книги / Экспериментальные методы в биомеханике

8.Основы физиологии человека. Т. 1, 2 / под ред. Б.И. Тка-

ченко, – СПб., 1994. – 865 с.

9.Физиология человека / под ред. Г.И. Косицкого. – М.: Меди-

цина, 1985, – 560 с.

10.Физиология человека: учеб. для студентов мед. вузов / под ред. В.М. Смирнова. – М.: Медицина, 2001. – 606 с.

11.Яруллин X.X. Клиническая реоэнцефалография / X.X. Ярул-

лин. – М.: Медицина, 1983. – 314 с.

141

Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ МИКРОЦИРКУЛЯЦИИ

4.1. Строение и функционирование системы микроциркуляции

Процессы обмена веществ в организме осуществляются с помощью кровеносной и лимфатической систем. Но крупные артерии, вены и лимфатические сосуды в основном занимаются транспортом крови и лимфы. А все процессы доставки клеткам необходимых веществ и отведения от них метаболитов происходят на уровне микроциркуляторного русла.

Термин «микроциркуляция» был введен в 1954 году в США на Конгрессе по физиологии и патологии микроциркуляции [12]. Микроциркуляция – это движение крови и лимфы в терминальном сосудистом русле и транспорт внесосудистой тканевой жидкости, который включает транскапиллярный обмен, интерстициальный транспорт, начальный лимфатический дренаж тканей.

На уровне микроциркуляции реализуются основные физиологические функции обмена веществ. В норме система микроциркуляции осуществляет газовый, гидроионный, микро- и макромолекулярный виды обмена со многими звеньями регуляции на разных уровнях.

Любые патологические процессы, происходящие в организме человека, вызывают различные изменения кровотока, отражающие нарушения гомеостаза. При этом показатели центральной гемодинамики часто не дают истинной картины периферического кровообращения и изменяются лишь тогда, когда наступают не только выраженные, но порой и необратимые изменения микроциркуляции. Расстройства же микроциркуляции при острых и хронических заболеваниях возникают раньше и держатся дольше клинических проявлений и определяют тяжесть заболевания.

В данном разделе рассмотрим строение и функционирование микроциркуляторного русла. Прежде всего дадим краткий обзор строения и функции кровеносной и лимфатической систем в целом, а затем подробнее остановимся на микроциркуляторной системе.

142

4.1.1. Строение микроциркуляторного русла

Микроциркуляторное русло начинается там, где сосуды начинают испытывать влияние со стороны внесосудистых элементов. На уровне микроциркуляторного русла исчезает отграниченность сосудов от ткани, рабочие структуры сосудистой стенки вступают

вподчинение новому регуляторному механизму, приспосабливаются к уровню тканевого и органного метаболизма. Микроциркуляторная часть сосудистого русла способна к адаптации и может менять свои структурные и функциональные характеристики в ответ на различные стимулы.

Структура микроциркуляторного русла складывается из трех звеньев. Первое звено начинается с артериол, которые возникают

врезультате деления артерий. Артериолы отличаются от артерий тем, что в составе средней оболочки их стенки мышечные клетки располагаются в один ряд. Диаметр артериол в различных органах и тканях составляет от 30 до 200 мкм [13, 16, 18]. Наличие мышечных клеток в стенках объясняет поддержание тонуса и механизм активной регуляции их просвета. В гемососудистой системе именно стенки артериол оказывают максимальное сопротивление току кро-

ви (до 80 %).

Ветви артериол, содержащие расположенные беспорядочно гладкомышечные клетки, получили название терминальных в связи с тем, что они заканчиваются капиллярной сетью и не имеют между собой соединений, таких как анастомозы или аркады. Диаметр терминальных артериол (метартериол) составляет 10–15 мкм [13, 16, 18].

Вобласти перехода метартериол в капилляры, где сопротивление току крови особенно велико, находятся прекапиллярные сфинктерные сосуды – распределители капиллярного кровотока, регулирующие количество участвующих в обменных процессах капилляров.

Равномерный ток и давление крови в капиллярах регулируется изменением тонуса терминальных артериол, которое имеет цикличный характер, т.е. периоды расширения чередуются с периодами сужения (вазомоции). Вазомоции меняют скорость кровотока, распределение крови, капиллярный гематокрит (количество формен-

143

ных элементов крови), уровень гидростатического давления и интенсивность транскапиллярного обмена жидкости. Продукты метаболизма клеток, накапливаясь в тканях, вызывают расширение прекапиллярных сфинктеров. По мере удаления сосудов от главных магистралей они оказываются все более приспособленными к местной прямой регуляции, которая не всегда и не полностью зависит от работы нервной системы.

