CC BY
45
УДК 531/534: [57+61]
Российский
Журнал
Биомеханики
www.biomech.ru
РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСКАПИЛЛЯРНОГО ОБМЕНА ПУЛЬСОВЫМ ДАВЛЕНИЕМ КРОВИ
С.Н. Багаев1, В.Н. Захаров1, В.А. Орлов1, С.В. Панов1, А.С. Ратушняк2,
Т.А. Запара2
1 Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, 630090, Новосибирск, проспект академика Лаврентьева,13/3, e-mail: [email protected]
2 Конструкторско-технологический институт вычислительной техники Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 6
Аннотация. Исследуются физические механизмы транскапиллярного обмена живого организма. Объектом исследования являются лабораторные животные, а в качестве экспериментальных средств используются оригинальные лазерный и электрофизиологический методы.
Ключевые слова: микроциркуляция крови, обмен веществ, систолическое давление, диастолическое давление, пульсовое давление.
Введение
Актуальность решения проблемы микроциркуляции крови и транскапиллярного обмена обусловлена тем, что традиционные представления о функционировании звена микрогемоциркуляции являются противоречивыми. Исследования в этой области в основном имели морфологическую направленность. Применение световой и электронной микроскопии способствовало накоплению знаний о строении микрососудов системы кровообращения. При этом изучению физических механизмов микроциркуляции крови и транскапиллярного обмена не было уделено должного внимания. Согласно традиционным представлениям газообмен и обмен веществ осуществляется за счет молекулярной физической диффузии. Этот процесс медленный и не может за короткое время, в течение которого кровь находится в капилляре, осуществить газообмен и обмен веществ.
Считают, что в просвет капилляра постоянно проникает углекислый газ, понижающий рН крови, обеспечивая биохимические условия для выхода кислорода из эритроцитов. В этой последовательности событий, которые должны происходить за короткое время, нет условий для переноса кислорода из капилляров в интерстициальное пространство. В такой модели через стенку капилляра одновременно с противоположным направлением транспортируются кислород и углекислый газ. Эти процессы рассматривались на протяжении одиночного капилляра [4, 5]. В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований, направленных на выявление физических механизмов газообмена и обмена веществ в функционировании звена микрогемоциркуляции.
© Багаев С.Н., Захаров В.Н., Орлов В.А., Панов С.В., Ратушняк А.С., Запара Т.А., 2008
Оригинальные методы и результаты исследований
Методологический подход, примененный авторами, предусматривал исследование преемственных связей в функционировании сердца, магистральных кровеносных сосудов и микрососудистого русла. Обнаружение таких связей на системном уровне необходимо для более полного раскрытия механизмов, ответственных за газообмен и обмен веществ. Основанием к такому подходу исследований являются фундаментальные результаты авторов в области биомеханики кровообращения.
Использование рентгеноконтрастного метода визуализации потоков крови в кровеносном русле привело к обнаружению явления образования винтового потока крови в сердечно-сосудистой системе человека и животных [7, 8]. Изучение этого явления позволило:
• обосновать активную роль артерий в поддержании винтового движения крови за счет сокращения спирально упакованных мышечных элементов кровеносных сосудов [2];
• раскрыть природу диастолического артериального давления, связанного с энергией вращательного компонента движения крови и направленного на преодоление сосудистого сопротивления [2];
• установить законы ветвления кровеносных сосудов, определяющих связь морфометрических и динамических параметров кровотока в окрестности узлов сосудистых бифуркаций [1].
Для неинвазивного изучения микроциркуляции крови и транскапиллярного обмена на живых объектах использовалась специально разработанная прецизионная лазерная установка. Она позволяет измерять малые перемещения и скорости микрообъектов на основе применения оригинального фазочувствительного лазерного метода спектроскопии светового рассеяния. Принцип работы этой установки и результаты, полученные с ее помощью, изложены в работах авторов [3, 6]. Применение лазерного метода в исследовании биомеханики микроциркуляции крови привело к обнаружению явления локальных высокочастотных поперечных перемещений стенок артериол и венул [3, 6]. Изучение этого явления позволило:
• установить связь локальных высокочастотных перемещений стенок микрососудов с сокращением гладкомышечных клеток артериол и венул;
• обнаружить линейную зависимость частоты колебаний стенок микрососудов со скоростью кровотока в них;
• предложить описание механизма газообмена, основанного на изменении рН крови при сокращении гладкомышечных клеток артериол.
