Przewlekła niewydolność serca (NS) jest zespołem chorobowym, któremu towarzyszą zobiektywizowane cechy organicznej choroby serca oraz typowe objawy podmiotowe (ang. symptoms), takie jak zwiększona męczliwość mięśni szkieletowych (ang. fatigue) i/lub duszność wysiłkowa, które obniżają tolerancję wysiłku i pogarszają jakość życia pacjentów (tab. 1). U ~50% osób z NS dominują zaburzenia skurczu i, wobec tego, opróżniania komór, a u pozostałych ~50% – zaburzenia rozkurczu i wypełniania komór. Stąd rozróżnienie na tzw. NS skurczową (NS z obniżoną frakcją wyrzucania) i rozkurczową (NS z zachowaną frakcją wyrzucania).

Geneza nietolerancji wysiłku w NS jest tradycyjnie tłumaczona w oparciu o „kardio-centryczny” model NS. Zakłada on, że z powodu niedomogi serca wysiłkowy wzrost rzutu minutowego jest upośledzony i dlatego perfuzja pracujących mięśni jest za mała w stosunku do potrzeb. Dochodzi do niedokrwienia i gromadzenia się w mięśniach kwasu mlekowego i innych metabolitów, co skutkuje reakcją odczuwaną jako zmęczenie mięśni. W przypadku skurczowej NS, rosnące zaleganie krwi w lewej komorze i wzrost jej ciśnienia napełniania (mechanizm częściowo kompensacyjny, zwiększający rekrutację mechanizmu Franka-Starlinga) mogą skutkować wzrostem ciśnienia w krążeniu płucnym, zmniejszoną podatnością płuc, upośledzeniem wymiany gazowej i ewentualnym przesiękiem do pęcherzyków płucnych, co ostatecznie skutkuje uczuciem duszności. Paradoks polega na tym, że objawy, będące rzekomo bezpośrednią konsekwencją niedomogi serca, maleją pod wpływem treningu fizycznego, stanowiącego dodatkowe obciążenie serca (1-3). Rekomendacja Europejskiego Towarzystwa Kardiologicznego na ten temat brzmi następująco: „Pacjentów z NS należy zachęcać do regularnych aerobowych ćwiczeń ruchowych celem poprawy ich wydolności fizycznej oraz redukcji objawów podmiotowych (symptoms)” (klasa rekomendacji IA) (4). Według aktualnej interpretacji tego paradoksu w NS w czasie wysiłku mięśnie ulegają niedokrwieniu nie dlatego, że pompa sercowa jest zbyt słaba, by tłoczyć krew, ale dlatego, że zbyt duży opór mięśniowy uniemożliwia odpowiednią do potrzeb perfuzję mięśni (model „mięśniocentryczny”). Przyczyna tkwi w uogólnionej miopatii mięśni szkieletowych, jaka często towarzyszy NS. Trening fizyczny działa głównie na mięśnie, a nie na serce, i prawdopodobnie dlatego łagodzi objawy NS (1, 3, 5-7).

Centralnej aktywacji pracy mięśniowej towarzyszy aktywacja układu współczulnego, która ulega dodatkowemu wzmocnieniu w wyniku odruchu z ergoreceptorów (8), co razem ma na celu utrzymanie homeostazy krążeniowo-oddechowej w czasie wysiłku. Pracy mięśni towarzyszy aktywacja mięśniowych receptorów wrażliwych na mechaniczne odkształcenia (mechanoreceptory aktywujące włókna dośrodkowe typu III) oraz na gromadzące się w mięśniach metabolity, takie jak H⁺, K⁺ i kwas mlekowy (metaboreceptory aktywujące włókna aferentne typu IV). Aktywacja tych tzw. ergoreceptorów, poprzez aktywację ośrodka współczulnego w rdzeniu przedłużonym, inicjuje odruch z ergoreceptorów, którego składowymi są (8):

1. Stymulacja ośrodka oddechowego i wzrost wentylacji płucnej.

2. Skurcz mięśni gładkich tętniczek oporowych w nerkach, krążeniu trzewnym i niepracujących mięśniach i spadek perfuzji w tych narządach, wtórny do aktywacji naczyniowych α₁-receptorów adrenergicznych.

