seguida de reperfusão, resulta em depressão miocárdica que não altera a influência do efeito Bowditch sobre a contração e o relaxamento. Mais ainda; o encontro de equivalência de resposta ao aumento da freqüência de contrações permite concluir que nem mesmo a intensidade das respostas miocárdicas ao "treppe" é alterada no estado de depressão pós-isquemia/reperfusão.
Temos informações de apenas um único trabalho que visou estudar a influência do aumento da freqüência cardíaca sobre o miocárdio deprimido por isquemia/reperfusão12. SCHAD e cols promoveram isquemia regional no território da artéria coronária descendente anterior e compararam o desempenho sistólico do miocárdio irrigado por este vaso com o exteriorizado pelo músculo suprido pela artéria circunflexa. Seguindo-se à isquemia/reperfusão da região irrigada pela descendente anterior, verificaram que, nesse território, a elevação da freqüência cardíaca foi acompanhada de diminuição do encurtamento miocárdico. No território da circunflexa, tomado como referência de comportamento normal do miocárdio, a contração muscular foi ativada pelo aumento da freqüência de contrações. Na interpretação de seus resultados, estes autores não levaram em conta que a avaliação do desempenho sistólico nas condições experimentais utilizadas é dificultada pela interação que se estabelece entre o miocárdio deprimido e o normal. O método utilizado coloca o miocárdio deprimido contraindo em série com o miocárdio normal. Nestas condições, a contração do miocárdio normal, exacerbada pelo estímulo inotrópico, tende a estirar o miocárdio deprimido, mascarando a ativação da capacidade contrátil que possa ter ocorrido neste último.
Portanto, os nossos dados indicam que, no miocárdio canino, a depressão miocárdica após15 min de isquemia e 30min de reperfusão não impede que as respostas da contração e do relaxamento ao aumento de freqüência cardíaca se exteriorizem com características equivalentes às do miocárdio normal. Esta inferência corrobora a proposição de que a funcionalidade dos mecanismos reguladores da cinética intracelular do cálcio permanece próxima da normalidade na depressão miocárdica pós-isquemia/reperfusão.
O apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP; projeto 99/04533-4) e ao Ministério da Ciência e Tecnologia (CNPq; processo 300.692/80-3 NV) e a participação competente e dedicada do Sr. Airton Andrade Santos nos experimentos.
Paulo J. F. Tucci Rua Estado de Israel, 181/94 Cep 04022-000 - São Paulo - SP E-mail:
Recebido para a publicação em: 28/10/2003
Aceito em: 01/04/2004
OBJECTIVE:To assess the influence of the postischemia/reperfusion stunned myocardium (PIRSM) on the inotropic and lusitropic effects of heart rate (HR). METHODS: Nine preparations of isolated dog hearts in isovolumic contraction and nourished by the arterial blood of another dog underwent heart rate elevation from 60 bpm to 200 bpm, in 20-bpm stages. The following variables were assessed before (B) and after (A) ischemia (15 min) and reperfusion (30 min): the pressure developed during contraction (PD), its first positive (+dP/dt) and negative (-dP/dt) derivative, the time of maximum pressure (TMP), the pressure at rest (Pr), and the time necessary for the developed pressure to decrease by 90% of its maximum value (time for relaxation - TR90%). RESULTS: The stimulating effects of HR elevation on inotropism and relaxation were similar before and after ischemia/reperfusion as follows: +dP/dt values increased, TMP decreased, -dP/dt values were intensified, and TR90% decreased. The values of PD did not change, and Pr increased. CONCLUSION: The results confirmed the positive inotropic effect of HR elevation (Bowditch effect) and the depressive action of ischemia/reperfusion. They also evidenced that PIRSM does not alter the stimulating action of the Bowditch effect, in accordance with the current concept that PIRSM does not impair calcium myocardial kinetics, favoring the prevalent hypothesis that the decrease in the contractile capacity after ischemia/reperfusion depends on the reduction of the myofilament responsiveness to calcium.
