Valvola cardiaca (Heart valve)

Una valvola cardiaca (valvola cardiaca) è una valvola biologica unidirezionale che facilita il flusso sanguigno in un'unica direzione attraverso le camere cardiache. Tipicamente, il cuore di un mammifero contiene quattro valvole distinte. Collettivamente, queste valvole regolano la traiettoria della circolazione sanguigna all'interno del cuore. La loro apertura e chiusura sono dettate dalla pressione sanguigna differenziale sulle loro superfici.

All'interno del cuore dei mammiferi, due valvole atrioventricolari delineano gli atri superiori dai ventricoli inferiori: queste includono la valvola mitrale, situata nella regione cardiaca sinistra, e la valvola tricuspide, situata a destra. Inoltre, due valvole semilunari sono posizionate alle uscite arteriose del cuore. Nello specifico, si tratta della valvola aortica, che si trova all'ingresso dell'aorta, e della valvola polmonare, che si trova all'origine dell'arteria polmonare.

Il cuore possiede inoltre una valvola del seno coronarico e una valvola della vena cava inferiore; tuttavia, questi vanno oltre lo scopo della discussione attuale.

Struttura

Sia le valvole che le camere cardiache sono rivestite internamente dall'endocardio. Le valvole cardiache hanno la funzione di separare gli atri dai ventricoli o i ventricoli dai principali vasi sanguigni. Queste valvole sono ancorate all'interno degli anelli fibrosi che costituiscono lo scheletro cardiaco. Ciascuna valvola comprende alette flessibili, chiamate lembi o cuspidi, che funzionano in modo simile alle valvole a becco d'anatra o svolazzanti; vengono aperti passivamente per consentire il passaggio del sangue e successivamente si uniscono per formare un sigillo, impedendo così il rigurgito. La valvola mitrale è caratterizzata da due cuspidi, mentre le restanti valvole ne possiedono tre. I noduli situati nelle regioni apicali delle cuspidi contribuiscono a una chiusura valvolare più sicura.

La valvola polmonare è composta da cuspidi sinistra, destra e anteriore. Al contrario, la valvola aortica presenta cuspidi sinistra, destra e posteriore. La valvola tricuspide comprende cuspidi anteriori, posteriori e settali, mentre la valvola mitrale si distingue solo per cuspidi anteriori e posteriori.

Le valvole cardiache umane sono classificate in due gruppi principali:

• I. Due valvole atrioventricolari, che impediscono il flusso retrogrado del sangue dai ventricoli agli atri:
  • La valvola tricuspide, nota anche come valvola atrioventricolare destra, situata tra l'atrio destro e il ventricolo destro.
  • La valvola mitrale, chiamata anche valvola bicuspide, è posizionata tra l'atrio sinistro e il ventricolo sinistro.
• II. Due valvole semilunari, che impediscono il reflusso del sangue nei ventricoli:
  • La valvola polmonare, situata nell'orifizio che collega il ventricolo destro e il tronco polmonare.
  • La valvola aortica, posizionata nell'apertura tra il ventricolo sinistro e l'aorta.

Valvole atrioventricolari

Le valvole atrioventricolari, che comprendono le valvole mitrale e tricuspide, sono strategicamente posizionate tra gli atri e i ventricoli e funzionano per precludere il rigurgito ventricolare-atriale durante la sistole. Queste valvole sono fissate alle pareti ventricolari da corde tendinee, corde fibrose che ne inibiscono l'inversione.

Le corde tendinee provengono da muscoli papillari, che esercitano tensione per mantenere l'integrità valvolare. Collettivamente, i muscoli papillari e le corde tendinee formano l'apparato sottovalvolare. Il ruolo principale di questo apparato è prevenire il prolasso valvolare negli atri durante la chiusura. Tuttavia, l’apparato sottovalvolare non influenza i meccanismi di apertura e chiusura delle valvole, che sono governati esclusivamente dal gradiente di pressione transvalvolare. Tuttavia, il caratteristico inserimento delle corde sui margini liberi dei lembi facilita una distribuzione dello stress sistolico tra le corde, proporzionale al loro diverso spessore.

La manifestazione uditiva della chiusura della valvola atrioventricolare (AV) è percepita come lub, che costituisce il primo suono cardiaco (S1). Al contrario, la chiusura delle valvole semilunari (SL) produce il suono dub, riconosciuto come secondo suono cardiaco (S2).

La valvola mitrale è denominata in alternativa valvola bicuspide per la sua composizione di due lembi o cuspidi. La sua nomenclatura deriva dalla sua somiglianza morfologica con la mitra vescovile. Posizionato all'interno della regione cardiaca sinistra, facilita il flusso unidirezionale del sangue dall'atrio sinistro al ventricolo sinistro.

