心臓ペースメーカー

すべての動物の心筋の収縮は、心臓では心臓活動電位として知られる電気インパルスによって開始されます。これらのインパルスの発生頻度によって、心臓の収縮頻度、つまり心拍数が制御されます。これらの律動的なインパルスを作り出し、血液の送り出しペースを設定する細胞はペースメーカー細胞と呼ばれ、心拍数を直接制御します。これらの細胞が心臓ペースメーカー、つまり心臓の自然なペースメーカーを構成しています。ほとんどの人間では、自然の主要なペースメーカーである洞房結節にペースメーカー細胞が最も集中しており、その結果生じるリズムは洞調律です。

洞房結節が損傷したり、心臓の電気伝導系に問題がある場合は、補助ペースメーカーがペースを設定することがあります。不整脈は心ブロックを引き起こし、収縮のリズムが失われます。人間、そして時には他の動物でも、身体の固有の伝導系が損傷した後、人工ペースメーカー(または単に「ペースメーカー」) と呼ばれる機械装置を使用して、これらの刺激を合成的に生成することがあります。

洞房結節（SA結節）は心臓の主要なペースメーカーです。これは、上大静脈入口付近の右上心房の壁にある心筋の領域です。SA​​結節を構成する細胞は、ペースメーカー細胞と呼ばれる特殊な心筋細胞で、心臓活動電位を自発的に生成できます。これらの信号は、心臓の電気伝導系を通じて伝播します。^{[1] [2]}心筋細胞のわずか1％が伝導性で、残りの心筋細胞は収縮性です。

ペースメーカー細胞は、ギャップジャンクションを介して隣接する収縮細胞と接続されており、これにより、隣接する細胞を局所的に脱分極することができます。ギャップジャンクションにより、ペースメーカー細胞の脱分極から隣接する収縮細胞への陽イオンの通過が可能になります。これにより、収縮細胞で脱分極と最終的な活動電位が開始されます。ギャップジャンクションを介して心筋細胞が接続されていると、心臓のすべての収縮細胞が協調して機能し、ユニットとして収縮することができます。その間ずっと、ペースメーカー細胞と同期しています。これが、ペースメーカー細胞が他のすべての心筋細胞の収縮を制御できる特性です。

洞房結節の細胞は自発的に脱分極し、最終的には収縮を引き起こします。収縮の回数は 1 分間に約 100 回です。この本来の心拍数は、自律神経系を介した交感神経線維と副交感神経線維の活動によって常に変化し、成人の 安静時の平均心拍数は1 分間に約 70 回です。

洞結節からの刺激は、二次ペースメーカーとして機能する房室結節に到達します。AV 結節の細胞は通常、1 分間に約 40 ～ 60 回の拍動で放電し、二次ペースメーカーと呼ばれます。

心臓の電気伝導系のさらに下にはヒス束があります。左脚と右脚、およびプルキンエ線維も、1 分間に 30 ～ 40 回の拍動で自発的な活動電位を生成するため、SA 結節と AV 結節の両方が機能しなくなった場合、これらの細胞がペースメーカーになることができます。これらの細胞は、一次または二次ペースメーカー細胞よりもはるかに低い速度で活動電位と収縮を開始します。

洞房結節は心筋全体の収縮率を制御します。洞房結節の細胞は自発的な脱分極率が最も速いため、活動電位を最も速く開始します。洞房結節によって生成された活動電位は心臓の電気伝導系に伝わり、他の潜在的なペースメーカー細胞 (房室結節) を脱分極して、他の細胞が自発的な活動電位を生成する前に活動電位を開始し、洞房結節の細胞によって設定されたペースで収縮して電​​気インパルスを伝播します。これが心臓の電気活動の正常な伝導です。

ペースメーカー細胞における活動電位の発生には、主に 3 つの段階があります。これらの段階は心筋細胞の収縮に似ているため、同じ命名体系になっています。そのため、混乱が生じることがあります。フェーズ 1 やフェーズ 2 はなく、フェーズ 0、3、4 のみがあります。

ペースメーカー細胞のリズミカルな発火の鍵となるのは、体内の他のニューロンとは異なり、これらの細胞はゆっくりと自ら脱分極し、活動電位を発火させるために自律神経系からの外部神経支配を必要としないことです。

