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心脏作为人体内最为关键的器官之一，其发育、结构与功能一直是生命科学与医学领域的核心议题。自胚胎发育之初，心脏便以其独特的形态发生过程，从一个简单的细胞团逐步演化成为一个结构复杂、功能强大的泵血器官。这一过程不仅展示了生命进化的奇迹，也为理解心脏病的发病机制提供了重要的基础。本节旨在介绍心脏的发育过程、结构、功能及其调控，为本书后续章节探讨心脏损伤和修复提供参考。
心脏是脊椎动物胚胎发育过程中最早形成并执行功能的器官，其发育过程需要经历一系列复杂的形态发生和分化事件，包括心脏原基的形成与迁移、心管的形成与生长、腔室分化等过程，最终形成具有四个腔室的心脏。
心脏的发育起源于原肠胚期的脏壁中胚层细胞。随着三胚层胚盘的形成，心脏前体细胞从原肠胚形成的位置逐渐迁移到前部侧板中胚层。在迁移的早期阶段，Wnt信号抑制中胚层细胞的分化，但随着细胞向前迁移并离开Wnt信号表达区域，它们进入一个Wnt信号抑制活跃的区域，从而获得进入心脏谱系的能力。这些前心脏中胚层细胞在外胚层和内胚层细胞分泌的骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）等信号的调控下，分化为心肌细胞。
位于侧板中胚层的心脏前体细胞在体轴中线处汇合，形成马蹄形的生心区。生心区细胞表达心脏特异性转录因子胰岛因子1（islet1，ISL1）和NK2同源异型框5（NK2 homeobox 5，NKX2-5），标志着心脏原基的形成，并进一步分化为原始心肌细胞。生心区根据发育时期和位置通常被分为两个心区：第一心区的心脏祖细胞（cardiac progenitor cell，CPC）在中线处汇合后形成原始心管，其增殖能力有限，主要分化发育形成左心室；第二心区的CPC则位于第一心区的内侧，形成心房、右心室和流出道等组织。
随着胚胎的发育，生心区细胞逐渐向胚胎腹侧中线迁移，并自头端开始向尾端逐渐融合，形成一条线形的原始心管。在这个过程中，胚胎的快速生长和形态变化起关键作用，使生心区的侧部被带到一起，形成心管的腹侧部分。同时，生心区的内侧弯曲形成心管的背侧部分，并通过背侧心系膜与体壁相连。心管的头端与动脉相连形成动脉极，尾端与静脉相连形成静脉极。原始心管最初仅由内皮组成。随着心管的融合，来自围心腔周围脏壁中胚层的原始心肌祖细胞也跨过中线包绕在心内膜管的外面，形成原始心肌层。两者之间隔有胶样结缔组织，即心胶质。
原始心管形成后，心管在机械力和左右不对称信号（如NODAL和PITX2等）的协调作用下，两侧的细胞极性、细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的分布以及细胞增殖速率出现显著差异。这些差异导致原始心管开始向右侧弯曲，并经历一个复杂的环化过程，称为心脏环化，最终演变成S形心管。在这个过程中，心管中细胞的增殖活性较低，而第二心区的细胞则在Wnt/β-catenin和FGF等信号的调控下进行增殖和分化。在T盒转录因子1（T-box transcription factor 1，TBX1）的作用下，第二心区的细胞通过动脉极和静脉极添加到心管中，使心管进一步延伸变长。
原始心管在环化期时就已经开始分化，形成预定的心室区、心房区和流出区。心管环化后，S形心管外弯曲处的心肌细胞重新开始分裂并表达心室特异性标志物，使心管局部向外膨大形成原始心室。随着心肌细胞的不断增殖和分化，心室形成致密层，负责心室的收缩功能。同时，在心内膜细胞分泌的神经调节蛋白-1（neuregulin-1，NRG-1）及心腔内血流剪切力的作用下，一些心肌细胞通过迁移及不对称分裂从致密的心室壁向心腔内生长，形成分支状的肌小梁网络，极大地增加了心肌表面积。
