中国血液流变学杂志 2005;15(2)
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血液流变学的病理生理学意义
苏海洪
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(苏州大学神经科学研究所血液流变学研究室,苏州大学附属第二医院神经内科,江苏苏州 215004)
关键词:血液流变学;病理生理学
中图法分类号:R331 11 文献标识码:A 文章编号:1009-881X(2005)02-0329-03
之间的转化就是造成血液的特殊流变学行为的主要原因。
0 前言
一个显而易见的医学常识是:合适的组织/器官的功能强烈地依赖于适当地血液灌注。显然, 适当 并不只意味着恒定的血液供应,而是血液供应能力必须和特定组织的需要相适应。任何这一精致的平衡的紊乱都会导致临床问题。所以,高等生物都具有强有力的机制来维持这种平衡以保证生物体的良好的健康状态。
在给定的切变力下,血液的粘度取决于红细胞压积,血浆浓度和红细胞的流变学特性[4]。白细胞和血小板没有明显的作用,因为它们的数目相对很小;但在研究微循环时要考虑它们的影响。
红细胞的特殊的流变学特性基于它的变形能力和聚集能力[5]。一般情况下,红细胞的变形能力越大,则血液的粘度越小;相反,红细胞的聚集能力越大,血液的粘度越大,反之,则越小。
综上所述,所有以上讨论的能影响血液粘度的因数(红细胞压积,血浆粘度,红细胞变形和聚集能力,等)的改变都会引起相应的血流阻力和组织灌注的改变。虽然,流变学参数和血流动力学机制之间的关系非常复杂,也缺乏流变学在病理生理中起的作用的确定性证据,但这并不妨碍我们对血液流变学的临床和实验研究。
1 影响血流的因素
血液系统的血流大小取决于血压变化(灌注压),血管中液体的传导性和血液的流动性。后面两个因素可以归结为阻力系数(R),这样我们可以得到一个简单的灌注压( P)和血流(Q)之间的关系的公式: P=Q!R。换句话说,在特定的灌注压下,血流的大小和液体的阻力成反比例关系。合适的特定组织的血流灌注要求有一个从心脏起始到组织的相应的压力梯度。
血管组成的流体阻力取决于血管网的几何学分布。这一组成通常就被称为血管妨碍[1]。
3 血液流变学的变化3 1 病理生理学
红细胞压积,作为一个动力学参数,依赖于体液的动态平衡。在各种生理和/或病理条件下它可以达到足以升高血液的粘度的程度。血浆粘度也对局部和全身的稳态比较敏感。
红细胞变形能力大小取决于其本身的特性和代谢状态。不同的遗传特征,细胞质和膜结构的变化也能引起它的变形能力的改变。此外,还依赖于完整的代谢途径和相应的ATP供应以维持其离子运输系统。已经有实验表明细胞钙的浓度增高能损坏膜结构从而引起红细胞变形能力的改变损伤。
值得注意的是这种代谢缺失可能是由局部的组织灌注损害所造成的局部稳态失衡引起的。对红细胞的所需的代谢产物供应的同时必须给予一些抗氧化辅助因子,如:NADH,NADPH。缺乏这些会使得氧化应急和氧化防御机制之间的平衡遭到破坏,从而加重红细胞的损伤[6]。
红细胞的聚集能力是由血浆和其本身的细胞特性所决定。血浆纤维蛋白原浓度的是其主要的影响因素,这一变化往往同急性炎性反应联系在一起。另外,有许多可靠的证据
2 作为血液流量的决定因数的血液流变学
从1960年以后随着血液流变学理论的发展,血液流变学在决定血流量和组织灌注中起的重要作用已经越来越引起我们的重视,对它们两者的关系也进行了大量的基础和临床的研究[2,3]。
液体的流变学(流动行为)能够用粘度来定量地描述。对于牛顿流体来说,其粘度不随所加的切变力的改变而变化,相反,非牛顿流体的粘度会随所加的切变力的改变而发生变化。
血液是一种两相非牛顿的流体。假如把诸如红细胞,白细胞和血小板作为固体颗粒考虑,则可以认为血液是一种固体在液体中的悬浮液。在特定条件下(如:在高切变力作用下),血液也可以认为是一种液-液乳状混悬液体。这两者
