1

Electronica Medicala

Curs anul IV

2

CAP 1.NOŢIUNI DE ELECTROFIZIOLOGIE CELULARĂ ŞI BIOSEMNALE

Cu patru secole în urmă, Galvani constata apariţia unor biocurenţi în muşchiul care se afla în stare de activitate. în secolul XIX, Dubois-Reymond remarca absenta diferentelor de potenţial pe suprafaţa muşchiului aflat în repaus. în aceleaşi condiţii, explorând simultan suprafaţa şi interiorul muşchiului, autorul înscrie o diferenţa de potenţial pe care o numeşte "curent de leziune", introducând astfel în electrofiziologie o noţiune care îşi păstrează valabilitatea şi în zilele noastre [27].

Progresele înregistrate în tehnica de cercetare au permis studiul biocurenţilor la celulele izolate, folosindu-se microelectrozii de sticla, pirex sau electrozii punctiformi, realizaţi de Graham şi Gerard, Corabeuf şi Weidman.

De la constatarea fenomenelor electrice celulare s-a trecut la studii privind geneza acestora, stabilindu-se substratul lor biochimic. Un merit deosebit în acest domeniu i-a revenit lui Corabeuf care, inhibând permeabilitatea membranei celulare în mod selectiv pentru diverşi electroliţi, a putut urmări migrarea şi consecinţele electrice ale migrării acestora [27].

3

ROLUL IONILOR ÎN GENEZA BIOCURENŢILOR CELULARI.

Numeroşi factori intervin în menţinerea stării de neutralitate dinamica a materiei vii. Aceşti factori sunt detaliaţi şi discutaţi mai jos:•Repartiţia ionilor în sectoarele intra şi extracelulareO anumită distribuţie electrolitica în mediul intra-extracelular, guvernată de aport, metabolism şi eliminare, asigură neutralitatea electrică a oricărui compartiment al ţesuturilor vii. Numărul anionilor şi al cationilor este acelaşi, atât în mediul celular cât şi în cel extracelular, fiind reprezentat de 167 mEg anioni şi 167 mEg cationi în celulă, şi de 154 mEg anioni şi 154 mEg cationi în spaţiul extracelular [27].

4

ROLUL IONILOR ÎN GENEZA BIOCURENŢILOR CELULARI.

•Concentraţia ionica diferita intre cele două compartimente (334 mEg în celula şi 308 mEg în spaţiul extracelular) creează un gradient de concentraţie intra-extracelular. Mai mult încă, există gradiente de concentraţie intra-extracelulare pentru fiecare electrolit în parte, în virtutea cărora apare tendinţa de migrare a acestora de la concentraţii mai mari către concentraţii mai mici. Migrarea se realizează prin ruperea cuplurilor electrice, fenomen care generează fluxuri sau curenţi electrici care anulează starea de neutralitate.

5

STRUCTURA MEMBRANEI CELULARE

Membrana celulară este constituita din două straturi de molecule lipidice între care se interpune un strat de molecule proteice [27]. Rolul proteinelor membranare este complex şi extrem de important, astfel:- ele constituie substratul receptorilor implicaţi în modul de acţiune al mediatorilor chimici, al hormonilor şi al unor substanţe medicamentoase;- unele proteine intervin în desfăşurarea proceselor enzimatice;- o parte din ele traversează membrana celulară – "canalele transmembranare" care permit comunicarea celor două medii (intra- şi extracelular). Canalele constituie cea mai importantă cale de schimb ionic transmembranar, intervenind şi în modul de acţiune a numeroase medicamente.

Schimburile ionice la nivel membranar se realizează prin trei mecanisme dovedite până în prezent:- prin dispozitive de schimb pe bază de gradient;- prin canalele transmembranare lente şi rapide;- prin pompele active de schimb.

6

DESFĂŞURAREA ACTIVITĂŢII ELECTRICE CELULARE

Sub aspect electric, celulei i se diferenţiază trei stări:- starea de polarizare;- starea de depolarizare;- starea de repolarizare.