Postischemic stunned myocardium does not alter cardiac response to an elevation in contractile frequency
Orlando Sant'Ana Jr; Roberto J. Nogueira; Neif Murad; Antonio Carlos Lopes; Paulo J. F. Tucci
São Paulo, SP - Brazil
Escola Paulista de Medicina, Universidade Federal de São Paulo
In 1975, Heyndrickx et al 1 reported for the first time the occurrence of myocardial depression following ischemia/reperfusion, which would be popularized in the English literature under the name postischemia/reperfusion stunned myocardium. Later studies 2-6 showed that postischemia/reperfusion stunned myocardium is generated by 2 factors: 1) the action of reactive oxygen species released during reperfusion, and 2) the increase in intracellular calcium concentration (calcium overload) that occurs during both ischemia and reperfusion. Calpaine, a protease that promotes the lysis of troponin I, plays a relevant role in triggering myocardial depression after ischemia/reperfusion. The consequence is the decrease in the myofilament reactivity to calcium, the typical functional impairment of postischemia/reperfusion stunned myocardium. In this circumstance, the affinity of the ligation between troponin and calcium decreases, the quantity of the ion bound to troponin decreases, and, consequently, myocardial contractility decreases. Latency in the recovery of the inotropism lasts until troponin I integrity is reestablished.
Very convincing indications exist that calcium kinetics is not altered in myocardial depression following ischemia/reperfusion. Therefore, postischemia/reperfusion stunned myocardium has been proven not to reduce the intracellular content of the ion 3,4,7 and to preserve the physiological and pharmacological maneuvers that stimulate inotropism by increasing the intracellular content of calcium ([Ca]i): beta-adrenergic agonists 8-11, milrinone 8,12, calcium administration 5,13, postpause potentiation 14, and postextrasystolic potentiation 9,13.
However, the positive inotropic effect depending on heart rate elevation studied in myocardial segments of dogs undergoing regional ischemia has been reported to transform into negative inotropic action after myocardial ischemia/reperfusion 12. If this inversion of the myocardial response to heart rate elevation is confirmed, the concept of the integrity of calcium kinetics after periods of ischemia/reperfusion should be revised, because, typically, the inotropic action linked to heart rate fluctuations is a physiological maneuver that depends exclusively on calcium kinetics.
In most mammals, heart rate elevations trigger the stimulus to myocardial inotropism. This stimulating effect of heart rate on myocardial contractility was given the name the Bowditch effect or treppe phenomenon. Two mechanisms fundamental to the positive inotropic action of the Bowditch effect are 1) an increase in intracellular sodium concentration followed by the reverse action of the sodium/calcium exchanger protein, and consequent elevation in intracellular calcium concentration ([Ca]i) 15 and 2) an increase in calcium entrance through the slow channels during the second phase of the action potential 16,17.
This study aimed at reassessing the influence of the transient period of ischemia followed by reperfusion in the response of isolated dog hearts to elevations in the frequency of the contractions. The preparation of isolated dog hearts nourished by the arterial blood of another dog and maintained in isovolumic contraction was used. The constant ventricular volume of this preparation allows the use of ventricular pressures as indicators of myocardial contractility and ventricular compliance with fair reliability. If the ventricular volume is constant, the pressure fluctuations occurring during the contractions point to variations in the inotropic state in the same direction, and alterations in the diastolic pressure point to modifications in ventricular compliance.
This study was carried out with isolated dog hearts (n = 9) nourished by the arterial blood of another animal (
Two dogs, anesthetized with a mixture of chloralose (60 mg/kg) and urethane (600 mg/kg) and heparinized (500 IU/kg), were used in each experiment as follows: one animal had its heart (2-16 kg) extracted, while the other was maintained as support (19-23 kg), providing arterial blood for the isolated heart. The support animal was mechanically ventilated and received additional doses of chloralose (6 mg/kg), urethane (60 mg/kg), and heparin (50 UI/kg) every hour. The pH (7.35-7.45) and concentrations of blood gases (pO2 > 100 mmHg; pCO2= 35-45 mmHg) were assessed every hour, and their deviations were corrected by changing the programming of the ventilation parameters or by administering an 8% sodium bicarbonate solution.
Blood in the femoral arteries of the support dog was pumped into a reservoir, where it was maintained under the constant pressure of 100 mmHg, to provide blood to the coronary arteries of the isolated heart through a pressure regulator with oxygen. Prior to perfusing the coronary arteries through a cannula placed in the ascending aorta of the isolated heart, blood was warmed to 37ºC by use of a heat exchanger. The flow of the coronary sinus and of the thebesian circulation returned to the jugular veins of the support animal through catheters inserted in the main pulmonary artery and in the left ventricular apex, respectively.
