Влияние патологии на вязкоупругие свойства крови Мнение о

Влияние патологии на вязкоупругие свойства крови
Мнение о влиянии различных параметров функционального состояния
красных клеток крови на кажущуюся вязкость не однозначны, основное
место в этом вопросе отводится агрегации и деформируемости эритроцитов
В последнее время наибольшее значение придается не столько
агрегатообразованию, сколько деформируемости красных клеток крови и их
ориентации в потоке. При изменениях формы, нарушениях вязкоупругих
свойств мембран эритроцитов и вязкости их внутриклеточного содержимого
происходит увеличение вязкости крови.
В микроциркуляторном русле, когда диаметр сосудов приближен, или
меньше, диаметра эритроцитов и скорость сдвига составляет 450-500 с-1,
возможность прохождения клеток через такие сосуды однозначно
определяется деформируемостью эритроцитов. Однако в крупных сосудах
(при низких скоростях сдвига) вязкость крови обусловлена в основном
агрегационной способностью эритроцитов.
Изучение поведения крови, зависящего от комплекса обстоятельств,
действующих на протяжении времени физиологических реакций,
возрастного развития или патологического процесса, помогает глубже понять
роль важнейших микрореологических свойств крови в процессах,
приводящих к гемореологическим расстройствам и, в конечном итоге, к
нарушению кровоснабжения жизненноважных органов.
За последнее время произошло изменение взглядов на механизмы
внутрисосудистых нарушений крови. Большое значение стали придавать
изменениям реологических свойств крови, таких как гемоконцентрация,
увеличение адгезии, повышение агрегации и снижение деформируемости
клеточных элементов. Доказано активное участие реологических механизмов
в окклюзии сосудов патологическими тромбо - и эритроцитарными
агрегатами. Реологическая окклюзия рассматривается в качестве
2
инициирующего фактора «запуска» плазменных коагуляционных
механизмов, приводящих к фибринообразованию и тромбозу сосудов.
Методы определения вязкости жидкостей
Определение вязкости биологических жидкостей и, особенно, вязкости
крови имеет существенное диагностическое значение. Разнообразные
приборы, применяемые для этой цели называют вискозиметрами. Они
подразделяются на два основных типа: капиллярные и ротационные.
В капиллярных вискозиметрах (вискозиметр Оствальда, Гесса) вязкость
оценивается по объему жидкости, протекающему в единицу времени через
капиллярную трубку под действием перепада давлений. Зная геометрические
параметры капилляра, величину вязкости ньютоновских жидкостей можно
рассчитать по уравнению Пуазейля.
Для определения вязкости неньютоновских жидкостей (в частности, крови)
предпочтительнее
использовать
ротационные
вискозиметры.
В
них
исследуемая жидкость помещается в зазор между двумя вращающимися
цилиндрами. При этом измеряют угол поворота внутреннего цилиндра,
определяют угловую скорость, а затем вязкость. Достоинством такого метода
является возможность определять не только значение вязкости, но и ее
3
зависимость от скорости сдвига. Следует помнить, что вязкость крови,
определенная при помощи визкозиметра, иногда существенно отличается от
вязкости крови в организме.
Кровь
–
неньютоновская
текучая
среда,
суспензия
эритроцитов,
реологические свойства которой зависят от условий течения, расположения и
способности к деформации форменных элементов, преимущественно
эритроцитов. Реологические свойства крови как жидкости характеризуются:
1. Вязкоупругость (механическое свойство вещества быть как упругим, так
и вязким, при деформациях)
2. Псевдопластичность (свойство, при котором вязкость уменьшается с
увеличение напряжения сдвига)
3.
Тиксотропия
(способность
дисперсных
систем
восстанавливать
структуру, разрушенную механическим воздействием)
Сложное реологическое поведение обусловлено агрегацией и деформацией
форменных элементов, вязкостью плазмы крови, гематокритом
Вязкоупругость – реологическое свойство, заключающееся наличии
явлений вязкости и упругости; поведение вещества с таким свойством
определяется не только данным напряженным состоянием, но и прошлыми
состояниями, т.е. обладает эффектом памяти.
Вязкость – поглощение энергии, рассеиваемой во время течения из-за
внутреннего трения, деформации и агрегации эритроцитов.
Упругость – накопление энергии, запасенной в эритроцитах, при
деформации эритроцита и их агрегатов.
