심장박동기전

심장은 자동능을 가진 특수한 근육 기관으로, 외부 자극 없이도 규칙적인 수축과 이완을 스스로 생성하고 조정할 수 있다. 이 자동능의 핵심은 심장 전도계라는 특화된 세포들로 구성된 전기적 신호 발생 및 전달 시스템에 있다. 전도계는 심장 내에서 전기적 충격을 생성하고 이를 심장의 모든 부분에 순차적으로 전파하여 효율적인 박동을 일으킨다.

심장 전도계의 주요 구성 요소와 그 순차적인 활동은 다음과 같다.

이러한 전도계의 계층적 구조는 심장이 상부(심방)에서 하부(심실)로, 그리고 심실 내에서도 심첨부에서 기저부 방향으로 효율적으로 수축할 수 있도록 보장한다. 동방결절의 자동능이 가장 높기 때문에 정상 상태에서는 그것이 심장의 주 박동조율기 역할을 하지만, 상위 조율기의 기능이 저하되면 방실결절이나 히스속 등 하위 부위가 대체 리듬을 생성할 수 있다[1].

심근 세포의 활동전위는 세포막을 가로지르는 전위차의 빠른 변화로, 심장 수축을 일으키는 전기적 신호의 기본 단위이다. 이 과정은 다양한 이온 채널의 순차적 개폐와 이온들의 선택적 이동에 의해 정교하게 조절된다.

일반적인 심실근 세포의 활동전위는 0기에서 4기까지 5단계로 구분된다. 0기(탈분극기)에서는 빠른 나트륨 채널이 열려 나트륨 이온(Na+)이 세포 내로 급속히 유입되며, 이로 인해 막전위가 급격히 상승한다. 이후 1기(초기 재분극기)에는 일시적인 칼륨 채널의 활성화와 나트륨 채널의 불활성화로 인해 약간의 재분극이 일어난다. 2기(고원기)는 칼슘 이온(Ca2+)이 L형 칼슘 채널을 통해 서서히 유입되고, 동시에 칼륨이 유출되는 상태가 균형을 이루어 전위가 일정하게 유지되는 시기로, 심장 수축의 지속을 가능하게 한다. 3기(재분극기)에서는 칼슘 채널이 닫히고 지연 정류성 칼륨 채널의 활성화가 증가하여 칼륨 유출이 촉진되어 막전위가 휴지기 수준으로 회복된다. 4기(휴지기)에는 나트륨-칼륨 펌프(Na+/K+ ATPase)와 나트륨-칼슘 교환체(Na+/Ca2+ exchanger)가 활발히 작동하여 이온 농도 구배를 원래 상태로 복원한다.

심장 내 다른 세포 유형에 따라 활동전위의 형태와 지속 시간은 크게 다르다. 예를 들어, 동방결절과 방실결절의 기능세포는 4기에 안정적인 휴지막전위를 유지하지 않고 서서히 탈분극하는 자동능을 보인다. 이는 느린 칼슘 채널(T형 및 L형)과 '재미있는 전류'(funny current, I_f)라 불리는 특수한 양이온 채널의 활동에 기인한다[2]. 이러한 이온 채널의 기능 이상은 다양한 부정맥의 직접적인 원인이 된다.

동방결절은 우심방의 상대정맥굴 근처에 위치한 특수한 심근 세포 덩어리이다. 이 구조는 자동능을 가진 여러 부위 중에서도 가장 높은 고유 발빈도를 가지며, 따라서 정상적인 심장박동의 우세한 박동조율기 역할을 한다. 동방결절 세포는 분당 약 60~100회의 속도로 자발적으로 탈분극을 일으켜 활동전위를 생성한다. 이 자동성은 주로 '재미있는 전류'라고 불리는 If 전류와 같은 특수 이온 채널의 활동에 기인한다[3].

생성된 활동전위는 동방결절 주변의 심방 근육으로 전도되어 양쪽 심방의 수축을 유발한다. 동방결절의 발빈도는 자율신경계의 지배를 강하게 받아 변동된다. 교감신경이 활성화되면 노르에피네프린이 분비되어 If 전류를 촉진하고, 발빈도를 증가시킨다. 반면 부교감신경(미주신경)이 활성화되면 아세틸콜린이 분비되어 If 전류를 억제하고 칼륨 전류를 증가시켜 발빈도를 감소시킨다.

