Contribuição dos grandes vasos arteriais na adaptação cardiovascular a ortostase
Departamento de Ciências Fisiológicas - Universidade Federal do Espírito Santo – UFES - Vitória, ES
A possibilidade de se adotar a postura ortostática é, sem dúvida, um marco na evolução da espécie humana, e tem motivado extensa pesquisa nas áreas fisiológica e antropológica. Os mecanismos fisiológicos envolvidos na adoção e manutenção da postura ortostática e suas complicações têm sido investigados através dos séculos. Os anatomistas não consideram que a adaptação postural do corpo humano seja uma transformação peculiar que tenha acontecido com o homem, mas sim que seja a culminação de uma série de fases evolucionárias que podem ter se iniciado no corpo dos predecessores primatas1.
Acredita-se que o sistema cardiovascular humano se encontre adaptado para manutenção da perfusão cerebral durante a postura ortostática. Embora a força gravitacional crie um gradiente de pressão em nível do sistema circulatório, o homem é capaz de permanecer na postura ereta porque a pressão gravitacional é parcialmente neutralizada por mecanismos que previnem o acúmulo de fluidos nos membros inferiores2.
Apesar disso, a síncope, definida como a perda transitória da consciência e do tônus postural, em razão da hipoperfusão cerebral, tem um considerável impacto médico, social e econômico. Essa síndrome clínica não só pode ser a conseqüência de mecanismos reflexos3, mas também uma manifestação clínica de ampla variedade de condições clínicas distintas4.
Uma perspectiva da adaptação cardiovascular ao ortostatismo é apresentada, buscando-se avaliar questões evolutivas e fisiológicas relacionadas à manutenção da homeostase circulatória durante a ortostase, colocando-se em evidência o papel dos grandes vasos arteriais.
Anos de experimentos realizados em quadrúpedes ou modelos construídos no plano horizontal têm ajudado os pesquisadores do sistema cardiovascular a desenvolver um tipo de pensamento "horizontal" sobre o sistema cardiovascular, negligenciando completamente os efeitos da gravidade porque a força da gravidade "vertical" exerce um mínimo efeito na circulação em plano horizontal. Entretanto, dois terços do tempo o sistema cardiovascular humano funcionam na postura ortostática, na qual os experimentos clássicos conduzidos pelo grupo de Guyton, para o estudo da hemodinâmica cardiovascular, apresentam grandes limitações5.
A mudança da postura quadrúpede para a bípede impôs dificuldades que podem ser interpretadas por meio de vários sinais representativos de uma adaptação inadequada ao estresse ortostático6. O bipedismo pressupõe uma completa reorganização da ortodinâmica do corpo humano quando comparado ao de outros mamíferos. Isso implica uma reordenação diferente do suprimento energético para o corpo (oxigênio e nutrientes). Como o oxigênio e os nutrientes são conduzidos através do sangue, espera-se uma completa reorganização e rearranjo do suprimento sangüíneo entre as diferentes regiões do corpo, quando se muda da postura quadrúpede para a bípede7. Sendo assim, a hemodinâmica também deve ser diferente.
O controle da distribuição do fluxo sangüíneo no ser humano se mostra mais complexo pelo fato de o cérebro apresentar maiores proporções que o das demais espécies. O cérebro representa 2% do peso corporal total no homem, demanda 15% do débito cardíaco em repouso e necessita da manutenção de um débito estável independente de postura ou locomoção8. A mudança da postura supina para a ortostática resulta em um deslocamento do sangue do nível do tórax para o sistema venoso subdiafragmático, fenômeno usualmente denominado
Embora a gravidade seja, de longa data11, reconhecida como a principal força deformadora que atua contra o corpo humano por meio da mudança de postura, suas implicações no sistema cardiovascular, com possíveis influências no desenvolvimento e morbidade e mortalidade por doenças cardiovasculares, não se encontram bem definidas12-15. De qualquer forma, fica claro nesse ponto que, a despeito de todos os benefícios inerentes à postura ortostática, o estresse gravitacional veio a ser aceito como uma variável fundamental capaz de afetar a homeostase circulatória. É a gravidade (+Gz) atuando com uma velocidade média de 9,8m/s2 a variável responsável pela redistribuição sangüínea presente por meio da adoção da ortostase.
A oposição hidrostática ao retorno venoso, a perda de fluido para o terceiro espaço, a redução do retorno venoso e a diminuição do débito cardíaco, todas alterações hemodinâmicas secundárias ao efeito gravitacional, atuam como estímulos múltiplos, gerando uma variedade de mecanismos compensatórios16,17. Além disso, o estresse gravitacional pode ser agravado pelo nível de atividade física, pela temperatura ambiente, pelo uso de fármacos e por processos fisiopatológicos dos mais variados, todos capazes de aumentar a disparidade entre a capacidade volumétrica vascular e o volume de fluxo sangüíneo18-20.
Se a gravidade não existisse, o ser humano não necessitaria de um sistema cardiovascular tão complexo, em particular da presença de mecanismos de proteção para manter uma homeostase circulatória durante o ortostatismo. De uma maneira geral, a adaptação à gravidade é, em parte, adquirida e necessita ser treinada continuamente.
Nos astronautas, a possibilidade de ausência de peso em decorrência da microgravidade gera profundas alterações no sistema cardiovascular. O novo padrão de distribuição sangüínea é interpretado como aumento da volemia, e mecanismos compensatórios são prontamente acionados (aumento da secreção de hormônio natriurético, inibição do sistema renina-angiotensina-aldosterona), conduzindo a uma diminuição do volume plasmático. Observa-se também uma diminuição da sensibilidade do barorreflexo e do reflexo vestibulossimpático, alterações do sistema nervoso autonômico, aumento da complacência das veias dos membros inferiores e distúrbios da vasoconstrição arteriolar21-23. Todas essas alterações podem ser consideradas como "descondicionamento" cardiovascular capaz de gerar uma intolerância ao ortostatismo quando do retorno ao ambiente terrestre. Alterações similares no sistema cardiovascular têm sido observadas após longos períodos de restrição ao leito (situação que simula a microgravidade), indicando que a postura ortostática tem um papel fundamental no estresse gravitacional . As pesquisas que buscam o "compreendimento" funcional do organismo no espaço se estendem a situações clínicas de alta prevalência no ambiente terrestre, como a hipertensão arterial, a hipotensão ortostática, a desautonomia e, finalmente, a síncope.
O efeito do campo gravitacional terrestre no sistema cardiovascular humano é similar ao efeito de um campo elétrico em um condutor. Da mesma forma que um campo elétrico move elétrons livres ao longo de um condutor, o campo gravitacional move o sangue (partículas livres) ao longo do sistema cardiovascular. O efeito do campo gravitacional é medido pelo gradiente de potencial gravitacional (Ugr), o qual é igual ao trabalho realizado pelo campo para mover a unidade de massa do sangue através do sistema em direção à Terra (Ugr=gz x r). A direção do campo gravitacional terrestre próxima à superfície é vertical, e a distância r é igual à altura do sistema: Ugr=gz x h. Isso explica por que o efeito da gravidade é significante apenas na postura ortostática. Na postura horizontal, a altura do corpo humano, h, é muito pequena, tornando a Ugr negligenciável, mas ela aumenta várias vezes durante a ortostase24.
Já o estresse gravitacional pode ser definido da seguinte forma: a gravidade causa um desvio significativo de sangue para o território infradiafragmático quando o sistema cardiovascular se encontra na postura ortostática. Para a manutenção adequada da circulação para o território supradiafragmático, durante a ortostase, o sistema cardiovascular deve realizar um trabalho adicional para retornar o sangue ao coração e neutralizar o efeito da gravidade. A soma desse trabalho (T), igual ao produto do gradiente do potencial gravitacional e da massa de sangue deslocada (M), representa o estresse gravitacional no sistema cardiovascular: EG = T = Ugr x M. Desnecessário dizer, essa sobrecarga adicional no sistema cardiovascular, durante a ortostase, permanece desconhecida nos estudos tradicionais sobre a hemodinâmica circulatória humana. De qualquer forma, o estresse gravitacional pode aumentar sem que ocorra um aumento na força de gravidade. A ação natural do estresse gravitacional é de gerar uma redistribuição do sangue para os membros inferiores no sistema cardiovascular.
Ao contrário da água em um copo, o sangue contido em um sistema vascular elástico e complexo se redistribui lentamente, e a mudança do sangue não se faz de forma instantânea mas aumenta proporcionalmente ao tempo do indivíduo em ortostase. Então, tomando-se como base a equação estabelecida para o estresse gravitacional, a massa de sangue desviada por influência da gravidade, M, é uma função do tempo, EG=Ugr x M (t) = g x h x M (t). Isso significa dizer que o estresse gravitacional pode aumentar não apenas através do aumento da força de gravidade, mas também na dependência da duração do período em postura ortostática24. Dessa forma, uma manutenção excessiva em ortostase, requer um estágio mais avançado de resposta antigravitacional com maior hiperatividade simpática, hipervolemia e incremento na pressão arterial, de igual forma ao que ocorreria com um incremento na força de gravidade.
Durante a postura de pé, a gravidade causa gradientes de pressão em todos os compartimentos fluidos do corpo, incluindo as veias e as artérias. No sistema arterial, ocorre uma mudança do ponto indiferente hidrostático, definido como a referência axial na qual a pressão da coluna de sangue venoso não é alterada pela reorientação postural, localizado no nível do átrio direito no decúbito supino, passando para o território aórtico infradiafragmático na ortostase25. Entretanto, por causa da maior complacência das veias, o efeito principal é a redistribuição do volume venoso, que interfere, dessa forma, na pressão sangüínea global. O acúmulo de sangue no território venoso inicia-se imediatamente durante a ortostase e se completa de 3 a 5 minutos26. O volume venoso dos membros inferiores aumenta em aproximadamente 500 a 700 ml27. Cerca de 200 a 300 ml do sangue são transferidos para as veias abaixo do abdome. Essa translocação de volume sangüíneo é derivada, principalmente, do compartimento intratorácico e resulta em diminuição da pressão de enchimento cardíaco e do volume sistólico28-31.
Além da transferência do sangue do compartimento torácico, o volume sangüíneo central é afetado pela filtração transcapilar de fluido para o espaço intersticial em determinadas partes do corpo, em resposta à alta pressão capilar, associada à baixa contraposição da pressão intersticial. Além disso, a filtração contínua para o espaço intersticial reduz ainda mais o volume circulante32. A perda de fluido transcapilar se estabiliza após aproximadamente 20 a 30 minutos, com uma queda do volume plasmático de cerca de 15%, embora esse processo ainda se mantenha presente com a manutenção da ortostase33. Dessa forma, a distribuição do volume sangüíneo faz-se de maneira complexa, pelas características intrínsecas do sistema venoso, ao efeito de bombeamento da musculatura esquelética dos membros inferiores (musculatura antigravidade) e, conforme citado anteriormente, ao deslocamento do ponto indiferente hidrostático12.
