심부전의 보상 기전과 진행 과정

서론

 심장은 심박수(HR)와 일회 박출량(SV)의 곱인 심박출량(CO)을 통해 혈액을 공급합니다. 일회 박출량은 전부하, 후부하, 수축력에 의해 조절되며, Frank-Starling 기전에 따라 전부하 증가 시 심박출량이 상승합니다. 심부전이 발생하면 심장은 4가지 보상 기전을 활성화하여 기능을 유지합니다. 첫째, 교감신경계를 활성화하여 심박수와 수축력을 증가시킵니다. 둘째, 전부하 증가를 통해 박출량을 높이려 합니다. 셋째, 혈관을 수축시켜 혈압을 유지합니다. 넷째, 심실 비대와 개조를 통해 심장 기능을 보존하려 하지만, 장기적으로는 오히려 심부전을 악화시킬 수 있습니다.

 

심부전(heart failure)

1. 교감신경계에 의한 빈맥과 수축력 증가

 심장 박출량 감소로 인해 박동수와 수축력이 변하는 과정은 초기에 교감 신경 말단에서 노르에피네프린이 분비되면서 발생합니다. 심장 박출량은 박동수와 일회 박출량의 곱으로 계산되므로, 빈맥이 증가하면 심장 박출량도 선형적으로 변화할 것으로 예상됩니다. 그러나 이 관계는 매우 복잡합니다. 박동수가 변해도 수축 시간 간격은 거의 유지되므로, 대부분 이완 시 심장 주기가 단축됩니다. 확장기 충만이 발생할 때까지 심장 박출량은 박동수 증가에 따라 상승하며, 정상 박동수에서는 분당 170~200회까지 증가합니다. 그러나 기존에 이완 기능 이상이 있거나 급성으로 발생한 경우, 심실 충만에 더 많은 시간이 필요하여 박동수가 현저히 감소하고 전부하도 유의미하게 줄어듭니다. 또한, 심방의 기능이 감소하면(예: 심방 세동, 심실 빈맥) 심실의 수행 능력도 더욱 저하됩니다. 이완 과정에서는 칼슘 이온이 근육세포질세망(sarcoplasmic reticulum)으로 격리되고 세포 밖으로 펌프되는데, 이완 주기가 짧아지면 세포 내 칼슘 농도가 증가하여 액틴-마이오신 상호작용과 원섬유의 활동 저항이 증가합니다. 반대로, 높은 칼슘 농도는 수축기 동안 더 강한 미세섬유 상호작용을 유도하여 높은 장력을 생성합니다.
 빈맥이 증가하면 심근의 산소 요구량도 크게 증가합니다. 허혈이 유도되고 악화되면 이완 및 수축 기능이 모두 손상되며, 심박출량이 급격히 감소합니다.

 

2. 전부하 증가

 전부하 증가는 심박출량 감소에 대한 급격한 보상 반응 중 하나입니다. 심부전이 발생하면 신장 관류가 줄어드는데, 이는 심박출량 감소와 혈류 재분배 두 가지 요인에 의해 영향을 받습니다. 신장은 혈액량 부족으로 인해 관류 감소를 감지하고 나트륨과 수분 저류를 촉진합니다. 또한, 감소된 신장 관류와 교감신경계 자극 증가로 인해 신장의 토리곁(juxtaglomerular) 세포에서 레닌 분비가 촉진됩니다. 레닌은 안지오텐시노젠을 안지오텐신 I으로 전환하며, 이후 안지오텐신 전환 효소(ACE)에 의해 안지오텐신 II로 변환됩니다. 안지오텐신 II는 부신을 자극하여 알도스테론 분비를 촉진하고, 이는 신장에서 나트륨과 수분 저류를 증가시키는 역할을 합니다. 이러한 과정으로 혈액량이 증가하면서 좌심실의 부피와 압력이 상승하고, 근육원섬유마디 길이가 늘어나면서 수축력도 증가하게 됩니다.
 전부하 반응은 정상 심박동수에서 초기 보상 반응으로 작용하지만, 만성적으로 손상된 심장은 전부하 예비력을 소진하는 경우가 많습니다. 전부하 증가가 심박출량을 증가시키지만, 특정 지점에 도달하면 추가적인 전부하 증가는 전신 또는 폐울혈을 초래하여 오히려 해로운 영향을 미칩니다. 따라서 심부전 환자는 정상 심실 기능을 가진 사람보다 전부하 증가로 인한 박출량 증가를 기대할 수 있습니다. 또한, 전부하 증가는 심실 반경을 확장시켜 심벽 장력을 증가시키며, 결과적으로 후부하를 상승시킵니다. 손상된 심실은 후부하 변화에 매우 민감하기 때문에, 전부하 증가로 인한 기능 향상이 후부하 상승으로 인해 상쇄될 수 있습니다. 이와 함께 수축력 증가로 인해 전부하와 후부하의 영향이 증폭되면서 심근 산소 요구량도 증가하게 됩니다. 따라서 전부하 증가는 관상동맥 질환 환자에서 허혈을 유발할 가능성이 있습니다.