С целью изучения биоэлектрических процессов, сопровождающих микроциркуляцию крови и транскапиллярный обмен, использовался аппаратнопрограммный комплекс для регистрации электрических сигналов от одиночных гладкомышечных клеток артериол и венул, а также от стенок капилляров. Он позволил на клеточном уровне производить локальные измерения мембранных электрических потенциалов от гладкомышечных клеток стенок артериол и венул. Схема электрофизиологической установки представлена на рис. 1. Созданное устройство включает: регистрирующий электрод (Э), усилитель (У), аналогово-цифровой
преобразователь (АЦП), вычислительный комплекс (ВК), визуализатор аналогового сигнала (В).
В экспериментальных условиях исследовались электрические процессы в стенках микрососудов перепонок шпорцевых лягушек, у которых дыхание преимущественно кожное. Для того чтобы обеспечить дыхание животного, достаточно было сохранять влажность ее кожных покровов путем смачивания их физиологическим
О
КС
Рис. 1. Установка для электрофизиологических исследований: М - микроскоп;
КС - координатный стол с микрообъектом; У - усилитель-преобразователь;
ВК - вычислительный комплекс
раствором. Полное обездвиживание лягушек достигалось внутримышечным введением раствора ардуана по расчетной схеме дозировки препарата. При этом наступала полная релаксация скелетной мускулатуры на период до 90 минут, а сердечная деятельность и функция гладкой мускулатуры сохранялись. Обездвиженный живой объект фиксировался и помещался в экспериментальную камеру. Проведение таких экспериментов на млекопитающих затруднительно, поскольку необходима искусственная вентиляция легких, которая сопровождается значительными механическими помехами.
Идентификация изучаемого микрососуда (артериола, капилляр, венула) перепонки и подведение к нему электрода осуществлялись с помощью микроскопа. Отведение электрических потенциалов производили с помощью стеклянных электродов-микропипеток с диаметром концевой части менее 1 мкм, заполненных 0,95% физиологическим раствором с сопротивлением 5-30 мОм. Регистрировались колебания интегрального экстраклеточного потенциала и мембранные потенциалы от гладкомышечных клеток стенок артериол и венул, а также от эндотелия стенок капилляров системы кровообращения. Позиционирование отводящих электродов и обеспечение их непосредственного контакта со стенкой микрососуда проводили под визуальным контролем с помощью микроманипуляторов Carl Zeiss. Сигнал усиливался с помощью стандартного экстраклеточного усилителя. В качестве индифферентного электрода использовали хлоро-серебряный прессованный электрод, помещенный в омывающий 0,95% физиологический раствор. Усиленный аналоговый сигнал переводили в цифровую форму с помощью АЦП (L-card L 1250), регистрировали и обрабатывали с помощью вычислительного комплекса.
Проведены электрофизиологические опыты для получения данных о наличии электрических сигналов от одиночных гладкомышечных клеток микрососудов, сопровождающих их сокращения. Такие измерения выполнены на артериолах, капиллярах и венулах в условиях прямого контакта микроэлектрода со стенкой микрососуда. От всех микрососудов получены сигналы, связанные с процессами
сокращения гладкомышечных элементов. Зарегистрированные вариации сигнала указывают на сложный немонотонный характер наблюдаемого электрического потенциала, в котором наряду с медленными процессами с периодами длительностью 3-4 с существуют также и быстрые процессы с периодами Т = 10"1-10"2 с (рис. 2). Медленные квазипериодические колебания с большой амплитудой 50-200 мВ характеризуются передним крутым и задним пологим фронтами. С одной стороны, временные характеристики медленных колебаний с периодичностью, равной сердечным сокращениям, показали, что их происхождение связано с пульсовым давлением крови. С другой стороны, наблюдаемый факт требовал объяснения функциональной роли пульсового давления крови в микрососудистом русле, поскольку при микроциркуляции не наблюдается изменения скорости кровотока в артериолах, капиллярах и венулах на протяжении всего периода сердечного цикла. Действительно, прямые наблюдения кровотока в микрососудах с помощью микроскопа и результаты лазерных измерений показывают, что в звене микрогемоциркуляции кровь движется с постоянной скоростью.