7

Starea de polarizare celularăCorespunde repausului celular şi se caracterizează electric prin repartiţia sarcinilor pozitive pe suprafaţa celulei şi a sarcinilor negative în interiorul celulei (fig.1.1).In condiţiile schimbului electric intra- şi extracelular, polaritatea diferită a celor două feţe membranare se explică astfel:- prin gradientul de concentraţie existent între fiecare fel de ion aflat în interiorul şi exteriorul celulei. în virtutea acestor gradiente, proteinele şi potasiul tind sa părăsească celula, iar sodiul tinde sa intre în celulă. Dimensiunile moleculare mari nu permit ieşirea proteinelor care, încărcate electric negativ şi dispuse pe faţa internă a membranei, determină electronegativitatea din interior (fig1.2);- scoaterea sodiului şi a calciului din celula prin pompele active şi intrarea unei cantităţi mici de potasiu contribuie de asemeni la scăderea electropozitivităţii din interior;

8

Starea de polarizare celularăpotasiul extracelular este atras spre celula de electronegativitatea proteica. în acelaşi timp, în virtutea gradientului, el tinde sa părăsească celula. După Bernstein, potasiul supus acţiunii acestor forte de sens contrar se dispune la suprafaţa membranei, determinând electropozitivitatea de suprafaţa (fig.1.2).

Explorând simultan cu un electrod suprafaţa celulei şi cu al doilea interiorul ei, se remarca apariţia unei diferente de potenţial (acul galvanometrului deviază). Măsurata, aceasta diferenţa de potenţial este de aproximativ minus 90mV şi este numita "potenţial de repaus" sau "potenţial de membrana". Acelaşi potenţial se poate înregistra plasând ambii electrozi pe suprafaţa celulei, cu condiţia ca sub unul din ei membrana celulară sa fie lezată. Pierzându-şi prin leziune calitatea de separator al celor două medii, acest teritoriu membranar expune de fapt explorării interiorul şi nu suprafaţa celulei. Potenţialul înregistrat în aceste condiţii, numit "potenţial de leziune", este asemănător potenţialului de membrana dar are semnificaţie patologica (fig.1.3).

Înscriind cu ajutorul unui aparat de înregistrare potenţialul de repaus celular, se constată că o dată cu devierea acului galvanometrului se înregistrează o linie orizontală situată la minus 90mV.

9

STAREA DE DEPOLARIZARE CELULARĂ (POTENŢIALUL DE ACŢIUNE)

Atunci când celulei în repaus i se aplică un stimul ea trece, sub aspect electric, de la starea de polarizare la starea de depolarizare sau de activare [27]. Sub influenţa stimulului, ionul de sodiu invadează rapid celula. Hodgkin constată o creştere atât de importantă a "conductanţei" pentru sodiu după aplicarea stimulului, încât nici un alt electrolit nu mai are acces în celula în momentul iniţial al activării. Acestă permeabiilitate bruscă a membranei pentru sodiu a fost atribuită, de către Castillo, efectului acetilcolinei membranare eliberată şi activata de către stimul.

Creşterea concentraţiei sodiului intracelular deplasează rapid potenţialul de repaus de la minus 90mV, nivel numit "critic" sau "nivel prag", indicând declanşarea potenţialului de acţiune. Acesta trece foarte rapid de la minus 90mV la minus 60mV, ajungând la zero şi apoi la plus 30Mv [27]. Este faza zero (0) a potenţialului, caracterizata prin următoarele elemente:- intrarea masiva a sodiului în celula;- amplitudine în jur de 120mV;- o anumita viteza de desfăşurare (dv/dt);- atât amplitudinea cat şi viteza de depolarizare sunt dependente de cantitatea de sodiu intrant;- producerea unei răsturnări a potenţialului membranar (overshoot), prin care interiorul celulei devine electropozitiv iar suprafaţa electronegativă.

