A FUNÇÃO DOS BARORECEPTORES NA REGULAÇÃO DO
SISTEMA CARDIOVASCULAR ESTUDADA PELA ANÁLISE
ESPECTRAL E DE COERÊNCIA
M.RUshizima, E.D Moreira, E.T Costa, P Castiglioni,. E.M Krieger, M Di Rienzo, I.A Cestari,. Divisão de Bioengenharia-Centro de Tecnologia Biomédica,
Instituto do Coração (InCor) HC-FMUSP,
Av. Dr. Enéas de Carvalho Aguiar, 44 – SS, São Paulo, 05403-000, Brasil
RESUMO
A ação dos baroreceptores sobre a pressão arterial (PA) e freqüência cardíaca foi estudada em ratos Wistar acordados (n=10) através da análise espectral e de coerência. A PA foi registrada digitalmente (180 min, 250 Hz, 12 bits.) antes e 6 horas após a desnervação sinoaórtica (DSA). Os grupos foram comparados utilizando-se teste t pareado (p<0.05). A densidade espectral de potência (DEP) da PA (sistólica e diastólica: PAS, PAD) e do intervalo de pulso (IP) foi determinada entre 0,0002 e 3 Hz e a coerência (PASxIP; PADxIP; PASxPAD) entre 0,005 e 3 Hz. A DSA aumentou a DEPxPAS e DEPxPAD entre 0,7 1,5 Hz e 0,0002 0,07 Hz e diminuiu a DEPxIP entre 1,5 2 Hz e 0,0002 -0,25 Hz. As coerências PASxIP e PADxIP diminuíram entre 0,04 - 0,2 Hz e aumentaram entre 0,5 - 1,1 Hz. A coerência entre PASxPAD aumentou entre 0,005 - 0,05 Hz e entre 0,6 - 1,5 Hz. Houve aumento da PA média (110.1 ± 8.1 vs. 142.1 ± 8.2 mmHg), taquicardia (177.2 ± 9.3 vs. 136.5 ± 11.3 ms), aumento da variabilidade da PA (6.3 ± 1.4 vs. 16 ± 3.8 mmHg) e diminuição da variabilidade do IP (12.7 ± 5.2 vs. 5.6 ± 2.1 ms). Estes resultados sugerem que os baroreceptores atuam acoplando a PA e o IP, diminuindo a variabilidade da PA.
1. INTRODUÇÃO
A variabilidade de sinais cardiovasculares estudada no domínio da freqüência permitiu identificar a existência de diferentes mecanismos envolvidos na regulação do sistema cardiovascular [1-4]. Na investigação clínica, este tipo de análise foi aplicado ao estudo da variabilidade da freqüência cardíaca (FC) associada ao aumento do risco de mortalidade após infarto agudo do miocárdio [5], em pacientes chagásicos [6], em pacientes diabéticos [7] e na validação de método não invasivo para medida ambulatorial da PA [8]. No início da década de 70, estudos pioneiros aplicando a análise espectral ao estudo da FC [9, 10]. mostraram a existência de flutuações rítmicas da FC que ocorrem na mesma freqüência da respiratória (ondas de Hering) e em freqüências mais baixas (ondas de Mayer). Posteriormente, estudos com bloqueios farmacológicos mostraram que estas flutuações estavam associadas a mecanismos nervosos e hormonais [1], fazendo com que as componentes da análise espectral passassem a ser consideradas como marcadores da regulação nervosa sobre o sistema cardiovascular. Parte destas observações
deram suporte à hipótese de Pagani [4] de que a potência espectral normalizada na faixa de Mayer (0,06 a 0,15 Hz) estaria associada à modulação simpática, enquanto a potência espectral normalizada na faixa de Hering (0,15 a 0,5 Hz), estaria associada à modulação parassimpática sendo que a razão entre estas componentes estabeleceria um equilíbrio denominado balanço simpato-vagal. Ainda que amplamente utilizada, a aplicação desta hipótese em situações de exercício físico intenso e em insuficiência cardíaca severa gera controvérsias [11-14]. No rato, sob diferentes bloqueios farmacológicos, foi mostrado que a flutuação do IP, inverso da FC, na faixa de Hering é mediada pelo vago e que o bloqueio pela atropina não modifica a potência espectral da PA nesta faixa [2]. Já a onda de Mayer encontrada no IP é diminuída pelo bloqueio do receptores β-adrenérgicos e bloqueio vagal. A onda de Hering observada na PA depende da variação do débito cardíaco e é atenuada por bloqueio simpático. Também a flutuação da PA na componente de Mayer reflete a modulação simpática sobre a resistência periférica [2, 3]. Estes achados formam a base da interpretação das componentes espectrais da PA e do IP refletindo a ação dos mecanismos neurais sobre a regulação do sistema cardiovascular. A DSA modifica grandemente a regulação da PA e do IP. Neste trabalho estudamos a variabilidade da PA e do IP no domínio da freqüência em ratos acordados controle e DSA. Foi empregada análise espectral de banda larga para estudar a variabilidade entre 0,0002 e 3 Hz e análise de coerência de banda larga para estudar o acoplamento linear entre a PAS, PAD e IP.