Наиболее важным (вторым) звеном в сети микроциркуляции является звено обмена, представленное прекапиллярами, кровеносными и лимфатическими капиллярами, лимфатическими посткапиллярами и посткапиллярными участками венул.

В результате деления метартериол образуются капилляры, представляющие собой тонкие (толщина стенки сосуда равна толщине эндотелиальной клетки, диаметр которой составляет 2–22 мкм) эндотелиальные трубки [13, 16, 18]. Пронизывая все органы и ткани, они делятся на новые капилляры, образуя капиллярное русло. Общее число кровеносных капилляров у человека массой 70 кг около 40 000 млн, а их обменная площадь составляет 103 м2. Количество «открытых» капилляров в значительной мере зависит от деятельности прекапиллярных сфинктерных механизмов и функциональной нагрузки органа или ткани. В состоянии относительного покоя функционирует только 20–35 % капилляров. В состоянии нагрузки количество «открытых» капилляров может увеличиваться и составлять 50–60 %.

Для выполнения функции обмена наиболее приспособленными в структурном отношении являются стенки капилляров и посткапиллярных венул, отчасти – артериол и мелких коллекторных вен. Стенки капилляров и венул представлены лишь слоем эндотелиальных клеток и базальной мембраной. Проницаемость стенки капилляра связывают с отсутствием замыкающих эндотелиальных контактов, расхождением краев эндотелиальных клеток и образованием «люков» при растяжении стенки сосуда, наличием пор и фенестр (окон) в стенке, а также с большой контактирующей поверхностью сосуда.

Капилляры на венозном конце имеют в три раза более высокий коэффициент проницаемости, чем на артериальном. Такая органи-

144

зация микроциркуляторной системы необходима для сохранения постоянства потери жидкости при фильтрации в капиллярах; падение гидростатического давления уравновешивается более высокой гидродинамической проводимостью сосудистого барьера.

Третье звено микроциркуляции – венулярное звено, призванное обеспечить отток из микроциркуляторной сети и поддержать равновесие в кровеносной системе.

Венозная система осуществляет удаление метаболитов из тканей и выполняет депонирующую функцию, направленную на поддержание адекватного объема крови в сосудах, ее перераспределение в сердечно-сосудистой системе и обеспечение притока к сердцу.

Венозная система микроциркуляторного русла образуется после слияния посткапилляров. Мелкие венулы (10–50 мкм в диаметре) впадают в более крупные, образуя сложную сеть. С увеличением диаметра венул увеличивается и количество прилегающих к их стенке адвентициальных клеток. Гладкомышечные клетки в стенке венулы начинают появляться по достижении диаметра 80–100 мкм.

Вены по сравнению с артериями находятся в области низкого давления, что обусловило появление в венах специальных структурных приспособлений – клапанов, препятствующих возвратному кровотоку.

Одним из важных компонентов микрогемососудистого русла являются артериовенозные анастомозы (шунты и полушунты), которые представляют собой коммуникации между встречными потоками крови с разным давлением. Разница в давлении не должна быть очень велика, и поэтому большинство анастомозов принадлежат терминальному микрососудистому руслу. Анастомоз представляет собой тонкостенный сосуд, который в начальном своем отделе имеет в составе стенки гладкомышечные элементы. Калибр артериоловенулярных анастомозов составляет 40–50 мкм, скорость движения крови в них в 5–6 раз превышает скорость капиллярного кровотока [13, 16, 18].

Возможность шунтирования кровотока по анастомозам имеет большое биологическое значение как механизм адаптации системы микроциркуляции к выполнению задач местного кровотока. Если

145

транскапиллярный кровоток обеспечивает местные метаболические процессы в тканях, то шунтирование крови поддерживает постоянство движения крови через орган независимо от потребностей тканей. Открытие артериоловенулярных анастомозов происходит при необходимости разгрузки капиллярного русла и ускорения транспорта крови в органах при возникновении повышенного сопротивления току крови на уровне капиллярной сети.

