Substrat (Elektrophysiologie)

Die Entstehung von Herzrhythmusstörungen wird häufig durch das Zusammenspiel von Substrat, Trigger und modulierenden Faktoren erklärt. Trigger (z.B. Extrasystolen) initiieren die Arrhythmie, autonome Aktivität, Elektrolytstörungen, Ischämie oder Medikamente können diese zusätzlich modulieren.

Ein arrhythmogenes Substrat entsteht durch Veränderungen der Erregungsbildung, Erregungsleitung oder Gewebearchitektur des Myokards. Wesentliche Mechanismen sind:

• regionale Leitungsverlangsamung, unter anderem durch Source-Sink-Mismatch an Übergängen zwischen kleinen Myozytensträngen.
• Heterogenität von Refraktärzeiten und Repolarisation
• gestörte Zell-Zell-Kopplung über Gap Junctions
• Fibrose, Narbenbildung oder Fettinfiltration
• regionale Veränderungen der Ionenkanalfunktion

Hierdurch entstehen elektrische Inhomogenitäten, die arrhythmogene Mechanismen, insbesondere Reentry begünstigen. Arrhythmogene Substrate können strukturell fixiert oder funktionell reversibel sein.

Grundsätzlich lassen sich strukturelle, funktionelle und primär elektrische Substrate unterscheiden.

Strukturelles Substrat

Strukturelle Substrate beruhen auf anatomischen Veränderungen des Myokards.

Typische Beispiele sind:

• Myokardnarbe nach Infarkt
• diffuse oder fokale Fibrose
• fibro-fettiger Umbau bei der Arrhythmogenen rechtsventrikulären Kardiomyopathie
• atriales Remodeling bei Vorhofflimmern

Diese Veränderungen fördern eine diskontinuierliche Erregungsausbreitung und Zonen langsamer Leitung.

Funktionelles Substrat

Funktionelle Substrate beruhen auf reversiblen elektrophysiologischen Veränderungen ohne notwendige strukturelle Läsion.

Ursachen sind unter anderem:

• akute Ischämie
• Elektrolytstörungen
• autonome Dysbalance
• pharmakologische Einflüsse
• frequenzabhängige Leitungs- oder Repolarisationsveränderungen

Die arrhythmogene Vulnerabilität kann hierbei zeitlich variieren.

Primär elektrisches Substrat

Bei Kanalopathien entsteht das Substrat durch Veränderungen kardialer Ionenkanäle oder intrazellulärer Signalwege.

Typische Beispiele sind:

• Brugada-Syndrom
• Long-QT-Syndrom
• Katecholaminerge polymorphe ventrikuläre Tachykardie

Makroskopisch strukturelle Veränderungen fehlen initial häufig.

Das arrhythmogene Substrat begünstigt unterschiedliche Mechanismen der Arrhythmogenese.

Reentry-Mechanismus

Reentry setzt funktionelle oder anatomische Leitungsbarrieren, einen unidirektionalen Block sowie verlangsamte Leitung voraus. Typisch sind Narben- oder Fibroseareale mit elektrischer Fragmentierung.

Klinische Beispiele sind narbenassoziierte ventrikuläre Tachykardien oder atypisches Vorhofflattern.

Getriggerte Aktivität

Frühe oder späte Nachdepolarisationen können auf einem vulnerablen Substrat repetitive Aktivierungen induzieren. Dies spielt insbesondere bei QT-Verlängerung oder intrazellulärer Kalziumüberladung eine Rolle.

Abnorme Automatizität

Pathologisch gesteigerte spontane Depolarisation kann zu fokalen Tachykardien führen. Funktionelle Substrate, Ischämie oder erhöhte Katecholaminwirkung wirken begünstigend.

Zur Charakterisierung eines arrhythmogenen Substrats stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung:

• Oberflächen-EKG (einschließlich QRS-Fragmentierung, Epsilon-Wellen, Repolarisationsstörungen)
• Signal-Averaged ECG (SAECG) zur Detektion von Spätpotentialen
• Langzeit-EKG
• kardiale Magnetresonanztomographie mit Late Gadolinium Enhancement (LGE)
• elektrophysiologische Untersuchung (EPU)
• elektroanatomisches Mapping (Aktivierungs-, Voltage- und Substrat-Mapping)

Low-voltage-Areale, fraktionierte Elektrogramme oder späte Potentiale sprechen für ein strukturelles arrhythmogenes Substrat.

Die Therapie orientiert sich am zugrunde liegenden Substrat.

Narbenassoziierte Reentry-Tachykardien sind häufig einer Katheterablation zugänglich. Funktionelle Substrate können durch Behandlung der Ursache (z.B. Elektrolytausgleich, Ischämietherapie, Medikamentenanpassung) beeinflusst werden.

Das Ausmaß des Substrats spielt zudem eine Rolle bei der Risikostratifizierung für plötzlichen Herztod und der Indikationsstellung zur ICD-Therapie.

• Heart Rhyhtm Society: Guideline for management of patients with ventricular arrhythmias and the prevention of sudden cardiac death, Heart Rhyhthm 2017
• Pearman et. al., Incremental value of the signal-averaged ECG for diagnosing arrhythmogenic cardiomyopathy, Heart Rhythm . 2023 Feb
• Corrado et. al., Proposed diagnostic criteria for arrhythmogenic cardiomyopathy: European Task Force consensus report, Int J Cardiol . 2024 Jan
• Andreini et. al., CMR for Identifying the Substrate of Ventricular Arrhythmia in Patients With Normal Echocardiography, JACC Cardiovasc Imaging . 2020