A capacidade de manter o débito cardíaco e a pressão arterial média durante o "desafio" ortostático pode ser influenciada pelo comprometimento do retorno venoso. Entre outros fatores, a redução do retorno venoso pode resultar de uma combinação da diminuição do volume sangüíneo total com o acúmulo de sangue nos membros inferiores, que pode subseqüentemente ocasionar uma pressão de enchimento subnormal ventricular e desviar a curva de Frank-Starling para uma porção na qual a capacidade de compensar a hipotensão ortostática se encontra limitada14,34-35. De qualquer forma, o sistema cardiovascular humano tem "embutido" um mecanismo de defesa contra o estresse gravitacional tão poderoso que pode neutralizar completamente a redistribuição sangüínea gravidade-induzida imposta pela postura ortostática. O mecanismo é o bombeamento periférico.
Os membros inferiores estão equipados com um sistema específico de bombeamento de sangue, a musculatura da panturrilha, muitas vezes denominada de "coração venoso periférico". As veias profundas da panturrilha, que se encontram dentro de uma musculatura compartimentada, apresentam valvas, as quais, como as valvas cardíacas, previnem o refluxo de sangue e são capazes de resistir a pressões de várias centenas de mmHg. A compressão do seguimento venoso durante a contração muscular aumenta a pressão dentro do compartimento muscular, o qual leva ao fechamento das valvas e causa um fluxo sangüíneo ascendente. Através da contração regular dos músculos da panturrilha, durante a ortostase, o sangue venoso é bombeado para fora dos membros inferiores contra a gravidade, revertendo a ação gravitacional na distribuição sangüínea. Dessa forma, a inabilidade do coração em "sugar" o sangue da porção venosa do circuito cardiovascular é compensada pela presença da bomba adicional no sistema venoso. Esse sistema composto pelas panturrilhas gera um bombeamento efetivo, o qual não é dependente da pressão de enchimento auxiliando a manter, com êxito, a circulação durante a ortostase.
Dessa maneira, a equação final do estresse gravitacional pode ser expressa da seguinte forma: EG = g x h x M (t) / Rp x Cper, aonde Rp é a resistência periférica e Cper é o trabalho do "coração venoso periférico" 24.
Embora estudos iniciais tenham demonstrado uma diminuição do fluxo sangüíneo cerebral durante a postura ortostática36, atualmente se sabe que a perfusão cerebral nos humanos é mantida por meio da auto-regulação cerebrovascular, que permite um funcionamento cerebral efetivo e uma distribuição de fluxo regional satisfatória dentro de uma ampla variação da pressão de perfusão37.
Em comparação com o que ocorre com animais quadrúpedes, o ser humano apresenta uma distribuição mais constante do fluxo sangüíneo total nos vários segmentos corporais, durante a postura ortostática, inclusive para as grandes artérias, sugerindo uma melhor adaptabilidade funcional ao estresse gravitacional8.
A redistribuição do volume, do fluxo e da pressão sangüínea, ocasionada pela adoção da postura ereta, pode colocar em risco a pré-carga, a pressão arterial e a perfusão orgânica, e é contrabalançada por uma seqüência compensatória de mecanismos neuro-humorais inter-relacionados, que se opõem ao direcionamento contínuo caudal circulatório imposto pela pressão hidrostática15. Já em 1904, Erlanger e Hooker observaram, utilizando o teste de inclinação (TI) passiva, que a aceleração da freqüência cardíaca e a diminuição da pressão de pulso ocorriam na postura ereta. Consideraram esse padrão de comportamento similar ao observado durante evento hemorrágico e julgaram ser essa a resposta normal do ser humano ao estresse postural1. Turner ressaltou que o ajuste circulatório seria particular para cada indivíduo, de acordo com seu padrão pessoal, e que alguns padrões de resposta individual seriam superiores a outros1.
Vários mecanismos regulatórios ocorrem de maneira imediata em resposta aos efeitos da gravidade. O ajuste inicial à ortostase é mediado pelo sistema neural regulatório30,31. Os principais receptores envolvidos nesses ajustes são os mecanorreceptores cardiopulmonares, localizados no nível do átrio direito e das veias pulmonares, e os receptores sinoaórticos, localizados no seio carotídeo e no arco aórtico38. Além de esses barorreceptores responderem, de forma isolada, pelas alterações do volume circulatório, uma interação complexa inibitória entre o barorreflexo cardiopulmonar e o sinoaórtico faz com que uma redução no
O objetivo primário do barorreflexo arterial é manter a pressão arterial próxima de um ponto de referência por um período de tempo relativamente curto. A regulagem rápida dos barorreceptores arteriais, independentemente do novo nível da pressão, deve-se ao fato de que esse reflexo age como um sistema "tampão" eficaz sobre as flutuações da pressão arterial que ocorrem na vida cotidiana. Os barorreceptores arteriais também desempenham um papel menor no controle, a longo prazo, do nível da pressão arterial41.
Esses barorreceptores aorticocarotideanos inibem tonicamente os centros vasomotores do tronco cerebral. Uma diminuição na pressão sangüínea remove esse estímulo inibitório, resultando em aumento do tônus simpático e em diminuição do tônus parassimpático42. Do ponto de vista funcional, os dois componentes do barorreflexo arterial (carotídeo e aórtico) não são equivalentes. Sugere-se que o barorreflexo aórtico tenha maior limiar e menor sensibilidade que o carotídeo38. A informação dos barorreceptores é transmitida através de várias vias que acompanham o trajeto do nono e do décimo pares cranianos até os centros do tronco cerebral. Esses dois nervos são a via aferente do reflexo, enquanto a via eferente é constituída pelo vago e pelas vias simpáticas que correm em nível da medula intermediolateral6. As mudanças na descarga neural podem resultar em mudanças do tônus vasomotor, do volume sistólico e da freqüência cardíaca.
O sistema vestibular também parece contribuir para a ativação simpática por meio do recrutamento dos órgãos otolíticos. Isso se dá através do reflexo vestibulossimpático. Esse reflexo é um sistema neural de
Durante o prolongamento do período em ortostase, além dos barorreceptores e do sistema vestibular, mecanismos regulatórios de atuação mais retardada, baseados em reflexos adicionais do sistema humoral, que incluem a secreção de hormônio natriurético, renina e aldosterona, são envolvidos com a manutenção da pressão arterial15,27,44.
No que diz respeito aos parâmetros hemodinâmicos, o ortostatismo provoca no indivíduo cronicamente adaptado ao estresse gravitacional uma queda discreta da pressão arterial sistólica, em geral inferior a 20 mmHg. A pressão arterial diastólica permanece estável ou se eleva discretamente, e a pressão arterial média não se altera de forma significativa. A pressão telediastólica do ventrículo direito diminui, o débito cardíaco cai em torno de 20%, a freqüência cardíaca e a resistência vascular periférica se elevam de 10% a 30% do valor inicial6.
Quando, entretanto, o vetor de aceleração +Gz cabeça-membros inferiores é cronicamente diminuído, como por períodos prolongados de repouso supino, os seres humanos demonstram uma redução da tolerância ortostática, associada a um comprometimento da regulação da pressão arterial. Essas observações incluem um aumento da complacência dos membros inferiores, alteração da resposta reflexa cardiovagal, contração do volume sangüíneo circulante e diminuição do volume sistólico14.
Em contrapartida, Muenter e cols. observaram que, em indivíduos submetidos à restrição do período de sono (aproximadamente 4h/noite durante quatro dias consecutivos), ocorreu uma melhor regulação da pressão sangüínea em situação de ortostase45. Os indivíduos apresentaram um aumento da pressão arterial sistólica e uma diminuição da freqüência cardíaca durante o estresse ortostático, simulado com utilização de pressões subatmosféricas aplicadas às porções inferiores do corpo denominadas
Quando analisado em nível sistêmico, o débito cardíaco, mais que a freqüência cardíaca, representa a resposta orgânica final reflexa à estimulação dos barorreceptores pelo estresse ortostático33. Baseado nessa premissa, Convertino14 analisou as mudanças do débito cardíaco que poderiam ocorrer em resposta à variação da pressão arterial e da freqüência cardíaca em indivíduos expostos de forma repetitiva a altos níveis de aceleração gravitacional. Esse autor observou a importância da análise tanto da freqüência cardíaca quanto do volume sistólico, na avaliação do ganho efetivo da integridade barorreflexa cardíaca em manter a pressão arterial durante o "desafio" hipotensivo ortostático. A melhor
Os mecanismos fisiológicos que administram a regulação da pressão arterial no ser humano (exemplo: barorreflexo, controle do volume vascular) têm de se adaptar constantemente à estimulação diária da gravidade; em outras palavras, às variações da postura. A análise da resposta do volume sangüíneo e do barorreflexo carotídeo-cardíaco em adaptação às mudanças provocadas pelo estímulo gravitacional pode ter particular importância, porque o volume sangüíneo e a responsividade do reflexo carotídeo-cardíaco são dois fatores primários (em adição à altura) em predizer a evolução para a hipotensão arterial e a síncope48.
A comparação do comportamento funcional cardiocirculatório diante das oscilações gravitacionais permite duas afirmativas: 1) o ser humano é capaz de sofrer contínua adaptação ao estresse gravitacional; 2) os mecanismos que permitem tolerar o efeito gravitacional são altamente plásticos e treináveis, ou adquiríveis por meio do treinamento14. Fica estabelecido, então, que um sistema nervoso autônomo, capaz de manter um comportamento adaptativo dinâmico que permita um débito cardíaco adequado, em resposta às oscilações do volume sangüíneo impostas pela postura ortostática, é fundamental39,49. Sendo assim, condições clínicas que interfiram na responsividade do sistema barorreflexo podem, de alguma forma, interferir na homeostase circulatória50-53.
Sabe-se que alterações no nível de atividade e/ou no equilíbrio dos vários ramos do sistema nervoso autônomo podem ser consideradas um dos fatores principais responsáveis pelo desenvolvimento da hipertensão arterial crônica essencial. Os indivíduos hipertensos apresentam um aumento da variabilidade da flutuação da pressão arterial e uma redução da sensibilidade dos barorreceptores9,54. O sexo do paciente hipertenso também parece ser um importante determinante da sensibilidade do barorreflexo, já que a função autonômica se mostra mais comprometida no sexo feminino54.
Os indivíduos hipertensos são menos responsivos à estimulação simpática induzida55,56. De fato, a análise da resposta autonômica dos indivíduos hipertensos à mudança postural, quando comparada à de indivíduos normais, mostra que, embora exista um aumento basal da atividade simpática durante a postura ortostática, a resposta simpática se encontra significativamente reduzida, sugerindo um comprometimento no controle da pressão arterial média pelo barorreflexo nesses indivíduos9.
As respostas hemodinâmicas reflexas ao estresse ortostático também se encontram atenuadas com o envelhecimento. Quando indivíduos jovens saudáveis se erguem da postura sentada ou da supina, ocorre uma mudança variável da pressão arterial sistólica em torno de 10 mmHg, um aumento da pressão arterial diastólica de 10 a 15 mmHg e um aumento da freqüência cardíaca de 25 a 30 bpm. Essa resposta se estabelece com aproximadamente 30 segundos. Em contraste, quando um indivíduo idoso saudável se levanta, observa-se uma tendência à queda da pressão arterial sistólica (0 a 5 mmHg), a manutenção da pressão arterial diastólica e uma ausência ou atenuação da resposta positiva da freqüência cardíaca (10 a 15 bpm)57. Cerca de 6% a 30% dos indivíduos idosos apresentam hipotensão ortostática (queda na pressão arterial sistólica
A mudança biológica mais bem conhecida no controle da PA que ocorre com a idade é uma atenuação da responsividade dos barorreceptores, que é representada pelo reflexo barorreceptores-coração3,60,61. Esse achado é comumente considerado como indicação de uma anormalidade primária relacionada à idade no controle cardiovascular, já que o barorreflexo é o maior fator que influencia uma rápida resposta adaptativa à ortostase53. Existem, entretanto, muitas outras alterações relacionadas à idade que ocorrem na função cardiovascular, as quais podem contribuir de forma significativa para uma resposta inadequada à ortostase, como uma redução na complacência arterial27,62 e miocárdica63, na ativação do sistema renina-angiotensina-aldosterona64, na conservação renal de sódio65, um defeito na auto-regulação cerebral e a presença de hipertensão arterial sistólica27.