与此同时，心管静脉极的心肌细胞也重新增殖和分化，并表达心房特异性标志物，使心管向外膨大形成原始心房。随着原始心管的膨大和弯曲，原始心房会逐渐上移至头侧和背侧。在原始心房中形成的肌小梁会逐渐形成心耳中的肌性心房壁，而心房中的平滑壁心肌则来自第二心区等区域的细胞。
心脏位于胸腔内两肺之间略偏左的位置，约相当于一个拳头大小，呈前后略扁的圆锥体。心脏被心包所包裹，可以防止心脏搏动时与周围器官之间的摩擦。
心脏是一个壁厚而中空的肌性器官，心壁由三层组成，由外向内依次为心外膜、心肌层和心内膜。心脏内部由房间隔和室间隔分隔为四个腔室，即左心房、左心室、右心房和右心室（图1-1）。左心房和右心房位于心脏的上部，而左心室和右心室则位于下部。左、右心房由房间隔分隔，左、右心室由室间隔分隔。房室之间、心室与大动脉之间均有单向瓣膜，使血液呈单向流动。
图1-1 心脏的解剖结构
（1）右心房：
位于心脏的右前上方，呈不规则立方形，内腔分为前部的固有心房和后部的腔静脉窦。固有心房内壁布满平行排列的梳状肌，形成独特的肌小梁网络，以提高心房收缩时的血液排空效率。腔静脉窦内壁光滑，收纳来自上、下腔静脉和冠状窦的血液。房间隔呈片样结构，下部有一个由薄层结缔组织覆盖的卵圆窝，是胚胎期卵圆孔闭合后的遗迹。
（2）左心房：
位于心脏的左后上方，其内壁大部分光滑，仅左心耳内残留少量梳状肌，这种结构特征与胚胎期肺静脉的并入发育相关。左心房后壁收纳来自肺静脉的氧合血液，通过左房室口与左心室连通。左心耳呈手指状，覆盖肺动脉根部和左冠状动脉前降支和左旋支的起始部，其内部肌小梁复杂，在心房颤动时易形成血栓，是临床抗凝治疗的重点关注区域。
（3）右心室：
位于心脏的右前方，呈金字塔形，心室壁较薄。右心室内腔呈V形，分为流入道和流出道，两者以一个粗大的肌束（室上嵴）为界。流入道为右房室口至右心室心尖部，是右心室的主要部分，其内壁上有三组粗大的乳头肌，通过腱索与三尖瓣的瓣叶相连，维持并控制三尖瓣的形状和闭合，防止右心室收缩时血液向右心房反流。流出道是右心室向左上方向的延伸部分，其内壁光滑无肉柱，通过肺动脉瓣与肺动脉相连，右心室收缩时将血液泵出送到肺部进行氧合。
（4）左心室：
位于左心房的左前下方，右心室的左后方，呈圆锥形，是心脏中最为厚实的部分。左心室内腔也分为流入道和流出道，前者位于左房室口至左心室心尖之间，又称“窦部”，是左心室的主要部分。流入道内壁也有许多肉柱，并有前后两个乳头肌，通过腱索与二尖瓣瓣叶相连，控制二尖瓣的闭合。流出道位于心尖至主动脉口之间，内壁光滑，通过主动脉瓣与主动脉相连。
瓣膜位于心房与心室之间以及心室与动脉之间，负责维持血液的单向流动。
心房与心室之间的瓣膜称为房室瓣，其中右心室和右心房之间称为三尖瓣，左心室和左心房之间称为二尖瓣。房室瓣位于房室口，由瓣环、瓣叶和腱索组成。瓣环是位于瓣膜基部的纤维环状结构，为瓣叶提供附着点。瓣叶是由内膜和内膜下纤维组织褶合形成的薄膜性结构，是瓣膜的主要组成部分。三尖瓣有三个瓣叶，分别为前叶、后叶和隔叶；二尖瓣有两个瓣叶，分别为前叶和后叶。腱索位于瓣叶和乳头肌之间，是细条状致密结缔组织，可以固定瓣膜的位置以及控制瓣膜的活动幅度，防止收缩期瓣叶进入心房。
半月瓣为心室与动脉之间薄且透明的瓣膜。其中右心室与肺动脉之间的半月瓣称为肺动脉瓣，左心室与主动脉之间的半月瓣称为主动脉瓣。与房室瓣相比，半月瓣的结构相对简单，只有瓣环和瓣叶，没有腱索等牵拉结构，其开放和关闭主要为被动过程。
心脏的血液循环是独立于体循环和肺循环的特殊系统，即冠脉循环系统，包括冠状动脉和冠状静脉。
（1）冠状动脉：
有左右两支，分别开口于主动脉左窦和主动脉右窦。左冠状动脉起始部为主干，在肺动脉和左心耳之间向左走行，至冠状沟分支为前室间支和旋支（又称“左旋支”）。此外，左冠状动脉根部有一细小分支发出，为左圆锥支，分布于动脉圆锥，与右冠状动脉发出的右圆锥支吻合形成动脉环，是常见的左、右冠状动脉侧支循环途径之一。
