Kto odkrył mechanizm Frank-Starling?

W swojej publikacji z 1926 roku EH Starling i MB Visscher napisali

Pogląd ten został przyjęty przez kolejne pokolenia fizjologów i nadal dominuje we współczesnych podręcznikach fizjologii, które opisują

W tej recenzji pokażę, że ani Otto Frank, ani Ernest H. Starling nie poczynili pierwszych obserwacji dotyczących wpływu ciśnienia napełniania na czynność serca. Przedstawię dowody na to, że zasadnicze cechy tego mechanizmu zostały odkryte w Instytucie Fizjologicznym Carla Ludwiga na Uniwersytecie w Lipsku w trakcie pierwszych eksperymentów na izolowanym perfundowanym sercu żaby na długo przed rozpoczęciem własnej pracy przez Otto Frank i Ernest H. Starling. Ich praca zostanie porównana z tymi wczesnymi odkryciami.

Zjawisko to można było wykryć i zbadać tylko na izolowanym perfundowanym sercu. Pierwszy preparat został założony w instytucie przez Eliasa Cyona w 1866 roku. Aortę izolowanego serca żaby podłączono do sztucznego krążenia. Wstawiono boczne ramię umożliwiające pomiar ciśnienia za pomocą manometru. To był działający preparat na serce z recyrkulacją. Głównym celem było zbadanie wpływu temperatury na częstotliwość i skurcze serca. Zaobserwowano, że do wytworzenia przez serce wystarczającej objętości wyrzutowej niezbędny jest pewien stopień wypełnienia komory (3). Nie odnotowano tego zjawiska. Można jednak przypuszczać, że doświadczenie to zostało przekazane kolejnym młodym badaczom, którzy przybyli do Lipska, aby pracować w nowo wybudowanym i najnowocześniejszym instytucie fizjologicznym.

Jednym z nich był Joseph Coats z Glasgow, Szkocja. Aby zbadać skutki stymulacji nerwu błędnego, przeprowadził eksperymenty, w których ten nerw był odsłonięty od rdzenia kręgowego do serca. Preparat był zamkniętym, niecyrkulującym układem, w którym serce pompowało do manometru surowicę, którą zostało napełnione. Regularne i konsekwentne wychylenia rtęci odzwierciedlały siłę wytwarzaną przez serce (2). W doświadczeniach kontrolnych badano wpływ ciśnienia wypełnienia na amplitudę skurczów. Ciśnienie referencyjne uzyskano, gdy serce zostało napełnione surowicą ze zbiornika przed zamknięciem klamry. Ta linia, oznaczona jako gg (ryc. 1), reprezentowała równowagę między pływającym prętem na szczycie kolumny rtęci, rtęcią i surowicą. Gdy ciśnienie napełniania było zwiększane do rozkurczowego ciśnienia H, amplituda skurczu była wysoka (hI). Gdy ciśnienie napełniania spadło do rozkurczowego ciśnienia H ’, amplituda była niższa (hII). Z każdym kolejnym spadkiem ciśnienia napełniania, odchylenia zmniejszały się w amplitudzie (hIII, hIV, hV). Po przywróceniu pierwotnego ciśnienia napełniania przywrócono poprzednią amplitudę skurczu (hVI) (ryc. 1). To nagranie zostało dokonane przez Henry’ego P. Bowditcha, jak przyznano w notatce w artykule Coatsa (2). Ponadto zaobserwowano, ale nie zarejestrowano, że odchylenia stawały się mniejsze w amplitudzie, gdy ciśnienie napełniania było nadmiernie podwyższone. Bowditch (1840–1911) kontynuował prace nad kolejną modyfikacją izolowanego serca żaby i odkrył zjawisko klatki schodowej („Treppe”), prawo serca „wszystko albo nic” oraz całkowity okres refrakcji (1).

Eksperymenty Otto Franka

Otto Frank (1865–1944) przeprowadził większość swoich eksperymentów w 1892– 3 w Instytucie Fizjologicznym Carla Ludwiga, gdzie dokonano pierwszych obserwacji.Następnie przeniósł się z Lipska do Monachium, gdzie kontynuował studia w 1894 r., A ich wyniki opublikował w 1895 r. (4), w tym samym roku, w którym zmarł Carl Ludwig (1816–1895). Spojrzał na serce z punktu widzenia mechaniki mięśni szkieletowych, zastępując objętość i nacisk długość i napięcie. Używając ulepszonego preparatu na serce żaby, założył kilka zastawek, kurków i manometrów w linii perfuzyjnej, co umożliwiło mu pomiar skurczów izowolumetrycznych i izotonicznych. Wraz ze wzrostem wypełnienia komory żaby ciśnienie rozkurczowe wzrastało na każdym kroku. Wzrosło także maksymalne ciśnienie izowolumetryczne (skurcze 1–6; ryc. 2, po lewej). Powyżej pewnego ciśnienia napełniania zmniejszyło się (skurcz 4; Ryc. 2, po prawej). Otto Frank zebrał wszystkie dane na wykresie ciśnienie-objętość, które dały w wyniku krzywą ciśnienia rozkurczowego, a także krzywe maksimów izowolumetrycznych i izotonicznych. Następnie bardziej zajął się problemami metodologicznymi, takimi jak budowa manometrów i dokładna analiza matematyczna krzywych ciśnień zarejestrowanych w układzie sercowo-naczyniowym (5). Carl Wiggers, który odwiedził Otto Franka w 1911 roku, był pod takim wrażeniem jego metod, że przyjął je i przeniósł do Stanów Zjednoczonych (12).