2. METODOLOGIA
Os experimentos foram realizados em ratos Wistar (n=10). A PA foi registrada antes como controle (CTRL) e após a DSA durante 180 minutos em cada condição. Todos os registros foram realizados após 6 horas da operação para possibilitar que os animais se recuperassem completamente da anestesia.
Desnervação sinoaórtica (DSA) – A DSA no rato foi realizada utilizando-se o método descrito por Krieger [15] que consiste na secção das fibras pressoreceptoras aórticas que trafegam junto ao tronco simpático ou são encontradas como nervo isolado. Para completar a DSA a bifurcação carotídea é localizada, exposta e dissecada completamente nos dois lados seccionando-se as fibras carotídeas e destruindo-se o corpúsculo carotídeo [16]. Após a DSA, administram-se drogas vasoativas para alterar a PA considerando-se a DSA completa quando Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
esta alteração não é acompanhada por reflexo na FC correspondente à variação maior que 5 bpm.
Instrumentação - Cânulas arterial e venosa foram implantadas nos ratos 1 dia antes da sessão de registro da PA. Com o rato sob anestesia de éter, foram inseridas cânulas de polietileno preenchidas com solução salina heparinizada na artéria carótida e na veia jugular. As cânulas foram tuneladas subcutaneamente e exteriorizadas na base do crânio do rato. A cânula arterial foi conectada a transdutor de pressão Statham P23 Db (Gould-Statham, Oxnard, CA, USA). O sinal do transdutor foi amplificado por um condicionador de sinais (Stemtech, USA) e filtrado (passa-baixas com fc = 50 Hz, Bioengenharia-InCor, São Paulo) previamente à digitalização do sinal (12 bits, fs= 250 Hz).
Análise no domíno do tempo - Os dados são apresentados pela média + desvio padrão para cada grupo. A variabilidade é apresentada pelo desvio padrão (SD). Os grupos foram comparados utilizando-se teste t pareado com p< 0.05 como limite significância.
Análise de banda Larga - Para análise do sinal de PA batimento a batimento, os eventos sistólicos (PAS) e diastólicos (PAD) da PA foram identificados e marcados. O IP foi estimado pelo intervalo entre diástoles consecutivas. Após inspeção visual de todas as séries obtidas fez-se a regularização da periodicidade por interpolação spline cúbica e redução do número de pontos por decimação. Para a análise espectral foram utilizados os primeiros 65.536 pontos de cada série temporal decimada. A análise de banda larga foi implementada seguindo-se a metodologia estabelecida por Di Rienzo [17]. Após remoção da tendência linear do sinal e da utilização de uma janela temporal cossenoidal nos 10% iniciais e finais um único espectro é calculado por transformada rápida de Fourier (TRF), seguido da filtragem de banda larga. Para a análise de coerência a série temporal decimada é previamente dividida em 8 segmentos e a coerência é estimada com uma combinação da TRF e filtragem de banda larga.