10

STAREA DE DEPOLARIZARE CELULARĂ (POTENŢIALUL DE ACŢIUNE)

Explorând celula în această etapă cu un electrod plasat pe suprafaţa şi cu altul în interior, se constata devierea acului galvanometrului în sens invers devierii înregistrate în repaus. Aparatul de înregistrare înscrie o deflexiune care urca rapid la minus 60mV, trece prin punctul zero şi ajunge în final la plus 30mV. Invazia sodică scade brusc, fapt determinat de închiderea(inactivarea) canalelor sodice rapide.

11

STAREA DE REPOLARIZARE CELULARĂ

Este etapa de refacere (recuperare) a distribuţiei ionice şi a potenţialului electric de repaus. Ea se desfăşoară în trei faze.a. Repolarizarea rapida: începe o dată cu epuizarea stimulului şi se caracterizează prin inactivarea canalelor sodice rapide, încât foarte puţin sodiu continuă să mai intre în celulă. Se deschid însă canalele lente intrante de calciu şi de clor. Este faza 1 a potenţialului de acţiune în care curba coboară până la zero;b. Repolarizarea lentă: este faza în care se desfăşoară simultan procesul de repolarizare incipient cu cel de depolarizare finală. Electrolitic, acestă fază se caracterizează prin continuarea intrării calciului în celula, diminuarea importantă a intrării sodiului şi ieşirea moderată a potasiului din celula. Aceasta este faza a 2-a a potenţialului de acţiune în care se realizează un echilibru intre curentul intrant depolarizant (calciu) şi curentul de ieşire repolarizant (potasiu). Curba potenţialului de acţiune în aceasta faza îmbracă un aspect de platou;c. Repolarizarea terminală: este faza în care procesul de repolarizare ia sfârşit. Electrolitic este dominant curentul de ieşire potasic prin canalele potasice reactivate. în acesta faza curba potenţialului revine la nivelul de repaus.

12

STAREA DE REPOLARIZARE CELULARĂAceasta fază (diastola electrică), la celula miocardica contractila se întrerupe numai atunci când un alt stimul declanşează un nou potenţial de acţiune. în celula dotata cu automatism, faza a 4-a a potenţialului nu mai este o fază de repaus. Aici se produce o depolarizare lenta diastolica care aduce potenţialul la nivel prag, declanşându-se în mod spontan un nou potenţial. Depolarizarea lentă diastolică este favorizata de catecolamine, sub influenta cărora sodiul intra spontan în celula [32]. Desfăşurarea potenţialului de acţiune situează celula (sub aspectul excitabilităţii) în trei stări diferite:a) perioada refractară absolută: corespunde depolarizării şi este perioada în care nici un stimul, oricât ar fi de intens, nu este urmat de răspuns celular. Aşa cum am văzut, depolarizarea este caracterizata prin trecerea unui număr suficient de canale din conformaţia de repaus în conformaţia activată (reactivarea canalelor). Perioada refractară corespunde timpului necesar transformării unui număr suficient de canale din conformaţia inactivata în conformaţia de repaus.Reactivarea canalelor se efectuează diferit la celula contractilă comparativ cu celula dotată cu automatism. Din acest motiv, raportul dintre durata potenţialului de acţiune şi durata perioadei refractare este mai mare la celula cu automatism şi este mai mic la celula contractilă. Prelungirea perioadei refractare după încetarea potenţialului de acţiune explica întârzierea conducerii stimulului în nodul atrio-ventricular, precum şi funcţia de filtrare a acestuia.b) perioada refractară relativă: corespunde existentei unui număr suficient de canale cu configuraţie de repaus, care nu conduc dar sunt disponibile de a conduce dacă primesc un stimul cu o intensitate normală. Această condiţie se realizează în perioada repolarizării terminale, când curba potenţialului ajunge la minus 60mV.c) perioada supranormală: se situează la sfârşitul şi începutul diastolei electrice. în aceasta perioadă, chiar şi un stimul de intensitate slaba poate declanşa un potenţial de acţiune [31].