他のすべての細胞では、静止電位(-60mV ～ -70mV) は、細胞を囲む膜内のイオン チャネルタンパク質を通じたカリウムイオンの継続的な流出または「漏れ」によって生じます。ただし、ペースメーカー細胞では、時間の経過とともにこのカリウム透過性 (流出) が低下し、ゆっくりとした脱分極が起こります。さらに、ナトリウムがゆっくりと継続的に流入し、「変流」またはペースメーカー電流と呼ばれます。この 2 つの相対的なイオン濃度の変化により、細胞の内部膜電位 (電圧) がゆっくりと脱分極 (正電位に上昇) し、これらの細胞にペースメーカー電位が与えられます。膜電位が約 -40mV まで脱分極すると、閾値に達し (細胞はフェーズ 0 に入り)、活動電位が生成されます。

ペースメーカー細胞における上昇は、第 4 相の脱分極よりもはるかに速いものの、軸索における上昇に比べると遅いです。

SA 結節と AV 結節にはニューロンのような高速ナトリウム チャネルがなく、脱分極は主にカルシウム イオンのゆっくりとした流入によって引き起こされます (変電流も増加します)。カルシウムは、閾値に達すると開く電圧感受性カルシウム チャネルを介して細胞に入ります。このカルシウム流入によって活動電位の上昇相が生成され、膜電位が約 +10mV のピークまで反転します。細胞内カルシウムは収縮性細胞の筋肉収縮を引き起こし、エフェクター イオンであることに注意することが重要です。心臓のペースメーカー細胞では、フェーズ 0 は、収縮性 (非ペースメーカー) 細胞で活動電位を開始する役割を担う電圧依存性高速ナトリウム チャネルの活性化ではなく、 L 型カルシウム チャネルの活性化に依存します。このため、ペースメーカー活動電位の上昇相の傾斜は、収縮性細胞よりも緩やかです (図 2)。

膜電位の逆転によりカリウム漏出チャネルが開き、細胞内からカリウムイオンが急速に失われ、再分極（V _mがより負になる）が起こります。カルシウムチャネルも開いた直後に不活性化されます。さらに、ナトリウムチャネルが不活性化されると、細胞へのナトリウム透過性が低下します。これらのイオン濃度の変化により、細胞はゆっくりと静止膜電位（-60mV）に再分極します。この段階でのもう1つの重要な点は、イオンポンプがイオン濃度を活動電位前の状態に戻すことです。ナトリウム-カルシウム交換イオンポンプは、細胞内空間からカルシウムをポンプで送り出す働きをし、細胞を効果的に弛緩させます。ナトリウム/カリウムポンプは、細胞からナトリウムをポンプで送り出し、カリウムをポンプ（交換）で細胞内に送り込むことで、ナトリウムイオンとカリウムイオンのイオン濃度を回復します。これらのイオン濃度を回復することは、細胞が自分自身をリセットし、活動電位の活性化につながる自発的な脱分極のプロセスを繰り返すことができるため、非常に重要です。

洞房結節が機能しない場合、または洞房結節で生成された刺激が電気伝導系を伝わる前にブロックされた場合、心臓のさらに下方にある細胞群がペースメーカーになります。 ^[3]この中枢は通常、心房中隔内の心房と心室の間の領域である房室結節(AV 結節) 内の細胞によって表されます。AV 結節も機能しなくなった場合、プルキンエ線維がデフォルトまたは「エスケープ」ペースメーカーとして機能することがあります。

異所性ペースメーカーは、異所性焦点とも呼ばれ、心臓の正常に機能する洞房結節の外側で早期心拍を引き起こす興奮性細胞群です。したがって、異所性の心臓ペースメーカーであり、異所性心拍を生成します。慢性の場合、頻脈、徐脈、または心室細動などの不整脈を引き起こす可能性があります。これに対抗するために人工ペースメーカーが使用される場合があります。

人工心臓ペースメーカー（または人工ペースメーカー、天然の心臓ペースメーカーと混同しないように）または単にペースメーカーは、電極によって心臓の上部心房または下部心室に送られる電気インパルスを生成し、対象の心室を収縮させて血液を送り出す埋め込み型医療機器です。これにより、人工ペースメーカーは主要な洞房結節ペースメーカーに代わって、心臓の電気伝導システムの機能を調節します。