Se immaginassimo di tuffarci in un viaggio all’interno del corpo umano, il modo migliore per farlo sarebbe attraverso il nostro sistema circolatorio, una rete di arterie, capillari e vene in grado di raggiungere ogni angolo dell’organismo per ossigenarlo e nutrirlo. Per attivare una circolazione che si estende per centomila chilometri, circa due volte e mezzo la circonferenza della Terra, occorre una pompa straordinaria, capace di adattarsi alle circostanze e di funzionare ininterrottamente per tutta la nostra vita. A farci da guida e a spiegarci come funziona il cuore è Gianfranco Parati, direttore scientifico dell’Istituto Auxologico, docente all’Università Milano Bicocca e presidente della lega mondiale dell’ipertensione, mentre le immagini a corredo sono le simulazioni matematiche di iHeart simulator, sviluppato da un team internazionale guidato dal Politecnico di Milano.

Il battito cardiaco di una persona sana (EmilyHopeS, CC BY-SA 4.0 DEED).

In tutte le culture, il cuore non è un organo come gli altri, ma è considerato la sede delle emozioni, dell’anima… Perché il cuore è così straordinario?

Il cuore è veramente un miracolo di ingegneria biologica, perché non è solo una pompa, sarebbe riduttivo chiamarlo così. È una pompa intelligente che si adatta alle nostre esigenze. Per vivere, infatti, abbiamo bisogno che il sangue porti l’ossigeno e le sostanze nutritive a tutti gli organi nel nostro organismo; innanzitutto al cervello, ma anche ai reni, al fegato, al cuore stesso. Dunque, il cuore ha questo compito fondamentale di distribuire i flussi che portano ossigeno e sostanze nutritive, ma anche di asportare le scorie e farle eliminare dai reni, nutrendo al tempo stesso i reni e sé stesso. Questa è un’altra cosa molto intelligente: non è facile che una pompa si automantenga. Lui si nutre. E non finisce qui. Il cuore è una pompa intelligente soprattutto perché la sua attività è continuamente modulata in funzione delle nostre necessità. Non è come un motore, che gira a una certa velocità e potenza. Il cuore si adatta continuamente in modo automatico, perché è collegato a una serie infinita di sensori che si trovano in diverse parti del corpo e che rilevano la pressione periferica, i flussi, la presenza o meno di ossigeno, la distensione di alcune camere del cuore stesso e così via. Di questi messaggi, alcuni arrivano al cuore in via diretta, in quanto sono portati da neuroni specifici che generano riflessi immediati di reazione; altri sono invece mediati e modulati dal sistema nervoso centrale.

Può fare un esempio concreto di situazioni in cui questo meccanismo si attiva?

Immaginiamo che la pressione scenda. Il sensore, in questo caso il barocettore che sta nelle carotidi o nell’aorta, avverte il calo e reagisce. Che cosa fa il sistema, allora? Modifica l’attività del cuore, che accelera per dare più spinta e aumenta la potenza per dare più pressione, e nello stesso tempo va a stringere le arterie in periferia, sempre per aumentare le resistenze e far salire la pressione. Non finisce qui. Tutto questo è integrato dal sistema nervoso centrale, che tiene conto del fatto che magari sto dormendo, o che invece sono sveglio e sto camminando più o meno velocemente. Il sistema nervoso centrale tiene conto anche della relazione con i livelli esistenti di pressione, di frequenza e di altre funzioni, e alla fine modula questa regolazione cercando un equilibrio. Questa è l’omeostasi. Il termine deriva dal greco “quasi simile”, perché non è mai uguale a sé stessa ma tende a essere simile, in quanto gestisce una dinamicità estrema. Poi ci sono anche tutte le regolazioni ormonali, che sono in parte legate al sistema nervoso centrale, in parte a ghiandole che hanno una loro regolazione che tiene conto di aspetti metabolici, di elettroliti e a volte anche di fattori ambientali come la luce: i sensori che abbiamo nella retina ci dicono se è giorno o se è notte, e attivano una serie di ormoni che vanno a modulare il sonno e quindi anche l’attività cardiaca.