Эти свойства измеряются динамическими измерениями (деформирующая
сила изменяется во времени по гармоническому закону).
Динамические измерения более полно описывают реологические свойства
крови, по следующим соображениям: 1)течение крови имеет пульсации. При
каждом ударе сердце сообщает энергию крови, которая рассеивается вязким
элементом и запасается упругим. То, как кровь рассеивает и запасает
энергию, зависит от форменных элементов; 2) эритроциты из-за их
4
количества и размера играют ключевую роль при распространении ударной
волны.
Для качественного описания процессов релаксации напряжений удобна
модель Максвелла (Рис. 2), которая линейна и для которой удовлетворяется
принцип суперпозиции. Следует, однако, помнить, что она не обладает
достаточной общностью, чтобы определить влияние предыстории состояния
на поведение тела, т. е. не описывает явление памяти.
Рисунок 2. Модель Максвелла
Число Деборы (De) — критерий подобия, показывающий степень
текучести.
De 
tc
tp
tc— характерное время релаксации материала,
tp— характерное время наблюдения
5
Цели и задачи
1.Обзор медицинской сущности вязкоупругих свойств крови при развитии
заболеваний человека;
2.Оценить влияние вязкоупругих свойств крови при наличии патологии;
3.Изучить электронные базы данных по ключевым словам: viscoelasticity,
viscoelasticity of blood, вязкоупругость, вязкоупругость крови;
4. Выделить основные факторы, определяющие вязкоупругие свойства
крови.
Материал и методы
Изучены наиболее популярные электронные базы данных медицинской
литературы по ключевым словам: viscoelasticity, viscoelasticity of blood,
вязкоупругость, вязкоупругость крови (Табл.1). Глубина изучения составила
5 лет.
Таблица 1 Электронные базы данных, включенные в исследование
Базы данных
Google
MedLine/PubMed
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/
HighWire Press
http://highwire.stanford.edu/
PubMed Central (PMC). http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/
The Cochrane Library
http://www.thecochranelibrary.com/view/0/index.html
Google Scholar
http://scholar.google.com/
Российская Государственная Библиотека http://www.rsl.ru/
BioMed Central (BMC) http://www.biomedcentral.com/
FreeBooks4Doctors http://www.freebooks4doctors.com/
Free Medical Journals http://www.freemedicaljournals.com/
Viscoelas Viscoelas Вязкоуп Вязкоуп
ticity
ticity of ругость ругость
blood
крови
851 000 124 000 – 46 800 4 080
187 000
1839
295
3608
1251
-
-
1744
665
-
-
70
11
-
-
104000
13400
26
80
95784
1347
2573
154
83
42
130772
130771
-
-
-
-
Не
Не
найдено найдено
Не
Не
найдено найдено
Результаты и обсуждение
Поиск в электронных базах данных показал, что исследований,
посвященных вязкоэластичности достаточно много, особенно в
англоязычной литературе. Так, в базе PubMed обнаружено 1839 работ, в
которых «вязкоэластичность» является ключевым словом. Однако следует
обратить внимание, что исследований, вязкоэластичности крови значительно
меньше: 295. Аналогичная картина прослеживается и вотношении других баз
данных. Что касается русскоязычных электронных баз, то работ существенно
(в десятки раз) меньше. По нашему мнению, это свидетельствует о том, что в
настоящее время вязкоэластичность тканей организма рассматривается по
аналогии с вязкоэластичность полимеров (например, вязкоэластичность
сосудов, кожи, мышц и т.д.), и в гораздо меньшей степени она
рассматривается для жидких сред организма.
Основной вклад в вязкоэластические свойства крови вносят форменные
элементы крови (прежде всего эритроциты, как самые многочисленные
клетки крови) и наличие эластических свойств сосудов. Именно последние
обусловлавливают различную скорость эритроцитов в зависимости от их
расположения относительно стенки эластического сосуда (так называемая
скорость сдвига). Последнее понятие – скорость сдвига – представляется
крайне важным. Различная скорость движения форменных элементов крови
обуславливает различия вязкоэластических свойств крови в целом (Рис.3, 4).
Интересно, что вязкость зависит от скорости сдвига в меньшей степени.
8
Рисунок 3. Вязкоупругие свойства зависят от скорости сдвига и, как
следствие, от расположения эритроцитов
Рисунок 4. Связь степени агрегации, вязкоэластичности крови и скорости
сдвига:
Зеленым цветом обозначена - высокая степень агрегации, синим –
средняя, красным – низкая.