前室间支向左绕过肺动脉沿前室间沟下行，通常延伸至心尖后绕行至后室间沟，与右冠状动脉的后室间支吻合，其间分支为左室前支、右室前支和室间隔前支。若前室间支闭塞，可能导致左心室前壁及室间隔前部心肌梗死，约占临床心肌梗死病例的50%。旋支则沿冠状沟左行，绕至心左缘及左心室膈面，分支供应房室结、左心房和左心室。
右冠状动脉起始后经右心耳和肺动脉干之间向右侧走行，沿冠状沟下行，在房室交点区附近分为后室间支和右旋支。右冠状动脉的主要分支有窦房结支、右缘支、后室间支、右旋支、右房支和房室结支。
（2）冠状静脉：
包括浅静脉和深静脉两大类。浅静脉主要位于心外膜下，汇合后经过冠状窦回流右心房，收集约70%的血液。深静脉经心肌间的小静脉网和窦状间隙直接回流入各心腔，收集约30%的血液，多回流至右心房。
冠状窦位于冠状沟，接受心大、中、小静脉的血液，通过冠状窦口注入右心房。冠状窦口处有瓣膜防止反流，末端由心房肌包绕防止血液回流。心大静脉位于前室间沟和冠状沟左侧，与左冠状动脉的前室间支和旋支伴行，注入冠状窦，收纳左心室前壁、左侧壁、右心室前壁部分、左心房前外侧壁、室间隔前部和大动脉根部的静脉血液。心中静脉起自心尖，与右冠状动脉的后室间支伴行，经后室间沟注入冠状窦，收纳心尖部、心室下壁和室间隔后部的静脉血液。心小静脉收纳右心室前后壁的部分静脉血液，与右冠状动脉伴行于冠状沟右侧，注入冠状窦。
心脏冠状动静脉分支之间有广泛的吻合，包括动脉间吻合、动静脉间吻合、静脉间吻合及与心腔的直接沟通。冠状动脉的主要分支阻塞后，这些吻合血管可以建立侧支循环，对保护其远端缺血心肌具有重要意义。侧支循环的建立取决于壁内、心外和冠状动脉之间副血管的存在，以及心肌缺血的程度和持续时间。
心脏是人体循环系统的核心器官，其主要功能是泵血，以推动血液流动、维持血液循环。此外，心脏还分泌心房利尿钠肽（atrial natriuretic peptide，ANP）等激素，参与心血管系统的调节，通过多层次的生理机制实现能量转换、信息传递与系统整合。
心脏通过周期性的收缩和舒张实现泵血功能，这一过程称为心动周期，主要包括心房收缩期、心室收缩期和心室舒张期。成年人的左、右心房几乎同时收缩，而左、右心室的收缩则分别比心房晚0.1秒和0.2秒。心室开始舒张前的0.4秒，心房也处于舒张状态，这一时期被称为全心舒张期。
在心房舒张时，血液从上、下腔静脉和冠状窦流入右心房，从肺静脉流入左心房。在心房开始收缩前，三尖瓣和二尖瓣开放，允许血液流入心室。当心室充盈后，心房开始收缩，心房内压力升高，将血液射入心室。
心房收缩期结束后，心室开始收缩。心室收缩期分为等容收缩期和射血期。心室开始收缩后，心室内压力迅速升高，超过心房内压力，使房室瓣关闭，防止血液回流。此时，心室内压力仍低于动脉压，动脉瓣保持关闭，心室容积不变，称为等容收缩期。当心室收缩使室内压力超过动脉压时，动脉瓣开放，进入射血期。射血期初期，心室内压力高，由心室射入动脉的血液量大、速度快，心室容积明显缩小，主动脉压力急剧升高，称为快速射血期。随着心室内血液减少和心肌收缩力减弱，射血速度减慢，射血量减少，进入减慢射血期。
射血期结束后，心室开始舒张，室内压力下降，动脉内的血液向心室反流，使动脉瓣关闭。此时，心室内压力高于心房内压力，房室瓣处于关闭状态，心室容积不变，称为等容舒张期。当心室舒张使室内压力低于房内压力时，心房内血液冲开房室瓣进入心室，进入心室充盈期。充盈初期，房室压力差大，血液流速快、流量大，心室容积快速增大，称为快速充盈期。随后，心室内压力逐渐升高，房室压力差减小，血流变慢，进入减慢充盈期。在心室舒张的最后0.1秒，心房开始收缩，进一步将血液压入心室，使心室充分充盈。
在心脏泵血过程中，心房和心室的收缩与舒张引起的心室内压力变化是导致心室、心房及动脉之间产生压力差的主要原因。这种压力差是推动心脏瓣膜开放和关闭的动力，而瓣膜的适时开闭又是维持心室内压和血液定向流动的重要保证。