Through an incision in the right atrial anterior wall, a 10% formol solution (0.6-2.0 mL) was injected in the region of the atrioventricular node to cause complete atrioventricular block. The heart rate was then commanded by an artificial stimulator whose electrodes were placed in the right ventricular anterior wall. The atriotomy was closed with a previously prepared pursestring suture. This procedure was performed during temporary occlusion of the coronary perfusion line, and the resulting cardiac ischemia lasted only 50-170 seconds. The mitral valvular apparatus was excised. A very flexible and delicate latex balloon mounted on a cannula (diameter of 18 mm) was placed inside the left ventricle, and a pursestring suture was performed around the base of the left atrium to maintain the balloon inside the ventricular cavity. The balloon was compliant and its dimensions did not exert pressure on the fluid used to distend the left ventricle. The distal extremity of the cannula of the balloon was occluded and transfixed by 2 catheters (length of 15 cm and internal diameter of 0.3 cm). One of the catheters was used for controlling the fluid volume inside the balloon, and the other was ligated to the P23ID pressure transducer. The transducer was coupled to a Gold amplifier (13-6615-50 model) for determining the ventricular pressures, and the first temporal derivative of the ventricular pressure (dP/dt) was obtained by using a Gold amplifier (13-4615-71 model). These variables were recorded on a Windograf polygraph.
Once the preparation was installed, the frequency of the pacemaker stimuli was regulated to 60 bpm, and the fluid volume inside the balloon was adjusted so that the systolic pressure observed in the polygraph monitor reached approximately 70 mmHg. The frequency of the stimulator was progressively elevated up to 200 bpm to guarantee that the following did not happen: 1) elevation of the developed pressure beyond the coronary perfusion pressure; 2) excessively high stimulation frequency capable of causing maladjustments in the contractile capacity, which would recommend interruption of the protocol. Then, the pacemaker was reprogrammed to emit the stimulation frequency considered baseline (60 bpm). A 10- to 20-minute interval was observed, so that the functional balance of the preparation could be reached.
Once stabilization was achieved, the variables were recorded at baseline. Then, the stimulation frequency of the pacemaker was successively increased at 20-bpm stages up to 200 bpm. At every increase, one minute was awaited so that the new functional balance was achieved, and the variables were recorded again. The maneuvers described comprised the control situation of the protocol identified as B (before ischemia/reperfusion).
Then, the postischemia/reperfusion contractile depression situation was promoted.
The stimulation frequency was returned to the baseline values and the period of overall heart ischemia was initiated with occlusion of the coronary perfusion line. After 15 minutes of ischemia, coronary perfusion was reestablished; the reperfusion period lasted 30 minutes. During the period of ischemia, the artificial pacemaker was turned off right after the heart reached the condition of asystolia or ventricular fibrillation (approximately 10 minutes). At the beginning of the reperfusion period, blood originating from the heart was allowed to drain out (approximately 250 mL), so that the cardiac catabolites that accumulate during ischemia were not injected into the support dog. After 30 minutes of reperfusion, the variables of the stimulation frequency were recorded as were those in the B situation. These records represented the data of the depressed state, after ischemia/reperfusion (A). In some experiences, ventricular fibrillation occurred in the isolated heart during the period of ischemia or at the beginning of the reperfusion period, requiring electrical defibrillation with electrical discharge of 10 joules.
Each variable was analyzed according to 3 aspects: 1) whether the increase in heart rate caused a modification in the variables in situations B and A; 2) whether ischemia/reperfusion depressed the heart's mechanical action; 3) whether the behavior of the different variables was different within each control (B) and depressive (A) condition studied.
An analysis of variance (ANOVA) was initially performed for each variable with repeated measures within a single group of animals; in the statistical literature, this analysis is called block ANOVA 20. After characterizing the difference between the various heart rates used (P < 0.0001), 2 hierarchical partitions of the sum of the squares of the values of the different variables in the various levels of heart rate were performed. The first partition compared separately, for each condition B and A, the mean of each variable obtained in the various heart rates analyzed. This maneuver allowed assessment of whether the elevation in heart rate caused a modification in the variable within each condition studied. In the case of statistical significance, orthogonal contrasts were used 21 to test the existence of linear, quadratic, and cubic effects. The other partition tested for each variable, in each heart rate value, the hypothesis of equality of the means in conditions B and A. This analysis enabled characterization of whether the ischemia/reperfusion affected the value of the variables. In the cases with significant differences between the values in conditions B and A, we determined the 95% confidence intervals of the differences between the means of the variables at the heart rates of 60 and 200 bpm in the 2 experimental conditions. The results whose 95% confidence intervals did not overlap were admitted to indicate different behavior in the 2 conditions.
Data are presented as mean ± standard error of the mean (x ± sem).