38 milioni è il numero di battiti del cuore in un anno

Dunque, il cuore non è una pompa banale. È una pompa supersofisticata che comincia a battere quando si forma il feto nell’utero della madre e non smette più per il resto della nostra esistenza. Considerando che abbiamo circa 70 battiti al minuto, in un giorno fa 100 mila, 3 milioni in un mese e 1,8 miliardi di battiti in cinquant’anni di vita. Senza contare che quando ci muoviamo il numero di battiti aumenta. Ora, un sistema di questo tipo, che dura tutta la vita, deve essere fatto non bene, benissimo. Non conosco nessuna macchina che non si rompa prima.

Immaginiamo ora di metterci in un viaggio in sella a un globulo rosso. Che cosa vedremmo?

Partiamo dal cuore. Quando il nostro globulo rosso esce dall’organo, si trova davanti a diverse possibilità, perché il sangue va nei vari organi, nei tessuti. Allora, se esce dall’aorta, andrà a portare in periferia l’ossigeno legato alla sua molecola di emoglobina. Raggiunto l’organo di destinazione – che può essere il cervello, la milza, il rene o il cuore stesso –, entra nei capillari e cede l’ossigeno e le altre sostanze nutritive. Nel far questo, si carica anche delle scorie, soprattutto anidride carbonica. E a questo punto compie il viaggio all’inverso, sempre grazie alla spinta del cuore che continua, trasmessa nei vasi anche con l’aiuto della muscolatura liscia del nostro apparato circolatorio che accompagna il movimento (altro esempio straordinario di ingegneria biologica) e quindi ritorna ancora una volta al cuore. A questo punto, il flusso viene diretto diversamente e va ai polmoni: è sempre il cuore che fa questo lavoro. Così il nostro globulo rosso impoverito di ossigeno va verso i polmoni che lo ricaricano e poi torna ancora una volta al cuore; che lo rimanda in periferia. Così il ciclo continua.

Andiamo a guardare più nel dettaglio. Come si sviluppano i battiti cardiaci all’interno dell’organo?

Il cuore nella sua complessità ha un sistema di autoregolazione che si basa sull’attività elettrica cardiaca, che funziona anche se non ce ne accorgiamo. È tutto automatico, c’è un sistema sofisticato di cellule fatte in modo tale per cui a un certo punto viene raggiunto un livello di potenziale elettrico che fa scattare un impulso elettrico. L’impulso viene poi inviato a un’altra serie di cellule specializzate nella conduzione – simili a piccoli cavi elettrici – che lo trasmettono attraverso l’organo seguendo un percorso ben definito, in modo da attivare elettricamente le cellule che hanno il compito principale di fungere da pompa. Infatti, le cellule del cuore si possono dividere in due grandi categorie: da una parte ci sono quelle che funzionano da generatore elettrico e da trasmettitore dell’impulso, dall’altro ci sono quelle che ricevono questo impulso e si contraggono, perché sono cellule muscolari. Questo meccanismo è distribuito in maniera intelligente e sequenziale tra le diverse camere che costituiscono il cuore, per cui prima si attivano gli atri, che sono le camere dove il sangue arriva dalle vene (periferiche o polmonari), poi i ventricoli.

Quindi il sangue entra negli atri che si riempiono, si contraggono e lo mandano nei ventricoli, i quali a loro volta si riempiono, si contraggono e spingono il sangue in giro, in periferia o nei polmoni, a seconda delle due circolazioni di cui abbiamo già parlato. Tutto questo è automatico; ma a sua volta è legato ai sistemi di regolazione. Il cuore funziona anche se lo metto da solo in un vaso, perché ha un suo sistema elettrico dotato di cellule pacemaker naturali, ma essendo collegato agli altri sistemi modula questa spontanea generazione di impulsi in funzione delle necessità. Quindi accelera quando serve dare più potenza e rallenta quando ci riposiamo. Il tutto è regolato anche da alcune valvole, perché è indispensabile, per il corretto funzionamento della pompa, che il flusso sia indirizzato nella giusta direzione.