Значение скорости может медленно изменяться во времени в зависимости от физиологического состояния организма, когда изменяется частота сердечных сокращений и минутный объем кровообращения. Отсутствие пульсирующего кровотока в микрососудах объясняется тем, что энергия пульсового давления, передающегося со скоростью звука в среде от сердца и магистральных артерий в микрососуды, полностью затрачивается на растяжение эластичных стенок артериол, капилляров и венул.
Прямым доказательством того, что импульсная часть давления затрачивается на растяжение упругих стенок микрососудов, являются экспериментальные данные, полученные с помощью неинвазивного высокочувствительного лазерного метода. Лазерным методом в отличие от электрофизиологического регистрировались не электрические потенциалы, а локальные радиальные механические перемещения стенок микрососудов. Ранее авторами наблюдались только высокочастотные перемещения стенок микрососудов, связанные с сокращениями их гладкомышечных элементов [3, 6]. Специально поставленными опытами с использованием лазерного
И 4
О 4 8 12 16 20
I, с
Рис. 3. Вариации амплитуды локальных перемещений
метода медленные перемещения стенок микрососудов также были обнаружены и зарегистрированы (рис. 3).
Важно отметить, что амплитуды быстрых осцилляций, зарегистрированные и тем и другим методами, имеют один и тот же 10% уровень по отношению к медленным пульсациям, а их частоты находятся в одном и том же спектральном диапазоне (рис. 4, 5). Это указывает на то, что высокочастотные колебания стенок микрососудов, обнаруженные лазерным и электрофизиологическим методами, имеют одно и то же происхождение, связанное с сокращением отдельной гладкомышечной клетки. Поскольку полуширина спектральной плотности механических деформационных колебаний несколько шире электрических, это указывает на то, что последние являются следствием первых. Аналогичные измерения по регистрации медленных пульсовых колебаний с использованием двух методик проведены также на капиллярах и венулах. Таким образом, сочетание лазерного и электрофизиологического методов привело к обнаружению явления наведенного биоэлектричества на стенках микрососудов при их деформациии. Изучение этого явления позволило:
• обнаружить связь наведенных электрических сигналов с ритмом сердечных сокращений;
• установить связь электрических сигналов, регистрируемых на микрососудах, с
механическими перемещениями их стенок, обусловленных пульсовой волной
давления крови.
Изучение механизмов транспортной функции сердечно-сосудистой системы, а также исследования микроциркуляции крови и транскапиллярного обмена лазерным и электрофизиологическим методами позволили авторам по-новому показать функциональные преемственные связи различных отделов системы кровообращения.
Для понимания биомеханики сердца и крупных магистральных сосудов
основополагающее значение имеет явление образования винтового потока крови в сердечно-сосудистой системе человека и животных [7, 8], а для биомеханики звена микрогемоциркуляции - явление локальных поперечных перемещений стенок
микрососудов в акустическом диапазоне частот [3, 6]. Энергия вращательного компонента винтового потока крови обеспечивает существование распределенного диастолического градиента давления в артериях, направленного на преодоление периферического сопротивления потоку крови, и создает равномерное движение крови
в звене микрогемоциркуляции (рис. 6). Импульсное, пульсовое давление крови, связанное с сердечным выбросом и равное разности систолического и диастолического артериального давления, проникает в звено микрогемоциркуляции со скоростью звука, затрачивается на растяжение стенок микрососудов, запускает в них высокочастотные сокращения гладкомышечных клеток и реализует главнейший процесс жизнедеятельности организма - транскапиллярный обмен.
Проведенный анализ полученных результатов показывает, что регуляция транскапиллярного обмена осуществляется автоматически пульсовым давлением
крови. В момент сердечного выброса в протяженном кровеносном русле возникает прирост давления крови, величина которого в начале артериального русла максимальна, а в капиллярах уменьшается вдвое. Данный быстрый импульсный прирост давления не приводит к изменению убывающего градиента диастолического давления, сохраняющего равномерность кровотока в микрососудистом русле, а аккумулируется в энергии упругой деформации стенок микрососудов при их растяжении.
