Geometria e funzione cardiaca

Geometria e funzione nella visione moderna

I progressi sinteticamente descritti hanno portato ad una più accurata valutazione della funzione cardiaca mediante un approccio sistematico reso possibile dalla disponibilità di strumenti tecnologici. Ciononostante, per ottenere una visione d’insieme più esatta, occorre partire da concetti primari sulla struttura cardiaca che rivelino la natura del suo funzionamento. È stato menzionato come le fibre cardiache nel miocardio abbiano un andamento elicoidale, e come questo si presenti con direzione opposta negli strati esterni ed interni del tessuto.
Queste osservazioni rappresentano solo un tassello preliminare della struttura del cuore nella sua globalità, composto di fibre organizzate in una struttura elicoidale che si incrociano nella zona apicale. La natura elicoidale della geometria cardiaca fu descritta per la prima volta nel 1669 da Richard Lower che nel suo studio osservò che le fibre muscolari della parete interna del ventricolo sinistro corrono in direzione opposta a quelle della parete esterna, e che la loro contrazione è comparabile con “la torsione di un tessuto per espellerne l’acqua”. Lo stesso concetto fu ripreso da Pettigrew tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento, il quale cercò di chiarire la struttura geometrica delle fibre ventricolari sezionando il miocardio in 8 strati per mostrare come l’orientamento cambi in maniera continua dall’esterno all’interno (figura 1)
L’analisi della disposizione delle fibre cardiache rappresenta solamente un aspetto del lavoro di Pettigrew che intendeva piuttosto dimostrare come la natura tenda a riprodursi mediante strutture a spirale. In effetti, è noto che la spirale rappresenta la forma geometrica sottostante allo sviluppo di molti processi naturali. Un qualunque processo di crescita a partire da un punto verso una direzione arbitraria, non potendo svilupparsi in maniera perfettamente rettilinea, tenderà ad assumere una curvatura e progressivamente a prendere la forma di una spirale. Quando la riproduzione è di tipo moltiplicativo (quanto più materiale esiste, tanto più materiale si riproduce, come è nella divisione cellulare) si ha la forma particolare della spirale logaritmica. Tale peculiarità si riscontra nella forma delle conchiglie, nei boccioli dei fiori, nelle corna di un ariete nonché nei vortici dei fluidi e negli uragani (figura 2)
e si ritrova in natura ad ogni livello di scala, nelle immense dimensioni delle galassie e nella struttura del DNA. L’organizzazione a spirale, o più precisamente coppia di spirali reciproche, è quella che si riconosce anche attorno all’apice del cuore.
Nonostante tutte le affascinanti osservazioni ed analogie, la completa organizzazione spaziale interna delle fibre miocardiche rimase nota in maniera molto vaga e generica fino a quando Torrent-Guasp riuscì a definire con chiarezza la struttura anatomica elicoidale del cuore, sezionando a mano, lui e suoi colleghi, centinaia di cuori animali, inclusi umani. Il modello elicoidale del cuore descrive l’intero miocardio come composto da un’unica banda muscolare che, partendo dall’arteria polmonare e terminando all’aorta, si avvolge su se stessa due volte, delimitando le cavità ventricolari (figura 3).
Il primo tratto circonda la regione basale, il secondo, scendendo verso l’apice, descrive una traiettoria elicoidale che poi si avvolge attorno all’apice stesso e quindi risale ruotando all’esterno del tratto discendente. Questa struttura si rivela distendendo la banda ventricolare miocardica (figura 4).
Si inizi separando dall’aorta l’arteria polmonare e le fibre muscolari collegate che formano la parete esterna del ventricolo destro, queste fibre rappresentano il primo segmento (segmento destro) del tratto basale della banda (figura 4b). Lo sviluppo basale si completa distaccando lo strato esterno della parete postero-laterale intorno al ventricolo sinistro (Figura 4c), che ruota esternamente al tratto apicale. La cavità ventricolare sinistra è contenuta all’interno della spirale apicale che consiste di un segmento discendente dalla base all’apice, avvolto in senso antiorario (visto dall’apice), che compone il setto interventricolare (figura 4d). Il tratto apicale si avvolge poi attorno all’apice per risalire con un segmento ascendente fino all’aorta per completare il percorso della banda miocardica ventricolare (figura 4e).
Da questa struttura si osserva come la diversa orientazione delle fibre muscolari nelle pareti esterna (sub-epicardio) ed interna (sub-endocardio) del ventricolo altro non sia che il sezionamento di due diversi segmenti della banda. La struttura muscolare del ventricolo sinistro è quindi composta da una fibra elicoidale che discende dalla base, avvolge l’apice, per poi risalire verso la base (figura 5a,b).
La scoperta di una tale struttura geometrica anatomica permette di interpretare la funzione cardiaca in termini unitari. L’impulso elettrico ricevuto dal nodo atrio-ventricolare è trasmesso immediatamente al tratto basale che, accompagnando lo svuotamento degli atri, si irrigidisce e si contrae con una leggera rotazione (antioraria, vista dall’apice). La contrazione prosegue lungo il segmento discendente, provocando l’accorciamento del tratto base-apice e la rotazione oraria della regione apicale del ventricolo sinistro (figura 5c). Questa combinazione di accorciamento longitudinale e la torsione ventricolare dovuta alla rotazione opposta tra base e apice è il meccanismo complessivo dell’eiezione sistolica, quello che Lower considerò analogo alla “torsione (e accorciamento) di un tessuto per espellerne l’acqua”. Successivamente, mentre il segmento discendente si rilassa, la contrazione miocardica prosegue lungo la banda verso il segmento ascendente, che si accorcia ed irrigidisce provocando una rotazione del ventricolo opposta alla precedente, cui segue un allungamento longitudinale del ventricolo stesso (figura 5d). In questa fase il volume ventricolare aumenta e la cavità si riempie attraverso questo meccanismo attivo di riempimento, talvolta detto anche riempimento sistolico. Terminata la contrazione di tutta la banda muscolare, la diastole prosegue in maniera passiva, fino all’inizio della contrazione atriale.
Il modello elicoidale descrive quindi il cuore come una spirale attorno all’apice avvolta da una banda basale, che ruotano in direzione opposta dando luogo ad un efficiente meccanismo di contrazione torsionale, cui segue un’attività attiva di rilascio torsionale ed il riempimento diastolico. Seguendo questo schema concettuale, molti sforzi sono stati indirizzati all’analisi della torsione del ventricolo quale potenziale indicatore di un’effettiva efficienza cardiaca. Ciononostante, l’esiguità della rotazione (inferiori a 10 gradi) rende ancora difficile una sua misurazione accurata. Si è inoltre evidenziata una marcata variabilità dell’entità della torsione, probabilmente legata alla variabilità anatomica della disposizione geometrica della struttura elicoidale, che non deve far dimenticare che, quale che sia il meccanismo, questo è finalizzato all’attività di pompa del cuore ovvero alla riduzione volumetrica delle camere cardiache. Tutto questo sembra indicare che, malgrado l’affascinante progresso di questi anni, la strada più appropriata per utilizzare al meglio la conoscenza della struttura ventricolare sia ancora da tracciare.