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温和的锻炼能降低剧烈运动带来的流变学有害效应,也就是能对预期的血流动力学过载起到保护作用。
表明红细胞的表面特性在红细胞聚集过程中也起着相当重要的作用。在损伤组织中代谢紊乱引起的改变也会导致红细胞的聚集能力的变化[7]。
3 3 鸡和蛋 理论
以上所述的血液流变学的变化的病理生理和临床意义说明了这样一种血液流变学特征:一方面,血液流变学参数的改变可能是由局部和/或全身的稳态紊乱所致。另外一方面,血液流变学的变化会导致组织的灌注障碍,并进一步导致其功能的破坏。在病理生理过程中,很难确定血液流变学的改变是原因还是结果。
然而,血液流变学的改变的确切本质的不明朗并没有妨碍医学工作者对在各种病理状态和极端生理条件下的流变学改变的研究。而测定血液粘度,红细胞变形和聚集能力的仪器的进展也促进了这些研究。
3 2 临床意义
以上所述的各种血液流变学参数的意义已经被大量的临床观察研究结果所证实。大部分的研究结果是通过在体外测定血液样本的血液流变学参数得到的。3 2 1 心血管疾病
在各种心血管疾病中都观察到有血液粘度的升高,红细胞变形能力的损害和聚集能力的增强。已知各种缺血性疾病都和血液流变学损害有关。值得注意的是在几乎所有的血管损伤和缺血性疾病中,血液流变学的改变都是由局部的以上提及的稳态的失衡引起的。因此,心血管疾病的血液流变学的异常改变可以认为是循环功能的损伤的结果(或标志),同样地,血液流变学参数的异常也会导致组织灌注的异常
[8]
3 4 病理生理学意义:血液流变学的变化
虽然,在临床上血液流变学的改变是有统计学意义的。但是,这些改变的病理生理学意义还存在争论。其主要原因是红细胞在体外(在血管系统以外)和在体内的行为的差异性。因此,不能把体外的研究结果直接应用到体内的血流状况的解释[12]。
根据在实时状态下的灌注压和血流量的计算结果得到的血液粘度低于在体外得到的检测结果。造成这一差异的根本原因可以通过研究在不同节段的血液的组分改变来理解。非常仔细的研究表明血液的细胞组分在不同水平的循环系统中存在非常大的范围的变化。这一变化甚至在同一血管的不同横断面上存在。因为这些成分(如能变形的红细胞)具有对流体动力的自适应能力,使得它们倾向于向移动到管道的中心地区这一被成为"流体动力的平静区域"。这一现象被称为"轴漂移"。在血管中就导致靠近血管壁的地方变成血浆富集区,其红细胞含量就相对较少。这些血管的分支被这些边缘的低红细胞压积血流所灌注(血浆撇除效应),导致直径低于500 m的血管中的红细胞压积和大血管中的相比明显降低。,其幅度甚至低于40%~50%。因此,从大血管中采到的血液样品并不能代表全身的血液状况。
最靠近血管壁的流体区域对流体的阻力贡献最大,因为这一区域的摩擦力最大。这一区域的摩擦阻力是由流体层的流速和粘度决定。红细胞和其他相关成分浓度的降低会导致局部流体阻力的降低并进而影响到全身血管系统的阻力。血浆组分的变化和其中细胞的特性的改变都将对这一区域的粘稠度和组分产生影响。红细胞的聚集能力的增高会因"轴漂移"而增加血管中心区域的红细胞浓度。一系列的研究也表明特别是在低切变力区域红细胞聚集能力的增高能降低血流阻力。从以上的讨论我们可以得到如下结论:血液的组分,流动性等对血流阻力的影响强力的依赖于血流环境[13],因此不能仅凭体外得到的流变学结果完全描述体内的血流动力学。
体内的红细胞的变形能力对血流阻力的贡献是很清楚的。在不同的血流动力学条件下,红细胞的变形能力对血流的影响程度变异范围很大。在大流量血流条件下(大血管)应,
。
高血压既是一个血液流变学异常的非常有趣的临床例
证,又是一个复杂的病理生理过程。特别是一些老年性高血压中存在的血管损伤是由流变学改变所致的。另外,流变学的损害也是血压增高的原因,其机理是增加外周血管阻力的作用。最近的证据表明红细胞的流变学特性的改变是主要原因,至少在一些类型的高血压病人中是这样。3 2 2 糖尿病
