De medische wetenschap heeft meerdere gereedschappen ontwikkeld om hartritmestoornissen op te sporen. Het bekendste is ongetwijfeld het hartfilmpje oftewel elektrocardiogram. Zie je hierop regelmatige signalen, dan duidt dit op een normaal hartritme (figuur 1, boven). Maar soms zijn hierop ook onregelmatige patronen te zien. In het ergste geval is er sprake van fibrillatie (figuur 1, onder). Wanneer de onderste twee compartimenten van het hart zo’n fibrillatie vertonen en onregelmatig samentrekken, stopt het hart na korte tijd met pompen. Er treedt dan een hartstilstand op. Maar hoe verspreidt ons hart eigenlijk elektrische signalen? En waardoor kan dit fout gaan, zodat deze hartritmestoornissen optreden?
Hoe werken cellen samen om een elektrisch signaal door het hart te sturen?
In het artikel over hartspiercellen zie je hoe de membraanspanning van een cel kan veranderen in de tijd als gevolg van ionenstromen die onder andere Ca2+-, Na+-, en K+-ionen in en uit de cel transporteren. Deze beweging verloopt cyclisch waarbij we elke keer dat de membraanspanning de hoogte ingaat spreken van een excitatie van de cel. Een cel kan dus exciteren als gevolg van ionenstromen.
Nu is het zo dat de hartspiercellen niet allemaal losstaan van elkaar, maar aan elkaar vastzitten en dus gekoppeld zijn. De verbinding tussen de cellen zorgt ervoor dat ionen ook uitgewisseld kunnen worden tussen zulke gekoppelde cellen. Dit gebeurt echter niet actief (zoals bij een ionkanaal), maar eerder passief. Deze passieve ionenmigratie is een diffusieproces, waarbij ionen spontaan van een regio met een hogere concentratie naar een met een lagere concentratie migreren. Wanneer een cel exciteert, gaat de interne ionconcentratie omhoog. Dit zorgt ervoor dat er een concentratieverschil ontstaat tussen deze actieve cel en naburige cellen die nog in rust zijn. Als gevolg van de natuurlijke diffusie van ionen (in het bijzonder Na+), activeert deze cel dan haar naburige cellen. Bijgevolg wordt zo ook de concentratie ionen in de volgende cel beïnvloed.
Hiervoor werden twee woorden veelvuldig gebruikt, namelijk “activeren” en “diffusie”. Het activeren of exciteren van een enkele cel wordt in het artikel over hartspiercellen beschreven door de vergelijkingen voor stroom I. Deze ‘actie’ van de cel is een ‘reactie’ op een kleine verhoging van de membraanpotentiaal. Het verspreiden van een elektrisch signaal over het hart gebeurt door diffusie zoals hiervoor beschreven. Dit houdt in dat we elektrische activiteit van het hart kunnen beschrijven met behulp van de reactie-diffusievergelijking:
$\frac{\partial V}{\partial t}= \triangledown \left ( D\triangledown V \right )-\frac{I}{C}$
Laten we even in detail naar deze vergelijking kijken. De linkerkant van de vergelijking toont de verandering in de tijd van de membraanspanning (afgeleide naar de tijd). De rechterkant van de vergelijking bestaat uit twee verschillende termen.
De eerste term aan de rechterkant van de reactie-diffussievergelijking is de diffusieterm. Deze term toont de verandering (aangeduid door de omgekeerde driehoek) van de membraanspanning aan in de ruimte (x- en y-richting). Maar het toont eigenlijk niet de verandering aan, maar eerder de verandering van de verandering (daarom staan er twee omgekeerde driehoekjes). Dit klinkt bijzonder, maar je kunt het vergelijken met de versnelling van een voorwerp. De snelheid is namelijk de verandering van de plaats van een object. De versnelling is dan weer de verandering van de snelheid van een object, oftewel de verandering van de verandering van de plaats van het object. Het belangrijkste om te onthouden is echter dat deze diffusieterm ervoor zorgt dat een elektrisch signaal van een cel zich verspreidt over naburige cellen.
De tweede term aan de rechterkant van de vergelijking is dan het elektrische signaal van de cel. De berekening van dit signaal staat beschreven in het artikel over de hartspiercellen. Voor de volledigheid zou je dus alle stromen genoemd in dit artikel moeten invullen op de plaats van I in de vergelijking. Het bijzondere aan de volledige reactie-diffusievergelijking (linker- en rechterkant tezamen) in combinatie met de cel-vergelijkingen voor de stroom I is dat hieruit blijkt dat er drie fases doorlopen worden wanneer cellen in een cellaag geëxciteerd worden. Dit zijn de conductiefase, de refractaire periode en de rustfase.
De conductiefase is de periode wanneer de eerste cellen geëxciteerd worden en het membraanvoltage van deze cellen omhooggaat. Door middel van diffusie worden daarna ook de concentraties in de naburige cellen aangepast, waardoor ook deze exciteren. De refractaire periode begint wanneer de membraanspanning weer teruggaat naar zijn rusttoestand. Op dat moment is het nog niet mogelijk voor de cel om opnieuw geëxciteerd te worden. Dit zorgt dus voor een wachtperiode voor de cel voordat deze weer actief kan zijn. Uiteindelijk belandt de cel dan weer in de rustfase, waarbij de membraanspanning in rusttoestand is en de cel in staat is om weer opnieuw te exciteren. Het verloop van de fases zie je weergegeven in figuur 2.