Durante la fase diastolica, una valvola mitrale sana si apre in risposta alla pressione elevata all'interno dell'atrio sinistro, che si verifica quando si riempie di sangue (precarico). Quando la pressione atriale sinistra supera quella del ventricolo sinistro, la valvola mitrale inizia ad aprirsi. Questa apertura consente l'afflusso passivo di sangue nel ventricolo sinistro. La diastole si conclude con la contrazione atriale, un processo che espelle il restante 30% del sangue dall'atrio sinistro al ventricolo sinistro. Questo volume di sangue è chiamato volume telediastolico (EDV) e la valvola mitrale successivamente si chiude al completamento della contrazione atriale, impedendo così il flusso sanguigno retrogrado.

La valvola tricuspide, situata sul lato destro del cuore, presenta tre lembi o cuspidi. Posizionato tra l'atrio destro e il ventricolo destro, la sua funzione principale è impedire il riflusso del sangue tra queste due camere.

Valvole semilunari

Le valvole aortica e polmonare sono posizionate alle rispettive basi dell'aorta e del tronco polmonare; collettivamente, sono conosciute come valvole semilunari. Queste valvole facilitano il flusso unidirezionale del sangue dai ventricoli alle arterie corrispondenti, prevenendo il riflusso arterioso nei ventricoli. A differenza delle valvole atrioventricolari, le valvole semilunari sono prive di corde tendinee e strutturalmente assomigliano alle valvole arteriose. La loro chiusura è responsabile della generazione del secondo suono cardiaco.

Composta da tre cuspidi, la valvola aortica si trova tra il ventricolo sinistro e l'aorta. Durante la sistole ventricolare, un aumento della pressione ventricolare sinistra superiore a quella aortica induce la valvola aortica ad aprirsi, facilitando l'espulsione del sangue dal ventricolo sinistro nell'aorta. Al contrario, alla conclusione della sistole ventricolare, il rapido calo della pressione ventricolare sinistra, abbinato alla pressione aortica, induce la valvola aortica a chiudersi. Questa chiusura contribuisce con la componente A2 al secondo suono cardiaco.

La valvola polmonare, nota anche come valvola polmonare, è una struttura tricuspide situata tra il ventricolo destro e l'arteria polmonare. Analogamente alla valvola aortica, si apre durante la sistole ventricolare quando la pressione del ventricolo destro supera la pressione dell'arteria polmonare. Quando la sistole ventricolare si conclude e la pressione del ventricolo destro diminuisce rapidamente, la pressione dell’arteria polmonare costringe la valvola polmonare a chiudersi. Questa chiusura genera la componente P2 del secondo tono cardiaco. Dato che il cuore destro funziona come un sistema a bassa pressione, la componente P2 è tipicamente più morbida della componente A2. Tuttavia, in alcuni individui giovani, è fisiologicamente normale auscultare una separazione di entrambi i componenti durante l'inalazione.

Sviluppo

Durante lo sviluppo cardiaco, le valvole atrioventricolari bicuspide e tricuspide emergono sui lati opposti dei canali atrioventricolari. La crescita verso l'alto delle basi ventricolari porta all'invaginazione di questi canali nelle cavità ventricolari. I risultanti margini invaginati danno origine alle rudimentali cuspidi laterali delle valvole AV, mentre le cuspidi media e settale originano dal prolungamento caudale del setto intermedio.

Le valvole semilunari, che comprendono le valvole polmonare e aortica, hanno origine da quattro cuscinetti endocardici, ispessimenti situati all'estremità cardiaca del tronco arterioso. Inizialmente, il tronco arterioso funziona come un unico tratto di efflusso dal cuore embrionale, dividendosi successivamente nell’aorta ascendente e nel tronco polmonare. Prima di questa divisione emergono quattro ispessimenti distinti: anteriore, posteriore e due laterali. Quando si sviluppa un setto tra la nascente aorta ascendente e il tratto polmonare, i due ispessimenti laterali si biforcano. Questo processo fa sì che sia l'aorta ascendente che il tronco polmonare possiedano ciascuno tre ispessimenti (uno anteriore o posteriore e metà di ciascun ispessimento laterale), che fungono da primordia per le tre cuspidi delle valvole semilunari. Entro la nona settimana, queste valvole sono distinguibili come strutture distinte. Con la maturazione, subiscono una leggera rotazione mentre i vasi efferenti si muovono a spirale, migrando contemporaneamente marginalmente più vicino al cuore.