Il cuore è una macchina perfetta, ma purtroppo ogni tanto qualcosa non funziona come dovrebbe. Quali sono gli inconvenienti più comuni?

Andiamo per ordine. Ci possono essere problemi sul sistema elettrico, innanzitutto, in particolare nel sistema di generazione e trasmissione degli impulsi, e i problemi possono essere nei due sensi. In genere l’impulso elettrico nasce nel nodo del seno, segue determinate vie di conduzione e arriva fino alle cellule periferiche. A comandare il ritmo è questo pacemaker naturale, che è più veloce e tiene tutto sotto controllo. Ci possono però essere alcune cellule che si eccitano spontaneamente, generando un impulso fuori dal ritmo. Sono le extrasistoli, tipicamente, che possono essere isolate, a gruppi, oppure possono essere ahimé organizzate in sequenze veloci, le cosiddette tachicardie, che possono andare fino alla più importante, la fibrillazione, quando il cuore va in caos totale. E se la fibrillazione avviene a livello dei ventricoli, può essere causa di morte.

iHeart simulator usa 700 miliardi di variabili e 4 ore di calcolo con un supercomputer per ricostruire un battito cardiaco

Oppure può esserci un problema elettrico opposto, quando l’impulso non viene generato a una frequenza sufficiente. Questo avviene di solito negli anziani, o quando c’è un blocco nella diffusione – detto “blocco di conduzione” – per danni anche qui al sistema elettrico. Sono problemi tipici dell’età avanzata, ma qualche volta possono interessare anche i giovani come conseguenza di malattie infiammatorie.

Il secondo tipo di problemi riguarda la pompa, e chiaramente una pompa che funziona tutta la vita ha anche diritto a stancarsi un po’, a un certo punto. Qualche volta si può stancare prima, però, se viene danneggiata. E a danneggiarla sono le malattie infiammatorie, in particolare le miocarditi, che possono colpire anche i bambini. La causa possono essere i virus, anche il Covid ci ha dato parecchi esempi di questo tipo. Oppure la pompa si può danneggiare per un danno al sistema metabolico delle cellule cardiache, ed è quello che succede con l’ischemia: quando per qualche motivo non arriva abbastanza sangue per nutrire il cuore, tipicamente perché ci sono placche di colesterolo che ostruiscono le coronarie, abbiamo l’angina o l’infarto. In entrambi i casi, la causa è una sofferenza delle cellule dovuta alla carenza di ossigeno e sostanze nutritive. Se la sofferenza è temporanea, si verifica un’angina, che passa e poi riprende. Se la sofferenza prosegue per un certo numero di minuti o di ore, ahimé, le cellule muoiono e si ha un infarto. Poi abbiamo una serie di altre malattie come l’amiloidosi, che fanno depositare nel cuore sostanze proteiche o lipidiche che si accumulano per cause genetiche, metaboliche o infiammatorie.

Messe tutte insieme, le malattie cardiovascolari sono la principale causa di morte al mondo

Oppure ancora abbiamo problemi che riguardano le valvole, che possono alterarsi anche qui per problemi di natura infiammatoria: possono essere i banali reumatismi dei bambini, o le tonsilliti, che però se mal curati continuano a stimolare la risposta di anticorpi da parte del sistema immunitario; e questi anticorpi, ahimè, non hanno una buona vista e possono andare a colpire anche il cuore perché identificano lì gli stessi antigeni. Il risultato sono danni di natura infiammatoria da autoimmunità, tipici di questi disturbi. E poi abbiamo le forme infettive: germi che vanno a colpire le valvole e le alterano.

Anche lo scompenso rientra in questo quadro?

Lo scompenso è il risultato finale. Si parte con i danni al sistema elettrico e al sistema meccanico; quando le cellule sono danneggiate e non riescono più a funzionare bene, abbiamo come conseguenza che la pompa non riesce più a fare il suo lavoro. E questo è lo scompenso.