Een cel kan dus niet exciteren voordat deze in de rustfase is beland. Concreet houdt dit in dat in figuur 2 het signaal van de rode regio naar de blauwe kan gaan – een geëxciteerde cel (rood) kan alleen een andere cel exciteren die in de rustfase zit (blauw) – maar niet van de rode naar de groene, of van de groene naar de blauwe. Conductie (ook wel aangeduid als de verplaatsing van een excitatiegolf) gebeurt dus maar in één richting wanneer het signaal gaande is.
Je hart bestaat natuurlijk niet uit een enkele rij cellen, maar de hartspier is meerdere lagen dik. Wanneer je deze laag cellen aan één kant van de laag exciteert, dan zal het signaal zich als een golf door de laag cellen heen bewegen. Echter, deze golven zijn niet de traditionele golven die je kent uit de fysica. Ze hebben namelijk een paar bijzondere eigenschappen. Door de refractaire periode is het namelijk zo dat excitatiegolven niet door elkaar heen bewegen, maar zullen uitdoven wanneer ze elkaar tegenkomen (figuur 3A, herinner je dat golven enkel van rood naar blauw kunnen gaan).
Een gevolg hiervan is dat wanneer je een excitatiegolf te snel na een eerdere golf het weefsel in wilt sturen, deze ‘botst’ op de achterkant van de refractaire periode – de periode waarin de membraanspanning van de actiepotentiaal aan het dalen is – en zo de golf laat stoppen. Dit is het effect dat ten grondslag ligt aan een ‘overslag’ van je hart.
De excitatie en het terugkeren naar de rusttoestand zorgt ervoor dat er nog een ander eigenaardig proces kan plaatsvinden. We kunnen namelijk een constructie maken waarbij we als het ware een soort perpetuum mobile krijgen, een proces dat voor eeuwig doorgaat. Als we een ring van exciteerbaar weefsel zouden kunnen maken, dan kunnen we hierin een excitatiegolf laten starten. Als we deze op een specifieke plaats starten en deze in een bepaalde richting sturen, zal deze daarna oneindig door blijven draaien (figuur 3B). Al is dit natuurlijk wel onder de voorwaarde dat de cellen genoeg energie blijven krijgen van buitenaf.
Zoals we hebben gezien slagen hartspiercellen er dus in – doordat de cellen in het weefsel van het hart gekoppeld zijn en hiertussen diffusie plaatsvindt – om exciteerbare golven te laten voortbewegen.
Kan het fout gaan in die samenwerking?
Jammer genoeg wel. Als laatste voorbeeld keken we naar de excitatie in een ring (figuur 3B). In deze ring is er een centrale regio, een obstakel, die niet exciteerbaar is (het witte gedeelte in het midden van de cirkel). Zo’n excitatie in een ring heet ook wel re-entry. Je kunt het vergelijken met supporters in een voetbalstadion die de wave doen. Het veld is dan het obstakel en de mensen gedragen zich zoals de cellen waarbij ze rechtstaan – ze ‘exciteren’ – telkens als ze de persoon naast hen dat ook zien doen. De frequentie van deze re-entry hangt af van de grootte van het centrale obstakel in de ring. Hoe kleiner deze is, hoe sneller de excitatiegolven zullen ronddraaien. Zo’n hoge frequentie komt overeen met een hoge hartslag. Wanneer er zich in je hart dus zo’n circuit vormt (wat kan gebeuren wanneer je ouder wordt), dan is het niet meer mogelijk om je hartslag laag te houden. Dit is een eerste vorm van een hartritmestoornis.
Wanneer we het middelste obstakel in een re-entry-ring heel klein maken en uiteindelijk zelfs laten verdwijnen, krijgen we wat we noemen een spiraalgolf, omdat deze er dus uitziet als een spiraal (zie figuur 4 voor een 2D-afbeelding en figuur 5 voor een 3D-afbeelding).
Deze spiraalgolf neemt de snelst mogelijke natuurlijke frequentie aan die de ionenstromen toelaten. Wanneer er meerdere van zulke spiraalgolven in een hart zitten, knijpt het hart als gevolg daarvan heel onregelmatig samen.
Het verwijderen van zulke spiraalgolven uit het hart is niet zo vanzelfsprekend. Toch is dit wat artsen in het ziekenhuis proberen te bewerkstelligen om mensen weer gezond te maken. Ze proberen dus alle cellen weer te laten samenwerken.
Kunnen we cellen toch weer laten samenwerken?
Dat is zeker mogelijk, maar het is niet zo vanzelfsprekend. Er is een heel onderzoeksdomein alleen al aan deze studie gewijd, namelijk de cardiologie. Hierin maakt men onder andere gebruik van een implantable cardioverter defibrillator, een apparaatje dat inwendig wordt aangebracht en een hartstilstand kan voorkomen. Dit metalen apparaatje geeft grote elektrische schokken aan het hart, zodat alle cellen zichzelf resetten en vanuit de rusttoestand vertrekken. Hoewel dit zeer pijnlijk is, is het wel heel effectief. Een andere mogelijkheid zijn pilletjes die ervoor zorgen dat de ionenstromen van de cellen een beetje aangepast worden, zodat de ritmestoornissen stoppen en er opnieuw een normaal ritme door het hart kan gaan. Deze oplossingen zorgen er dus voor dat alle hartspiercellen weer synchroon gaan lopen en laten het hart weer mooi samentrekken.
Onderzoek betere en efficiëntere technieken
Zoals je gezien hebt, kan het hart plots onregelmatig gedrag vertonen en in een hartritmestoornis verzeild raken. Gelukkig bestaan er echter technieken en medicijnen om alle cellen weer mooi te laten samenwerken. Maar onderzoek blijft nodig om nog betere en efficiëntere technieken te ontwikkelen om dit doel te bereiken.
