Anisotropie (Elektrophysiologie)
Synonym: anisotrope Erregungsausbreitung
Englisch: anisotropy
Definition
Als Anisotropie bezeichnet man in der kardialen Elektrophysiologie die richtungsabhängige Ausbreitung elektrischer Erregung im Myokard. Die Leitungsgeschwindigkeit eines Aktionspotenzials hängt dabei von der Orientierung der Muskelfasern und der elektrischen Kopplung der Kardiomyozyten ab. Entlang der longitudinalen Faserrichtung erfolgt die Erregungsausbreitung schneller als transversal.
Hintergrund
Die Erregungsausbreitung im Herzen orientiert sich an der mikroanatomischen Struktur des Myokards. Kardiomyozyten sind länglich angeordnet und über Gap Junctions elektrisch gekoppelt, die überwiegend an den Zellenden lokalisiert sind. Das Hauptprotein der kardialen Gap Junctions ist Connexin-43 (Cx43). Seine Expression und räumliche Verteilung bestimmen wesentlich die Leitungseigenschaften des Myokards.[1] Dadurch entsteht longitudinal ein geringerer elektrischer Widerstand als quer zur Faserachse.
Physiologisch ermöglicht diese geordnete Faserarchitektur eine koordinierte mechanische Aktivierung des Herzens. Unter pathologischen Bedingungen können strukturelle Veränderungen des Myokards zu einer arrhythmogenen Störung der Erregungsausbreitung führen.
Elektrophysiologische Grundlagen
Die Leitungsgeschwindigkeit im Myokard wird unter anderem durch die Faserorientierung, die Dichte der Gap Junctions, die Membraneigenschaften der Kardiomyozyten sowie den intra- und extrazellulären Widerstand beeinflusst.
Neben der Gap-Junction-vermittelten Kopplung dient die ephaptische Kopplung als ergänzender Leitungsmechanismus. Hierbei werden elektrische Felder in engen Interzellularspalten mit hoher Natriumkanaldichte genutzt, um benachbarte Myozyten zu erregen. Die ephaptische Kopplung gewinnt insbesondere bei reduzierter Gap-Junction-Funktion als Leitungsreserve an Bedeutung.[2]
Im strukturell intakten Myokard resultiert daraus eine geordnete anisotrope Erregungsausbreitung. Bei Gewebeumbauprozessen kann es dagegen zu lokalem Cx43-Remodeling, Leitungsverzögerungen und funktionellen Leitungsblöcken kommen.[1]
Formen
Uniforme Anisotropie
Die uniforme Anisotropie beschreibt eine geordnete, richtungsabhängige Erregungsausbreitung bei konstantem Verhältnis zwischen longitudinaler und transversaler Leitungsgeschwindigkeit. Sie entspricht dem physiologischen Zustand des strukturell intakten Myokards und ermöglicht eine homogene, koordinierte Kammerkontraktion.
Nicht-uniforme Anisotropie
Bei strukturellen Veränderungen des Herzmuskels entstehen lokal unterschiedliche Leitungseigenschaften. Ursachen sind unter anderem:
- Fibrose
- Narbenbildung nach Myokardinfarkt
- Hypertrophie
- entzündliche Umbauprozesse
- degenerative Veränderungen
Dies führt zu diskontinuierlicher Leitung, lokalen Leitungsverzögerungen und funktionellen Leitungsblöcken. Die nicht-uniforme Anisotropie gilt als wichtiger Mechanismus arrhythmogener Reentry-Kreise.
Klinische Relevanz
Die anisotrope Erregungsausbreitung besitzt eine zentrale Bedeutung für die Entstehung und Aufrechterhaltung kardialer Arrhythmien. Insbesondere die Kombination aus verlangsamter Leitung und heterogenen Refraktärzeiten begünstigt Reentry-Mechanismen.
Klinisch relevant ist dies unter anderem bei:
- Vorhofflimmern
- Vorhofflattern
- ventrikulären Tachykardien
- arrhythmogenen Kardiomyopathien
- postischämischen Narbenarealen
In der invasiven Elektrophysiologie spielt die Anisotropie zudem eine wichtige Rolle beim elektroanatomischen Mapping und bei der Identifikation kritischer Leitungszonen während einer Katheterablation.
Diagnostik
Eine direkte klinische Quantifizierung der Anisotropie ist nur eingeschränkt möglich. Hinweise ergeben sich vor allem aus elektrophysiologischen Untersuchungen, darunter:
- elektroanatomisches Mapping
- Nachweis fraktionierter Elektrogramme
- lokale Leitungsverzögerungen
- Nachweis funktioneller Leitungsblöcke
Bildgebende Verfahren wie das Kardio-MRT mit Late Gadolinium Enhancement können strukturelle Korrelate, insbesondere fibrotische Umbauprozesse darstellen und korrelieren mit Niedervoltage-Zonen im elektroanatomischen Mapping. Beide Methoden weisen jedoch Limitationen auf: Das elektroanatomische Mapping erfasst primär Gewebeeigenschaften wenige Millimeter um die Katheterspitze, während das MRT Schwierigkeiten bei der Detektion sehr oberflächlicher, blutpoolnaher Narben hat.
Experimentell wird die anisotrope Erregungsausbreitung unter anderem mittels Optical Mapping untersucht.
Quellen
- ↑ 1,0 1,1 Kléber AG, Jin Q. Coupling between cardiac cells – An important determinant of electrical impulse propagation and arrhythmogenesis. Biophys Rev (Melville). 2021;2(3):031301.
- ↑ Lin J et al. Ephaptic Coupling Is a Mechanism of Conduction Reserve During Reduced Gap Junction Coupling. Front Physiol. 2022.
Literatur
- M. Valderrábano, Influence of anisotropic conduction properties in the propagation of the cardiac action potential, Prog Biophys Mol Biol . 2007
- Dhein et al., Remodeling of cardiac passive electrical properties and susceptibility to ventricular and atrial arrhythmias, Front Physiol . 2014