糖尿病是另一种伴随原发性的微循环紊乱的重要疾病。有许多的研究结果提示糖尿病人的全血、血浆粘度升高,红细胞聚集能力增强和变形能力的降低。多核白细胞的变形能力的损伤在糖尿病人中也有报道。而这些都和组织的灌注损伤有关
[9]
。
3 2 3 脓血症
脓血症是全身稳态紊乱的最生动的表现。因此在脓血症病人中能检测到明显的流变学改变。临床和实验研究都提示其红细胞的变形能力明显降低而红细胞的聚集能力显著增强。红细胞的这些变化能引发脓血症病人的循环障碍
[10]
。
3 2 4 血液病
镰刀型红细胞病是一种能直接归因于异常的红细胞中的存在的血红蛋白所致的显著的流变学改变的典型的临床病例。当然,还有许多其他的血液病,诸如:各种血红蛋白原性疾病,红细胞膜蛋白缺失,和酶的缺失,等等
[11]
。
3 3 非临床性条件
不仅在病理条件下,而且在某些极端的生理条件下也会有流变学的改变。剧烈的运动能导致流变学参数的改变已经被证明。剧烈锻炼所致的红细胞变形能力的变化是即时的,并且能在15~30min内部分恢复。另外,还有一个开始于60min的迟发性效应,这是由粒细胞的明显增多所引起的,使得红细胞更容易聚集和变形能力受到损害。这些流变学改变可能在运动相关性死亡中起着一定的作用。相反,温和的锻炼能够增加红细胞的变形能力,降低血液粘度,改善有实
中国血液流变学杂志 2005;15(2) 以降低摩擦阻力。当血液流向微循环时流速的变慢和红细胞的聚集对血液的流动性和血流阻力方面起主要作用。然而,当血液流到管径大小和细胞接近的毛细血管时,红细胞的变形能力就成为唯一重要的能影响微循环的因素了。
已经有大量证据表明白细胞的流变学特性在病理生理过程中起着重要作用。其主要作用之一是能影响微血管中的血流,虽然它们的相对数量较少。相反,白细胞对体外的血流变特性几乎没有影响。
3 5 病理生理学意义:正常的和几何学变化的血管床
在特定的血管网络中血管的几何学特性是最重要的影响血流因素。这一重要性还体现在血管的管径是具有可调节能力的。众所周知,阻力血管的管径是由一个有效的调控机制所控制的,它一方面能影响血管系统的外周阻力,另一方面影响血液流向微循环血管网。合适的微循环血流也是这一调控机制的控制参数
[14]
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一机制所纠正。
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。
血管的几何学是由血管平滑肌所调控的。而血管平滑肌状态的最重要决定因素是组织的代谢需求,任何血液供应和组织代谢需求之间的不平衡都会导致平滑肌的收缩和舒张状态,从而恢复这种平衡。因此,在正常生理条件下,任何组织灌注的紊乱所引起的血液流变学的异常改变(诸如:血液粘度的增加,红细胞变形能力的损害等)都会被血管阻力方面的补偿机制所纠正。显然,为了纠正血液流变学的过度异常,血管网络必须具有能把血管妨碍降低到足以恢复到正常状态的程度的能力。换句话说,必须有足够的舒张储备来维持持续的血液流变学过度异常时所需的正常血液供应。通过对一分离的鼠后腿的实验研究,发现麻痹其血管平滑肌后血液阻力会增大至正常情况下的3倍以上。根据这一结果,我们有理由认为由一定程度的血液流变学异常导致的灌注紊乱程度大小取决于血管平滑肌的舒张贮备的能力。
血液流变学参数的变化也能通过内皮细胞释放一氧化氮来影响血管的调节机制。内皮细胞的一氧化氮合成是受很多因素所调节,其中包括血管壁所受到的切变力的大小。与此同时,血管壁受到的切变力大小也受到和内皮细胞表面直接接触的血流速度和血液粘度的影响。在边缘区域的血液组分和粘度也受到血液的流变学特性和血细胞的影响。研究结果已经证明长期的红细胞聚集能力的增强能降低NO相关的骨骼肌阻力血管的调节能力[15]。
4 结论
体内和体外的实验观察得到的不同的血液行为的研究结果对我们理解各种疾病的病理生理学意义提出了严肃的挑战。当然,这些差异能部分地用诸如红细胞轴向漂移,血浆撇除效应和低红细胞压积来解释。然而,更详细地了解血管调节机制的作用,特别是血管的舒张贮备也同样重要。因为假如有足够的舒张贮备,血液流变学的异常能部分地被这