13

TEORIA UNDEI MONOFAZICEDin înregistrarea fenomenelor electrice în cursul polarizării, depolarizării şi repolarizării celulare, rezulta o curbă care se desfăşoară intr-un singur sens, numită curba monofazică. Daca înregistrăm simultan fenomenele electrice care apar la ambele extremităţi ale unei celule activate, se obţin două unde monofazice identice dar uşor decalate în timp, procesul de activare şi recuperare ajungând cu întârziere în capătul distal al celulei [31].Curba monofazica nu constituie un aspect obişnuit a ceea ce se înregistrează în explorarea fenomenelor electrice cardiace. Depolarizarea şi repolarizarea se înscriu sub forma unor unde difazice. Am văzut, ca înregistrând fenomenele electrice celulare simultan la ambele extremităţi ale celulei, se obţin două curbe monofazice. Adăugând în explorare un al treilea aparat cu ambii electrozi plasaţi pe suprafaţa celulei, se constata că, în timp ce aparatele de la extremităţi înregistrează undele monofazice, aparatul cu ambii electrozi pe suprafaţa înscrie o unda difazică [31]. Urmărind în succesiune fenomenele electrice în acest sistem de montare, constatam ca în starea de repaus celular aparatele de la extremităţi înregistrează potenţialul de membrana de minus 90mV, în timp ce aparatul de suprafaţa înregistrează o linie izoelectrică(fig.1.7).

14

TEORIA UNDEI MONOFAZICEAplicând un stimul în capătul A al celulei, aparatele de la extremităţi înregistrează răsturnarea potenţialului de membrana pana la plus 30mV. Prin depolarizare, capătul A al celulei devine negativ, în timp ce suprafaţa din capătul B este încă electropozitiva. Apare o diferenţa de potenţial intre electrozii celor două capete, iar acul galvanometrului de pe suprafaţa deviază şi simultan se înscrie o deflexiune orientata în sus (fig.1.8). Când toată celula este depolarizată, aparatele de la extremităţi înscriu căderea potenţialului la nivelul zero electric. când procesul de depolarizare se sfârşeşte, diferenţa de potenţial intre cele două puncte de pe suprafaţa se anulează. Acul galvanometrului revine simultan cu înscrierea unei deflexiuni care coboară pana la linia izoelectrică. Repolarizarea începe din capătul A al celulei, de acolo de unde a început depolarizarea, şi se extinde spre capătul B. Aparatele de la extremităţi marchează tendinţa de restabilire a situaţiei de repaus, curba potenţialului coborând lent spre minus 90mV. Prin repolarizare, capătul A devine electropozitiv, în timp ce capătul B este negativ. Apare din nou o diferenţa de potenţial intre cele două puncte de pe suprafaţa. Acul galvanometrului deviază în sens opus depolarizării, iar aparatul de suprafaţa înscrie o deflexiune orientată în jos [31].

15

TEORIA UNDEI MONOFAZICEÎnsumând forţele electrice ale capetelor A şi B ale celulei, galvanometrul aparatului de suprafaţa deviază permanent, mai intens sau mai puţin intens, intr-o direcţie sau alta, în funcţie de mărimea şi sensul rezultantei forţelor însumate. Curba înscrisa de aparatul de înregistrare are aspect difazic. Acest fapt poate fi dovedit şi prin însumarea grafica a celor două unde monofazice, plasate uşor decalat în timp şi în sens opus una fata de alta. Însumând algebric pe liniile succesive de timp valorile pozitive şi negative ale celor două unde, se obţin nişte valori care transpuse pe aceleaşi linii se timp permit construirea unei curbe difazice, identică cu cea înregistrată de aparatul plasat pe suprafaţa celulei [29].

Teoria undei monofazice explică şi aspectul normal al electrocardiogramei, în care ambele deflexiuni (de depolarizare şi repolarizare) sunt orientate în acelaşi sens. Unda monofazica înregistrată pe endocard este mai lenta, în timp ce unda monofazica epicardica este mai rapidă. Acest fapt face ca, în porţiunea finală a însumării celor două unde, sa domine valorile pozitive, procesul de repolarizare înscriindu-se pozitiv, în acelaşi sens cu depolarizarea.