이러한 동방결절의 우세율동은 방실결절이나 히스속과 같은 다른 잠재적 박동조율기 부위의 더 낮은 고유 발빈도(분당 약 40~60회, 20~40회)를 억제함으로써 유지된다. 이 현상을 '우세율동의 원리' 또는 '탈출 억제'라고 부른다. 따라서 동방결절의 기능이 저하되거나 전도 경로에 차단이 생기면, 이러한 하위 부위가 탈출 박동조율기로 작동하여 심장 박동을 유지하게 된다.

심장의 전기적 자극은 동방결절에서 생성된 후 심방을 통해 전파되어 심실로 전달된다. 이 과정은 특수한 전도계를 통해 이루어지며, 심방과 심실의 수축이 조화를 이루도록 시간적 조율이 필수적이다.

심방 내 전도는 주로 일반 심방근 세포를 통해 비교적 느린 속도로 일어나지만, 보다 효율적인 전도를 위한 세 가지 경로가 존재한다. 이들은 전방, 중간, 후방의 세 가지 다발을 형성하며, 집합적으로 방결절다발이라고 불린다. 이 경로들은 자극을 방실결절로 더 빠르게 전달하는 역할을 한다. 방실결절에 도달한 자극은 잠시 지연된 후 히스속을 통해 심실 중격으로 전달된다. 히스속은 좌각과 우각으로 나뉘어 각각 좌심실과 우심실의 푸르키네 섬유망을 통해 심실 근육 전체로 자극이 빠르게 확산된다.

심방과 심실의 조율은 방실결절에서의 전도 지연에 크게 의존한다. 이 지연은 심방의 수축이 완료되어 심실로 혈액이 충분히 주입된 후에 심실 수축이 시작되도록 보장한다. 정상적인 경우, 이 조율된 전도 순서는 다음과 같다.

이러한 정교한 전도 경로와 조율 기전은 심장이 효율적인 박출량을 유지하는 데 필수적이다. 방실결절을 통한 일방 통행은 심방에서 심실로의 정상적인 전도만을 허용하여, 심실에서 발생한 조기 박동이 심방으로 역행하여 전체 리듬을 방해하는 것을 방지한다.

자율신경계는 심박수와 심근 수축력을 조절하는 가장 중요한 외부 조절 기전이다. 이는 교감신경과 부교감신경이라는 두 개의 상반된 작용을 하는 분지로 구성되어 있으며, 심장의 자동성과 전도성을 실시간으로 조절하여 신체의 필요에 따라 심박출량을 변화시킨다.

교감신경의 흥분은 노르에피네프린이 심장의 베타-1 아드레날린 수용체에 결합함으로써 시작된다. 이는 동방결절의 4기 탈분극 속도를 증가시켜 심박수를 가속시키고, 방실결절의 전도 속도를 높이며, 심근의 수축력을 강화한다. 이 모든 효과는 심박출량을 증가시켜 운동이나 스트레스 상황에 대응하게 한다. 반대로, 부교감신경(주로 미주신경)의 흥분은 신경말단에서 아세틸콜린을 방출하여 동방결절과 방실결절의 M2 무스카린 수용체에 작용한다. 이는 칼륨 채널을 활성화시켜 세포막을 과분극시키고, 4기 탈분극 속도를 늦춰 심박수를 감소시킨다. 또한 방실결절의 전도 속도를 현저히 저하시키거나 일시적 방실차단을 유발할 수 있다.

두 신경계의 영향은 일반적으로 길항적으로 작용하지만, 그 균형은 끊임없이 변화한다. 안정 시에는 부교감신경의 영향이 우세하여 서맥을 유지한다. 반면, 신체 활동, 정서적 흥분, 또는 혈압 하강 시에는 교감신경의 긴장이 증가하고 부교감신경의 긴장이 감소하여 심박수가 증가한다. 이 조절은 연수의 심혈관중추에서 통합되며, 동압수용기와 화학수용기 등에서 오는 구심성 신호에 의해 조정된다[4].

심장의 박동 주기와 수축력은 혈액 내 다양한 화학 물질에 의해 조절됩니다. 이는 자율신경계의 신경 조절과 함께 작동하여 심장 기능을 순간순간 혈류 수요에 맞춥니다.

주요 호르몬으로는 아드레날린(에피네프린)과 노르아드레날린(노르에피네프린)이 있습니다. 이들은 교감신경이 활성화될 때 부신 수질에서 분비되어 혈류를 통해 심장에 도달합니다. 이 호르몬들은 동방결절의 자동능을 증가시켜 심박수를 높이고, 심근 수축력을 강화하며, 방실결절의 전도 속도를 촉진합니다. 갑상선 호르몬도 심박수와 수축력에 장기적인 영향을 미치는 대표적인 호르몬입니다.