3. RESULTADOS
Domínio do tempo – Após a DSA houve aumento da PAS (130,3 + 7,6 mmHg vs. 160,5 + 12,6 mmHg), PAM (110,1 + 8,1 mmHg vs. 142,1 + 8,2 mmHg) e PAD (93,3 + 8,2 mmHg vs. 126,9 + 7,4 mmHg). 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 mmHg 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 mmHg 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 mmHg
PAS PAM PAD
CTRL DSA * * * 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 mmHg 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 mmHg 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 mmHg
PAS PAM PAD
CTRL DSA
*
* *
Figura 1. Pressão arterial nos grupos controle e DSA, *p<0.001
Após a DSA houve também aumento da variabilidade da PAS (7,1 + 1,5 mmHg vs. 19.1 + 5.4 mmHg), PAM (6,3 + 1,4 mmHg vs. 15,9 + 3,8 mmHg) e PAD (6,1 + 1,4 mmHg vs. 13,8 + 3,4 mmHg). mmHg mmHg mmHg 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 * * *
DP (PAS) DP (PAM) DP (PAD)
CTRL DSA mmHg mmHg mmHg 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 * * * * * *
DP (PAS) DP (PAM) DP (PAD)
CTRL DSA
Figura 2. Variabilidade da pressão arterial nos grupos controle e DSA, *p<0.001
Após a DSA o IP diminuiu (177,2 + 9,3 ms vs. 136,5 + 11,3 ms) e conseqüentemente a FC aumentou (341,8 + 19,8 bpm vs. 443,2 + 38.5 bpm). 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 ms 0 100 200 300 400 500 600 bpm * * CTRL DSA IP FC 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 ms 0 100 200 300 400 500 600 bpm * * CTRL DSA IP FC * * CTRL DSA IP FC
Figura 3. Intervalo de pulso e freqüência cardíaca nos grupos controle e DSA, *p<0.001
Após a DSA a variabilidade do IP e da FC diminuiram (12,7 + 5,2 ms vs. 5,6 + 2,1 ms) e (26,7 + 12,4 bpm vs. 17,4 + 4,8 bpm), respectivamente. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 bpm 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ms + o CTRL DSA DP (IP) DP (FC) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 bpm 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ms + o CTRL DSA DP (IP) DP (FC)
Figura 4. Variabilidade do intervalo de pulso e da freqüência cardíaca nos grupos controle e DSA, +p<0.01, op<0.05
Análise espectral – Após a DSA a densidade espectral de potência da PAS e PAD aumentou entre 0,7 - 1,5 Hz e 0,0002 - 0,07 Hz e a densidade espectral de potência do IP diminuiu entre 1,5 - 2 Hz e 0,0002 - 0,25 Hz. 10-4 10-3 10-2 0.1 1 10 10-4 10-3 10-2 0.1 1 10 10-4 10-3 10-2 0.1 1 10 105 104 103 10 1 102 0.1 105 104 103 10 1 102 0.1 105 104 103 10 1 102 0.1 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 Hz Hz Hz mmHg 2/Hz mmHg 2/Hz ms 2/Hz
Significância Significância Significância
PAS PAD IP DSA CTRL p 0.05 10-4 10-3 10-2 0.1 1 10 10-4 10-3 10-2 0.1 1 10 1010-4-4 1010-3-3 1010-2-2 0.10.1 11 1010 1010-4-4 1010-3-3 1010-2-2 0.10.1 11 1010 105 104 103 10 1 102 0.1 105 104 103 10 1 102 0.1 105 104 103 10 1 102 0.1 105 104 103 10 1 102 0.1 105 104 103 10 1 102 0.1 105 104 103 10 1 102 0.1 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 Hz Hz Hz mmHg 2/Hz mmHg 2/Hz ms 2/Hz
Significância Significância Significância
PAS PAD IP
DSA CTRL
p 0.05
Figura 5. Espectro de banda larga (n = 10) e significância p
Análise de Coerência – Após a DSA o acoplamento linear entre PASxPI e PADxPI diminuiu entre 0,04 - 0,2 Hz e aumentou entre 0,5 - 1,1 Hz. O acoplamento SBPxDBP aumentou entre 0,005 - 0,05 Hz e 0,6 - 1,5 Hz após a DSA.