A localização dos barorreceptores arteriais nas grandes artérias complacentes significa que mudanças na complacência arterial, que podem ocorrer pelo simples envelhecimento, por doença ou atividade física, têm o potencial de também influir nas atividades aferentes dos barorreceptores e refletir-se, por conseguinte, na função reflexa autonômica66. A complacência arterial tem papel fundamental na demanda energética cardíaca, na manutenção da pressão arterial diastólica e do fluxo sangüíneo coronariano66,67. Provavelmente, o menos óbvio seja a influência das propriedades mecânicas vasculares na função autonômica por alterações na atividade aferente dos barorreceptores. Embora seja difícil investigar a extensão à qual esses dois fenômenos estão interligados, Kingwell e cols., analisando a complacência arterial e sua possível influência no barorreflexo em indivíduos hipertensos e em atletas, observaram não só uma relação direta entre a complacência arterial e uma maior pressão arterial pela ativação reflexa nos atletas, mas também o déficit do barorreflexo nos indivíduos hipertensos66. Contudo, estimativas basais da rigidez vascular podem não representar o estresse mecânico que incide sobre as grandes artérias com função barossensorial, durante mudanças dinâmicas da pressão que caracterizam o papel do barorreflexo68,69. Além disso, uma função neuronal comprometida pode participar com papel proeminente, gerando, com a diminuição da função mecânica vascular, a redução do ganho do barorreflexo70.
Por meio das medidas do ganho integrado do barorreflexo cardiovagal e de seus componentes mecânico e neural, analisado de forma dinâmica (durante administração parenteral de nitroprussiato de sódio e fenilefrina), Hunt e cols. observaram que o ganho integrado nos indivíduos idosos sedentários do sexo masculino foi menor que a metade do encontrado nos jovens igualmente sedentários70. Esse achado derivou de uma diminuição tanto na transdução mecânica quanto na neural. Outra observação significativa desse estudo foi que a atividade física foi capaz de compensar esses resultados, fazendo com que o idoso fisicamente ativo tivesse valores duplicados no ganho do barorreflexo em relação ao dos indivíduos sedentários de igual idade e comparável ao dos jovens sedentários. Uma baixa transdução neural nos indivíduos idosos sedentários é compatível com as evidências de uma integração central autonômica alterada40,71, de um débito vagal reduzido72 e de uma menor densidade de receptores muscarínicos no nó sinusal73, os quais ocorrem com o envelhecimento. A forte relação entre o ganho do barorreflexo cardiovagal e o componente neural pode refletir alguns desses declínios.
Partindo da premissa de que a idade tanto faz diminuir o ganho do barorreflexo53,60,61 quanto gera um enrijecimento nas grandes artérias67, é possível estabelecer que a função dinâmica das artérias com papel barossensorial é importante no declínio idade-dependente do barorreflexo cardiovagal. Outro aspecto fundamental é que a análise do comportamento das grandes artérias e do barorreflexo em situação de repouso supino pode fornecer informações limitadas a respeito da diferença idade-dependente nos mecanismos vasculares, durante mudanças na pressão arterial que caracterizam o papel do barorreflexo70. A importância da interferência do comportamento dinâmico da pressão arterial no paciente hipertenso sobre a sensibilidade do barorreflexo foi confirmada por Siché e cols., que observaram que o determinante mais importante da sensibilidade do barorreflexo foi o nível da pressão arterial em 24 horas, e que essa não foi significativamente determinada pela idade41.
Uma diminuição na complacência arterial carotideana pode ser um mecanismo importante responsável pela redução do barorreflexo cardiovagal com o envelhecimento. Entretanto, tem sido sugerido que a associação entre barorreflexo cardiovagal/complacência arterial não seja simplesmente devida a uma colinearidade com a idade74. Sabe-se que a estrutura vascular da área do seio carotídeo e da aorta determina a deformação e a tensão em nível dos barorreceptores arteriais, durante mudanças agudas na PA sangüínea75. Nesse contexto, uma redução da complacência da artéria carótida com a idade pode restringir a habilidade de seus segmentos mecânicos sensitivos em identificar e traduzir, de forma apropriada, mudanças na pressão intravascular em sinais nervosos aferentes para o sistema nervoso central76,77.
Entre as várias teorias propostas para a fisiopatologia da síncope vasovagal, a da disfunção do barorreflexo tem sido uma das mais estudadas44. Mosqueda-Garcia e cols. investigaram a sensibilidade do barorreflexo em indivíduos com síncope vasovagal e TI positivo e observaram uma resposta reduzida dos componentes cardiovagais e simpáticos do barorreflexo quando comparado ao grupo controle78. Alguns autores têm sugerido que a função do barorreflexo se encontra preservada, mas que sofre uma supressão súbita em razão de um reflexo depressor oriundo do coração79. De uma maneira geral, todos os artigos que tratam desse tema relatam algum tipo de disfunção do barorreflexo que resulta em uma inabilidade para sentir ou compensar as alterações hemodinâmicas desencadeadas pela força da gravidade em pacientes portadores de síncope neuromediada44.
Dessa forma, é possível considerar que a análise da influência da complacência aórtica no barorreflexo pode permitir maior elucidação da adaptação ao ortostatismo e da fisiopatologia da síncope neuromediada.
Uma característica típica dos tecidos vivos é sua habilidade em responder a mudanças de sobrecarga, alterando sua geometria, estrutura e/ou propriedades mecânicas80.
Conforme já estabelecido, o aumento da rigidez das grandes artérias, ocasionado, por exemplo, pela hipertensão arterial e pela idade, também resulta em comprometimento da sensibilidade do barorreflexo, o qual pode interferir na adequação da resposta cardiocirculatória ao estresse ortostático42,81.
Kingwell e cols. avaliaram a influência da complacência arterial na função do barorreflexo em indivíduos atletas normotensos e em indivíduos hipertensos. Esses autores sugeriram que, por causa da diminuição da complacência arterial, em pacientes hipertensos, amplas variações na pressão arterial não provocam mudanças adequadas na circunferência vascular, interferindo assim no disparo dos barorreceptores66. Uma complacência arterial reduzida pode então explicar o comportamento de bradicardia em
Siché e cols. utilizaram a medida da velocidade da onda de pulso (VOP)carotídeo-femoral em indivíduos portadores de HAS de leve a moderada, aferida pelo monitoramento ambulatorial da pressão arterial, para avaliar a sensibilidade do barorreflexo em relação ao endurecimento das grandes artérias. Nesse estudo, o aumento da VOP esteve significativamente associado a uma alteração da sensibilidade do barorreflexo. O desenvolvimento de uma alteração da distensibilidade arterial esteve relacionado a um déficit da sensibilidade do barorreflexo, predominando sobre a alça do controle vagal41. A alteração da sensibilidade do barorreflexo poderia assim traduzir o grau de severidade da alteração da distensibilidade vascular com conseqüente interesse prognóstico. A estrutura vascular da área do seio carotídeo e da aorta determina a deformação da tensão nos barorreceptores arteriais durante mudanças agudas na pressão arterial. Nesse contexto, uma redução da complacência arterial76 pode ser esperada para restringir a habilidade de seus segmentos mecânicos sensitivos em identificar e traduzir apropriadamente mudanças na pressão intravascular em sinais nervosos aferentes para o sistema nervoso central74.
Como pode ser observado, a grande maioria dos dados referentes à hemodinâmica circulatória central no homem foi formulada com base em modelos hidráulicos, que são conhecidos primordialmente na postura supina, por questões de ordem técnica e ética.
Os primeiros estudos realizados com o objetivo de avaliar os efeitos do estresse gravitacional nos parâmetros hemodinâmicos e sua influência no contorno da onda de pulso aórtica foram realizados em primatas82-84. Foi observado que a hemodinâmica central apresentava um padrão de resposta com fases bem definidas ao estresse gravitacional. Imediatamente após o início do estresse gravitacional, não existiria ainda uma resposta do barorreflexo, em razão de um retardo no tempo de resposta fisiológica. Nessa fase, em comparação ao que se observou na fase basal, deixaria de ocorrer, no contorno da onda de pulso da aorta ascendente, um pico sistólico mais tardio, resultante da onda de pulso refletida retornando ao coração. Dessa forma, a onda refletida apareceria mais tardiamente na diástole, sugerindo uma diminuição na VOP, provavelmente em razão de um aumento da complacência aórtica com uma diminuição da pressão média. Logo em seguida viria a fase dita compensatória, na qual já estaria presente a resposta do barorreflexo. Nessa nova fase, o contorno da onda de pulso retornaria aos padrões basais, com um aumento da pressão arterial média. A onda refletida apareceria precocemente, sugerindo uma aorta mais rígida nessa fase do que na fase anterior. Um aumento no volume sistólico e na resistência vascular periférica poderia também contribuir para um aumento da reflexão de onda. Segundo os autores, essa resposta teria como objetivo manter a eficiência do acoplamento ventrículo/vascular, em contraposição ao efeito gravitacional83.
Apesar da importância do emprego de modelos experimentais que utilizam animais filogeneticamente próximos ao homem, como no caso dos babuínos, é importante também atentar para as características específicas da arquitetura do sistema circulatório, as quais são dependentes dos hábitos corporais posturais e afetam o contorno da onda de pulso, em razão da variação na amplitude, na somação e/ou no cancelamento das reflexões arteriais84. A análise das características da transmissão de pulso e da forma da onda de pulso em babuínos foi realizada por Lathan e cols.84. Esses autores observaram que o formato de onda, a impedância aórtica e a VOP nesses primatas se mostraram diferentes quando comparados aos dos seres humanos84. Uma diferença significativa evidenciada nesse estudo foi que a dimensão da aorta abdominal foi apenas discretamente menor que a da aorta torácica, em comparação com a dos humanos, nos quais a aorta apresenta um aspecto cuneiforme tendo o seu segmento abdominal, abaixo das artérias renais, um diâmetro marcantemente reduzido, quando comparado ao da porção mais baixa da aorta torácica85,86. Esse achado seria responsável por um baixo coeficiente de reflexão aórtica no nível das artérias renais nos babuínos, achado que poderia responder pelas diferenças em relação aos humanos.
As evidências existentes apontam para o enrijecimento arterial, aferido pela medida da VOP, como fator de risco importante para a morbidade e mortalidade cardiovascular, e destacam sua influência no controle adaptativo da pressão arterial87-89. Sendo assim, a medida da VOP poderia contribuir para melhor compreensão do comportamento dinâmico das grandes artérias diante do estresse gravitacional.
Estudos recentes mostram que as grandes artérias deixaram de ser vistas apenas como condutores passivos de sangue, com função de transporte e distribuição sangüínea, e passaram a ser encaradas com papel fundamental e complexo na manutenção da fisiologia circulatória, bem como na gênese da doença cardiovascular66,87,90,91.