In questi casi atri e ventricoli arrivano a cambiare forma?

Sì, può succedere. A volte il cuore diventa asimmetrico, se c’è stato un danno solo a una parete dopo un infarto laterale, per esempio; e poi con gli anni piano piano si può allargare. Oppure lo scompenso può interessare il cuore in modo globale. Il cuore perde potenza, e magari per un po’ resiste, ma piano piano si sfianca. Questo vale anche nel caso delle valvole: se non funzionano bene, ci può essere un apporto di sangue che, invece di andare sempre nella stessa direzione, in parte torna indietro da una camera all’altra. E il cuore deve gestire questa quota parassita che va avanti e indietro, insieme a quella che arriva continuamente dalla circolazione e viene spinta in avanti. Ce la fa, perché è una pompa stupenda. Quindi come fa? Per un po’ di tempo si allarga, per poter gestire un volume maggiore, però il prezzo è che dopo un po’ si stanca e perde potenza. Lo scompenso cardiaco è l’atto finale verso cui confluiscono diverse malattie.

Uno dei grandi problemi cardiovascolari è l’ipertensione, che è stato definito un “killer silenzioso”. Come nasce questo fenomeno e che conseguenze ha?

L’ipertensione è un problema che riguarda il mantenimento della pressione nelle arterie. La pressione come tale serve per vivere: non possiamo farne a meno. Infatti, in fisica, la pressione è quella che il cuore esercita sulle pareti dei vasi per spingere il sangue. E dipende dalla spinta del cuore e dalle resistenze a valle. Come in un sistema idraulico, se si aumenta la potenza della pompa o se si diminuiscono le dimensioni di un tubo, la pressione aumenta. Per il cuore vale più o meno la stessa cosa. È un meccanismo un po’ più sofisticato, dinamico, ma è quello che succede. Quindi, quando si parla di “pressione alta”?  Quando la pressione supera le necessità della circolazione ed è maggiore di quella che serve a far circolare il sangue. Questa spinta aggiuntiva alla fine danneggia le stesse arterie, un po’ come quando i tubi si rompono se c’è troppa pressione.

L’alta pressione, però, danneggia anche il cuore…

Infatti, perché il cuore si stanca di più, tanto che l’ipertensione è forse la principale causa di scompenso. Con la Lega Mondiale dell’Ipertensione, di cui sono presidente eletto, abbiamo contribuito all’ultimo report dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (Oms), in cui abbiamo cercato di dare un segnale chiarissimo: l’ipertensione è un killer. È un killer silenzioso, perché non dà disturbi se non in pochi (fortunati) casi in cui si manifesta con mal di testa, sangue dal naso, vampate e palpitazioni. Ma la maggior parte delle persone non se ne accorge e se non misura la pressione non lo sa. E questo danneggia piano piano l’apparato circolatorio, fino a portare a guai come ictus, infarto, scompenso e così via. Ecco, l’ipertensione è proprio una disregolazione di questo sofisticato sistema circolatorio, che dipende da tante cause: alimentazione, attività fisica, fumo, sonno e così via; c’è anche una componente genetica. Alla fine, una persona su tre nel mondo è ipertesa, e se si va sopra i 60 anni anche una su due, perché con il passare degli anni aumenta la prevalenza. Tutto questo preoccupa l’Oms, perché nel mondo chi uccide di più non è il Covid, non sono i tumori, ma sono soprattutto le conseguenze dell’ipertensione e quindi le cardiopatie e i danni cardiovascolari causati da questo killer che purtroppo non siamo ancora capaci di debellare, proprio perché non ci spaventa abbastanza, diciamo così, per farci prestare tutta l’attenzione che invece meriterebbe.

Link e approfondimenti

• Il sito di iHeart, progetto di ricerca ERC, di cui il Politecnico di Milano è stato capofila, che ha portato alle simulazioni presentate in queste pagine.
• Il report dell’Organizzazione Mondiale della Sanità sull’ipertensione.