CC BY
56
УДК 617.723-005+612.842.6
И.В. Запускалов, О.И. Кривошеина, Ю.И. Хороших, И.А. Дашко
биомеханика кровообращения в заднем полюсе глазного яблока
Сибирский государственный медицинский университет (Томск)
На основании теоретических исследований с использованием законов физики и прикладной математики предложена концепция регуляции и функционирования системы, кровообращения в заднем полюсе глазного яблока в норме и при патологии. Однонаправленный ток жидкости от. хориокапилляров к ретинальным, капиллярам, обеспечивает, оптимальный, приток метаболитов к наружным, слоям сетчатки. Направление и скорость движения жидкости зависят от трансмурального давления и коллоидно-осмотических сил. При. сахарном диабете в случае быстрого повышения, уровня, сахара в капиллярах сетчатки, резко возрастает, транскапиллярная, разница коллоидно-осмотического давления, что создает, отрицательное гидростатическое давление в ткани сетчатки. Трансмуральное гидростатическое давление в ретинальных капиллярах увеличивается и. вследствие повреждения базальной мембраны, приводит, к их растяжению и. появлению микроаневризм..
Ключевые слова: хориокапилляры, капилляры сетчатки, трансмуральное давление, коллоидно-осмотическое давление
THE BioMEcHANics oF BLooD ciRcuLATioN iN THE PosTERioR pole eyeball
I.V. Zapuskalov, O.I. Krivosheina, Yu.I. Khoroshikh, I.A. Dashko
Siberian State Medical University, Tomsk
On the base of theoretical research using the laws of physics and cybermathematics there was suggested, the conception or regulation and functional system, of normal and pathologic blood circulation of an eyeball. One-way flow of liquid from choriocapillaries to retinal capillaries provides for optimal afflux of metabolites to exterior retina layers. The direction and. speed, of the liquid, flux depend, on the transmural pressure (difference of hydraulic pressure within and. outside the vessel) and. are also determined, by colloid, osmotic forces. In diabetic eye pathology if blood sugar increasing happens very fast, transcapillary difference of colloid, osmotic pressure increases in retina cappilaries because the liquid, doesn't leave capillaries and. due to convection, with tissue fluid from choriocapillaries glucose has not reached them yet. It generates reduced hydrostatic pressure in retinal capillaries in retina tissue. Transmural hydrostatic pressure in retinal capillaries increases and. because of basal membrane damage causes their distension, (microaneurysms).
Key words: choriocapillaries, capillaries of retina, transmural blood pressure, colloid osmotic pressure
Изучение процесса обмена веществ между кровью и тканью требует детального знания таких факторов, как расстояние диффузии, концентрационные градиенты и структурные барьеры, ограничивающие свободную диффузию или общий поток. Игнорирование этих факторов при описании массопереноса довольно часто приводит к определенным заблуждениям, порождая такие термины как «питание» ткани, «улучшение трофики» и т.д. Работы в области микроциркуляции, выполненные в течение двух последних десятилетий с использованием современных методов исследования, позволяют с новых позиций подойти к изучению данной проблемы.
Различают два основных механизма переноса веществ через сосудистую стенку [1, 2, 3]: 1) движение вместе с жидкостью под действием градиента гидростатического давления (конвективный перенос); 2) диффузионный обмен молекулами, обусловленный различием концентраций веществ по разные стороны сосудистой стенки.
Диффузия из микрососудов в ткань подчиняется закону Фика, согласно которому при возникновении в среде различий в концентрации некоторого вещества, образуется поток этого вещества в направлении уменьшения концентрации, пропорциональный градиенту концентрации.
