フランク・スターリングの法則

フランク・スターリングの心臓の法則（スターリングの法則、フランク・スターリング機構とも呼ばれる）は、拍出量と拡張末期容積の関係を表す。^{[1]この法則は、他のすべての要因が一定である場合、心臓の拍出量は収縮前の}心室の血液量（拡張末期容積）の増加に応じて増加すると述べている。 ^[1]心室に流入する血液量が増えると、血液が心筋を伸張させ、収縮力が増加する。フランク・スターリング機構により、心拍出量は静脈還流、動脈血供給、体液長と同期することができ、^[2]外部調節に依存せずに変更できる。この機構の生理学的重要性は、主に左心室と右心室の拍出量の均等性を維持することにある。^{[1] [3]}

フランク・スターリング機構は、横紋筋に見られる長さと張力の関係の結果として生じ、これには骨格筋、節足動物の筋肉^[4]、心筋^{[5] [6] [7]}などが含まれる。横紋筋が伸張されると、太いフィラメントと細いフィラメントの重なりが変化することによって能動張力が生じる。筋肉が最適な長さのときに、等尺性の最大の能動張力が生じる。ほとんどの弛緩した骨格筋線維では、受動的な弾性特性によって筋線維の長さがほぼ最適に維持される。この最適長さは、通常、筋肉の両端にある腱と骨 (または節足動物の外骨格) の付着点間の固定距離によって決定される。対照的に、静止心室における心筋細胞の弛緩したサルコメア長は、収縮に最適な長さよりも短い。^[1]心臓（どの動物でも）には筋節の長さを固定する骨がないので、筋節の長さは非常に可変的で、血液の充満とそれによる心腔の拡張に直接依存する。人間の心臓では、最初の筋節の長さが 2.2 マイクロメートルのときに最大の力が生成され、通常の心臓ではこの長さを超えることはめったにない。最初の長さがこの最適値より長くても短くても、筋肉が達成できる力は減少する。筋節の長さが長い場合、これは細いフィラメントと太いフィラメントの重なりが少なくなるためである。^{[8] [9] [10]}筋節の長さが短い場合、原因は筋フィラメントのカルシウムに対する感受性の低下である。^{[11] [7]}心室の充満が増加すると、各心筋細胞が受ける負荷が増加し、筋節が最適長さに向かって伸びる。^[1]

伸張したサルコメアは、筋原線維のカルシウム感受性を高めて心筋収縮を増強し、^{[12]筋肉内に形成される}アクチン-ミオシン架橋の数を増加させます。具体的には、 Ca ^{2+ を結合する}トロポニンの感受性が増加し、筋小胞体からのCa ²⁺の放出が増加します。さらに、心筋細胞の伸張は、単一心筋細胞の軸方向伸張時のCa ²⁺スパーク率の増加によって示されるように、内部貯蔵庫である筋小胞体からのCa ²⁺の放出性を高めます。^{[13]最後に、心筋が伸張すると、太いフィラメントと細いフィラメントの間隔が狭くなり、}架橋の数が増えると考えられています。^[1]心筋細胞が生み出す力は、カルシウムによる筋細胞活性化時の筋節の長さに関係しています。心室充満によって生じる個々の細胞の伸張が、繊維の筋節の長さを決定します。したがって、心筋繊維によって生み出される力（圧力）は、力と筋節の長さの関係の複雑さによって決定される左心室と右心室の拡張期末容積に関係しています。 ^{[11] [7] [6]}

フランク・スターリング機構の原因となる心筋の固有の特性により、心臓はどんな心拍数でも静脈還流の増加に自動的に適応することができます。^{[1] [10]}この機構は、左心室出力を右心室出力に適応させる役割を果たすため、機能的に重要です。^[3]この機構が存在せず、右心室と左心室の出力が等しくない場合、血液は肺循環（右心室が左心室よりも多くの出力を生成する場合）または体循環（左心室が右心室よりも多くの出力を生成する場合）に蓄積します。^{[1] [14]}

心室性期外収縮は左心室（LV）から大動脈への早期排出を引き起こす。次の心室収縮は通常の時間に起こるため、LVの充填時間が長くなり、LV拡張期末容積が増加する。フランク・スターリング機構により、次の心室収縮はより強力になり、通常よりも大量の血液が排出され、LV収縮期末容積はベースラインに戻る。^[14]

拡張機能障害は、心室壁のコンプライアンスの低下、または硬直の増加と関連しています。このコンプライアンスの低下により、心室の充満が不十分になり、拡張期末容積が減少します。拡張期末容積の減少は、フランク・スターリング機構により、拍出量の減少につながります。^[1]

フランク・スターリングの法則は、オットー・フランクとアーネスト・ヘンリー・スターリングという2人の生理学者にちなんで名付けられました。しかし、フランクもスターリングも、拡張期末容積と心拍出量の調節との関係を最初に説明したわけではありません。^[5]この法則の最初の定式化は、イタリアの生理学者ダリオ・マエストリーニによって理論化されました。マエストリーニは1914年12月13日に、19の実験のうち最初の実験を開始し、「legge del cuore」を定式化しました。^{[15] [16] [17] [ 18 ] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [引用過剰]}

オットー・フランクの貢献は、1895年に行われたカエルの心臓の実験から生まれた。フランクは、心臓の働きを骨格筋の力学と関連づけるために、カエルの心室の容積の変化に伴う拡張期血圧の変化を観察した。彼のデータは圧力容積図で分析され、その結果、等容性血圧のピーク値とそれが心室容積に与える影響が説明された。^[5]

スターリングは、動脈圧、心拍数、体温の変化が比較的一定の心拍出量に影響を与えない理由を理解するために、犬などの無傷の哺乳類の心臓で実験を行った。^{[5]筋収縮の}スライディングフィラメントモデルが開発され、活動張力とサルコメア長の関係が理解される30年以上も前、スターリングは1914年に「休止状態から活動状態への移行時に解放される機械的エネルギーは、繊維の長さの関数である」という仮説を立てた。スターリングは、体積圧力図を使用して、データから長さ張力図を作成した。スターリングのデータと関連図は、筋繊維の長さとその結果生じる張力が収縮期血圧を変えるという証拠を提供した。^[28]

• スターリング方程式
• 総末梢抵抗