The following parameters were used to assess ventricular contractility: pressure developed during contraction (PD: systolic pressure minus diastolic pressure); maximum positive value of dP/dt (+dP/dt); and the time of maximum pressure (TMP: time period elapsed from the beginning of the systolic ascension of the ventricular pressure curve until its maximum value, indicating the duration of systole) (
The elevation in heart rate exerted different influences on the PD and +dP/dt both before and after ischemia/reperfusion. In the entire heart rate range analyzed, no statistically different values of PD were identified before (P = 0.2986) and after (P = 0.7027) ischemia/reperfusion, indicating that PD did not vary in any of the conditions (
Concomitantly, as a consequence of the elevation in heart rate, shortening of the contraction occurred (
Together, these results indicate that myocardial depression following ischemia/reperfusion had no quantitative or qualitative effect on systolic function modifications due to the Bowditch effect. The latter stimulated contraction, while postischemia/reperfusion depression diminished that function. It is worth noting that ischemia/reperfusion had no influence on the effect of heart rate elevation on ventricular contraction.
The diastolic ventricular function was analyzed by assessing ventricular compliance and myocardial relaxation. The values of the pressure at rest (Pr), when the ventricular volume is kept constant, were used as indicators of the fluctuations of ventricular compliance. The analysis of myocardial relaxation was performed by assessing the behavior of the negative maximum values of dP/dt (-dP/dt), and the time required for a 90% decrease in the maximum values of the developed pressure (time of relaxation at 90%: TR90%).
The values of the pressures at rest (Pr) for the various heart rates before and after ischemia/reperfusion are shown in
Statistically significant differences between the measures of the pressures at rest were observed before (P<0.0001) and after (P<0.0001) ischemia/reperfusion, indicating that Pr varied when heart rate increased. The behavior of Pr was that of a quadratic function of heart rate both before (y = 5.641 — 0.049x + 0.00024 x2; P=0.0002) and after (y = 5.0 — 0.032x + 0.00018x2; P=0.0036) ischemia/reperfusion. Comparing the mean values of Pr before and after ischemia/reperfusion in each heart rate, the means of the diastolic pressure in both conditions were equal in the heart rates of 60, 80, 100, 120, and 140 bpm. For the heart rate of 160 bpm, we identified the significance suggestive of the Pr tendency to be greater after ischemia/reperfusion than before ischemia/reperfusion (P=0.0532), and, for the heart rate of 180 bpm, a statistically significant difference was detected between the means of the pressures at rest both before and after ischemia/reperfusion (B: 4.1±0.8 mmHg; A: 5.3±0.7 mmHg; P=0.0071). For the heart rate of 200 bpm, no statistically significant difference (P=0.4239) was observed between Pr values before and after ischemia/reperfusion. All these results indicate that Pr varies with heart rate increases according to increasing parabolic patterns of upper concavities not coinciding before and after ischemia/reperfusion, as long as the equivalence of the B and A conditions only occurs until the heart rate of 140 bpm.
The increases in heart rate cause progressive increases in the absolute values of —dP/dt before (363 + 1.438x; P<0.0001) and after (200 + 1.394x; P<0.0001) ischemia/reperfusion (
The ventricular relaxation period, assessed through the time for relaxation at 90% of the PD, was reduced before (238 — 0.557x; P<0.0001) and after (249 — 0.589x; P<0.0001) ischemia/reperfusion, and no differences were identified between the pairs of TR90% values at all heart rate levels analyzed (
The —dP/dt and TR90% data set indicated that myocardial relaxation was activated through an increase in heart rate. The data also showed that postischemia/reperfusion myocardial depression reduced relaxation velocity, although no alteration occurred in TR90%. In addition, the ischemia/reperfusion set proved not to alter the influence exerted by the Bowditch effect on the lusitropic properties, because the modifications in —dP/dt and TR90% caused by the increase in heart rate were not different before and after ischemia/reperfusion.
Our results clearly characterized the positive inotropic effect of heart rate elevation and the depressive action of the contraction caused by ischemia/reperfusion. The stimulating action of contractility was very well manifested in the progressive increase in +dP/dt that accompanied the increase in heart rate. One may argue that the lack of increase in PD, simultaneously with the increase in heart rate, is contrary to the idea of the positive inotropic action of the Bowditch effect. This possible controversy is refuted by information in the literature. Other authors 22-24 have already reported that the force generated during systole (indicated by the maximum value of PD) depends on the intensity with which the contraction is generated (better reflected by the maximum value of +dP/dt) and on the duration of the contraction (indicated by the TMP). Characteristically, as an integrating part of the Bowditch effect, these 2 variables that regulate the force generated undergo modifications in opposite directions, exactly as occurred in our experiments: the contraction gets more intense (increasing +dP/dt) and shorter (reducing TMP). The final result about the value of the force will depend on the predominance of one of these factors, and its reduction may even occur.