Проблема микроциркуляции захватывает не только терминальное кровеносное русло, но и начальное лимфатическое, обеспечивающее отток жидкости и белковых веществ из интерстиция. Существование двух систем оттока – венозной и лимфатической – можно объяснить требованиями надежности обеспечения этой функции. Кроме того, существует различие в путях всасывания кристаллоидных веществ и коллоидных частиц. Резорбция веществ с молекулярной массой свыше 20 000 происходит преимущественно в лимфатические капилляры; то же самое касается и крупномолекулярных частиц, бактерий и токсинов [13, 16].

Та часть ткани, которая не занята кровеносными и лимфатическими капиллярами, а также клетками ткани, носит название интерстициального (или межуточного) пространства. Интерстициальное вещество (интерстиций) в основном является соединительной тканью и состоит из коллагеновых и эластических волокон, гиалуроновой кислоты и других веществ. Еще одной важной составляющей интерстиция является так называемая интерстициальная жидкость, которая в зависимости от условий находится либо в жидком, либо в гелеобразном состоянии. Интерстициальная жидкость состоит из полисахаридов, белков, неорганических солей и воды.

Для нормального функционирования органов необходима полная гармония между состоянием околокапиллярной среды и проницаемостью капилляров. Кроме того, имеет значение и проницаемость перикапилляриого пространства – чем легче перемещается жидкость в тканях, тем свободнее происходит фильтрация жидкой части крови за пределы сосудистой стенки, и наоборот. Движение жидкости и веществ в интерстиции поддерживается градиентами давления и концентраций находящихся в нем веществ.

146

4.1.2. Течение крови в кровеносном капилляре

Течение крови в системе микроциркуляции значительно отличается от течения крови в крупных сосудах. К особенностям течения в кровеносных микрососудах относятся [19]:

–значение числа Рейнольдса <<1, а значит, течение является полностью развитым даже в относительно коротких микрососудах;

–существенное влияние на течение индивидуальных клеток крови;

–наличие обмена жидкости и других веществ между кровью

итканью, окружающей кровеносный капилляр.

Размеры сосудов в системе микроциркуляции достаточно малы, так что структурный состав крови начинает существенно влиять на течение. Кровь является суспензией форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов) в плазме. Плазма представляет собой водный раствор протеинов (альбуминов, глобулинов и фиброгена) и электролитов.

В нормальных условиях эритроцит человека представляет собой двояковогнутый диск диаметром примерно 7–9 мкм. Основной функцией эритроцитов является доставка кислорода к ткани. Большая часть кислорода, переносимого кровью, химически привязана к гемоглобину внутри эритроцитов. Эритроциты очень легко деформируются, так что они могут проходить через отверстия диаметром около 3 мкм [3, 19].

Лейкоциты (которые, в свою очередь, делятся на гранулоциты, моноциты и лимфоциты) представляют собой сферические клетки диаметром 10–20 мкм. Они значительно жестче эритроцитов. В основном они выполняют иммунологическую функцию, т.е. защищают тело от организмов, переносящих болезни. Лейкоциты способны на активное амебоподобное движение, которое позволяет им мигрировать из капилляра в ткань.

Тромбоциты являются дископодобными элементами крови диаметром 2–3 мкм. Они играют ключевую роль в тромбообразовании и свертывании крови.

Одной из важных характеристик крови является количество форменных элементов, которое носит название гематокрита. По-

147

скольку основным форменным элементом является эритроцит (объемное содержание эритроцитов в крови в 500 раз больше, чем содержание лейкоцитов и тромбоцитов), под гематокритом обычно понимают именно содержание эритроцитов.

Плазма крови является ньютоновской жидкостью. Реология крови определяется в основном поведением эритроцитов при различных скоростях сдвига [6, 11, 22]. При достаточно низких скоростях сдвига эти клетки могут собираться в длинные колонны, носящие название «монетных столбиков» или рулексов (более подробно реология крови рассмотрена в следующей главе). При еще более низких скоростях сдвига от этих монетных столбиков могут отделяться ветки, а при еще более низких скоростях сдвига – образовываться сложная структура из красных кровяных телец с фиброгеном

ииммуноглобулином. В покое клетки крови формируют гель.

Вздоровых артериях условия течения крови таковы, что время пребывания эритроцитов в областях низких напряжений сдвига слишком мало для образования сколь-либо существенных агрегатов

икровь ведет себя в целом как ньютоновская жидкость. Тем не менее в более мелких сосудах наблюдается уплощение обычного пуазелевского (параболического) профиля скорости и имеет место эффект изменения кажущейся вязкости крови в зависимости от скорости сдвига, т.е. кровь проявляет неньютоновские свойства.