除泵血功能外，心脏还可以通过分泌生物活性物质参与全身稳态的调节。心房肌细胞合成的ANP与心室肌细胞合成的脑利尿钠肽（brain natriuretic peptide，BNP）构成重要的体液平衡调节轴，在调节血压、血容量和水盐平衡方面起重要作用。当心房壁因血容量增加被牵张时，ANP前体被跨膜丝氨酸蛋白酶Corin切割为活性形式，通过结合钠尿肽受体A（natriuretic peptide receptor A，NPR-A）激活鸟苷酸环化酶，促使血管平滑肌舒张并抑制肾素-醛固酮系统，形成“排钠-利尿-降压”的负反馈环路。在临床实践中，BNP是心力衰竭诊断与预后评估的重要指标，其血浆浓度与心室壁应力呈正相关。
心脏是人体最重要的器官之一，其生理调控机制极为复杂且精确。心脏的生理调控主要依赖于自主神经系统、体液因素、心脏自身的电生理系统以及自身的代谢调节。
自主神经系统对心脏的调控主要通过心交感神经和心迷走神经实现。心交感神经兴奋时，释放去甲肾上腺素，作用于心脏的β受体，使心率加快、心肌收缩力增强，从而增加心输出量。而心迷走神经兴奋时，释放乙酰胆碱，作用于心脏的M受体，导致心率减慢、心肌收缩力减弱，减少心输出量。
体液因素在心脏生理调控中也起着重要作用。肾上腺素和去甲肾上腺素是调节心脏活动的两种主要激素。当人体处于应激状态时，肾上腺髓质释放肾上腺素和去甲肾上腺素，使心率加快、心肌收缩力增强，以应对外界压力。此外，心脏还受到其他激素的影响，如血管紧张素、醛固酮、内皮素等，它们通过调节心脏的前、后负荷，影响心脏的泵血功能。
心脏自身的电生理系统是维持心脏正常节律的基础。心脏电生理系统主要由自律细胞和传导系统组成。自律细胞主要包括窦房结、房室结、浦肯野纤维等，能够自发地产生动作电位，驱动心脏收缩。窦房结是心脏的正常起搏点，其产生的兴奋通过心脏传导系统传递至整个心脏，使心房和心室依次收缩。心脏传导系统的异常可能导致心律失常，从而影响心脏的功能。
心肌的代谢特征与其功能需求高度适应。在静息状态下，线粒体通过β-氧化分解脂肪酸提供70%以上的腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），而葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4），在胰岛素信号的调控下被选择性利用；高强度运动时，乳酸脱氢酶同工酶1（lactate dehydrogenase isoenzyme 1，LDH1）将循环中的乳酸转化为丙酮酸，成为主要碳源。这种代谢灵活性由AMP活化的蛋白质激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）与过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）共同调控。AMPK可感知细胞能量状态，而PGC-1α则协调线粒体的生物合成和脂肪酸氧化相关基因的表达。值得注意的是，缺血性心脏病患者的代谢重塑（如糖酵解增强）虽然可以短暂维持ATP供应，但伴随的质子积累会加剧细胞内的酸中毒与钙超载，最终导致细胞死亡。
心脏的功能代偿是心脏在疾病或负荷异常状态下维持循环功能的适应性反应。当心脏因压力或容量负荷过重、心肌损伤或功能减退时，会启动一系列生理和结构改变，以暂时弥补功能上的缺陷，确保心输出量能够满足机体的需求。这些代偿可分为急性代偿（短期调节）和慢性代偿（长期适应）两种类型，但其过度激活可能最终导致心功能恶化。
急性代偿是指心脏在面临急性负荷增加或功能受损时，通过一系列快速反应维持足够的心输出量，以保证全身器官血液供应的过程。其主要包括心率加快、心肌收缩力增强和血流重新分配等。
（1）心率加快：
心率加快是心脏对急性功能下降的最快速反应，可在数秒内启动。交感神经系统通过释放去甲肾上腺素作用于心肌β1受体，直接提高窦房结的自律性，使心率显著加快，通过增加心输出量（心输出量=每搏输出量×心率）快速维持全身血流灌注，在急性心力衰竭或出血性休克中起重要作用。然而，持续心率增快会增加心肌耗氧量，可能诱发心肌缺血。