Conclusioni
Il cuore è un organo la cui complessità richiede un utilizzo interdisciplinare di competenze scientifiche e tecnologiche a supporto dell’attività medica. Queste stanno portando, nei centri a maggior specializzazione, all’introduzione di nuove forme di collaborazione. Allo stato attuale delle conoscenze le prestazioni della funzione cardiaca sono valutate mediante indicatori meccanici globali ed indicatori regionali, capaci di riconoscere mutamenti morfo-funzionali più profondi senza particolare incremento dello sforzo diagnostico.
Negli ultimi anni l’anatomia cardiaca si è rivelata nella sua affascinante struttura elicoidale, tanto estremamente semplice in principio quanto notevolmente complessa nella sua effettiva funzionalità. La sequenza di contrazione e rilasciamento della struttura elicoidale del miocardio ventricolare si riassume in tre passi (di valzer) dati dalla contrazione sistolica, il riempimento diastolico attivo, ed il rilasciamento passivo. Questo movimento sinuoso del muscolo cardiaco si combina con lo sviluppo del flusso intraventricolare, che crea un vortice durante il riempimento (figura 6a) il quale naturalmente re-indirizza il getto verso l’aorta durante l’eiezione (figura 6b).
Allo stato delle nuove conoscenze, i prossimi studi sono tesi a comprendere l’armonia profonda che sussiste tra l’attivazione elettrica, la contrazione muscolare, ed il flusso cavitario. Ricordando che l’efficiente l’eiezione di flusso nella circolazione è la finalità ultima del cuore.

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