1 0.5 0 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 10-3 10-2 0.1 1 10 Hz |k 2| 10-3 10-2 0.1 1 10 Hz 10-3 10-2 0.1 1 10 Hz 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 1 0.5 0 1 0.5 0 |k 2| |k 2|
Significância Significância Significância
PAS x IP PAD x IP PAS x PAD
DSA CTRL p 0.05 1 0.5 0 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 10-3 10-2 0.1 1 10 Hz |k 2| 10-3 10-2 0.1 1 10 Hz 10-3 10-2 0.1 1 10 Hz 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 0.6 0.8 1 0.5 0 1 0.5 0 |k 2| |k 2|
Significância Significância Significância
PAS x IP PAD x IP PAS x PAD
DSA CTRL
p 0.05
Figura 6. Coerência de banda larga (n=10) e significância p
4. DISCUSSÃO
Pressão Arterial – Após a DSAa houve aumento de 23% na PAS, 29% na PAM e 36% na PAD. O aumento na PA foi acompanhado de aumento de variabilidade sendo 169% na PAS, 152% na PAM e 126% na PAD. Estas duas características, aumento da PA e da variabilidade da PA, são esperadas na fase aguda da DSA (18, 19). Na fase crônica da DSA (8 dias pós DSA), tem-se observado uma normalização dos níveis de pressão permanecendo, no entanto, uma maior variabilidade similar à encontrada da fase aguda [18, 19]. Evidências hemodinâmicas [20, 21], alteração da atividade simpática [19] e alterações bioquímicas [22] indicam uma hiperatividade simpática levando a um aumento da PA na fase aguda da DSAa. Foi demonstrado por Franchini que a eliminação dos pressoreceptores resulta em hipertensão enquanto a eliminação dos quimioceptores [23] resulta em queda (~10 mmHg) da pressão. O aumento da variabilidade da PA no grupo DSA sugere uma predominância das componentes de potência de maior intensidade se comparado com grupo controle. De fato, a análise espectral mostra que, no rato, os mecanismos modificados pela DSA agem atenuando as oscilações da PAS (Figura 5 – PAS). Isto também ocorre na PAD (Figura 5 – PAD), havendo no entanto, uma inversão desta tendência entre 0,2 e 0,5 Hz. A presença da modulação respiratória tanto na PAS como na PAD, após a DSAa, sugere que a integridade da malha reflexa não é necessária para manutenção desta flutuação rítmica. Isto favorece a hipótese mecânica que considera a modulação da pressão intra-torácica sobre o retorno venoso [24] como responsável por esta componente rítmica da PA ou ainda a hipótese central da influência do centro respiratório sobre o centro vasomotor. A componente de AF observada na PA no grupo DSAa é maior que a observada no grupo controle e o pico espectral em AF está deslocado para a esquerda. A eliminação dos quimioceptores inibe o centro respiratório e aumenta a densidade de potência espectral em AF [26], o que explica o deslocamento do pico respiratório para a esquerda e o aumento da densidade de potência espectral em AF no grupo DSA. Pitzalis observou uma relação inversa entre a freqüência respiratória e densidade de potência espectral em AF, podendo ser uma explicação alternativa para o aumento da densidade de potência espectral da PA em AF no DSA [26]. Observamos que a flutuação rítmica na região de Mayer (0,1 a 0,8 Hz) é claramente observada no animal controle e menos nítida na DSAa. Isto ocorre tanto para a PAS como para a PAD. As componentes espectrais da PAS não são modificadas na faixa central de MF entre 0,2 e 0,7 Hz enquanto as componentes do
espectro da PAD entre 0,2 e 0,7 Hz invertem a tendência de maior densidade de potência espectral no DSAa. Nas componentes espectrais menores que 0,02 Hz não foi observada nenhuma tendência de saturação ou achatamento do comportamento 1/fα no espectro da PA. Os resultados mostram que os baroreceptores agem em uma ampla faixa de freqüência atenuando a variabilidade da PA, desde componentes rápidas entre segundos a minutos, como também nas componentes mais lentas entre minutos e horas concordando com dados publicados anteriormente no gato [17].