9
Так, при низких скоростях сдвига преобладают агрегационные свойства:
красные кровяные клетки слипаются и образуют «монетные столбики»
(Рис.5). Это именно те условия, которые способствую развитию
тромбообразования в сосудистом русле, например, коронарных артериях. В
клинических условиях данный феномен наблюдается при острых формах
ишемической болезни сердца.
Рисунок 5. Низкая скорость сдвига: преобладают агрегационные свойства:
клетки слипаются и образуют «монетные столбики»
При средних скоростях сдвига преобладает способность к деформации:
клетки ориентированы в направлении потока под действием скорости сдвига
(Рис.6). Агрегационные свойства клеток меньше, способность к деформации
позволяет эритроцитам проникать в сосуды самого различного калибра. В
клинических условиях это приобретает значение, когда диаметр сосуда
изменен в результате наличия атероматозной бляшки.
Рисунок 6. Средняя скорость сдвига: преобладает способность к
деформации: клетки ориентированы в направлении потока под действием
скорости сдвига
10
При высоких скоростях сдвига клетки выстраиваются в линию и образуют
условные слои под действием скорости сдвига, причем агрегационные
свойства выражены незначительно (Рис.7).
Рисунок 7. Высокая скорость сдвига: клетки выстраиваются в линию и
образуют условные слои под действием скорости сдвига; агрегационные
свойства выражены незначительно
В норме эритроциты способны подвергаться деформации. Однако, при
заболеваниях и травмах эта способность может снижаться. При этом
наблюдаются затруднения при формировании слоев при больших скоростях
сдвига. Способность эритроцитов к деформации в зависимости от
вязкоупругих свойств (Рис.8). В покоящемся состоянии клетки с сильно
уменьшенной способностью к деформации также тяжело подвергаются
агрегации.
С развитием сердечно сосудистого протезирования (искуственные
клапаны, шунты) появилась необходимость понимания свойств и механизмов
кровотока в сложных пространствах.
Вязкоупругие свойства крови имеют значение при:
1.
Конструировании сосудистых и клапанных протезов;
2.
Кардиохирургических операциях с использованием аппарата
искусственного кровообращения (при гипотермических,
нормотермических условиях). В последнем случае эластичность
снижается, что оказывает влияние на исходы оперативного
вмешательства.
11
3.
Повышение уровня общего холестерина и холестерина
липопротеидов низкой плотности приводит к избыточному его
накоплению в мембране эритроцита.
Следствием этого является повышение жесткости мембраны и снижение
деформируемости эритроцита, что приводит к повышенному риску
атеротромбогенеза, формированию атеросклеротических бляшек в стенке
сосудов, нарушению реологических свойств крови, изменению скорости сдвига.
Рисунок 8. Способность эритроцитов к деформации в зависимости от
вязкоупругости. Синим цветом обозначена нормальная способность к
деформации, красным – сниженная
Важным, но малоизученным аспектом проблемы является
патогенетическая роль вязкоупругих свойств крови в развитии атеросклероза.
Повышение уровня общего холестерина и холестерина липопротеидов
низкой плотности приводит к избыточному его накоплению в мембране
эритроцита. Следствием этого является повышение жесткости мембраны и
снижение деформируемости эритроцита, что приводит к повышенному риску
атеротромбогенеза, формированию атеросклеротических бляшек в стенке
сосудов, нарушению реологических свойств крови, изменению скорости
сдвига.
12
Литература
1. G. Thurston, N. Henderson, and M. Jeng, Effects of
Erythrocytapheresis Transfusion on the Viscoelasticity of Sickle Cell
Blood, Clinical Hemorheology and Microcirculation.-2004.- N.30.- p. 6175
2. Undar A, Vaughn W.K. Effects of mild hypothermic cardiopulmonary
bypass on blood viscoelasticity in coronary artery bypass grafting patients//
Artif. Organs.- 2002.- Vol. 26.-N.11.-p.964-966
3. http://www.medline.com/
4. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/
5. Чиркин А.А., Доценко Э.А., Юпатов Г.И. Липидный обмен. М.:
Медицинская литература, 2003.
6. Шиффман Ф.Дж. Патофизиология крови. М.: Binom 2001