As limitações técnicas, a complexidade estrutural da parede arterial e o comportamento dinâmico das grandes artérias, entretanto, têm dificultado o estudo da árvore arterial em situações muito comuns, como na resposta e na acomodação ao estresse postural92-94.
Em estudo recente, Elias95 avaliou, pela primeira vez, em humanos normais e hipertensos de ambos os sexos, a influência da postura ortostática comparada à postura supina, sobre a distensibilidade aórtica, utilizando como índice de rigidez aórtica a medida da VOP carotídeo-femoral obtida durante decúbito supino e ao longo do TI. Nesse estudo foi possível demonstrar a existência de uma elevação imediata significativa da VOP associada à adoção da postura ortostática (11,7%) (10,1 ± 2,3
Sabe-se que, estruturalmente, a relação de fibras elásticas/colágenas varia de 3,1:1, na aorta ascendente proximal; para 2,8:1, na região média da aorta torácica; e para 0,8:1, na aorta abdominal96. O módulo elástico do colágeno é muito superior ao da elastina, o que significa dizer que, quanto mais distante do coração, mais rígida se torna a artéria, e que seu módulo elástico e sua VOP aumentam. Em outras palavras, a distensão vascular é limitada pelas fibras colágenas, pelo elevado módulo elástico de Young97,98. O fato de se ter obtido a VOP durante o TI coloca os segmentos arteriais expostos de forma diferenciada à ação gravitacional, mimetizando, de certa forma, o ocorrido durante a postura ortostática ativa. Enquanto o segmento compreendido entre a raiz da aorta e o arco aórtico até o nível da artéria carótida se encontra sofrendo diretamente a contraposição da gravidade, os demais segmentos da aorta até o nível das artérias femorais apresentam o fluxo sangüíneo propagando-se no sentido do vetor de ação gravitacional. A conseqüência imediata disso é que a gravidade favorece um aumento progressivo da pressão arterial nos segmentos abaixo do nível cardíaco, em postura ortostática15,30,99.
Dada a pressão hidrostática gerada pela ação gravitacional e a conseqüente mudança no ponto indiferente hidrostático, ocorre um maior afluxo de sangue para segmentos arteriais com um maior módulo elástico e menor raio, tornando-se evidente o incremento da VOP carotídeo-femoral medida durante a ortostase100,101. Esse incremento na VOP é responsável pelo retorno precoce das ondas refletidas dos sítios periféricos para a aorta ascendente. Essas ondas refletidas de maneira mais precoce (durante o período de ejeção ventricular) somam-se à onda incidente gerada pela ejeção ventricular esquerda e influenciam no contorno das ondas de pressão e de fluxo102. Dessa forma, a antecipação no retorno do componente refletido, ocorrendo durante o componente sistólico da onda de pulso, leva a um conseqüente incremento na pressão de pulso103,104 (
O papel da reflexão de onda na homeostase circulatória durante a ortostase é reforçado pela observação de que a nitroglicerina, utilizada por via sublingual para sensibilização no TI, ao gerar uma vasodilatação periférica, leva a um retardo no componente refletido da onda de pulso e à conseqüente redução na pressão sistólica proximal, culminando em sintomas de baixo fluxo cerebral nos pacientes portadores de síncope neuromediada105,106. Na verdade, embora se registre uma diminuição do coeficiente de reflexão com o uso da nitroglicerina, observa-se, de forma paradoxal, um incremento na rigidez aórtica. Soma e cols.107 atribuem esse enrijecimento aórtico secundário a uma possível ativação reflexa do sistema nervoso simpático. Esses autores argumentam que o aumento da freqüência cardíaca, conseqüente da ativação simpática, pode ser desfavorável por reduzir o tempo de ejeção ventricular, o tempo para o pico de fluxo na raiz aórtica, o volume sistólico e o débito cardíaco107.
Outros aspectos que merecem análise são o comportamento da freqüência cardíaca, associada à mudança postural, e o papel potencial das alterações na hemodinâmica e na estrutura dos grandes vasos arteriais no seu padrão de resposta97. Estudos iniciais, experimentais e em humanos no decúbito supino, demonstraram a existência de uma correlação positiva entre o incremento da freqüência cardíaca e um aumento na rigidez aórtica108-111. Observando que o efeito da elevação da freqüência cardíaca, gerando enrijecimento das artérias elásticas, ocorria independentemente da modulação simpática, Mircoli e cols.112 sugeriram que a diminuição da distensibilidade arterial freqüência-dependente ocorreria, primariamente, por causa da natureza viscosa da parede vascular e da sua inércia de resposta às mudanças da pressão intravascular112. Entretanto, Wilkinson e cols.113, em estudo no qual foi avaliado o comportamento da VOP em indivíduos saudáveis submetidos a estimulação atrial, não observaram alterações significativas na distensibilidade aórtica diante do incremento da freqüência cardíaca.
Em contraposição aos achados obtidos em decúbito supino, Elias95 observou a existência de uma correlação negativa entre a freqüência cardíaca e a VOP em postura ortostática (r= -0,37, P<0,001). A idade foi a principal variável responsável pelo comportamento da freqüência cardíaca na postura ortostática (r= -0,52, P<0,001). Buscando um melhor entendimento desse achado, o autor analisou também a correlação entre a freqüência cardíaca, tomada durante o estresse ortostático e a medida basal da VOP, tendo sido observada a existência de correlação negativa entre a freqüência cardíaca e a VOP basal (r = -0,30, P < 0,01). Esse resultado demonstrou a possibilidade de uma associação do padrão basal de complacência arterial com o nível de resposta da freqüência cardíaca, mediante a ortostase95.
Estudos "transversais" têm indicado que a freqüência cardíaca basal não difere entre indivíduos jovens e idosos na postura supina114,115. Entretanto, a análise da freqüência cardíaca em indivíduos saudáveis na postura sentada tem mostrado que a freqüência cardíaca diminui com a idade em ambos os sexos116,117. Já estudos realizados utilizando o TI para avaliar a adaptação cardiovascular ao estresse ortostático também relataram uma resposta da freqüência cardíaca significativamente menor nos indivíduos idosos17,117,118. Sabe-se que a freqüência cardíaca em repouso é modulada, em parte, pelo balanceamento entre os tônus simpático e o parassimpático, com um predomínio do último. A intervenção da idade e da postura na freqüência cardíaca sugere que alterações ligadas ao envelhecimento ocorrem nos mecanismos regulatórios da freqüência cardíaca101. O aumento agudo da freqüência cardíaca em resposta à mudança rápida para a postura ortostática, em geral ocorrendo no primeiro segundo após a adoção da postura de pé, embora presente em todos os indivíduos, diminui em magnitude com a idade, e pode mostrar-se mais tardia118. Essa diminuição da variabilidade da freqüência cardíaca observada em pacientes idosos, quando comparados a indivíduos jovens na postura ortostática
Uma vez que o sistema nervoso autônomo é o principal intermediador entre os sistemas nervoso e cardiovascular, é fundamental a compreensão de sua participação na modulação da resposta da freqüência cardíaca durante a mudança postural103. Encontra-se estabelecido que a sensibilidade do barorreceptor está negativamente correlacionada com o aumento da idade, o incremento da pressão arterial basal e o da VOP39,64,75,119, sendo essas alterações em parte decorrentes de alterações arteriais dinâmicas cíclicas68,72. Embora a freqüência cardíaca aumente menos nos indivíduos idosos quando comparados aos jovens, durante o estresse postural, a redução do volume sistólico tende a ser menor no indivíduo idoso saudável que no jovem, fazendo com que o débito cardíaco não varie significativamente com a idade, uma vez que o menor incremento da freqüência cardíaca é compensado por uma redução menor do volume sistólico101.
Admitindo-se o comportamento dinâmico da complacência aórtica diante da mudança postural, poder-se-ia supor que uma queda maior do volume sistólico no jovem levaria a uma diminuição da deformação pulsátil aórtica, com subseqüente diminuição da estimulação dos barorreceptores e incremento na freqüência cardíaca.
A manutenção do volume sistólico nos indivíduos idosos é atribuída a uma complacência venosa menor nesse grupo, a qual permitiria uma preservação do volume de enchimento cardíaco e, em conseqüência, do volume sistólico101. Entretanto, uma freqüência cardíaca menor associada à idade também poderia significar um mecanismo de adaptação do homem ao bipedismo95. Sabe-se que a freqüência cardíaca afeta a pré-carga via seu efeito no tempo de enchimento diastólico. A freqüência cardíaca também modula o estado de contratilidade miocárdica mediante seu efeito, alterando a concentração miocárdica de Ca2+ e Na+. Como conseqüência do aumento da contratilidade miocárdica, a freqüência cardíaca também modula o volume sistólico final, o volume sistólico e a fração de ejeção101. Dessa forma, uma freqüência cardíaca menor poderia, em um primeiro instante, permitir uma
Considerando o que foi apresentado aqui, podemos elaborar a seguinte hipótese: o retorno do componente refletido da onda de pulso é fundamental na adaptação imediata ao ortostatismo, bem como na ativação em grau adequado dos barorreceptores. Assumindo ser correta essa hipótese, é possível ponderar a participação desses recentes achados em algumas condições clínicas muito comuns associadas à postura ortostática. A ocorrência mais freqüente da síncope neuromediada em indivíduos jovens encontra-se bem estabelecida120. Outro aspecto é que esses eventos ocorrem mais comumente em indivíduos de maior estatura. Como o comprimento aórtico se encontra relacionado com a altura corporal, a onda de reflexão arterial ocorre mais tardiamente nos indivíduos mais altos121, não seria demais supor que, em indivíduos jovens, principalmente do sexo feminino, portadores de níveis basais mais baixos de pressão arterial, uma aorta mais alongada poderia levar a interferir no retorno do componente refletido às porções proximais aórticas de forma otimizada, fato que poderia culminar na ativação dos reflexos relacionados à gênese da síncope (exemplo: reflexo de Bezold-Jarisch). Outro aspecto que favorece essa hipótese é, conforme já discutido anteriormente, a importância da altura (h) no estresse gravitacional24. Dessa forma, nos indivíduos jovens, o retorno precoce do componente refletido da onda de pulso, decorrente do incremento da VOP, durante a ortostase, atuaria em conjunto com o barorreflexo e demais mecanismos regulatórios da pressão arterial, permitindo uma imediata adaptação ao ortostatismo95.
Tomando como base os dados recentes, a hipótese da participação dos grandes vasos arteriais, tanto na manutenção da homeostase circulatória quanto no mecanismo desencadeador da síncope, deve ser considerada, visando a uma nova teoria a ser incorporada às várias existentes para a fisiopatologia da síncope neuromediada44.
Na análise da adaptação ortostática dos indivíduos idosos, os quais apresentam maior suscetibilidade a eventos mórbidos cardiovasculares e à hipotensão postural, é ainda questionável a aplicação desses recentes achados.
Dados de literatura evidenciaram uma ampla variação diurna na ocorrência de eventos cardiovasculares, com um pico de incidência de infarto do miocárdio, morte súbita cardíaca e acidente vascular isquêmico e hemorrágico nas primeiras horas da manhã122-124. Uma análise mais detalhada desse padrão circadiano tem identificado a hora que sucede ao despertar, mais que qualquer outra do dia, como aquela em que mais acontecem eventos cardiovasculares122,123. Embora não se encontre estabelecido se o aumento suplementar da VOP, durante a ortostase, seja apenas um mecanismo indutor de processos adaptativos estruturais, ou um marcador de eventos mórbidos, esse achado deve ser valorizado.