Fisiologia

In genere, il movimento delle valvole cardiache viene analizzato tramite l'equazione di Navier-Stokes, incorporando le condizioni al contorno derivate dalla pressione sanguigna, dalla dinamica del fluido pericardico e dal carico esterno. Inoltre, il movimento di queste valvole cardiache funge da condizione al contorno critica all'interno dell'equazione di Navier-Stokes per modellare la dinamica dei fluidi dell'eiezione del sangue dai ventricoli sinistro e destro rispettivamente nell'aorta e nella circolazione polmonare.

Relazione tra pressione e flusso nelle valvole aperte

La caduta di pressione, ${\displaystyle {\Delta }p}$, osservato attraverso una valvola cardiaca aperta, è correlato alla portata (Q) che la attraversa:

${\displaystyle a{{\partial }Q \over {\partial }t}+bQ^{2}={\Delta }p}$

L'analisi successiva si basa sui seguenti presupposti:

• Conservazione dell'energia in entrata.
• Presenza di una regione stagnante posteriore ai lembi valvolari.
• Conservazione della quantità di moto in deflusso.
• Un profilo di velocità uniforme.

Valvole caratterizzate da un solo grado di libertà.

In genere, sia la valvola aortica che quella mitrale sono modellate negli studi come strutture che esibiscono un singolo grado di libertà, con le relazioni fondamentali derivate dalle equazioni di Eulero.

Le equazioni pertinenti per la valvola aortica in queste condizioni sono:

ρ<!-- ρ --> ( ∂<!-- ∂ --> u ∂<!-- ∂ --> t + u ∂<!-- ∂ --> u ∂<!-- ∂ --> x ) + ∂<!-- ∂ --> p ∂<!-- ∂ --> x = §9394§ {\displaystyle {\rho }\left({{\partial }u \over {\partial }t}+{u{\partial }u \over {\partial }x}\right)+{{\partial }p \over {\partial }x}=0}

∂<!-- ∂ --> A ∂<!-- ∂ --> t + ∂<!-- ∂ --> ∂<!-- ∂ --> x ( A u ) = §5859§ {\displaystyle {{\partial }A \over {\partial }t}+{{\partial } \over {\partial }x}(Au)=0}

A ( x , t ) = A §2425§ ( §3334§ − [ §4041§ − Λ ( t ) ] x L ) §7374§ {\displaystyle A(x,t)=A_{0}\left(1-[1-{\Lambda }(t)]{x \over {L}}\right)^{2}}

∫<!-- ∫ --> §1112§ L p ( x , t ) ∂ A ∂ x d x = [ A §6667§ − A ( L , t ) ] p ( L , t ) {\displaystyle \int _{0}^{L}p(x,t){{\partial }A \over {\partial }x}\,dx=[A_{0}-A(L,t)]\,p(L,t)}

The following variables are defined:

u: velocità assiale

p: pressione

A: area della sezione trasversale della valvola

L: lunghezza assiale della valvola

Λ(t) rappresenta un singolo grado di libertà.

Λ<!-- Λ --> §1112§ ( t ) = A ( L , t ) A §4243§ {\displaystyle \Lambda ^{2}(t)={A(L,t) \over A_{0}}

Valvola atrioventricolare

Significato clinico

La cardiopatia valvolare è un termine ampio che comprende varie disfunzioni delle valvole cardiache. Questa condizione si manifesta principalmente in due forme: rigurgito (noto anche come insufficienza o incompetenza), che si verifica quando una valvola compromessa consente il flusso sanguigno in una direzione aberrante; o stenosi, caratterizzata dal restringimento anomalo di una valvola.

Il rigurgito valvolare deriva da una valvola insufficiente o malfunzionante, che porta al flusso retrogrado del sangue. Questa insufficienza valvolare può manifestarsi in qualsiasi valvola cardiaca, esemplificata da insufficienza aortica, mitralica, polmonare e tricuspide. La stenosi valvolare rappresenta invece un’altra forma di cardiopatia caratterizzata da un restringimento dell’orifizio valvolare. Questa condizione deriva tipicamente da un ispessimento valvolare e può colpire qualsiasi valvola cardiaca, compresa la stenosi della valvola mitrale, tricuspide, polmonare e aortica. La stenosi della valvola mitrale si presenta spesso come una complicanza della febbre reumatica. L'infiammazione valvolare può derivare da un'endocardite infettiva, che è prevalentemente batterica ma occasionalmente causata da altri microrganismi. Le valvole danneggiate sono più suscettibili alla colonizzazione batterica. L'endocardite trombotica non batterica costituisce una forma distinta di endocardite che non provoca una reazione infiammatoria. Questa condizione si osserva frequentemente su valvole che precedentemente erano strutturalmente intatte. Il prolasso della valvola mitrale, una grave malattia cardiaca valvolare, comporta un indebolimento del tessuto connettivo, chiamato degenerazione mixomatosa della valvola. Questa patologia è caratterizzata dallo spostamento di una cuspide della valvola mitrale ispessita nell'atrio sinistro durante la sistole ventricolare.