Однако при переходе вещества из крови в ткань оно встречается с полупроницаемой мембраной в виде эндотелия, избирательно пропускающего одни молекулы и ионы и задерживающего другие. Свободно проникают через эндотелиальные клетки и другие элементы сосудистой стенки — жирорастворимые низкомолекулярные вещества, такие как кислород и углекислый газ. В нормальных условиях артериальная кровь содержит 20 мл кислорода на 100 мл крови при парциальном давлении 100 мм рт. ст. При движении крови от сердца по артериальной системе суммарное количество кислорода, диффундирующего из крупных артерий, невелико, т.к. мало отношение поверхности сосуда к объему крови внутри него, и кислород расходуется только для поддержания метаболизма в интиме и медии сосудистой стенки. По мере последовательного ветвления артерий отношение поверхности к объему увеличивается, а количество кислорода в крови уменьшается. Существенное снижение содержания кислорода происходит при прохождении крови через артериолярную сеть, и еще большее падение его содержания в крови наблюдается в капиллярах.
Совершенно иная ситуация складывается с крупномолекулярными нерастворимыми в жирах веществами, которые не могут свободно диффун-
дировать через сосудистую стенку и выходят из крови в ткань в основном путем конвекции, т.е. с током воды транс- и парацеллюлярными путями. Направление и скорость движения жидкости при этом зависят от трансмурального давления (разность гидравлического давления внутри и снаружи сосуда) и определяются также коллоидно-осмотическими силами.
Сопряжение между осмотическим и гидростатическим давлениями играет важную роль в обменных процессах, т.к. перенос молекул почти всегда сопровождается изменениями обоих видов давления. Именно транскапиллярная разность коллоидно-осмотического давления вместе с транскапиллярной разностью гидростатического давления в значительной степени определяют равновесное распределение жидкости между внутри- и внесо-судистым пространством.
Если гидростатическое давление в капиллярах и в ткани обозначить через рс и рг а коллоидно-осмотическое давление в плазме и в тканях — через Рр и Рт , то полный градиент давления, обусловливающий движение жидкости, определится как
&Рг =(рс - Рт )-(Рр - РТ )
(1).
Уравнение (1) можно преобразовать в более наглядное выражение для скорости фильтрации жидкости через капиллярную стенку
V = к ■А (Рс - Рт )- а рр - Рт ) (2),
где к — коэффициент капиллярной фильтрации, а — коэффициент отражения капиллярной мембраны, А — площадь поверхности мембраны.
Известно, что диаметр капилляров в сетчатке находится в пределах 5 — 10 мкм, а диаметр хорио-капилляров — около 20 — 30 мкм [4, 7]. Т.к. оба вида сосудов являются конечными ветвями глазничной артерии, то к ним возможно применение закона Пуазейля [2, 3] для стационарного потока в части трубки, достаточно удаленной от ее начала
ц • L • О
Ар = 128-
п • d
(3),
Величина трансмурального коллоидно-осмотического давления плазмы зависит преимущественно от концентрации белков и коэффициента отражения мембраны для белков. При концентрации белков плазмы, равной 6 г %, и нормальном соотношении альбуминов и глобулинов трансмуральное давление составляет примерно 25 мм рт. ст. [6]. Поэтому, если трансмуральное гидростатическое давление в капиллярах выше этого значения, то величина _Ор/положительна, и происходит фильтрация воды из капилляров. Если же трансмуральное гидростатическое давление ниже 25 мм рт. ст., то, соответственно, величина Dpf отрицательна, и жидкость переходит из межклеточного пространства в капилляры (рис. 1).
где Ар — разность давления на входе и выходе трубки, т — вязкость жидкости, L — длина, О — объемный расход, d — диаметр.
Поэтому, градиент давления Ар в хориокапил-лярах будет ниже, чем в капиллярах сетчатки. Т.к. сопротивление движению крови зависит от расхода крови О, то давление в интересующем сосуде определится соотношением
Рк = Ра ~АР (4)
где рк — давление в капилляре, ра — давление в глазничной артерии.
Следовательно, трансмуральное давление в хориокапиллярах будет выше, чем в капиллярах сетчатки.