3. Analogiczny skurcz tętniczek oporowych w pracujących mięśniach, który jest jednak częściowo antagonizowany przez lokalnie działające czynniki, w tym głównie ATP (czynnościowa sympatykoliza) (9, 10). Rozkurcz zwykle przeważa nad skurczem, co skutkuje lokalnym wzrostem perfuzji pracujących mięśni (wysiłkowa hyperemia), a w dalszej konsekwencji wzrostem powrotu żylnego, aktywacją mechanizmu Franka-Starlinga i wzrostem rzutu minutowego (11, 12). Głównym regulatorem wysiłkowej hyperemii jest ATP, działający poprzez receptory purynergiczne 2Pγ. ATP jest uwalniany lokalnie z erytrocytów krwi, proporcjonalnie do spadku wysycenia ich hemoglobiny tlenem (13). W ten sposób, lokalna konsumpcja O₂, działająca poprzez lokalne uwalnianie ATP z erytrocytów, staje się regulatorem wysiłkowej hyperemii i tym samym podaży O₂ do mięśni. Mechanizm uwalniania ATP ulega upośledzeniu wraz z wiekiem, a także jest mniej aktywny w erytrocytach pochodzących od pacjentów z cukrzycą typu II (9, 14).

4. Wzrost częstości i siły skurczu mięśnia sercowego (poprzez stymulację β-receptorów adrenergicznych), który, wspólnie z mechanizmem Franka-Starlinga, dostosowuje czynność pompy sercowej do zwiększonego powrotu żylnego.

Ostatecznie, podczas wysiłku fizycznego dochodzi do: (a) spadku oporu naczyniowego w pracujących mięśniach i „przekierowania” do nich rzutu minutowego z narządów trzewnych i (b) wzrostu rzutu minutowego serca i VO₂, natomiast (c) ciśnienie tętnicze pozostaje na względnie stałym poziomie (tab. 2, ryc. 1). Ta stałość ciśnienia tętniczego (ciśnienia perfuzyjnego), mimo dramatycznego spadku oporu naczyniowego, jest gwarantem prawidłowej perfuzji takich życiowo istotnych narządów jak mózg, serce i mięśnie szkieletowe (tab. 2).

Średnie ciśnienie tętnicze (MAP) jest dane równaniem: MAP = CO x R, gdzie CO oznacza rzut minutowy, a R – całkowity opór naczyniowy. Z pewnym uproszczeniem można przyjąć, że w czasie wysiłku o wielkości ciśnienia tętniczego decydują serce (poprzez rzut minutowy) oraz pracujące mięśnie szkieletowe (poprzez zmianę oporu naczyniowego) (ryc. 2). Aby wysiłek fizyczny nie powodował groźnych spadków ciśnienia tętniczego, rzut minutowy serca musi ściśle nadążać za spadkiem mięśniowego oporu naczyniowego. Szacunki oparte na pomiarach maksymalnych mięśniowych przepływów u wyczynowych sportowców sugerują, że teoretyczny spadek oporu naczyniowego w trakcie pracy mięśniami całego ciała mógłby skutkować przepływem mięśniowym wynoszącym ~100 l/min (9, 11, 12). Oznacza to, że dla utrzymania stałego ciśnienia tętniczego rzut minutowy serca w takich warunkach musiałby mieć podobną wielkość, co prawdopodobnie przekracza możliwości pompy sercowej człowieka. U młodych zdrowych osobników maksymalny rzut minutowy wynosi 20-25 l/min (tab. 2), natomiast największy zanotowany rzut minutowy, zmierzony u wyczynowych sportowców, wynosił nieco ponad 40 l/min (9, 12). Obecnie nie ma pewnej odpowiedzi na pytanie o powód, dla którego rzut minutowy nie wzrasta ponad tę wartość. Wiadomo, że krążenie wieńcowe nie jest czynnikiem limitującym maksymalny rzut minutowy, gdyż maksymalnemu wysiłkowi u zdrowych osób nie towarzyszą objawy niedokrwienia serca (15). Aktualnie dominuje hipoteza, że przyczyna leży po stronie pracujących mięśni limitujących pracę pompy sercowej, a nie po stronie serca. Chodzi o to, że nierównowaga między spadkiem oporu naczyniowego i wzrostem rzutu minutowego musiałaby skutkować spadkiem ciśnienia tętniczego. Prawdopodobnie zapobiega temu odruch z baroreceptorów tętniczych, który poprzez dalszy wzrost aktywności układu współczulnego „dostosowuje” wielkość skurczu naczyń i wielkość oporu naczyniowego w pracujących mięśniach (czynnościowa sympatykoliza ulega osłabieniu) do aktualnej wielkości rzutu minutowego. Umożliwia to utrzymanie stałości ciśnienia tętniczego, ale kosztem ograniczenia perfuzji pracujących mięśni szkieletowych (9-12).