On the other hand, the depressive effect on contraction caused by ischemia/reperfusion was clear. After the 30-minute period of restarting the coronary flow, the PD and dP/dt values were clearly inferior to those observed in the control situation. In the literature, it is worth noting the tendency to consider the alterations in the responsiveness of the myofilaments as the most relevant pathogenetic mechanism of myocardial depression following ischemia/reperfusion 3,6,7,25,26. This interpretation is gaining importance mainly because of convincing demonstrations that the calcium offer to the myoplasm is not altered a few minutes after myocardial reperfusion is started. This hypothesis is yet supported by the fact that the functional capacity of the depressed myocardium may be stimulated by inotropic maneuvers that act on calcium cellular kinetics, such as sympathomimetic amines 8-11,27, milrinone 12, calcium administration 5,13, postextrasystolic stimulation 9,13, and postpause stimulation 14.
The reduction in the —dP/dt values after ischemia/reperfusion contradicts the idea that the calcium kinetics is not affected by the ischemia/reperfusion binomial. This result cannot be understood as alterations that have occurred in the responsiveness of the myofilaments to calcium, and would initially indicate the possibility that calcium reuptake by the sarcoplasmatic reticulum may have been impaired. However, other authors 7,28 have reported that, when myocardial relaxation of the intact ventricle is analyzed, factors other than responsiveness of the myofilaments and calcium kinetics need to be considered. The results of those authors indicate that myocardial edema and coronary turgor, present in the intact ventricle, represent characteristics of impairment of the muscular relaxation that are not identified in isolated samples of the myocardium. This allows the assumption that the depression of relaxation observed after ischemia/reperfusion should not be associated with impairment of the calcium intracellular kinetics caused by the ischemia/reperfusion binomial.
Our results indicated that global ischemia of the isolated hearts followed by reperfusion results in myocardial depression that does not alter the influence of the Bowditch effect on contraction and relaxation. Moreover, the equivalence of the response to the increase in the frequency of contractions allows one to conclude that not even the intensity of the myocardial responses to treppe is altered in the state of post-ischemia/reperfusion depression.
We have heard from only one single study by Schad et al 12 that aimed at assessing the influence of heart rate increase on the depressed myocardium due to ischemia/reperfusion. Those authors caused regional ischemia in the territory of the anterior descending coronary artery and compared the systolic performance of the myocardium irrigated by that vessel with that exteriorized by the muscle supplied by the circumflex artery. After causing ischemia/reperfusion of the region irrigated by the anterior descending coronary artery, those authors reported that, in that territory, the increase in heart rate was accompanied by a reduction in myocardial shortening. In the territory of the circumflex artery, used as a reference for normal myocardial behavior, the muscular contraction was activated by an increase in the frequency of contractions. When interpreting their results, these authors did not consider that the assessment of systolic performance in the experimental conditions used is hindered by the interaction established between the depressed and the healthy myocardium. The method used has the depressed myocardium contracting in series with the healthy myocardium. In this condition, normal myocardial contraction, exacerbated by the inotropic stimulus, tends to stretch the depressed myocardium, concealing the activation of the contractile capacity that may have occurred in the latter.
Therefore, our data indicate that, in the canine myocardium, myocardial depression after ischemia of 15 minutes and reperfusion of 30 minutes does not prevent the responses of contraction and relaxation to heart rate increase from appearing with characteristics equivalent to those of the healthy myocardium. This inference confirms the proposition that the functionality of the regulating mechanisms of calcium intracellular kinetics remains close to normality after ischemia/reperfusion myocardial depression.
We thank the Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP; projeto 99/04533-4) and the Ministério da Ciência e Tecnologia (CNPq; processo 300.692/80-3 NV) for financial support. We also thank the competent and dedicated participation of Mr. Airton Andrade Santos in the experiments.
Paulo J. F. Tucci Rua Estado de Israel, 181/94 Cep 04022-000 - São Paulo, SP, Brazil E-mail:
Received for publication: 10/28/2003
Accepted for publication: 04/01/2004
English version by Stela Maris Costalonga