Учитывая, что обе сосудистые системы находятся в единой гидравлической системе, ограниченной фиброзной капсулой глазного яблока, жидкость по градиенту давления будет выходить из хориокапилляров и всасываться капиллярами сетчатки. Данное теоретическое предположение подтверждается результатами флюоресцентной
капилляр
межклеточное
пространство
капилляр
рис. 1. Схема направления движения жидкости в зависимости от градиента давления: а - при положительном значении Ар^дет фильтрация жидкости из капилляров; б - при отрицательном значении Аpf жидкость из межклеточного про странства.
а
б
ангиографии. В норме наблюдается выход флюо-ресцеина только из хориокапилляров, в то время как сосуды сетчатки не проявляют экстравазации.
Отсутствие выхода флюоресцеина из сосудов сетчатки связано не с существованием гематооф-тальмического барьера, краситель не выходит лишь потому, что трансмуральное давление в капиллярах сетчатки оказывается ниже трансмурального осмотического давления плазмы. Вследствие этого наблюдается однонаправленное движение жидкости из ткани в обменные сосуды сетчатки. Если же трансмуральное давление в капиллярах сетчатки превысит коллоидно-осмотическое давление плазмы, как, например, при тромбозе центральной вены сетчатки, то жидкость начнет выходить в ткань и появится экстравазальная флюоресценция ретинальных сосудов.
Таким образом, однонаправленный ток жидкости от хориокапилляров к ретинальным капиллярам обеспечивает оптимальный приток метаболитов к наружным слоям сетчатки. Предложенная гипотеза о массопереносе в сосудах сетчатки и хориоидее представлена схемой (рис. 2).
1Г
Рис. 2. Схема движения интерстициальной жидкости в наружных слоях сетчатки. 1 - а. оphthalmica; 2 - артериолы хориоидеи; 3 - артериолы сетчатки; 4 - капилляры хориоидеи; 5 - пигментный эпителий; 6 - ткань сетчатки; 7 - капилляры сетчатки; 8 - ток интерстициальной жидкости; 9 - венозный коллектор; № - трансмуральное давление крови в капиллярах хориоидеи; И - тканевое давление; Ps - трансмуральное давление в капиллярах сетчатки.
Однонаправленный ток жидкости наблюдается и в других тканях глазного яблока. Внутриглазная жидкость выходит из капилляров цилиарного тела, проходит из задней камеры глаза в переднюю, через эндотелий проникает в ткань роговицы, двигается по направлению к лимбу и всасывается сосудами краевой петлистой сети, которые при флюоресцентной ангиографии так же не обнару-
живают экстравазации. В норме не наблюдается выхода флюоресцеина и из сосудов радужки.
На пути движения от одной сосудистой системы к другой (по градиенту давления) интерстициальная жидкость преодолевает не только эндотелий обменных сосудов, но и часто проходит через другие слои клеток, выполняющих в определенной степени секреторную функцию. Метаболизм этих клеток изменяет физико-химические свойства интерстициальной жидкости в соответствии с функциональной особенностью находящихся далее по течению высокодифференцированных клеток ткани. Примерами таких слоев могут служить:
1) пигментный эпителий сетчатки, находящийся на пути движения интерстициальной жидкости от хориокапилляров к сосудам сетчатки, высокий уровень метаболизма которого обеспечивает нормальное функционирование нейросенсорных клеток;
2) эпителиальные клетки на передней поверхности хрусталика;
3) пигментный и беспигментный эпителий цилиарного тела, отвечающий за молекулярный состав внутриглазной жидкости;
4) эндотелий роговицы, находящийся на пути движения внутриглазной жидкости из передней камеры глаза к краевой петлистой сети лимба.
Признание наличия однонаправленного движения тканевой жидкости на уровне хориоретинальной микроциркуляции позволяет существенно изменить взгляд на патогенез многих сосудистых заболеваний, в частности на развитие диабетической патологии глаза.