Przytoczone poniżej przykłady pokazują, że nierównowaga między rzutem minutowym i oporem naczyniowym, skutkująca odruchowym ograniczeniem perfuzji mięśniowej, może być konsekwencją zarówno pracy angażującej zbyt dużą masę mięśni, jak i niesprawności pompy sercowej, jaka towarzyszy NS. Otóż, u wyczynowych sportowców wykazano, że kiedy wykonywali oni maksymalny wysiłek angażujący albo nogi, albo ręce, czynnościowa sympatykoliza i rozkurcz naczyń w aktualnie pracującej kończynie były kompletne. Natomiast jeżeli do maksymalnej pracy nogami dodawali jeszcze intensywną pracę rąk, to przepływ mięśniowy w nogach ulegał redukcji, a przepływ w kończynach górnych ustalał się na poziomie submaksymalnym i miało to związek ze wzrostem uwalniania katecholamin w pracujących kończynach i wzrostem neurogennego przykurczu naczyń (11). W podobnym badaniu u pacjentów z NS (frakcja wyrzucenia 26 ± 9%) wykazano, że praca jedną nogą skutkowała takim samym wzrostem lokalnej mięśniowej perfuzji jak w grupie kontrolnej. Natomiast już dodanie pracy drugą nogą powodowało redukcję o 24% przepływu i o 38% VO₂ w pierwszej nodze. Dodatkowo pracy obu kończynami towarzyszył wzrost produkcji katecholamin, jak również niewielki spadek ciśnienia tętniczego (16).

Niemniej jednak, fizjologia wysiłkowej hyperemii w mięśniach szkieletowych jest ciągle słabo poznana. Niekompletna czynnościowa sympatykoliza występuje u wyczynowych sportowców (charakteryzujących się wyjątkowo dużym wysiłkowym przepływem mięśniowym, rzutem minutowym i VO₂max) dopiero wtedy, gdy angażują oni mięśnie całego ciała (11, 12). U osób nietrenujących, rezydualny neurogenny skurcz naczyń jest wyraźnie obecny już przy wysiłkach angażujących mniejsze partie mięśni, jest zwiększony u osób nieaktywnych fizycznie, rośnie pod wpływem kilkudniowego unieruchomienia oraz u osób starszych. We wszystkich tych stanach wykazano korelację między osiąganym przepływem mięśniowym oraz maksymalnym rzutem minutowym i VO₂max (10, 17, 18). Z drugiej strony, w grupie młodych zdrowych mężczyzn wykazano, że praca kończyną dolną i wazodilatator naczyń mięśniowych (ATP) podany do tętnicy udowej skutkowały podobnym wzrostem rzutu minutowego oraz że izolowane przyspieszenie rytmu serca nie wpływało na wielkość rzutu minutowego ani w spoczynku, ani w czasie pracy czy infuzji ATP (natomiast zmniejszało rzut skurczowy) (19). Badania te pokazują, że: (a) przepływ krwi przez pracujące mięśnie szkieletowe i ich zdolność do pracy są regulowane lokalnie i u zdrowych osobników nie zależą bezpośrednio od serca, (b) ważnym regulatorem rzutu minutowego serca są przepływ mięśniowy/powrót żylny (vide eksperyment z ATP), (c) izolowana modyfikacja czynności pompy sercowej (rytm), bez równoczesnej zmiany powrotu żylnego, pozostaje bez wpływu na rzut minutowy serca.

W skurczowej NS, wraz z postępem choroby od bezobjawowej dysfunkcji lewej komory do NS w klasie NYHA II do IV maleje rezerwa rzutu minutowego, aż do wartości bliskich zeru w krańcowych stadiach NS (ryc. 3). Mimo niewątpliwego upośledzenia czynności pompy sercowej w NS, także i w tym zespole możliwość wykonywania pracy mięśniowej jest bezpośrednio limitowana przez mięśnie, a nie przez serce. Argumenty za tym przemawiające są następujące (5, 6):

1. Nawet u osób z zaawansowaną dysfunkcją serca objawy NS bywają minimalne, a u osób z niewielką dysfunkcją objawy mogą być nasilone.

2. Początkowe obiektywne pogorszenie sprawności hemodynamicznej serca pod wpływem β-blokerów nie skutkuje proporcjonalnym pogorszeniem objawów NS.