CC BY
37
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сер. 11 2007 Вып. 4
УДК 616.717 /. 718; 616-0.92
О. В. Фионик, Н. П. Ерофеев, Н. А. Бубнова, Д. Б. Вчерашний
КЛИНИКО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОГО ЛОЖА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ЛИМФЕДЕМЕ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ
Санкт-Петербургский государственный университет, медицинский факультет
Лимфедема (слоновость, лимфостаз)—заболевание, характеризующееся прогрессирующим отеком конечности и разрастанием соединительной ткани вследствие нарушенного лимфообращения врожденного или приобретенного характера [1-6]. Около 10 % населения мира страдает лимфедемой нижних конечностей, и число вновь выявленных больных возрастает с каждым годом. Они составляют категорию так называмых трудных больных, которым приходится лечиться долго и зачастую безуспешно [1-5].
В работе рассмотрен вопрос о состоянии системы микроциркуляции нижних конечностей человека на различных стадиях лимфедемы. Для исследований применен метод лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ).
Микроциркуляция в норме, роль лимфатических сосудов. Микроциркулятор- ное ложе (рис. 1, А) является зоной интенсивного обмена, в которой вода, малые молекулы, в том числе дыхательные газы и нутриенты пересекают капиллярную стенку путем простой пассивной диффузии из зоны с высокой концентрацией в зону низкой концентрации. При этом клетки крови и крупные молекулы (белки) сохраняются в сосудистом русле. Пассивная роль эндотелия капилляров включает не только диффузию, но и фильтрацию и пиноцитоз. Однослойный пласт эндотелиальных клеток пассивного фильтра выполняет вазоактивную роль, которая заключается в том, что эндотелий капилляров ме- таболизирует или продуцирует вещества, вызывающие сокращение или расслабление гладкой мышцы сосудов. В микроциркуляторном русле происходит и перемещение жидкости между капиллярным и интерстициальным пространством, что является важным для множества физиологических функций организма человека, в том числе для поддержания жидкостного равновесия в тканях. Взаимоотношения между факторами, которые оказывают воздействие на транскапиллярное перемещение жидкости, известны под названием уравнения Старлинга. В норме гидратация интерстициального пространства поддерживается на оптимальном уровне, если фильтрация жидкости в начальных участках капилляров и реабсорбция жидкости в их конечных участках равны между собой.
Капиллярная стенка обладает низкой проницаемостью для белков, тем не менее их молекулы проникают в интерстициальное пространство. В этом случае накопление белков и других крупногабаритных частиц (например хиломикроны и бактерии) могло бы вызвать превышение сил фильтрации против сил реабсорбции и способствовать развитию отека в тканях. Лимфатические капилляры создают нормальный путь [1-4, 7-13], по которому крупные молекулы (белки), вода и электролиты из интерстициальной среды возвращаются в циркулирующую кровь и тем самым предотвращают повышение интерстициального давления, а значит, и отек (рис. 1, Б).
© О. В. Фионик, Н. П. Ерофеев, Н. А. Бубнова, Д. Б. Вчерашний, 2007
Из кровеносного русла у взрослого человека поступает в интерстиций около 20 л жидкости, из которой в венозную часть кровотока ежесуточно возвращается 2-4 л лимфатической жидкости. По сравнению с общим количеством крови, 2-4 л лимфатического возврата могут показаться весьма незначительной утечкой жидкости из капиллярного русла. Лимфатическая система играет определяющую роль в поддержании низкой концентрации белка в интерстициальной жидкости и в извлечении части (при патологии избытка) капиллярного фильтрата из тканей (см. рис. 1). Однако всякое нарушение лимфодренажа является весьма серьезной проблемой и сопровождается формированием лимфедемы [2, 3, 5, 6, 11].
Метод исследования. Метод лазерной допплеровской флоуметрии [14] заключается в регистрации отраженного от движущихся эритроцитов света (рис. 2). При взаимодействии с тканью в отраженном сигнале появляется составляющая, пропорциональная скорости движения
эритроцитов в сосудах, которая вычисляется по -£а (эффект Допплера).