Intervalo de pulso - O IP observado na DSAa é 23% menor que valores basais e é acompanhado de redução de 56% na variabilidade. A taquicardia está relacionada com a hiperatividade simpática existente na fase aguda da DSA. O desvio padrão do IP indica uma prevalência de componentes espectrais com menor densidade de potência espectral. De fato, a DSAa diminui a variabilidade espectral do IP (Figura 5-IP) em toda faixa de freqüência estudada. Isto mostra a importância da integridade da malha reflexa para a regulação da ritmicidade cardíaca e sugere que a alta variabilidade do IP é extensamente solicitada reflexamente para manter a regulação da PA. O pico de AF no IP é deslocado para a esquerda e a densidade de potência espectral nesta faixa é menor no grupo DSA. A componente em AF no IP pode ser observada nos dois grupos experimentais, o que mostra a existência de mecanismos independentes da malha reflexa na manutenção desta componente rítmica. Neste trabalho não foi possível observar uma componente rítmica em MF no IP ou mesmo em freqüências mais baixas. Este fato é característico da análise espectral do IP obtido em registros de longa duração e já foi observado no homem (27), no gato (17) e no rato (28).
Acoplamento Linear entre PAS, PAD e IP - Nos ratos estudados o acoplamento foi, em diversos segmentos, inferior a |k|2 = 0,5, valor tradicionalmente adotado como limiar de significância em sinais biológicos. No entanto, o erro da coerência estimada pelo método de banda larga na análise de segmentos de ruído branco mostra valores inferiores a |k|2 = 0,15 para freqüência fk = 0,0002 Hz e
inferiores a |k|2 = 0,02 na maior freqüência estudada fk =
3 Hz. Embora estes valores sejam diferentes do valor nulo idealmente esperado para a análise de ruído branco, eles demonstram a possível utilização de limiares de significância inferiores a 0,5 para a interpretação dos resultados da coerência. O acoplamento linear em 0,1 Hz entre PASxIP e entre PADxIP é menor no grupo DSA que no grupo controle sugerindo que esta componente em 0,1 Hz seja um possível marcador de sensibilidade dos pressoreceptores como também é sugerido por Robbe [29].
5. CONCLUSÃO
Os baroreceptores agem predominantemente restringindo a variabilidade da PA e aumentando a variabilidade do IP na faixa de freqüência investigada neste trabalho. Estes dados sugerem que o papel dos baroreceptores acoplando a PA e o IP resultem em menor variabilidade da PA e maior variabilidade do IP e reforçam a importância da estratégia baroreflexa na regulação cardiovascular restringindo flutuações exageradas da PA.
AGRADECIMENTOS
O primeiro autor recebeu auxílio financeiro da FAPESP e CAPES através de bolsa de doutorado (São Paulo, Brazil) durante a realização deste trabalho.
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THE ROLE OF BARORECEPTORS IN REGULATING
BLOOD PRESSURE AND HEART RATE VARIABILITY
STUDIED BY SPECTRAL AND COHERENCE ANALYSIS
ABSTRACT
The effects of baroreceptor denervation in blood pressure (BP) and heart rate was studied in acutely hypertensive rats by wide band spectral and coherence analysis. BP was recorded (180 min.) in conscious Wistar Kyoto rats (n=10) before baroreceptor denervation (SAD) and 6 hours after.. Paired t-test was used for group comparison (p<0.05). Spectral components of BP (systolic and diastolic: SBP, DBP) and pulse interval (PI) were assessed from 0.0002 to 3 Hz and coherence (SBPxPI; DBPxPI; SBPxDBP) from 0.005 to 3 Hz. SAD increased SBP and DBP spectral densities (from 0.7 to 1.5 Hz and 0.0002 to 0.07 Hz) and decreased PI spectral density (from 1.5 to 2 Hz and 0.0002 to 0.25 Hz). SBPxPI and DBPxPI coherences were reduced from 0.04 to 0.2 Hz and increased from 0.5 to 1.1 Hz. SBPxDBP coherence was increased from 0.005 to 0.05 Hz and from 0.6 to 1.5 Hz. These changes were accompanied by increased mean BP (110.1 ± 8.1 vs. 142.1 ± 8.2 mmHg), tachycardia (177.2 ± 9.3 vs. 136.5 ± 11.3 ms), increased BP variability (6.3 ± 1.4 vs. 16 ± 3.8 mmHg) and reduced PI variability (12.7 ± 5.2 vs. 5.6 ± 2.1 ms). These results suggest that baroreceptors act coupling BP and PI reducing BP variability.