Deve-se considerar que, embora um retorno precoce do componente refletido da onda de pulso possa contribuir para uma freqüência cardíaca menor, durante o estresse ortostático, gerando potenciais vantagens na adaptação postural do idoso, anormalidades crônicas na distensibilidade aórtica, como as possivelmente geradas pela postura ortostática, criam uma incompatibilidade entre a ejeção ventricular e a energia de fluxo aórtica. Assim, um retorno mais precoce da reflexão de onda, ocasionado pelo aumento da VOP
Sendo assim, um enrijecimento combinado ventrículo-vascular pode potencialmente trazer conseqüências importantes para a resposta cardíaca à variação do volume de enchimento, já que um sistema coração-arterial mais endurecido gera maior alteração na pressão sistólica para uma dada mudança no volume sistólico ejetado ou no volume ventricular126,127.
A superposição das anormalidades sabidamente existentes na regulação autonômico/barorreflexa associadas à idade59,128,129, com o enrijecimento arterial idade-dependente, pode exacerbar as flutuações da pressão arterial relacionadas ao estresse postural e pós-prandial126,127. Essa elevação postural da VOP poderia somar-se ao aumento da atividade nervosa simpática, particularmente a adrenérgica e a outros fatores de risco agudos, tais como a hiperatividade plaquetária, a hipercoagulabilidade e hipofibrinólise, a viscosidade sangüínea e o aumento do vasoespasmo130, contribuindo para o aumento da morbidade e mortalidade cardiovascular no período da manhã. Por fim, as oscilações volêmicas impostas pela postura de pé são potencialmente mais passíveis de ser sentidas nessa população. Isso coloca o indivíduo idoso em maior risco, não só porque uma hipotensão ortostática transitória gera uma descompensação de uma doença estrutural cardíaca (exemplo: insuficiência coronariana), mas também porque, em situações de diminuição suplementar da volemia (exemplo: processos infecciosos, uso de agentes vasodilatadores ou diuréticos, diarréia e vômitos), se apresentam sintomas de intolerância ortostática ou mesmo eventos sincopais52,131.
De qualquer forma, uma investigação longitudinal de um grupo não selecionado e grande da população é necessária, com vistas a avaliar a contribuição independente da variação postural da VOP para o risco cardiovascular individual.
Os mecanismos exatos responsáveis pela adaptação cardiovascular ao ortostatismo necessitam de maiores esclarecimentos. Diversas teorias têm sido propagadas como fundamentais na manutenção da homeostase circulatória diante do estresse gravitacional. Entretanto, a melhor compreensão da adaptação humana à ortostase tem que levar em consideração o gradiente gravitacional criado nessa postura.
Possivelmente, a hipótese aqui apresentada, contribua no entendimento da participação dos grandes vasos arteriais na adaptação cardiovascular a ortostase e possibilite uma melhor análise da resposta das grandes artérias ao estresse gravitacional, da fisiopatologia da síncope neuromediada e da hipotensão ortostática.
Outro aspecto é o quanto os fenômenos adaptativos antigravitacionais do sistema cardiovascular possam contribuir para morbidade e mortalidade cardiovascular quando somados às alterações degenerativas inerentes, por exemplo, à hipertensão arterial, ao envelhecimento e a marcadores genéticos predeterminados.
Ao Prof. Dr. Roberto Sá Cunha, pela orientação técnica e sugestões. Ao Prof. Dr. Dalton Vassallo e ao Dr. Márcio Augusto Silva, pela revisão do texto.
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Jorge Elias Neto Rua Alaôr de Queiroz, 115/101 29050-000 – Vitória, ES E-mail:
Recebido em 14/05/05
Aceito em 08/12/05
Great arteries contribution in orthostasis cardiovascular adaptation
Departamento de Ciências Fisiológicas - Universidade Federal do Espírito Santo – UFES - Vitória, ES - Brazil
The capacity of adopting an orthostatic posture is, undoubtedly, a milestone in the evolution of the human species and has motivated extensive research in the physiological and anthropological areas. The physiological mechanisms involved in adopting and maintaining an orthostatic posture and its complications have been investigated through the centuries. The anatomists do not consider the postural adaptation of the human being a peculiar transformation that occurred to mankind, but the culmination of a series of evolutionary phases that might have started in the body of the primate ancestors1.
It is believed that the human cardiovascular system is adapted to maintain cerebral perfusion during the orthostatic posture. Although the gravitational force creates a gradient of pressure at the level of the circulatory system, the human being is capable of maintaining an upright posture because the gravitational pressure is partially neutralized by mechanisms that prevent the accumulation of fluids in the lower limbs2.
Despite that, syncope, defined as a transient loss of consciousness and postural tonus due to cerebral hypoperfusion, has a considerable medical, social and economical impact. This clinical syndrome can be the consequence of not only reflex mechanisms3, but also a clinical manifestation of a broad range of distinct clinical conditions4.
A perspective of the cardiovascular adaptation to orthostatism is presented herein, in an attempt to assess evolutionary and physiological issues regarding the maintenance of circulatory homeostasis during orthostasis, stressing the role of the great arteries.
Years of experiments carried out in quadrupeds or models constructed in the horizontal plane have helped researchers of the cardiovascular system to develop a type of "horizontal" idea about the cardiovascular system, completely neglecting the effects of gravity because the "vertical" gravity force exerts a minimal effect on circulation in the horizontal plane. However, the human cardiovascular system works in the orthostatic posture two-thirds of the time, in which the classical experiments conducted by the Guyton group, for the study of cardiovascular hemodynamics, present large limitations5.
The change from a quadrupedal posture to a bipedal one created difficulties that can be interpreted through several signs, which are representative of an inadequate adaptation to orthostatic stress6. Bipedism presupposes a complete reorganization of the orthodynamics of the human body when compared to other mammals. This implicates in a different reorganization of the energetic supply for the body (oxygen and nutrients). As oxygen and the nutrients are carried by the blood, a complete reorganization and rearrangement of the blood supply between the different parts of the body is expected when there is a change from the quadrupedal posture to the bipedal one7. Thus, the hemodynamics must also be different.
The control of blood flow distribution in man is more complex due to the fact that the human brain has larger proportions compared to the other species. The brain represents 2% of the total body weight in man, demands 15% of the cardiac output at rest and requires the maintenance of a stable output regardless of posture or locomotion8. The change from a supine posture to the orthostatic one results in a displacement of blood at the thorax level to the subdiaphragmatic venous system, a phenomenon usually called venous pooling9. If compensatory adjustments do not occur promptly after the change in posture, the arterial pressure decreases, and the individual can present from milder symptoms related to orthostatic intolerance to the sudden loss of consciousness10.
Although gravity has long11 been recognized as the main deforming force that acts against the human body through changes in posture, its implications in the cardiovascular system, with possible influences in the development, morbidity and mortality of cardiovascular diseases are yet to be well defined12-15. Nonetheless, it is clear at this point that, despite all the benefits inherent to the orthostatic posture, gravitational stress has become accepted as a primary variable capable of affecting circulatory homeostasis. It is gravity (+Gz), acting at a mean velocity of 9.8 m/s2, the variable responsible for the blood redistribution present through the adoption of orthostasis.
The hydrostatic opposition to the venous return, the third-space loss of fluid, venous return decrease and cardiac output reduction, all of which are hemodynamic alterations secondary to the gravitational effect, act as multiple stimuli, generating a variety of compensatory mechanisms16,17. Additionally, the gravitational stress can be aggravated by the level of physical activity, environmental temperature, and drug use and by several physiopathological processes, all capable of augmenting the disparity between the vascular volumetric capacity and blood flow volume 18-20.
If gravity did not exist, man would not need such a complex cardiovascular system, particularly the presence of protection mechanisms to maintain a circulatory homeostasis during orthostatism. In general, the adaptation to gravity is, in part, acquired, and needs to be continuously trained.
For astronauts, the possibility of absence of weight due to microgravity causes major alterations in the cardiovascular system. The new pattern of blood distribution is interpreted as a volemia increase and compensatory mechanisms are promptly initiated (increase of natriuretic hormone secretion, inhibition of the rennin-angiotensin-aldosterone system), leading to a plasmatic volume decrease. A decrease in the sensitivity of the baroreflex and vestibulosympathetic reflex, as well as alterations in the autonomic nervous system, increase of vessel compliance in the lower limbs and disorders of arteriolar vasoconstriction are also observed21-23.
All these alterations can be considered as a cardiovascular "deconditioning" capable of generating intolerance to orthostatism when astronauts return to the Earth’s environment. Similar cardiovascular system alterations have been observed after long periods of bed rest (a situation that simulates microgravity), indicating that the orthostatic posture has a fundamental role in gravitational stress. The studies that seek the functional "understanding" of the organism in space are extended to high-prevalence clinical situations in the Earth’s environment, such as arterial hypertension, orthostatic hypotension, and finally, syncope.
The effect of the Earth’s gravitational field on the human cardiovascular system is similar to the effect of an electric field in a conduit. Similarly to an electric field that moves free electrons along a conduit, the gravitational field moves blood (free particles) along the cardiovascular system. The effect of the gravitational field is measured by the gradient of the gravitational potential (Ugr), which is equal to the work performed by the field to move the mass of blood unit through the system towards Earth (Ugr=gz x r). The direction of the Earth’s gravitational field close to the surface is vertical, and the distance r is equal to the system height: Ugr=gz x h. That explains why the effect of gravity is significant only in the orthostatic posture. In the horizontal posture, the height of the human body, h, is too little, making Ugr negligible, but it increases several fold during orthostasis24.
The gravitational stress can be defined as follows: gravity causes a significant displacement of blood to the infradiaphragmatic territory when the cardiovascular system is in the orthostatic posture. For the adequate maintenance of circulation to the supradiaphragmatic territory during orthostasis, the cardiovascular system must perform an additional work to return blood to the heart and neutralize the effect of gravity. The sum of this work (W), equal to the product of the gradient of the gravitational potential and the displaced mass of blood (M) represents the gravitational stress on the cardiovascular system: GS = W = Ugr x M(t). It is unnecessary to mention that this additional overload on the cardiovascular system during orthostasis remains unknown in the traditional studies on the human circulatory hemodynamics. Nonetheless, the gravitational stress can increase with no gravity force augmentation. The natural action of the gravitational stress is to generate a redistribution of blood to the lower limbs in the cardiovascular system.
Contrary to water in a glass, the blood contained in an elastic and complex vascular system is redistributed slowly, and the change of blood does not happen instantly, but increases proportionally to the time the individual remains in orthostasis. Thus, based on the equation established for the gravitational stress, the mass of blood displaced by influence of gravity, M, is a function of time, GS=Ugr x M (t) = g x h x M (t). This means that gravitational stress can increase not only through the gravity force increase, but also depending on the duration of the orthostatic posture period24. Hence, remaining an excessive period of time in orthostasis requires a more advanced stage of anti-gravitational response with higher sympathetic hyperactivity, hypervolemia and arterial pressure increment, similarly to what would occur with an increment of the gravitation force.