закону тн = Све-
с + и
товодный зонд анализатора обеспечивает доставку зондирующего излучения от лазера к области исследований и транспортировку к фотоприемникам отраженного от ткани излучения. Поскольку в световое пятно попадает большое количество сосудов разного калибра и направления, полезный сигнал представляет собой суперпозицию отраженных от большого количества эритроцитов световых квантов. Глубина просвечивания тканей в случае неинвазивных измерений через кожу составляет от 1 до 3 мм, поэтому основной вклад в сигнал вносит капиллярный кровоток.
Лазерный допплеровский сигнал называется показателем микроциркуляции и характеризует среднюю скорость движения эритроцитов в исследуемом участке ткани. Он вычисляется по формуле
ПМ=Ж х V , эр ср
где N—количество эритроцитов в зондируемом
объеме; V — средняя скорость эритроцитов. Рис. 2. Принцип действия метода ЛДФ.
На мониторе ПМ представляет собой кривую зависимости скорости кровотока от времени. Значение ПМ зависит от оптической проницаемости и индивидуальных особенностей васкуляризации кожи, вычисляется в относительных единицах. Функциональную значимость в оценке состояния микроциркуляции имеют частотные составляющие сигнала, которые определяются из спектров.
Исследования проводились при помощи системы Biopac MP100 с волноводным зондом, объем исследуемого участка составлял порядка 1 мм2. Использовано оригинальное программное обеспечение от Biopac, где показатель микроциркуляции ПМ обозначен как BPU (Blood Perfusion Unit). На спектрах по горизонтальной оси откладывается частота в герцах, по вертикальной — относительный вклад частотных гармоник, обозначенный как Magnitude.
В качестве источника излучения применяется инжекционный лазер с длиной волны порядка 680 нм. Выбор красного диапазона обусловлен тем фактом, что эта область спектра наиболее эффективно отражается от эритроцитов.
Вектор скорости движения эритроцитов является суммой двух составляющих: поступательного и броуновского движений. Рассмотрим два случая:
• Доминирует поступательная составляющая. Имеет место преобладание векторов скорости движения эритроцитов одного направления. Регистрируется ЛДФ-сигнал, прямо пропорциональный средней скорости движения эритроцитов в исследуемом участке. Основной движущей силой поступательного движения крови является насосная функция сердца, поэтому сердечный ритм является несущей частотой в ЛДФ-грамме. Регистрируются периодические колебания соответствующих ритму сердечных сокращений. Любые факторы, влияющие на вектор скорости кровотока (например изменение равновесия притока и оттока в микроциркуляторном русле), будут отражены на ЛДФ- грамме в виде появления различных модуляций сердечного ритма.
• Хаотическое движение доминирует над поступательным. Поступательное движение эритроцитов не наблюдается. Регистрируется монотонный немодулированный сигнал, состоящий из суперпозиции хаотических разнонаправленных векторов скорости большого числа эритроцитов.
Постановка эксперимента и методы анализа ЛДФ-грамм. Капиллярный кровоток исследовался на следующих участках тела: тыл стопы и голень. Для стабилизации гемодинамики пациент спокойно лежал на смотровом столе в течение 15 мин, после чего начинался сбор данных. Суммарное время записи составляло не менее 10 мин. Изучалось фоновое состояние микроциркуляции на различных стадиях лимфедемы. Для выделения волновых составляющих использовалась специальная процедура спектрального анализа. При помощи спектрального анализа сложная суперпозиция периодических сигналов раскладывается на элементарные гармонические составляющие. Для этого использовали специальные алгоритмы, которые получили название преобразования Фурье. В результате получается частотный спектр периодических колебаний, составляющих исходный ЛДФ-сигнал. На графике виде, по оси абсцисс откладываются частоты, по оси ординат — их амплитуды.
Результаты экспериментальных исследований. Гидратация в микрогемолим- фоциркуляторном русле находится под сложным многопараметрическим регуляторным контролем системных (физических, нервных, гормональных) и местных (физико-химическое состояние интерстиция) факторов с участием реактивности сосудистой стенки [1-5, 7, 10]. Влияние большинства из этих факторов складывается не только из постоянной составляющей, но и из переменного динамического колебательного компонента, особенно значимого на уровне кровеносных и лимфатических капилляров [3, 4, 6-8, 14]. Однако в литературе отсутствуют систематизированные исследования соотношения количественных параметров микрогемолимфоциркуляции, в том числе колебаний системного и локального кровотока, определяемых при помощи ЛДФ. К тому же методические приемы анализа параметров гемолимфоциркуляции у больных с лимфатическими отеками во многом остаются несовершенными, что существенно затрудняет оценку их состояния.