La cardiopatia valvolare può manifestarsi come una condizione congenita, come il rigurgito aortico, o un disturbo acquisito, esemplificato dall'endocardite infettiva. Varie forme di malattia valvolare sono associate a malattie cardiovascolari sottostanti, disturbi del tessuto connettivo e ipertensione. La presentazione clinica della malattia dipende dalla specifica valvola interessata, dalla natura della patologia e dalla sua gravità. Ad esempio, le patologie della valvola aortica come la stenosi aortica o il rigurgito possono indurre dispnea, mentre le malattie della valvola tricuspide possono provocare disfunzione epatica e ittero. Nei casi in cui la cardiopatia valvolare ha origine da eziologie infettive, come l'endocardite infettiva, i pazienti possono presentare febbre e segni clinici caratteristici, tra cui emorragie da scheggia delle unghie, lesioni di Janeway, linfonodi di Osler e macchie di Roth. Una complicanza particolarmente preoccupante della malattia valvolare comporta la formazione di emboli dovuta al flusso sanguigno turbolento, insieme al potenziale sviluppo di insufficienza cardiaca.

L'ecocardiografia, una modalità di imaging basata sugli ultrasuoni, funge da strumento diagnostico primario per la malattia cardiaca valvolare. Le valvole cardiache compromesse o difettose possono essere riparate chirurgicamente o sostituite con valvole protesiche. Inoltre, le eziologie infettive possono richiedere una terapia antibiotica.

Malattia cardiaca congenita

L'anomalia valvolare congenita più diffusa è la valvola aortica bicuspide, una forma di difetto cardiaco congenito (CHD). Questa condizione deriva dalla fusione embrionale di due cuspidi, risultando in una configurazione valvolare bicuspide invece della tipica struttura tricuspide. Spesso, questa condizione rimane non diagnosticata fino alla comparsa della stenosi aortica calcifica, che in genere si manifesta circa un decennio prima rispetto agli individui con una valvola normale.

Difetti cardiaci congeniti meno comuni includono l'atresia tricuspide e polmonare, nonché l'anomalia di Ebstein. L'atresia tricuspide è caratterizzata dalla completa agenesia della valvola tricuspide, che potenzialmente porta a un ventricolo destro sottosviluppato o assente. L'atresia polmonare comporta la completa occlusione della valvola polmonare. L'anomalia di Ebstein è definita dallo spostamento apicale del lembo settale della valvola tricuspide, con conseguente aumento dell'atrio destro e riduzione del ventricolo destro.

Contesto storico

Leonardo da Vinci fornì la documentazione iniziale sulle valvole cardiache più di cinque secoli fa. Le sue indagini prevedevano la conduzione e lo studio meticoloso di dissezioni di campioni bovini, suini e umani. Inoltre, da Vinci condusse studi in vivo sui maiali, impiegando minuscoli traccianti metallici per analizzare le dinamiche del flusso sanguigno intracardiaco. Creò calchi in cera di cuori bovini, che furono poi utilizzati per costruire modelli in vetro, facilitando lo studio delle proprietà idrauliche del sangue che attraversa il cuore e le sue valvole. Questa metodologia mirava a sviluppare un modello circolatorio che simulasse accuratamente la circolazione fisiologica umana. Per visualizzare la turbolenza e gli schemi del flusso sanguigno, da Vinci ha utilizzato i semi.

La valvola Star-Edwards, concepita da Miles "Lowell" Edwards, rappresenta la prima valvola cardiaca artificiale validata dal punto di vista medico e ampiamente adottata. Impiantata inizialmente in un paziente nel 1960, questa valvola ha visto un utilizzo globale fino al 2007, quando Edwards Lifesciences, la società di Edwards, l'ha sostituita con un modello ad anello ridisegnato. Esempi di valvole cardiache artificiali includono le valvole cardiache pericardiche e la valvola Bjork-Shiley.

Riferimenti

Il contenuto di questo articolo deriva da materiale di pubblico dominio, in particolare dalla 20a edizione di Gray's Anatomy (1918)

• Riparazione della valvola mitrale presso l'ospedale del Monte Sinai – "Anatomia della valvola mitrale"
• Impianto transcatetere della valvola mitrale: Tendyne