16

TEORIA UNDEI MONOFAZICEConstituie o modalitate mai simplă de explicare a fenomenelor electrice celulare şi cardiace. Teoria dipolului, enunţata de Waller şi reluată de Craib compară câmpul electric creat de un dipol artificial intr-un mediu conductor cu câmpul electric generat de o fibra musculara în stare de activare, atunci când este plasată intr-un mediu similar [31].Teoria dipolului explică cu uşurinţa desfăşurarea fenomenelor electrice celulare. Stimularea unei celule declanşează o succesiune de dipoli de depolarizare. Plasând un electrod explorator în capătul distal (B) al unei celule şi aplicând un stimul în capătul ei proximal (A), la acest nivel începe depolarizarea, manifestata prin dipoli care au polul pozitiv în fata şi polul negativ în spate. Punctul a al celulei, prin depolarizare completa, devine negativ în timp ce punctul b, în curs de depolarizare, este pozitiv. Aceste două puncte reprezintă un dipol. Punctul b, mai intens depolarizat, deci slab pozitiv, împreuna cu punctul c, slab depolarizat, deci mai intens pozitiv, realizează un alt dipol. Punctul c, mai slab pozitiv în raport cu punctul d, mai intens pozitiv, realizează de asemeni un dipol si, pe parcursul depolarizării, celula este parcursa de acest val de dipoli care avansează cu polul pozitiv în faţă şi cu cel negativ în spate, iar panta creată de aceştia este rapidă şi abruptă. Pe tot parcursul depolarizării, electrodul explorator din capătul B al celulei se afla în câmp electric pozitiv ("priveşte" polul pozitiv al dipolului), iar aparatul de înregistrare înscrie o deflexiune pozitiva. când depolarizarea a cuprins în întregime celula, dipolii de pe suprafaţa dispar. Aparatul de înregistrare înscrie căderea deflexiunii la linia izoelectrică (fig.1.10).Din capătul A al celulei începe repolarizarea care restabileşte pozitivitatea de suprafaţa, creând dipoli cu polul negativ în fata şi cu polul pozitiv în spate. Punctul a complet repolarizat este pozitiv , în timp ce punctul b, în curs de repolarizare, este relativ negativ. Aceste două puncte apropiate realizează un dipol si, la fel ca în depolarizare, procesul avansează printr-un val de dipoli succesivi orientaţi de acesta data cu polul negativ în fata şi cu cel pozitiv în spate. Panta repolarizării este mai lentă comparativ cu cea a depolarizării [33].

17

TEORIA UNDEI MONOFAZICEElectrodul explorator plasat în capătul B al celulei se află în timpul repolarizării în câmp electric negativ ("priveşte" polul negativ al dipolului). Un aparat de înregistrare înscrie o deflexiune negativa care revine la linia izoelectrică atunci când întreaga celula s-a repolarizat (fig.1.11). Dacă pe o celulă similară plasăm electrodul explorator în capătul A, în timpul depolarizării electrodul se afla în câmp electric negativ, iar în timpul repolarizării în câmp electric pozitiv. Aparatul de înregistrare înscrie iniţial o deflexiune negativa (de depolarizare) apoi o deflexiune pozitiva (de repolarizare) (fig.1.12).

18

TEORIA UNDEI MONOFAZICETeoria dipolului explica cu multa uşurinţa desfăşurarea fenomenelor electrice celulare si, prin extrapolare, permite interpretarea desfăşurării depolarizării şi a repolarizării cardiace. Cordul determină în mediul conductor al organismului efecte electrice asemănătoare, în linii mari, cu cele ale dipolului artificial. Câmpul electric cardiac prezintă elemente comune cu câmpul electric creat de dipolul artificial. Ceea ce înregistrează electrocardiograful sunt diferentele de potenţial apărute intre diversele puncte ale câmpului electric cardiac (fig.1.13).