（2）心肌收缩力增强：
交感神经兴奋还可通过增强心肌收缩力实现代偿。去甲肾上腺素激活β1受体后，细胞内环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）水平升高，促进钙离子内流和肌质网钙释放，从而提高心肌细胞的收缩强度和速度。这种正性肌力作用可在急性心肌损伤（如心肌梗死早期）中暂时维持每搏输出量，但长期依赖此机制会导致心肌能量的过度消耗，加剧心肌损伤。
（3）血流重新分配：
在低心输出量状态下，全身循环血量不足会激活交感神经，释放去甲肾上腺素等神经递质，作用于外周血管的α1受体，引起外周血管选择性收缩，以减少皮肤、内脏和骨骼肌的血流，从而将有限的血液资源重新分配给心、脑等生命维持所必需的重要器官。这种血流重新分配主要通过调节血管阻力实现，是机体在循环血量不足时维持生命功能的最后防线。
慢性代偿是指心脏在长期面对负荷增加或功能受损的情况下，通过一系列结构和功能改变维持足够的心输出量的过程。这些代偿机制通常是逐渐发展起来的，以适应心脏功能的长期变化，主要包括心肌肥厚、心室重塑、神经-体液调节系统的持续激活和利尿钠肽系统的代偿作用等。
（1）心肌肥厚：
心肌肥厚是心脏对长期负荷过重的核心适应性改变，根据负荷类型分为向心性肥厚和离心性肥厚两种形式。其中向心性肥厚通常由压力负荷过高（如高血压和主动脉狭窄）引起，心肌细胞通过肌节并联增生，使室壁增厚而心室腔不扩大，通过增强收缩力对抗高后负荷；离心性肥厚则由容量负荷过高（如二尖瓣反流和慢性贫血）引起，心肌细胞通过肌节串联增生，使心室腔扩张并伴有室壁轻度增厚，通过增加心室容积维持每搏输出量。心肌肥厚初期可以提高泵血效率，帮助心脏更好地应对负荷过高的情况，但长期的肥厚会导致心肌缺血、舒张功能减退和心律失常等问题，会进一步损害心脏功能，甚至可能导致心力衰竭。
（2）心室重塑：
心室重塑是心肌细胞、间质和血管在病理刺激下的综合改变，表现为心肌细胞肥大、凋亡、间质纤维化及胶原沉积和血管重塑等，会导致心室几何形态异常。在心室重塑的初期阶段，通过增加室壁厚度和心肌细胞肥大，心脏能够代偿性地增强收缩功能，以维持足够的血液输出。然而，随着重塑的进展，心肌的僵硬度增加，导致舒张功能障碍，心脏无法有效地充盈，这会进一步加剧心力衰竭。
（3）神经-体液调节系统的激活：
心脏负荷增加时，交感神经系统活动增强，释放去甲肾上腺素，作用于心脏β受体，使心率加快，心肌收缩力增强，传导速度加快，心输出量增加。然而，长期交感神经兴奋可能会导致心肌β1受体下调、钙调控异常和氧化应激，加速心肌细胞凋亡。此外，心脏负荷增加会激活肾素-血管紧张素系统（renin-angiotensin system，RAS），导致血管紧张素Ⅱ和醛固酮水平升高。其中血管紧张素Ⅱ会引起血管收缩和心肌纤维化，而醛固酮则促进水钠潴留以增加前负荷。两者共同升高心脏前、后负荷，形成恶性循环。
（4）利尿钠肽系统的代偿作用：
肾素-血管紧张素-醛固酮系统（renin angiotensin aldosterone system，RAAS）可以通过激活血管紧张素Ⅱ促进心室重塑，包括血管收缩、水钠潴留、醛固酮分泌、心肌细胞肥大和纤维化及炎症反应。在心室压力或容量超负荷时，利尿钠肽系统可以释放ANP和BNP，通过扩张血管、促进钠水排泄来拮抗RAAS。在慢性心力衰竭患者中，若BNP水平持续升高，常提示代偿机制已达极限，这一指标可作为心功能恶化的生物标志物。
此外，心肌在慢性缺氧或能量供应不足时，从主要利用脂肪酸转为优先利用葡萄糖，以提高缺氧状态下的能量利用效率。然而，这种代谢转换导致ATP生成减少，长期可能加重心肌能量缺乏。同时，慢性心肌缺血（如冠状动脉狭窄）可刺激冠状动脉侧支血管的生成，从而部分代偿缺血区域的血流供应。但侧支循环的血流量通常不足以完全替代正常冠状动脉的供血。