혈액 내 전해질 농도의 변화는 심장 근육 세포의 활동전위 생성과 전도에 직접적인 영향을 줍니다. 주요 이온들의 영향은 다음과 같습니다.

이 외에도 산소와 이산화탄소 농도, 혈액의 pH 변화도 동방결절과 화학수용체를 통해 심박동에 간접적인 영향을 미칩니다.

자동성 이상은 심장의 자동능을 가진 세포(주로 동방결절, 방실결절, 히스속)가 정상적인 리듬과 위치를 벗어나 심장 박동을 생성하거나 유지하는 데 문제가 생겨 발생하는 부정맥의 주요 기전 중 하나이다. 정상 상태에서는 동방결절이 가장 빠른 자동성을 보여 우세한 고유심박수를 설정하지만, 자동성 이상이 발생하면 다른 부위가 비정상적으로 활성화되거나 동방결절 자체의 기능에 장애가 생긴다.

자동성 이상은 크게 자동성 증가와 자동성 감소로 나눌 수 있다. 자동성 증가는 심근 세포의 4상 탈분극 속도가 비정상적으로 빨라져 고유심박수가 증가하는 현상이다. 이는 교감신경 항진, 카테콜아민 과다, 심근허혈, 전해질 불균형(예: 저칼륨혈증), 또는 특정 약물에 의해 유발될 수 있다. 그 결과, 동방결절 이외의 부위(예: 심방이나 심실의 이소성 초점)에서 조기 박동이나 빈맥을 일으키는 조기수축이나 발작성 심방빈맥 등의 원인이 된다.

반대로, 자동성 감소는 동방결절이나 다른 자동능 세포의 4상 탈분극 속도가 느려지거나 멈추는 경우를 말한다. 이는 부교감신경 항진, 허혈성 심장질환, 노화, 또는 약물(예: 베타 차단제)에 의해 발생할 수 있다. 자동성 감소는 서맥이나 동정지를 유발하며, 심한 경우 방실결절이나 히스속에서 대리 페이스메이커가 작동하는 탈출박동이 나타나기도 한다.

자동성 이상의 구체적인 예는 다음 표와 같이 정리할 수 있다.

이러한 자동성 이상은 재진입이나 전도 장애와 같은 다른 부정맥 발생 기전과 복합적으로 작용하기도 한다.

재진입은 심장 내에서 전기적 자극이 순환 경로를 따라 지속적으로 재활성화되어 비정상적인 빠른 심박을 유발하는 기전이다. 이는 부정맥의 가장 흔한 발생 원인 중 하나로 알려져 있다.

재진입이 발생하기 위해서는 세 가지 기본 조건이 충족되어야 한다. 첫째, 전도 경로 상에 불응기가 서로 다른 두 개 이상의 경로가 존재해야 한다. 둘째, 이 경로들 중 하나에 일방향 차단이 발생해야 한다. 셋째, 전도 속도가 충분히 느려서 자극이 경로를 순환하는 동안 차단된 부위의 불응기가 회복되어 재자극될 수 있어야 한다. 이러한 조건이 갖춰지면, 전기 자극이 폐쇄된 회로를 따라 끊임없이 순환하며 심근을 반복적으로 탈분극시킨다.

재진입 회로는 크게 두 가지 형태로 구분된다. 하나는 해부학적으로 명확한 경계를 가진 고리 형태의 회로이며, 다른 하나는 기능적으로 불응기의 차이에 의해 형성되는 회로이다. 전자의 대표적인 예는 방실결절을 우회하는 부속 경로를 포함하는 Wolff-Parkinson-White 증후군에서의 재진입이다. 후자는 심근 경색 후 섬유화된 조직과 정상 조직이 뒤섞인 지역에서 흔히 관찰된다. 재진입에 의해 유발되는 부정맥에는 심방조동, 많은 경우의 심방세동, 그리고 심실빈맥 등이 포함된다.

재진입 회로의 특성은 치료 전략에 직접적인 영향을 미친다. 항부정맥제는 주로 회로 내 전도 속도를 늦추거나 불응기를 연장시켜 재진입 순환을 차단하는 방식으로 작용한다. 한편, 도자절제술은 재진입 회로의 해부학적 경로를 정확히 찾아내어 고주파 에너지 등으로 그 경로를 영구적으로 차단하는 것을 목표로 한다.