 

3. 혈관 수축

 심부전 환자에서는 혈관 수축이 발생하는데, 이는 비필수 기관에서 혈류를 감소시키고 뇌 및 관상동맥 순환계로 혈액을 재분배하기 위한 반응이며, 심박출량 감소에 따른 혈압 유지를 목적으로 합니다. 혈관 수축은 노르에피네프린, 안지오텐신 II, 엔도텔린-1, 아르기닌 바소프레신 등의 신경호르몬이 분비되면서 유도됩니다. 혈관이 수축하면 심실에서 혈액 박출이 어려워지고, 이에 따라 심박출량이 저하되면서 보상 반응이 발생합니다.
 기능을 상실한 심실은 전부하로 심장 기능을 유지할 수 있는 범위를 초과한 상태이므로, 후부하 변화에 매우 민감합니다. 따라서 후부하 증가는 심부전 진행을 가속화하는 악순환을 초래할 수 있습니다.

 

4. 심실비대와 개조

 심부전의 징후와 증상은 앞서 언급한 요인들과 밀접하게 관련되지만, 심부전의 진행은 혈류역학적 상태와 관계없이 발생할 수 있습니다. 심실비대와 심실 개조는 진행성 심근 부전의 주요 원인으로 작용합니다. 심실비대는 심근량이 증가하는 현상을 의미하며, 심실 개조는 심장의 크기, 형태, 구조, 기능이 변화하는 과정 전반을 포함하는 개념입니다. 이 과정은 심근경색, 심근병증, 고혈압, 판막성 심장 질환 등 심근 손상과 연관되어 있습니다.
 심실 개조는 분자 및 세포 수준에서 심장에 영향을 미치는 복잡한 진행 과정이며, 결과적으로 심근 구조와 기능의 지속적인 변화를 초래합니다. 이 과정이 지속되면 심근의 수축성과 이완성이 저하되며, 심부전 진행이 가속화됩니다. 안지오텐신 II, 노르에피네프린, 엔도텔린, 알도스테론, 바소프레신, 시토카인 등의 물질이 심장과 전신에서 활성화되며, 이는 심실 개조 과정의 주요 신호 전달 역할을 합니다.
 압력 과부하는 중심 비대(concentric hypertrophy)를 유발하며, 비중심적 비대(심실 공간이 확장되면서 근육 세포가 길어지는 형태)는 수축 기능 저하 또는 심근경색 병력이 있는 경우 나타납니다. 근육 세포 변화와 함께 세포 외 실질 변화도 진행되는데, 콜라겐 분해가 일어나면 근육 세포 감소와 섬유모세포 증식이 발생하여 결국 심근 섬유화와 경화를 초래할 수 있습니다.
 심실 개조는 심장의 형태를 타원형에서 구형으로 변화시키며, 근육 세포 비대로 인해 심실 무게가 증가하고, 심실 구성 요소(특히 세포 외 실질) 및 용적이 변화합니다. 이러한 모든 과정은 심장 기능 손상을 유발합니다. 급성 심근 손상이 발생하면 심실 개조 과정이 급격히 진행되지만, 대부분의 경우 점진적으로 악화됩니다. 이는 심부전 치료의 주요 표적이 되며, 실제로 사망률 감소와 질병 진행 속도 저하를 목표로 하는 모든 심부전 치료법은 심실 개조를 억제하거나 되돌리는 효과를 가집니다.
 결과적으로, 심실비대와 개조는 박출량 유지에 기여하는 측면이 있지만, 심부전 진행에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.

 

결론

 심부전의 보상 기전은 교감신경계 활성화, 전부하 증가, 혈관수축, 심실비대 및 개조로 요약할 수 있습니다. 교감신경계 활성화는 심박수를 증가시키지만, 장기적으로 심근 산소 요구량을 증가시켜 악영향을 미칩니다. 전부하 증가는 일시적으로 심박출량을 증가시키지만, 심부전이 진행되면 오히려 폐울혈과 후부하 증가를 초래할 수 있습니다. 혈관수축은 혈압 유지를 돕지만, 심장의 부담을 가중시킵니다. 심실비대와 개조는 초기에는 보상 작용을 하지만, 시간이 지남에 따라 심근 손상을 유발하여 심부전을 악화시킵니다. 따라서 심부전 치료의 핵심은 이러한 보상 기전을 조절하여 심장 기능을 유지하고 질환의 진행을 늦추는 것입니다.