В ЛДФ-картине нормальной гемолимфомикроциркуляции (рис. 3, а) наблюдаются регулярные, четко различимые пульсовые волны. Спектральный анализ данной ЛДФ (рис. 3, б) выявляет следующие составляющие: в области 1,0-1,4 Гц присутствует выраженный пик, соответствующий сердечному ритму (пульсовая гармоника — ПГ), уширение пика связано с нормальной активацией хронотропной регуляции вегетативной нервной системой. В области 0,04-0,5 Гц проявляется спектральная линия, соответствующая медленноволновой модуляции (медленноволновая гармоника — МГ) сердечного ритма на частоте 0,08 Гц.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Нг
Рис. 3. ЛДФ-грамма фонового состояния микроциркуляции здоровой ноги. а ■ временная развертка ЛДФ-сигнала, б — спектр ЛДФ-сигнала
Как уже упоминалось, показатель микроциркуляции ПМ измеряется в относительных единицах, поэтому для оценки состояния гидратации ткани предлагается ввести параметр ПГ/МГ, который представляет собой соотношение амплитуд спектральных линий пульсовой и медленноволновой гармоник. Для случая нормы оценено значение ПГ/МГ ~ 2,60 исходя из спектра ЛДФ-сигнала (см. рис. 3).
В норме система гемолимфомикроциркуляции строго контролирует гидратацию локальной межтканевой среды: 17 л интерстициальной жидкости попадает в венозную часть капилляра и 3 л в лимфатический капилляр в соответствии с физико-химическими параметрами окружающего пространства. При увеличении объема интерстициальной жидкости происходит адекватное повышение резорбирующей функции лимфатических сосудов. Нормализация объема интерстициальной жидкости осуществляется несколькими путями: усиливается работа откидных клапанов инициальных сосудов в результате повышения гидростатического давления в интерстиции, увеличивается дренажная функция из-за ультрафильтрации в лимфатических капиллярах, повышается транспортная функция лимфангионов, так как возрастает внутрисосудистое давление. Вместе с жидкостью из крови в интерстиций за сутки проникает 50-100 % всех циркулирующих в плазме белков. Нормально функционирующие инициальные лимфатические сосуды возвращают их большую часть в кровеносное русло и таким образом регулируют экстраваскулярное обращение плазменных белков.
Особую роль лимфатические капилляры в связи с этим выполняют по распространению иммунной памяти: из-за большой молекулярной массы антитела не могут из артериального конца попасть прямо в венозный конец капилляра. Повторный иммунный ответ на антиген связан с перемещением антител по сложной сети лимфатических сосудов, перед тем как антитела возвратятся в системный кровоток. Нарушение функции лимфатической системы, например, у больных с лимфедемой, возможно, является одной из причин высокой восприимчивости данных пациентов к инфекции. Таким образом, гемолимфомикроциркуляторное ложе контролирует нормальный уровень гидратации тканей и упруговязкие свойства окружающей клеточной среды. Анализ приведенной выше кривой ЛДФ-сигнала полностью отображает функционирование этой системы.
ЛДФ-сигнал при лимфедеме на стадии А представляет собой «белый шум», оценить соотношение гармоник ПГ/МГ не представляется возможным (рис. 4).
Рис. 4. ЛДФ-грамма фонового состояния микроциркуляции больной К. с лимфедемой на стадии А. а — временная развертка ЛДФ — сигнала, б — спектр ЛДФ-сигнала.
На стадии Б лимфедемы, спектр характеризуется гармониками в области 1,0-1,4 Гц (сердечный ритм — ПГ) и 0,04-0,5 Гц (медленноволновая модуляция — МГ) (рис. 5). Для этой стадии значение ПГ/МГ ~ 0,85.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Time, sec Hz
Рис. 5. ЛДФ-грамма фонового состояния микроциркуляции больной А. с лимфедемой на стадии Б. a — временная развертка ЛДФ — сигнала, б — спектр ЛДФ-сигнала.