전도 장애는 심장의 전기 자극이 정상적인 경로를 따라 전파되는 데 방해를 받는 상태를 말한다. 이는 전도계의 특정 부위에서 전기 신호의 전달이 지연되거나 완전히 차단되어 발생한다. 전도 장애는 그 위치와 심각도에 따라 다양한 형태로 나타나며, 심장의 효율적인 수축을 방해할 수 있다.

전도 장애는 크게 심방 내, 방실결절, 히스속 이하(심실 내)에서 발생한다. 방실결절 수준의 장애는 방실차단으로 이어진다. 1도 방실차단은 전도 지연만 있는 상태이고, 2도는 간헐적으로 신호가 차단되며, 3도(완전 방실차단)는 심방과 심실 사이의 전기적 연결이 완전히 끊어진 상태이다. 히스속 이하의 전도 장애는 좌각차단이나 우각차단과 같은 심실내차단을 유발한다.

전도 장애의 원인은 다양하다. 허혈성 심장질환, 심근염, 심근증과 같은 구조적 심장 질환이 흔한 원인이다. 또한 노화에 따른 전도계의 퇴행성 변화, 심장 수술 후 유착, 특정 약물의 영향, 선천적 이상 등도 원인이 될 수 있다. 전해질 불균형, 특히 고칼륨혈증은 일시적인 전도 장애를 일으킬 수 있다[5].

전도 장애의 주요 결과는 심박출량 감소와 다양한 서맥성 부정맥이다. 완전 방실차단에서는 심실이 동방결절의 빠른 리듬 대신 자체적인 서맥성 맥박으로 대체 수축을 하게 되어 현기증, 실신, 심지어 심장마비에 이를 수 있다. 진단은 주로 심전도를 통해 이루어지며, 치료는 원인 제거, 약물 치료, 그리고 필요시 인공심장박동기 삽입을 포함한다.

전기생리학 검사는 심장의 전기적 활동을 직접 기록하고 분석하여 심장박동기전을 평가하는 핵심적인 방법이다. 이 검사는 특히 복잡한 부정맥의 기전을 규명하고 치료 전략을 수립하는 데 필수적이다.

검사는 일반적으로 카테터라는 가는 관을 혈관을 통해 심장 내부로 삽입하여 수행한다. 이 카테터의 끝에는 전극이 있어 심장 내 다양한 부위(예: 동방결절, 방실결절, 히스속 등)에서의 전기 신호를 정밀하게 기록할 수 있다. 기록된 신호는 심전도보다 훨씬 상세한 정보를 제공하며, 이를 심내전도도라고 부른다. 검사자는 프로그램된 전기 자극을 주어 심장을 인위적으로 박동시켜 보거나 특정 부정맥을 유발함으로써, 그 발생 부위와 경로, 기전(예: 재진입 또는 자동성 이상)을 정확히 파악한다.

주요 검사 절차와 목적은 다음과 같다.

이러한 정보는 약물 치료의 효과를 예측하거나, 카테터 절제술 같은 비약물적 치료를 계획하는 데 직접적으로 활용된다. 예를 들어, 재진입 회로가 확인되면 그 정확한 위치에 고주파 에너지를 가해 회로를 차단하는 절제술을 시행할 수 있다. 따라서 전기생리학 검사는 단순한 진단 도구를 넘어, 많은 부정맥에 대한 치유적 치료의 길을 여는 지도 역할을 한다.

심장박동기전을 이해하기 위한 분자세포생물학적 접근은 이온 채널, 수용체, 세포 신호 전달 경로 등 기본 구성 요소의 기능과 조절을 세포 및 분자 수준에서 규명하는 것을 목표로 한다. 이 접근법은 유전자 발현, 단백질 구조 및 기능, 그리고 이들 간의 상호작용에 초점을 맞춘다.

연구의 핵심은 심장 근육세포의 막을 가로지르는 활동전위를 생성하는 다양한 이온 채널 단백질을 분석하는 것이다. 각 채널(예: 나트륨 채널, 칼슘 채널, 칼륨 채널)은 특정 유전자에 의해 암호화되며, 그 발현 수준, 개폐 역학, 약물에 대한 반응은 심장의 자동성과 전도 속도를 결정한다. 연구자들은 패치 클램프 기술[7]을 사용하여 개별 채널의 전기적 특성을 정량화하고, 유전자 녹아웃 또는 돌연변이 유발 기술을 통해 특정 채널의 기능을 제거하거나 변경하여 그 생리학적 역할을 규명한다.