4.1.3. Транскапиллярный обмен веществ

Среди многообразных механизмов переноса жидкости и макромолекул через полупроницаемую мембрану сосудистой стенки наибольшего внимания заслуживают фильтрация (обусловлена гидростатическим градиентом давлений внутри и вне сосуда), диффузия (обеспечивается разностью концентраций веществ внутри и вне сосуда) и везикулярный транспорт (поддерживается физиологической активностью клеточных структур) [3, 16, 18].

Диффузия является пассивным механизмом транспорта, который действует быстро и эффективно для маленьких молекул при перемещении на небольшие расстояния (порядка десятка микрон) между клетками ткани и источником крови (капилляром). При фильтрации молекулы растворенного вещества двигаются через ка-

148

пиллярную стенку в потоке жидкости. Этот механизм имеет значение для крупных молекул с малым коэффициентом диффузии и при сильном транскапиллярном течении.

Стенка капилляра состоит из одного слоя эндотелиальных клеток толщиной порядка микрона. Липидорастворимые вещества (например, кислород) могут диффундировать через всю поверхность стенки, в то время как водорастворимые вещества (например, глюкоза) ограничены лишь небольшими «люками» – эквивалентами цилиндрических пор диаметром 8–9 нанометров. Полная площадь пор составляет примерно 0,1 % от площади поверхности капилляра. Проницаемость стенки капилляра для конкретного вещества зависит от относительного размера вещества и пор.

Процессы, в ходе которых вода проходит через стенку кровеносного капилляра в ту или другую сторону, носят название фильтрации и реабсорбции. Поток воды зависит от отношения гидравлического и осмотического давлений по обе стороны от капиллярной стенки и количественно описывается законом Старлинга [16, 17]. В стационарном режиме наблюдается приблизительное равновесие между гидравлическим и осмотическим давлениями, что приводит к небольшому результирующему потоку жидкости. Обычно фильтруется большее количество жидкости, чем реабсорбируется, и избыток возвращается обратно в сосудистую систему с помощью лимфатических сосудов. Если результирующий поток, отфильтровавшийся из капилляра, превышает количество жидкости, которое может быть удалено с помощью лимфатической системы, то объем интерстициальной жидкости увеличивается. Такое накопление жидкости носит название отека и имеет важное клиническое значение, так как приводит к уменьшению обмена растворенных веществ (например, кислорода).

4.2. Экспериментальные методы исследования микроциркуляции

Количественные измерения в области механики микроциркуляторных процессов и обмена веществ были получены преимущественно в течение последних 30 лет благодаря существенным инновациям методов и технологий измерения параметров микроциркуля-

149

ции и методик анализа полученных данных. Среди наиболее значительных инноваций можно отметить [23]:

–значительное улучшение прижизненной микроскопии;

–методы измерения скорости в микрососудах (Wayland-

Johnson);

– методы измерения давления в микрососудах (Wielderhielm-

Intaglierra);

–микроспектрофотометрический метод для измерения концентрации гемоглобина в микрососудах;

–метод пережатия одиночного сосуда для изучения транспорта воды и растворов через капиллярный эндотелий.

В течение последнего десятилетия появились новые экспериментальные методы, заимствованные из биологии клетки и измененные для применения in vivo. Примеры таких методов:

–конфокальная микроскопия для трехмерного наблюдения микроциркуляторных структур;

–методы оптического наблюдения, использующие флуоресцентные метки (метки кровяных клеток для измерения скорости)

ифлуоресцентные красители (например, красители, чувствительные к ионам кальция, для измерения in vivo динамики концентрации ионов кальция в гладкомышечных и эндотелиальных клетках артериол);

–разработка сенсоров для измерения сил взаимодействия между клетками в наноньютоновом диапазоне;

–измерения с помощью фосфоресцентных красителей в качестве индикаторов кислородного потенциала.

Следует отметить, что прямое измерение параметров движения крови в микрососудах и ткани чрезвычайно сложно не только из-за

малых размеров объекта. Микрососуды весьма чувствительны к любым механическим воздействиям, поэтому хирургические манипуляции, введение датчиков для измерения давления и фиксация тканей на столике микроскопа являются возможными причинами существенных ошибок измерений.

В связи с этим очень важную роль для диагностики и лечения различных заболеваний играют приборы и методики, позволяющие проводить неинвазивные исследования кровотока не только в лабо-

150