During bipedal posture, gravity causes gradients of pressure in all of the body fluid compartments, including veins and arteries. In the arterial system, there is a change in the hydrostatic indifferent point, defined as the axial reference in which the pressure of the venous blood column is not altered by the postural rearrangement, located at the level of the right atrium in supine decubitus, going to the infradiaphragmatic aortic territory in orthostasis25. However, due to higher vessel compliance, the main effect is the redistribution of the venous volume, which thus interferes with the global blood pressure. The accumulation of blood in the venous territory starts immediately during orthostasis and is completed in 3 to 5 minutes26. The venous volume of the lower members increases in approximately 500 to 700 ml27. Around 200 to 300 ml of blood is transferred to the veins below the abdomen. This translocation of blood volume is mainly derived from the intrathoracic compartment and results in the decrease of cardiac filling pressure and systolic volume28-31.
In addition to the blood transference from the thoracic compartment, the central blood volume is affected by the transcapillary filtration of fluid into the interstitial space in some body parts, in response to the high capillary pressure associated to the low contraposition of the interstitial pressure. Additionally, the continuous filtration into the interstitial space further reduces the circulating volume32. The loss of transcapillary fluid is stabilized after approximately 20 to 30 minutes, with a plasmatic volume decrease of around 15%, although this process remains present with the maintenance of orthostasis33. Therefore, the distribution of blood volume is carried out through a complex system, by the intrinsic characteristics of the venous system, to the pumping effect of the skeletal musculature of the lower limbs (antigravity musculature) and, as mentioned previously, to the displacement of the hydrostatic indifferent point12.
The capacity to maintain the cardiac output and the mean arterial pressure during the orthostatic "challenge" can be influenced by the behavior of the venous return. Amongst other factors, the venous return decrease can be the result of a combination of the decrease of the total blood volume with the accumulation of blood in the lower limbs, which subsequently may cause a subnormal ventricular filling pressure and deviate the curve of Frank-Starling to a segment in which the capacity of compensating for the orthostatic hypotension is limited14,34,35. Nonetheless, the human cardiovascular system has such a powerful "built-in" defense mechanism against the gravitational stress that it can completely neutralize the gravity-induced blood redistribution imposed by the orthostatic posture. The mechanism is the peripheral pumping.
The lower limbs are equipped with a specific system of blood pumping, the calf musculature, which is many times called "the peripheral venous heart". The deep veins of the calf, which are found inside a compartmented musculature, present valves that, similar to the cardiac valves, prevent blood reflux and are able to resist to pressures of several hundreds of mmHg. The compression of the venous segment during muscular contraction increases the pressure inside the muscular compartment, which leads to the closing of the valves and causes an ascendant blood flow. Through the regular contraction of the calf muscles during the orthostasis, the venous blood is pumped out of the lower limbs against gravity, reversing the gravitational action in blood distribution. Thus, the incapacity of the heart in "drawing" blood from the venous segment of the cardiovascular circuit is compensated by the presence of the additional pump in the venous system. This system, which consists of the calves, generates an effective pumping action that is not dependent on the filling pressure, helping to successfully maintain circulation during orthostasis.
Therefore, the final equation of gravitational stress can be expressed as follows: GS = g x h x M (t) / Rp x Hper, where Rp is the peripheral resistance and Hper is the work of the "peripheral venous heart"24 .
Although initial studies have demonstrated a decrease in the brain blood flow during the orthostatic posture36, it is currently known that cerebral perfusion in humans is maintained by a cerebrovascular self-regulation, which allows an effective cerebral functioning and a satisfactory distribution of regional flow within a broad variation of perfusion pressure37. In comparison to what occurs with quadrupeds, human beings present a more constant distribution of total blood flow in the several body segments during the orthostatic posture, including for the great arteries, suggesting a better functional adaptability to gravitational stress8.
The redistribution of blood volume, flow and pressure, caused by the upright posture, can endanger pre-load, arterial pressure and organic perfusion, and it is compensated by a compensatory sequence of interconnected neurohumoral mechanisms that are opposed to the continuous circulatory caudal direction imposed by the hydrostatic pressure15. As early as 1904, Erlanger and Hooker observed, using the passive inclination test (IT), that the acceleration of the cardiac frequency and the decrease of the pulse pressure occurred in the upright posture. They considered this pattern of behavior similar to that observed during a hemorrhagic event and concluded it was the normal response of the human being to postural stress1. Turner emphasized that the circulatory adjustment would be specific for each individual, according to his own personal pattern, and that some patterns of individual response would be higher than others1.
Several regulatory mechanisms occur instantly in response to the effects of gravity. The initial adjustment to orthostasis is mediated by the regulatory neural system30,31. The main receptors involved in these adjustments are the cardiopulmonary mechanoreceptors, located at the level of the right atrium and the pulmonary veins, and the sinoaortic receptors, located in the carotid sinus and aortic arch38. In addition to responding, in an isolated form, for the alterations in circulatory volume, these baroreceptors present a complex inhibitory interaction between the cardiopulmonary and the sinoaortic baroreflexes, which causes the reduction in the cardiopulmonary afferent input to increase the gain of sinoaortic baroreflex39. Finally, the decrease in the activation of the cardiopulmonary receptors produces a peripheral vasoconstriction for normotension maintenance, due to the decrease of the central venous pressure and cardiac output40.
The primary objective of the arterial baroreflex is to maintain the arterial pressure close to a point of reference for a relatively short period of time. The rapid regulation of the arterial baroreceptors, regardless of the new pressure level, is due to the fact that this reflex acts as a "buffer" system, which is effective on the arterial pressure fluctuations that occur in everyday life. The arterial baroreceptors also play a smaller role in the long-term control of the arterial pressure level41.
These aorticocarotid baroreceptors tonically inhibit the vasomotor centers of the brainstem. A decrease in the blood pressure removes this inhibitory stimulus, resulting in an increase of the sympathetic tonus and decrease of the parasympathetic tonus42. From a functional point of view, the two components of the arterial baroreflex (carotid and aortic) are not equivalent. It has been suggested that the aortic baroreflex has a higher threshold and lower sensitivity than the carotid one38. The information of the baroreceptors is transmitted through several pathways that accompany the route of the ninth and tenth cranial pairs until the brainstem centers. These two nerves are the afferent pathway of the reflex, whereas the efferent pathway consists of the vagus nerve and the sympathetic pathways that run at the level of the intermediolateral spinal cord6. The changes in the neural discharge can result in changes of vasomotor tonus, systolic volume and cardiac frequency.
The vestibular system also seems to contribute to the sympathetic activation through the recruiting of otolytic organs. This is achieved through the vestibulosympathetic reflex. This reflex is a feedback neural system that regulates the sympathetic neural discharge through nerve afferences from the vestibular system43.
During a prolonged orthostatic period, in addition to the baroreceptors and the vestibular system, delayed-action regulatory mechanisms based on additional reflexes of the humoral system that include the natriuretic hormone secretion, rennin and aldosterone, are also involved with the maintenance of arterial pressure15,27,44.
Regarding the hemodynamic parameters, orthostatism causes, in the individual chronically adapted to gravitational stress, a slight decrease in the systolic arterial pressure, in general lower than 20 mmHg. The diastolic arterial pressure remains stable or is slightly elevated, and the mean arterial pressure is not significantly altered. The telediastolic pressure in the right ventricle diminishes, the cardiac output decreases around 20%, and the cardiac frequency and peripheral vascular resistance increase 10% to 30% of the initial value6.
When, however, the head-lower limb acceleration vector +Gz is chronically diminished, such as during long supine rest periods, human beings demonstrate a reduction in the orthostatic tolerance, associated to a compromised regulation of the arterial pressure. These observations include an increase in the compliance of the lower limbs, alteration of the cardiovagal reflex response, contraction of the circulating blood volume and decrease of the systolic volume14.
On the other hand, Muenter et al observed that, individuals submitted to sleep restriction periods (approximately 4 hrs/night for 4 consecutive days), showed a better blood pressure regulation in an orthostatic situation45. The individuals presented an increase in systolic arterial pressure and a decrease in cardiac frequency during orthostatic stress, simulated through the use of sub-atmospheric pressures applied to the lower part of the body, called "lower body negative pressure" (LBNP), reinforcing the hypothesis that, in normal individuals, the continuous exposition to gravitational stress triggers a better circulatory adaptation. The same can be said of patients with neuromediated syncope, who, when submitted to daily orthostatic training through a technique called "tilt training", presented remission of clinical symptoms, even when the drug therapy was ineffective47. Newman et al (1998) used IT to assess plane pilots, routinely exposed to high levels of gravity (+Gz) and normal individuals47. These authors observed that the pilots presented a significant increase in the systolic arterial pressure, mean arterial pressure and pulse pressure during the IT with 75º, when compared to the control group (p< 0.05). No significant alterations were observed between the two subgroups of this study regarding the response of cardiac frequency to orthostatic stress.
When analyzed at a systemic level, cardiac output, more than cardiac frequency, represents the final organic reflex response to the stimulation of the baroreceptors by orthostatic stress33. Based on this fact, Convertino14 analyzed cardiac output alterations that could occur in response to arterial pressure and cardiac frequency variation in individuals repeatedly exposed to high levels of gravitational acceleration. This author observed the importance of not only cardiac frequency analysis but also of the systolic volume, in the assessment of the effective gain of cardiac baroreflex integrity in maintaining arterial pressure during the orthostatic hypotensive "challenge". The better orthostatic performance observed in these individuals supports the hypothesis that a repeated exposition to gravitational acceleration is associated to changes in blood volume and autonomic function, in opposition to what occurs with bedridden individuals14.
The physiological mechanisms that administrate arterial pressure regulation in the human being (example: baroreflex, vascular volume control) have to constantly adapt to the daily stimulation of gravity; in other words, to the postural variations. The analysis of the response of the blood volume and the carotid-cardiac baroreflex in adapting to changes caused by the gravitational stimulation can have significant importance, because the blood volume and the responsiveness of the carotid-cardiac reflex are two primary factors (in addition to height) when predicting the evolution for arterial hypotension and syncope48.
The comparison of the cardiocirculatory functional behavior when facing gravitational oscillations allows two conclusions: 1) the human being is capable of undergoing continuous adaptation to gravitational stress; 2) the mechanisms that allow us to tolerate the gravitational effect are highly malleable and trainable, or acquirable through training14. Therefore, it has been established that an autonomic nervous system, capable of maintaining a dynamic adaptive behavior that allows an adequate cardiac output in response to the blood volume oscillations caused by the orthostatic posture, is fundamental39,49. Thus, clinical conditions that interfere in the responsiveness of the baroreflex system can somehow interfere in the circulatory homeostasis50-53.
It is known that alterations at activity and/or balance level of the several branches of the autonomic nervous system can be considered one of the main factors responsible for the development of essential chronic arterial hypertension. The hypertensive individuals present an increase in the variability of arterial pressure fluctuation and a decreased sensitivity of the baroreceptors9,54. The hypertensive patient’s gender also seems to be an important determinant in baroreflex sensitivity, as the autonomic function shows to be more compromised in the female sex54.
Hypertensive individuals are less responsive to induced sympathetic stimulation55,56. In fact, the analysis of the autonomic response of hypertensive individuals to postural change, when compared to that of normal individuals, shows that, although there is a basal increase of sympathetic activity during the orthostatic posture, the sympathetic response is significantly decreased, suggesting an impairment of the mean arterial pressure control by the baroreflex in these individuals9.