이러한 연구는 선천성 장기 QT 증후군, 브루가다 증후군, 카테콜라민성 다형성 심실빈맥 등 유전성 부정맥의 원인이 특정 이온 채널 유전자의 돌연변이임을 밝혀내는 데 결정적 역할을 했다. 또한, 분자 표적 치료를 위한 새로운 약물 개발의 기초를 제공하며, 환자 맞춤형 치료의 가능성을 열었다.

심장박동기전에 대한 이해는 다양한 부정맥을 진단하고 치료하는 데 필수적인 기초를 제공한다. 부정맥의 정확한 진단을 위해서는 먼저 그 기전을 규명하는 것이 중요하며, 이는 심전도, 홀터 모니터, 그리고 침습적 전기생리학 검사 등을 통해 이루어진다. 특히 전기생리학 검사는 심장 내에 카테터를 삽입하여 국소적인 전기 신호를 기록하고 자극을 가함으로써 부정맥의 정확한 발생 위치와 메커니즘(예: 재진입, 자동성 항진)을 확인하는 결정적인 방법이다.

치접은 진단된 부정맥의 기전과 중증도에 따라 달라진다. 약물 치료는 심장의 이온 채널이나 자율신경계 수용체에 작용하여 전기생리학적 특성을 변경하는 방식으로 이루어진다. 예를 들어, 나트륨 채널 차단제는 전도 속도를 늦추고, 칼륨 채널 차단제는 불응기를 연장시켜 재진입 회로를 차단한다. 그러나 약물 치료는 모든 환자에게 효과적이지 않을 수 있으며, 프로아리드믹 효과[8]의 위험이 있다.

약물 치료에 반응하지 않거나 위험한 부정맥의 경우 비약물적 치료가 시행된다. 카테터 절제술은 재진입 회로나 이상 자동성 초점이 있는 심장 조직에 고주파 에너지를 가해 제거하는 시술이다. 서맥이나 심실-심방 전도 차단에는 인공심장박동기를 이식하여 적절한 박동을 유지한다. 생명을 위협하는 심실빈맥이나 심실세동의 경우, 제세동기가 제세동 기능과 함께 필요 시 항빈맥 박동 조율을 수행하도록 이식된다.

이러한 진단 및 치료 접근법은 심장박동 생성과 전달의 기본 기전에 대한 심층적인 지식을 바탕으로 지속적으로 발전하고 있다.

인공심장박동기는 심장의 전기적 자극 생성이나 전도에 장애가 생겨 심박수가 너무 느려지는 서맥을 치료하는 장치이다. 이 장치는 동방결절이나 방실결절의 기능이 저하되어 적절한 심박수를 유지하지 못할 때, 인공적으로 전기 자극을 생성하여 심장을 뛰게 한다. 최신의 인공심장박동기는 필요할 때만 자극을 주는 주문형 방식과, 심방과 심실을 순차적으로 자극하여 보다 생리적인 박동을 유도하는 방식 등이 개발되었다.

제세동기는 심실세동이나 심실빈맥과 같이 생명을 위협하는 빠른 부정맥이 발생했을 때, 고에너지의 전기 충격을 가해 심장의 모든 근육 세포를 동시에 탈분극시켜 정상적인 리듬으로 복귀시키는 장치이다. 이는 재진입 회로를 차단함으로써 작동한다. 최근에는 체내에 이식되는 이식형 제세동기가 널리 사용되며, 이 장치는 지속적으로 심장 리듬을 모니터링하다가 위험한 부정맥을 감지하면 자동으로 치료 충격을 가한다.

두 장치의 기술은 융합되어 발전하고 있다. 많은 현대의 이식형 장치들은 서맥 치료를 위한 인공심장박동기 기능과, 빈맥 치료를 위한 제세동기 기능을 모두 내장한 복합 장치이다. 또한 심장 재동기화 치료라고 불리는 방식은, 심실 수축이 비동기화된 심부전 환자에서 좌우 심실을 동시에 자극하여 펌프 기능을 개선한다.

이러한 장치들의 임상적 적용은 다음과 같은 기준에 따라 결정된다.

이들 장치는 심장의 전기생리학에 대한 이해를 바탕으로 개발되었으며, 부정맥으로 인한 돌연사를 현저히 줄이고 환자의 삶의 질을 향상시키는 데 결정적인 역할을 한다.