Из уравнения (2) видно, что движение жидкости через капиллярную стенку определяется не только трансмуральным гидростатическим давлением, но и разницей коллоидно-осмотического давления по обе стороны капиллярной мембраны [2]. Величина коллоидно-осмотического давления плазмы зависит, преимущественно, от концентрации белков и коэффициента отражения мембраны для белков, который, в среднем, равен 1,6 мосм/л. Однако это составляет лишь 0,55 % общей осмолярности плазмы, которая в норме равна 290-310 мосм/л и зависит также от концентрации №+, мочевины и глюкозы [4, 5, 6]. С повышением уровня сахара крови на 100 мг % (5,5 ммоль/л) осмолярность крови возрастает приблизительно на 5,5 мосм/л, что соответствует 86 мм рт. ст. [4, 5, 6].
Если повышение уровня сахара происходит довольно быстро, то в капиллярах сетчатки резко возрастает транскапиллярная разница коллоидно-осмотического давления, поскольку жидкость из них не выходит, а глюкоза, идущая за счет конвекции вместе с тканевой жидкостью из хориокапилляров, к ним еще не приблизилась. Это создает отрицательное гидростатическое давление в ткани сетчатки. Трансмуральное гидростатическое давление в ретинальных капиллярах увеличивается и приводит к их растяжению и появлению микроаневризм.
С увеличением радиуса микроаневризм резко возрастает растягивающая сила с последующим
разрывом эндотелиального слоя, и выходом форменных элементов крови в ткань. В венулах сетчатки увеличивается трансмуральное давление, что вызывает их расширение и увеличение извитости. Выход высокомолекулярных компонентов плазмы в ткань сетчатки вследствие повышения сосудистой проницаемости сопровождается изменениями транскапиллярной разности коллоидно-осмотического давления. Результатом этого является изменение полного градиента давления, отражающего сопряжение между коллоидно-осмотическим и гидростатическим давлениями внутри и снаружи сосуда. Нарушается равновесное распределение жидкости между внутри- и внесосудистым пространством, и происходит ее накопление в межклеточном пространстве, усугубляя патологические изменения ткани сетчатки.
Таким образом, применение фундаментальных законов физики и математики позволяет с новых позиций подойти к изучению проблемы регуляции и функционирования системы кровообращения в заднем полюсе глазного яблока в норме и при различных видах патологии.
литература
1. Джонсон П. Периферическое кровообращение: пер. с англ. — М.: Медицина, 1982. — 440 с.
2. Каро К., Педли Т., Шротер Р. Механика кровообращения: пер. с англ. — М.: Мир, 1981. — 624 с.
3. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов: пер. с англ. — М.: Мир, 1983. — 400 с.
4. Запускалов И.В., Кривошеина О.И. Механика кровообращения глаза. — Томск: СибГМУ,
2005. - 112 с.
5. Zapuskalov I.V., Krivosheina O.I., Khoro-shikh Y.I. Vascular system of the eye in health and disease. — Tomsk: Print Manufacture Publishers,
2006. — 130 p.
6. Александров В.Н., Марпин С.А., Ша-стин И.В. Опыт лечения гиперосмолярных ком гиперкинетических коматозных состояний низкими дозами инсулина // Тер. архив. — 1990. — № 8. — С. 63 — 68.
7. Бунин А.Я., Кацнельсон Л.А., Яковлев А.А. Микроциркуляция глаза. — М.: Медицина, 1984. — 176 с.
Сведения об авторах
Запускалов Игорь Викторович - заведующий кафедрой офтальмологии ГБОУ ВПО СибГМУ, д-р мед. наук, профессор Кривошеина Ольга Ивановна - профессор кафедры офтальмологии ГБОУ ВПО СибГМУ, д-р мед. наук (634o5o, г. Томск, Московский тракт, 2; тел.: 8 (3822) 41-76-15, сот. тел.: 8-913-881-52-24, факс: 8 (3822) 41-19-19; e-mail: [email protected]) Хороших Юлия Игоревна - ассистент кафедры офтальмологии ГБОУ ВПО СибГМУ, канд. мед. наук Дашко Ирина Александровны - соискатель кафедры офтальмологии ГБОУ ВПО СибГМУ (634050, г. Томск, Московский тракт, 2)