The reflex hemodynamic responses to orthostatic stress are also attenuated by aging. When a young healthy individual rises from a sitting or supine posture, there is a variable change in the systolic arterial pressure of around 10 mmHg, an increase in the diastolic arterial pressure of 10 to 15 mmHg and an increase in the cardiac frequency of 25 to 30 bpm. This response occurs within approximately 30 seconds. In contrast, when an elderly healthy individual rises, a trend towards a decrease in the systolic arterial pressure (0 to 5 mmHg), as well as the maintenance of the diastolic arterial pressure and the absence or attenuation of the cardiac frequency positive response (10 to 15 bpm) are observed. Around 6% to 30% of elderly individuals present orthostatic hypotension (decrease in the systolic arterial pressure
The best-known biological change in arterial pressure control that occurs with age is an attenuation of the baroreceptor responsiveness, which is represented by the baroreceptor-heart reflex3,60,61. This finding is commonly considered as indicative of an age-related primary abnormality in cardiovascular control, as the baroreflex is the main factor that influences a rapid adaptive response to orthostasis53.
There are, however, many other age-related alterations in the cardiovascular function, which can contribute significantly to an inadequate response to orthostasis, such as reduction in arterial27,62 and myocardial63 compliance, in the activation of the rennin-angiotensin-aldosterone system64, in renal sodium retention65, a defect in the brain self-regulation and the presence of systolic arterial hypertension27.
The location of arterial baroreceptors in the compliant great arteries means that changes in the natural compliance, which can be caused simply by aging, disease or physical activity, also have the potential of influencing the afferent activities of the baroreceptors and consequently affect the autonomic reflex activity66.
The arterial compliance has a fundamental role in the cardiac energy demand, in maintaining the diastolic arterial pressure and the coronary blood flow66,67. Probably, the least evident is the influence of the vascular mechanical properties on the autonomic function by alterations in the afferent activity of the baroreceptors. Although it is difficult to investigate the extension to which these two phenomena are interconnected, Kingwell et al, analyzing arterial compliance and its possible influence on the baroreflex in hypertensive individuals and athletes, observed not only a direct relation between arterial compliance and higher blood pressure due to reflex activation in athletes, but also a baroreflex deficit in hypertensive individuals66. Nevertheless, basal assessments of vascular stiffness might not represent the mechanical stress that affects the great arteries with barosensory function during dynamic changes in pressure that characterize the baroreflex role68,69. Additionally, a compromised neuronal function can participate with an outstanding role, causing the reduction of the baroreflex gain with the decrease of the vascular mechanical function70.
Through the measurements of the integrated gain of the cardiovagal baroreflex and its mechanical and neural components, analyzed dynamically (during parenteral administration of sodium nitroprussiate and phenylephrine), Hunt et al observed that the integrated gain in sedentary male elderly individuals was lower than half of that found in young, equally sedentary, individuals70. This finding was derived from a decrease in the mechanical as well as neural transduction. Another significant observation of this study was that physical activity was able to compensate these results, making the physically active elderly individual to present duplicated baroreflex gain values in relation to sedentary individuals of the same age and comparable to that of young sedentary individuals. A low neural transduction in sedentary elderly individuals is compatible with the evidence of an altered central autonomic integration40,71, of a decreased vagal output72 and a lower density of muscarinic receptors in the sinus node73, which occur with aging. The strong relation between the cardiovagal baroreflex gain and the neural component can reflect some of these declines.
Considering that age not only decreases the baroreflex gain53,60,61, but also causes a hardening of the great arteries67, it is possible to establish that the dynamic function of the arteries with a barosensory role is important in the age-related cardiovagal baroreflex decline. Another fundamental aspect is that the analysis of the behavior of the great arteries and the baroreflex in a supine resting position can provide limited information regarding the age-related difference in vascular mechanisms during changes in the arterial pressure, which characterize the baroreflex role70. The importance of the interference of the arterial pressure dynamic behavior on the baroreflex sensitization in the hypertensive patient was confirmed by Siché et al, who observed that the major determinant of the baroreflex sensitivity was the 24-hour arterial pressure level, and that the latter was not significantly determined by age41.
A decrease in the carotid arterial compliance can be an important mechanism responsible for the age-related cardiovagal baroreflex reduction. However, it has been suggested that the association between cardiovagal baroreflex/arterial compliance is not simply due to a co-linearity with aging74. It is known that the vascular structure of the carotid and aortic sinus area determines the distortion and tension at the level of the arterial baroreceptors during acute changes in the blood arterial pressure75. In this context, an age-related decrease in the compliance of the carotid artery can restrict the capacity of its sensitive mechanical segments to adequately identify and translate changes in the intravascular pressure into afferent nervous signals to the central nervous system76,77.
Among the several theories proposed for the physiopathology of the vasovagal syncope, one of the most studied is the baroreflex dysfunction44. Mosqueda-Garcia et al investigated the baroreflex sensitivity in individuals with vasovagal syncope and positive IT and observed a decreased response of the baroreflex cardiovagal and sympathetic components when compared to the control group78. Some authors have suggested that the function of the baroreflex is preserved, but it undergoes a sudden suppression due to a depressor reflex that originates from the heart79. In general, all studies that deal with this issue report some type of baroreflex dysfunction that results in the incapacity to feel or compensate the hemodynamic alterations triggered by the gravity force in patients with neuromediated syncope44.
Thus, it is possible to consider that the analysis of the influence of aortic compliance on the baroreflex can allow a further elucidation of the adaptation to orthostatism and the physiopathology of neuromediated syncope.
A typical characteristic of living tissues is their capacity to respond to overload changes, altering their geometry, structure and/or mechanical properties80.
As previously established, the increase of stiffness of the great arteries, caused by arterial hypertension and aging, for instance, also results in a compromised sensitivity of the baroreflex, which can interfere in the adequacy of the cardiocirculatory response to orthostatic stress42,81.
Kingwell et al evaluated the influence of arterial compliance in the baroreflex function in normotense athlete and hypertensive individuals. These authors suggested that, due to the decreased arterial compliance in hypertensive patients, broad arterial pressure variations do not cause adequate changes in vascular circumference, thus interfering with the baroreceptor firing66. A decreased arterial compliance can thus explain the behavior of in
Siché et al utilized the measurement of the carotid-femoral pulse wave velocity (PWV) in individuals with slight to moderate systemic arterial hypertension (SAH), measured by out-patient monitoring of arterial pressure, to evaluate the baroreflex sensitivity in relation to the hardening of the great arteries. In this study, the increase of PWV was significantly associated with an alteration in the baroreflex sensitivity. The development of an arterial distensibility alteration was related to a deficit in the baroreflex sensitivity, predominating over the vagal control loop41. The baroreflex sensitivity alteration would then translate the degree of severity of the vascular distensibility alteration, with a consequent prognostic interest. The vascular structure of the carotid sinus area and aorta determines the tension and the distortion in the arterial baroreceptors during acute changes in arterial pressure. In this context, a decrease in arterial compliance76 can be expected to restrict the capacity of its sensitive mechanical segments to identify and adequately translate changes in the intravascular pressure into afferent nervous signals to the central nervous system74.
As it can be observed, most data regarding the central circulatory hemodynamics in human beings were formulated based on hydraulic models, which are predominantly known in the supine posture, due to technical and ethical issues.
The first studies performed with the objective of assessing the effects of gravitational stress on hemodynamic parameters and its influence on the contour of the aortic pulse wave were carried out in primates82-84. It was observed that the central hemodynamics presented a pattern of response to gravitational stress that had well-defined phases. Immediately after the start of gravitational stress, there would not be a baroreflex yet, due to a delay in the physiological response time. In this phase, in comparison to what was observed in the basal phase, a later systolic peak would not occur in the contour of the ascending aorta pulse wave, resulting from a reflected pulse wave returning to the heart. Therefore, the reflected wave would later appear in the diastole, suggesting a decrease in the pulse wave velocity, likely due to an increase of aortic compliance together with a mean pressure decrease.
Immediately after that, the so-called compensatory phase would ensue, in which the baroreflex response would be present. In this new phase, the pulse wave contour would return to the basal patterns, with an increase in the mean arterial pressure. The reflected wave would appear prematurely, suggesting a stiffer aorta at this phase, compared to the anterior one. An increase in the systolic volume and peripheral vascular resistance could also contribute to an increase in wave reflection. According to the authors, the aim of this response would be to maintain the efficiency of the ventricular/vascular coupling, in opposition to the gravitational effect83.
In spite of the importance of using experimental models that utilize animals that are phylogenetically close to humans, such as baboons, it is also important to bear in mind the specific characteristics of the circulatory system architecture, which depend on postural body habits and affect the pulse wave contour due to the variation of amplitude, the summation and/or cancellation of arterial reflexions84.
The analysis of the characteristics of pulse transmission and pulse wave shape in baboons was performed by Lathan et al84. These authors observed that the wave shape, the aortic impedance and the PWV in these primates were different when compared to those of humans84. A significant difference demonstrated in this study was that the dimension of the abdominal aorta was only slightly smaller than that of the thoracic aorta in comparison with those of humans, in whom the aorta presents a cuneiform aspect, with its abdominal segment, located below the renal arteries, presenting a markedly decreased diameter when compared to that of the lower portion of the thoracic aorta85,86. This finding would be responsible for a low coefficient of aortic reflection at the level of the renal arteries in baboons, a finding that could be accountable for the differences observed in humans.
The current evidence points out to the arterial stiffening, calculated by the PWV measurement, as an important risk factor for cardiovascular morbidity and mortality, and emphasize its influence in the adaptive control of arterial pressure87-89. Thus, the measurement of PWV might contribute to a better understanding of the dynamic behavior of the great arteries against the gravitational stress.
Recent studies demonstrate that the great arteries are no longer seen merely as passive blood conduits that have the function of transporting and distributing blood, but are now seen as having a fundamental and complex role in maintaining the circulatory physiology, as well as in the origin of cardiovascular disease66,87,90,91.
The technical limitations, the structural complexity of the arterial wall and the dynamic behavior of the great arteries, however, have hindered the study of the arterial tree under very common situations, such as the response and accommodation to postural stress92-94.
In a recent study, Elias95 assessed for the first time, the influence of the orthostatic posture compared to the supine posture, over the aortic distensibility in normal and hypertensive individuals of both sexes, utilizing the carotid-femoral PWV measurement obtained during supine decubitus and during the IT as the aortic stiffness index. This study demonstrated the existence of an immediate significant elevation of the PWV associated to the adoption of the orthostatic posture (11.7%) (10.1 ± 2.3
It is known that, structurally, the ratio of elastic/collagen fibers varies from 3.1:1 in the proximal descending aorta, to 2.8:1 in the region of the middle thoracic aorta, and to 0.8:1 in the abdominal aorta96. The collagen elastic module is much superior to that of elastin, which means that, the farther from the heart, the stiffer the artery becomes, and also that its elastic module and its PWV increase. In other word, the vascular distension is limited by the collagen fibers, and by the elevated Young’s elastic modulus97,98. The fact that PWV was obtained during the IT places the arterial segments differentially exposed to the gravitational action, somehow mimicking what happens during the active orthostatic posture. While the segment located between the aortic root and the aortic arch up to the level of the carotid artery is under the direct contraposition of gravity, the remaining aortic segments, up to the level of the femoral arteries, present the circulating blood flow going along with the vector of gravitational action. The immediate result of this is that gravity promotes a progressive increase in arterial pressure in the segments below the cardiac level in the orthostatic posture15,30,99.