При изменении давления в капиллярах от максимального до минимального значений энергия импульсной составляющей систолического артериального давления крови активно расходуется на обеспечение транскапиллярного обмена. Когда давление крови в артериальной сети капилляров превышает уровень интерстициального давления, кислород и питательные вещества направленно поступают из артериальных ветвящихся капилляров в интерстициальное пространство. Когда давление крови в венозной сети капилляров ниже интерстициального давления, углекислый газ и продукты метаболизма поступают из интерстициального пространства в венозные сходящиеся капилляры. Эти два процесса разнесены не только во времени, но ив пространстве. Существует разделение функций артериальной и венозной сетей капилляров. Наряду с этим импульсное давление крови возбуждает гладкомышечные клетки артериол, которые сокращаются в акустическом диапазоне частот. Предполагается, что при сокращении гладкомышечных элементов артериол происходит поступление ионов водорода в их просвет, источником которых является биохимическое превращение АТФ, в результате чего понижается pH плазмы крови и создаются необходимые условия для выделения кислорода из эритроцитов непосредственно в артериолах.
Интенсивность газообмена и обмена веществ регулируется по запросу тканей и клеток нейрогуморальными механизмами, изменяющими частоту сердечных сокращений, скорость кровотока и минутный объем кровообращения для обеспечения
мм рт.ст.
40
пульсово-
давлени«
интерстициальный
0 ! давления
диастолический градиент артериального
Рис. 6. Вариации давления крови в капиллярном русле: вверху - показатели давления, внизу - схематическое изображение микрососудистого русла системы
кровообращения
необходимого, должного уровня газообмена и обмена веществ в конкретных физиологических условиях жизнедеятельности организма.
Заключение
Проведение электрофизиологических исследований звена
микрогемоциркуляции явилось важным дополнением в изучении транспортной функции сердечно-сосудистой системы в целом. Эти исследования позволили обосновать роль пульсовой волны давления крови в транскапиллярном обмене и разделении функций артериальных и венозных капилляров и предложить новую концепцию функциональной организации, регуляции и управления транскапиллярным обменом.
Список литературы
1. Багаев, С.Н. Законы ветвления кровеносных сосудов / С.Н. Багаев, В.Н. Захаров, В.А. Орлов // Российский журнал биомеханики. - 2002. - Т. 6, № 4. - С. 13-29.
2. Багаев, С.Н. О необходимости винтового движения крови / С.Н. Багаев, В.Н. Захаров, В.А. Орлов // Российский журнал биомеханики. - 2002. - Т. 6, № 4. - С. 30-50.
3. Багаев, С.Н. Исследование физических механизмов микроциркуляции крови и транскапилллярного обмена с использованием фазочувствительного лазерного метода / С.Н. Багаев, В.Н. Захаров,
B.А. Орлов, С.В. Панов, Ю.Н. Фомин // Российский журнал биомеханики. - 2006. - Т. 10, № 3. -
C. 22-40.
4. Камкин, А.Г. Фундаметальная и клиническая физиология / под ред. А.Г. Камкина и А.А. Каменского. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.
5. Чернух, А.М. Микроциркуляция / А.М. Чернух, П.Н. Александров, О.В. Алексеев. - М.: Медицина, 1975.
6. Bagayev, S.N. Investigation of transcapillary exchange by the laser method / S.N. Bagayev, Yu.N. Fomin, V.A. Orlov, S.V. Panov, V.N. Zakharov, M.G. Metyolkin // Laser Physics. - 2005. - Vol. 15, No. 9. -P. 1292-1298.
7. Zakharov, V.N. The new conception of blood microcirculation mechanics / V.N. Zakharov // Cardiovascular Engineering. - 1998. - Vol. 3, No. 2. - P. 100-104.
8. Zakharov, V.N. New principles of circulation mechanics / V.N. Zakharov // European Journal for Cardiac Interventions. - 1995. - Vol. 4, No. 1. - P. 3-13.
TRANSCAPILLARY EXCHANGE REGULATION BY PULSE BLOOD PRESSURE
S.N. Bagayev, V.N. Zakharov, V.A. Orlov, S.V. Panov,
A.S. Ratushnyak, T.A. Zapara (Novosibirsk, Russia)
The mechanisms of transcapillary exchange in the living organism were investigated. Laboratory animals were used as the specimens; original laser and electrophysiological methods were used as experimental tools.
Key words: blood microcirculation, metabolism, systolic pressure, diastolic pressure, pulse pressure.
Получено 14 июня 2008