Рис. 6. ЛДФ — грамма фонового состояния микроциркуляции больной С. с лимфедемой стадии В. а — временная развертка ЛДФ-сигнала, б — спектр ЛДФ-сигнала.
На стадии В лимфедемы спектр характеризуется гармониками в области 1,0— 1,4 Гц (сердечный ритм) и 0,04-0,15 Гц (медленноволновая модуляция — МГ) (рис. 6). Для этой стадии значение ПГ/МГ ~ 0,25.
Обсуждение результатов. Выше представлены записи флоуметрических сигналов нижних конечностей как у здоровых людей, так и у больных на различных стадиях лимфедемы. Исходные единицы ПМ зависят от множества субьективных факторов, например толщины и пигментации кожи, т. е. всех факторов, которые влияют на оптическую прозрачность для лазерного луча. Поэтому для оценки состояния ткани использован показатель ПГ/МГ, который является соотношением гармоник, соответствующих пульсовой и медленноволновой составляющим, что характеризует степень гидратации и механическую проводимость ткани.
У здорового человека имеют место четкие пульсовые колебания (см. рис. 3). Периодическая модуляция определяется только спектрально, пульсовая гармоника ПГ превосходит по интенсивности гармонику МГ более чем в два раза: ПГ/МГ>2,6.
У больной лимфедемой на стадии А регистрируется «белый шум» (см. рис. 4), гармоники регулярных ритмов отсутствуют. На этой стадии заболевания гидростатическое давление в интерстиции становится выше, чем в лимфатических капиллярах. Откидные клапаны начальных участков лимфатических капилляров, роль которых выполняют эндотелиальные клетки, в этих условиях (повышение гидратации) увеличивают дренаж избытка интерстициальной жидкости: локальный отек приводит к набуханию волокнистых структур основного вещества матрикса, что в свою очередь натягивает якорные филаменты и увеличивает сброс жидкости и макромолекул в расширившиеся лимфатические капилляры. Это объясняется тем, что в исследуемом объеме преобладает хаотическое тепловое (броуновское) движение эритроцитов, нормальный регулярный поступательный ток крови демпфируется. Регистрации ритмического импульса в ми- кроциркуляторной картине препятствует накопление жидко- и крупнодисперсных молекул в исследуемой области при нарушенном оттоке. На стадии Б (см. рис. 5) имеет место медленноволновая модуляция поступательного движения крови на частоте 0,08 Гц. Гармоника медленного ритма 0,08 Гц превосходит по амплитуде пульсовую гармонику 1,15 Гц: ПГ/МГ~0,85. Изменение ЛДФ-сигнала произошло из-за снижения эластичности тканей в результате нарушения функций лимфатического дренажа и деструкции волокон матрикса, что привело
к началу формирования фиброза. Кажущееся улучшение кровообращения связано с хорошей механической проводимостью колебаний твердыми тканями. Происходящие патологические процессы манифестируются увеличением амплитуды модуляции пульсовой волны медленным ритмом частотой около 0,08 Гц. Выявленный паттерн медленноволновых колебаний может служить ЛДФ-тестом для диагностики стадии заболевания.
Стадия В (см. рис. 6) характеризуется нарастанием амплитуды медленноволновых колебаний по сравнению с предыдущими стадиями. Соотношение ПГ/МГ < 0,25.
При анализе выявляется зависимость показателя ПГ/МГ от стадии заболевания. Для наглядности приводим гистограмму (рис. 7), которая демонстрирует, что по мере прогрессирования заболевания значение ПГ/МГ снижается. Это свидетельствует об увеличении плотности тканей в области исследования микроциркуляции. Если у здорового человека (см.
рис. 3) регистрации ритмического импульса в медленноволновой области препятствует эластичность тканей, то по мере нарастания отека и развития фиброза увеличивается механическая проводимость, что выявляется посредством роста амплитуды модуляции ЛДФ-сигнала медленными ритмами (см. рис. 5, 6).