Eksperymentalne badania Ernesta Henry’ego Starlinga, prowadzące do „prawa serce ”

Najwyraźniej to Ernest H. Starling (1866–1927) wykonał większość prac eksperymentalnych związanych z rzutem serca i ciśnieniem napełniania komory. Użył preparatu serce-płuco psa, w którym opór obwodowy mógłby być regulowane niezależnie od napływu żylnego. Najpierw określił wpływ oporu obwodowego i ciśnienia żylnego na rzut serca (9). Jako nowy parametr, objętość serca mierzono poprzez hermetyczne wprowadzenie serca do mosiężnego kardiometru (8). napływ zwiększał się przez podwyższenie ciśnienia żylnego (dolna krzywa; ryc. 3 po lewej), rozkurczową objętość serca i wyrzutową (górny zapis; ryc. 3 po lewej). W ten sposób serce mogło wyrzucić zwiększoną objętość do niezmienionego obwodu opór z tylko niewielkim wzrostem ciśnienia krwi (linia środkowa; ryc. 3, po lewej) esistance była podwyższona (wzrost ciśnienia tętniczego; środkowe śledzenie; Ryc. 3, po prawej), nastąpił również wzrost rozkurczowej objętości, który umożliwił sercu wyrzucenie normalnej objętości wyrzutowej (górny zapis; Ryc. 3 po prawej). W obu przypadkach zwiększono rozkurczową długość włókien. W kolejnej pracy wykazano, że zużycie tlenu w izolowanym sercu jest określone przez jego objętość rozkurczową, a zatem przez początkową długość włókien mięśniowych („prawo serca”) (11).

Wpływ rozkurczu Wypełnienie amplitudy skurczu (2) i rzutu serca (3) było obserwowane prawie 30 lat przed Otto Frankiem i prawie 50 lat przed Ernestem H. Starlingiem przez młodych naukowców pracujących w Carl Ludwig’s Physiological Institu te. Chociaż rozpoznano inne obserwacje uzyskane tam z izolowanego serca żaby, takie jak bezwzględny okres refrakcji i zjawisko Treppe (1), to późniejsi badacze nie wspominali nawet o wpływie ciśnienia napełniania na czynność serca. Jednym z powodów może być to, że młodzi badacze z instytutu poruszyli temat tylko w eksperymentach kontrolnych. Nie zajmowali się tym zjawiskiem bardziej szczegółowo (tab. 1). Niemniej jednak został nagrany (2) i do pewnego stopnia opisany (2,3).

Otto Frank ze zniżką ta wczesna praca była nieistotna ze względów metodologicznych, ponieważ zmodyfikowane serce żaby, nad którym pracowali Coats i Bowditch, było bezpośrednio podłączone do manometru i pompowało do niego surowicę w układzie zamkniętym (4). Oczywiście doskonale zdawał sobie sprawę z tych wyników (ryc. 1) (2,3) uzyskanych w tym samym instytucie, w którym przeprowadzał większość swoich eksperymentów. Porównując ryc. 1, na której skurcze są rejestrowane kolejno, z ryc. 2 po lewej, na którym skurcze są odtwarzane jeden na drugim, pokazano w zasadzie to samo zjawisko. Jednak Otto Frank nigdy nie wspomniał o tym podobieństwie. Wygląda na to, że był tak przekonany o wyższości swojego ulepszonego przygotowania serca żaby, że poczuł zasadność lekceważenia wyników wcześniejszej pracy.

Przygotowanie płuca do serca było podstawą eksperymentów, które doprowadziły Ernesta H. Starling sformułował jako prawo serca, że „całkowita energia wyzwalana przy każdym uderzeniu serca jest określona przez rozkurczową objętość serca, a zatem przez długość włókien mięśniowych na początku skurczu” (11). Jednak późniejsze badania wykazali, że zużycie tlenu przez serce zależy od większej liczby czynników, takich jak częstość akcji serca, całkowite napięcie wytworzone przez mięsień sercowy (wskaźnik napięcia w czasie; Ref. 10), szczytowe naprężenie ściany i szczytowe napięcie rozwinięte (7).

Z porównania badań przeprowadzonych przez grupę Carla Ludwiga, Otto Franka oraz Ernesta H. Starlinga i jego współpracowników (tab. 1), można zauważyć, że metodologia była sukcesywnie doskonalona, tak że można zmierzyć bardziej odpowiednie parametry Co więcej, badania zmieniły się z tematów ogólnych na tematyczne. Wczesne wyniki w Carl Ludwig’s Physiological Institute uzyskano podczas definiowania warunków kontrolnych w oryginalnym i zmodyfikowanym preparacie izolowanego serca żaby (13). Otto Frank rozszerzył fizjologię mięśni na serce, a następnie zaczął bardziej interesować się metodologicznymi problemami rejestracji ciśnienia. Ernest H. Starling skupił się jednak w swoich badaniach na wszystkich możliwych fizjologicznych aspektach wpływu długości włókien rozkurczowych na czynność serca, których kulminacją było sformułowanie prawa serca (11). Jednak oryginalny wkład Eliasa Cyona (3), Josepha Coatsa (2) i Henry’ego P. Bowditcha (2) podczas pracy w Instytucie Fizjologów w Lipsku również powinien zostać uznany i uznany, aby wyjaśnić naukowe i historyczne zapisy.