Given the hydrostatic pressure generated by the gravitational action and the consequent change in the hydrostatic indifferent point, there is a higher blood flow to the arterial segments with a bigger elastic modulus and smaller radius, disclosing the increment of the carotid-femoral PWV measured during orthostasis100,101. This PWV increase is responsible for the premature return of the reflected waves from the peripheral sites to the ascending aorta. These prematurely reflected waves (during the ventricular ejection period) are added to the reflected component of the pulse wave caused by the left ventricular ejection and influence the contour of the pressure and flow waves102. Hence, the early return of the reflected component that occurs during the systolic component of the pulse wave leads to a consequent increase in pulse pressure103,104 (
The role of the wave reflection in the circulatory homeostasis during orthostasis is reinforced by the observation that, when nitroglycerin, utilized in the sublingual route for IT sensitization, generates a peripheral vasodilation, it leads to a delay in the reflected component of the pulse wave and the consequent reduction in the proximal systolic pressure, resulting in symptoms of low brain flow in patients with neuromediated syncope105,106. In fact, although a decrease in the coefficient of reflection is verified with the use of nitroglycerin, paradoxically, an increment in aortic stiffness is also observed. Soma et al107 ascribe this secondary aortic stiffness to a possible reflex activation of the sympathetic nervous system. These authors state that the cardiac frequency increase, which is a consequence of sympathetic activation, can be unfavorable as it reduces ventricular ejection time, time for the aortic root peak flow, the systolic volume and the cardiac output107.
Other aspects that deserve to be analyzed are the cardiac frequency behavior associated to postural change and the potential role of the alterations in the hemodynamics and structure of the great arterial vessels in their response patterns97. Initial experimental studies of humans in supine decubitus showed a positive correlation between the cardiac frequency increase and an augmented aortic stiffness108-111. By observing that the effect of the cardiac frequency increase, causing the stiffening of the elastic arteries, occurred independently from the sympathetic modulation, Mircoli et al112 suggested that the decrease of frequency-dependent arterial distensibility would primarily occur because of the viscous characteristic of the vascular wall and its response inertia to the intravascular pressure changes112. However, Wilkinson et al113, in a study that assessed the behavior of PWV in healthy individuals submitted to atrial stimulation, did not observe significant alterations in aortic distensibility in the face of cardiac frequency increase.
In opposition to the findings obtained in supine decubitus, Elias95 observed a negative correlation between cardiac frequency and PWV in orthostatic posture (r= -0.37, P < 0.001). Age was the main variable responsible for the cardiac frequency behavior in the orthostatic posture (r= -0.52, P < 0.001). In search for a better understanding of this finding, the author also analyzed the correlation between the cardiac frequency, obtained during orthostatic stress, and the basal measurement of the PWV, having observed a negative correlation between the cardiac frequency and the basal PWV (r= -0.30, P < 0.01). These results showed the possibility of an association of the basal pattern of arterial compliance with the cardiac frequency response level, during orthostasis95.
"Transversal" studies have shown that the basal cardiac frequency does not differ between young and elderly individuals in the supine posture114-115. However, the analysis of cardiac frequency in healthy individuals in the sitting posture has shown that cardiac frequency decreases with age in both sexes116,117. The studies utilizing the IT to assess the cardiovascular adaptation to orthostatic stress also reported a significantly lower cardiac frequency in elderly individuals17,117,118. We know that the resting cardiac frequency is modulated, in part, by the equilibrium between the sympathetic and the parasympathetic tonus, with a predominance of the latter. The intervention of age and posture on cardiac frequency suggest that age-related alterations occur in the regulatory mechanisms of cardiac frequency101. The acute cardiac frequency increase in response to the rapid change into the orthostatic posture, in general occurring within the first seconds after standing upright, although present in all individuals, decreases in magnitude with age, and can be delayed118. This decrease in the variability of the cardiac frequency observed in elderly patients, when compared to young individuals in the orthostatic
As the autonomous nervous system is the main intermediator between the nervous and cardiovascular systems, the understanding of its participation in the modulation of the cardiac frequency response during postural change is essential103. It has been established that the sensitivity of the baroreceptor is negatively correlated with aging, the increment of basal arterial pressure and the PWV39,64,75,119, being such alterations partly caused by cyclic dynamic arterial alterations68,72. Although the cardiac frequency increases less during postural stress in elderly individuals when compared to young ones, the systolic volume reduction tends to be smaller in the healthy elderly individual than in the young one; consequently, the cardiac output does not significantly vary with age, as the smaller increment of cardiac frequency is compensated by a smaller systolic volume reduction101.
Considering the dynamic behavior of the aortic compliance when facing postural change, one could presume that a higher systolic volume decrease would lead to a decrease in the aortic pulsatile deformation, with a subsequent decrease of baroreceptor stimulation and cardiac frequency increase.
The maintenance of the systolic volume in elderly individuals is attributed to a lower venous compliance in this group, which would allow the preservation of the cardiac filling volume, and consequently, of the systolic volume101. However, an age-related lower cardiac frequency could also mean an adaptation mechanism of man to bipedism95. It is known that the cardiac frequency affects pre-load through its effect on the diastolic filling time. The cardiac frequency also modulates the state of myocardial contractility through its effect, by altering the myocardial concentration of Ca2+ and Na+. As a consequence of the increase of myocardial contractility, the cardiac frequency also modulates the final systolic volume, the systolic volume and the ejection fraction101. Thus, a lower cardiac frequency could, at first, allow a better cardiac performance when facing a stiffer arterial system. Further large-scale longitudinal studies will define whether this recent observation in the cardiac frequency behavior is caused by structural alterations of the great arteries, which are inherent to the aging process, and to some degree of interference in the mechanical component of the baroreflex.
Considering what was presented here, the following hypothesis can be formulated: the return of the reflected component of the pulse wave is essential for the immediate adaptation to orthostatism, as well as in the activation, at an adequate degree, of the baroreceptors. Assuming that such hypothesis is correct, it is possible to consider the participation of these recent findings in some very common clinical conditions associated to the orthostatic posture. The more frequent occurrence of neuromediated syncope in young individuals is well established120. Another aspect is that such events occur more commonly with taller individuals. As the aortic length is related to body height, the arterial reflection wave occurs later in taller individuals121, and it would not be incongruous to suppose that, in young individuals, especially females, those who present lower basal levels of arterial pressure, the presence of a more elongated aorta could interfere with the return of the reflected component to the proximal aortic portions in an optimized way, which could result in the activation of reflexes related to the genesis of the syncope (for instance, the Bezold-Jarisch reflex). Another aspect that supports this hypothesis is, as previously discussed, the importance of height (h) in gravitational stress24. Therefore, in young individuals, the premature return of the reflected component of the pulse wave caused by the increment of the PWV during orthostasis would act together with the baroreflex and other regulatory mechanisms of the arterial pressure, allowing an immediate adaptation to orthostatism95.
Based on the recent data, the hypothesis of the participation of the great arteries in the maintenance of circulatory homeostasis as well as in the syncope-triggering mechanism must be taken into account, aiming at a new theory, to be incorporated to the several existing ones, for the physiopathology of neuromediated syncope44.
As for the analysis of the orthostatic adaptation in elderly individuals, who present higher susceptibility to morbid cardiovascular events and postural hypotension, the application of these recent findings is still questionable.
Literature data have shown a broad diurnal variation in the occurrence of cardiovascular events, with a peak incidence of myocardial infarction, sudden cardiac death and ischemic and hemorrhagic stroke occurring in the first hours of the morning122-124. A more detailed analysis of this circadian pattern has identified the hour that follows awakening, more than any other time of the day, as the one during which more cardiovascular events occur122,123. Although it has not been established whether the additional increase of PWV during orthostasis is just a structural adaptive process inducing mechanism or a marker of morbid events, this finding must be taken into account.
One must consider that, although a premature return of the reflected component of the pulse wave can contribute to a lower cardiac frequency during orthostatic stress, generating potential advantages in the postural adaptation of the elderly, chronic abnormalities in the aortic distensibility, such as those possibly generated by the orthostatic posture, create an incompatibility between the ventricular ejection and the aortic flow energy. Hence, a more premature return of wave reflection caused by the increase of the PWV can create an increase in the hydraulic load for the left ventricle125.
Therefore, a combined ventricle-vascular stiffening can potentially have important consequences for the cardiac response to the variation of filling volume, as a stiffer heart-arterial system generates higher alterations in systolic pressure for a given change in ejected systolic volume or in the ventricular volume126,127.
The overlapping of the known autonomic/baroreflex regulation abnormalities associated to aging59,128,129, with the age-related arterial hardening, can aggravate the arterial pressure fluctuations related to postural and postprandial stress126,127. This postural increase of PWV can add to the sympathetic nervous activity augmentation, particularly the adrenergic activity and other acute risk factors such as platelet hyperactivity, hypercoagulability and hypofibrinolysis, blood viscosity and vasospasm increase130, contributing for the increase of cardiovascular morbidity and mortality in the morning period. Finally, the volemic oscillations caused by the upright posture are potentially more likely to be experienced by this population. This puts the elderly individual at higher risk, not only because a transient orthostatic hypotension generates the decompensation of a cardiac structural disease (for instance, coronary failure), but also because in situations of additional volemia decrease (for instance, infectious processes, use of vasodilator or diuretic agents, diarrhea and vomiting) there may be symptoms of orthostatic intolerance or even syncopal events53,131.
Hence, a longitudinal investigation of a large, unselected population group is necessary, aiming at assessing the independent contribution of the postural variation of the PWV for the individual cardiovascular risk.
The exact mechanisms responsible for the cardiovascular adaptation to orthostatism need further clarification. Several theories have been proposed as being fundamental in maintaining the circulatory homeostasis against the gravitational stress. However, a better understanding of the human adaptation to orthostasis must take into account the gravitational gradient generated by such posture.
Possibly, the hypothesis presented herein will contribute to the understanding of the participation of the great arteries in the cardiovascular adaptation to orthostasis and will enable a better analysis of the response of the great arteries to gravitational stress, of the physiopathology of neuromediated syncope and orthostatic hypotension.
Another aspect is how much the anti-gravitational adaptive phenomena can contribute to cardiovascular morbidity and mortality, when added to the inherent degenerative alterations such as arterial hypertension, aging and pre-determined genetic markers.
To Prof. Dr. Roberto Sá Cunha, for the technical assistance and suggestions. To Prof. Dr. Dalton Vassalo and Dr. Márcio Augusto Silva, for text review.
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Mailing Address: Jorge Elias Neto Rua Alaôr de Queiroz, 115/101 29050-000 – Vitória, ES - Brazil E-mail:
Received on 05/14/05
Accepted on 12/08/05
Kingwell e cols. avaliaram a influência da complacência arterial na função do barorreflexo em indivíduos atletas normotensos e em indivíduos hipertensos. Esses autores sugeriram que, por causa da diminuição da complacência arterial, em pacientes hipertensos, amplas variações na pressão arterial não provocam mudanças adequadas na circunferência vascular, interferindo assim no disparo dos barorreceptores66. Uma complacência arterial reduzida pode então explicar o comportamento de bradicardia em