Как видно из рисунка, у здорового человека показатель ПГ/МГ максимален.
На стадии А регистрируется спектр «белого шума», что не позволяет выделить какие-либо отдельные гармоники, поэтому адекватно оценить показатель ПГ/МГ не представляется возможным. Пустая ячейка оставлена намеренно для демонстрации описанного явления и лучшей визуализации стадийности процесса по сравнению с состоянием нормы. На стадиях Б и В показатель ПГ/МГ снижается до минимального значения.
В заключение можно сделать ряд выводов. При помощи метода лазерной допплеровской флоуметрии рассмотрена структура микроциркуляции нижних конечностей на различных стадиях лимфедемы. Метод ЛДФ адекватно отображает изменения гидратации тканей человека и может служить для диагностики патологических изменений на различных стадиях указанного заболевания.
Предложен показатель ПГ/МГ, который характеризует механическую проводимость ткани, следовательно, позволяет диагностировать нарастание в ткани отека и фиброза путем регистрации транслируемых медленных ритмов на ЛДФ-грамме. По мере развития заболевания увеличивается ригидность тканей, что приводит к росту гармоники, соответствующей медленному ритму в области частот 0,08 Гц. При этом интенсивность пульсовой волны не меняется. С течением заболевания показатель ПГ/МГ снижается.
Литература
1. Поташов Л. В., Бубнова Н. А., Орлов Р. С. и др. Хирургическая лимфология. СПб., 2002. 273 с.
3,0 Показатель ГГГ7МГ, отн. ед
0 2,60
2,5
0
2,0
0
1,5
0
1,0 0,85
0
0,5 0,25
0
0,0
0
Здоровый Стадия А Стадия Б стадия В человек
Рис. 7. Зависимость параметра ПГ/МГ от стадии заболевания.
2. Бубнова Н. А., Фионик О. В. Лимфедема нижних конечностей // Медицина XXI век. 2006. Т. 2. № 2. С. 74-75.
3. Петров С. В., Бубнова Н.А., Фионик О. В., Семенов А. Ю. Хирургия лимфедемы нижних конечностей: Анализ 20-летней деятельности // Вестн. С.- Петерб. ун-та. Сер. 11. 2006. Вып. 1. С. 87-93.
4. Русньяк И., Фельди М., Сабо Д. Физиология и патология лимфообращения: Пер. с венг. Будапешт, 1957.
5. Casley-Smith J. R., Foldi M., Casley-Smith Y. Lymphangiology. Stuttgart, 1983.
6. Olszewski W. L. Lymph stasis: Pathophysiology, diagnosis and treatment. Boca Raton, 1991.
7. Орлов Р. С., Борисов А. В., Борисова Р. П. Лимфатические сосуды: Структура и механизм сократительной активности. Л., 1983. 254 с.
8. Бородин Ю. И., Сапин М. С., Этинген Л. Б. и др. Общая анатомия лимфатической системы. Новосибирск, 1990. 243 с.
9. FoldiM., KubikS. Lehrbuch der Lymphologie. 3rd ed. Stuttgart, Germany, 1983.
10. Casley-Smith J. R. The fine structure and fine functioning of initial lymphatics // Advances in Lymphology // Eds. V. Bartos, J. W. Davidson. Prague, Czech Republic, 1982.
11. Kubik J. Die hydrodynamischen und mehanischen Faktoren in der Lymphzirkulation. Ada Morph Acad Sci Himgaricae. 1952;l-2:Fasicule 2.
12. Ерофеев Н. П., Вчерашний Д. Б. Современные представления о физиологии лимфото- ка // Медицина XXI век. 2006. Т. 3. № 4. С. 40-43.
13. Trzewik Ju., Mallipattu S. K., Artmann G. M., Delano F. A. and Schmid-Schonbein G. W., Evidence for a second valve system in lymphatics: endothelial microvalves // The FASEB J. 2001. № 15. С. 1711-1717.
14. Лазерная допплеровская флоуметрия микроциркуляции крови: Руководство для врачей // Под ред. А. И. Крупаткина, В. В. Сидорова. ОАО «Издательство «Медицина», 2005; 256.
Статья принята к печати 20 июня 2007 г.
