4. ГЕМОДИНАМИКА С ПОЗИЦИЙ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРОВИ Между параметрами гемодинамики существует тесная зависимость, ни один из них, взятый отдельно, не дает представления о состоянии гемодина­ мики в целом. К важнейшим относятся показатели продуктивности сердца, регионарного и тканевого кровотока, внутрисосудистого давления и о б ъ е ­ ма циркулирующей крови (Гуревич М.И., 1979). 4.1. РЕОЛОГИЯ КАК ПОДРАЗДЕЛ ГЕМОДИНАМИКИ О б щ е й для всех жидких тел характеристикой является, как известно, их текучесть. Изучение особенностей текучести разных материалов или их сис­ тем и составляет предмет реологии. Соответственно свойства жидкостей, оп­ ределяющие особенности их текучести, принято называть реологическими. Н а ч а л о исследованиям реологических свойств крови было положено из­ вестными опытами Пуазейля. к о т о р ы й изучал течение в узких трубках (Poiseuille, 1840), и наблюдениями Норриса относительно образования так на­ зываемых монетных столбиков эритроцитов (Norris, 1869). В первой полови­ не XX в. замечена связь свойств крови млекопитающих как неньютоновской жидкости (Fahraeus, Lindquist, 1931; Rumin, 1949; Bayliss, 1952 и др.) с особенно­ стями текучести суспензий глины, минеральных паст (Dix, Scott, 1940 и др.), а позже и суспензий ригидных сферических частиц (Гуревич М.И., 1979). Реологические свойства крови обусловлены, главным образом, про­ цессами гидродинамического взаимодействия эритроцитов с плазмой, которые способствуют образованию и распаду агрегатов, вращению и деформации эритроцитов, их перераспределению и соответствующей ориентации в потоке крови. 4.1.1. НЬЮТОНОВСКИЕ В И НЕНЬЮТОНОВСКИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОМ ЖИДКОСТИ ОРГАНИЗМЕ Кровь, к а к отмечалось, является гетерогенной и м н о г о ф а з н о й ф и з и к о химической системой. Она м о ж е т б ы т ь представлена как суспензия ф о р ­ менных э л е м е н т о в в плазме, т. е. дисперсная система, близкая по свойствам к суспензиям небиологической природы, которая, подобно им, является не­ ньютоновской жидкостью. Многие закономерности, установленные для не­ биологических дисперсных систем, могут б ы т ь использованы для характе­ ристики текучести крови. Ей свойственны т а к ж е н е к о т о р ы е особенности, о т л и ч а ю щ и е ее от о б ы ч н ы х неньютоновских жидкостей. 77 Напомним, что однородные жидкости, вязкость к о т о р ы х зависит от их природы и т е м п е р а т у р ы и не зависит от градиента скорости, называются ньютоновскими. К р о м е образования агрегатов эритроцитов, в потоке могут ф о р м и р о ­ ваться скопления т р о м б о ц и т о в в виде небольших т р о м б о в , что, в свою оче­ редь, м о ж е т способствовать коагуляции крови. В человеческом организме ньютоновской жидкостью считают плаз­ му (вязкость которой зависит т о л ь к о от состава и структуры зависших в ней б е л к о в ы х частиц), а т а к ж е суспензию эритроцитов в физиологичес­ ком растворе (определяется их концентрацией в суспензии и практически не зависит от скорости сдвига). Предполагается, что свойства крови как неньютоновской жидкости зависят также от способности эритроцитов к деформации: во время движения они л е г к о изменяют свою о б ы ч н у ю форму. Это позволяет эрит­ роцитам с диаметром приблизительно 8 мкм проникать, не повреждаясь, сквозь ф и л ь т р ы с порами о к о л о 3 мкм в диаметре и длиной 12 мкм под дав­ лением всего 2 см вод. ст. (Gregersen et al., 1967). Е щ е К р о г (Krogh, 1927), описывая перемещение эритроцитов в узких капиллярах, пришел к выводу, что они могут приобретать самую разнообразную форму, однако при выхо­ де из капилляров полностью восстанавливают первоначальную форму. Он отмечает: "Свободные эритроциты никогда не наблюдались как деформи­ рованные". Модификация ф о р м ы эритроцита возможна т о л ь к о при потере им эластичности (Чижевський, 1959). Способность к деформации без по­ вреждения, т. е. без изменений площади поверхности и объема, является пре­ имущественным свойством частиц двояковогнутой ф о р м ы . Частицы в ф о р ­ ме сфер, круглых цилиндров, конусов и эллипсоидов такой способности не имеют. К р о м е того, способность эритроцитов без повреждения претерпе­ вать значительные деформации обусловлена вязко-упругими характеристи­ ками мембраны. По данным ряда исследований (Katchalsky et a l , 1960; Rand, 1964 и др.), модуль упругости мембраны эритроцитов составляет величину примерно 10 дин/см , что отвечает промежуточному значению соответству­ ющих величин для эластина (10 дин/см ) и коллагена (10 дин/см ). Н е н ь ю т о н о в с к а я жидкость характеризуется неоднородностью структу­ р ы , наличием больших молекул, образующих с л о ж н ы е пространственные структуры. В человеческом организме неньютоновской жидкостью является кровь: это суспензия плазмы с содержанием форменных элементов кро­ ви (эритроцитов, лейкоцитов и пр.). Т а к как количество эритроцитов в крови на три порядка п р е в ы ш а е т количество л е й к о ц и т о в и более чем на порядок - тромбоцитов, возможно, именно количество эритроцитов в кро­ ви наиболее существенно о т р а ж а е т с я на ее вязкости. Л и ш ь р е з к о в ы р а ж е н ­ ный лейкоцитоз при условии сохранения суммарной концентрации ф о р ­ менных э л е м е н т о в крови м о ж е т привести к некоторому возрастанию вяз­ кости (Dintenfass, 1968). 4.1.2. СУСПЕНЗИОННАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ КРОВИ 7 2 6 В 1929 году Фареус (Fahraeus, 1929) впервые ввел термин "суспензионная стабильность крови", к о т о р ы й т р а к т о в а л с я им как способность ф о р м е н ­ ных элементов крови находиться в зависшем состоянии. Изменение усло­ вий, обеспечивающих поддержание суспензионной стабильности крови, способствует реализации склонности ф о р м е н н ы х э л е м е н т о в крови к взаи­ модействию, следствием чего м о ж е т б ы т ь более-менее в ы р а ж е н н а я их аг­ регация. Этот процесс обратим, в отличие от агглютинации, связанной в ос­ новном с иммунными процессами и всегда необратимой. Суспензионная стабильность крови может зависеть от: • баланса электростатических сил взаимного отталкивания ф о р м е н н ы х элементов, • н а л и ч и я о т р и ц а т е л ь н о г о заряда м е м б р а н ы обусловленных адсорбцией макромолекул, и сил тяготения, • соответствующих гидродинамических характеристик потока крови, • концентрации в ней ф о р м е н н ы х э л е м е н т о в крови и белкового состава плазмы. 78 2 9 2 Рис. 4.1.1. Схема эритроцита человека. Диаметры - 8,5±0,41 мкм; максимальная толщина - 2,4±0,13 мкм; минимальная толщина - 1,0±0,08 мкм; средний о б ъ е м - 87 мкм (по кн.: Гуревич М.И., Берштейн С.А. Основы гемодинамики, 1979). 3 Мы уже подчеркивали особые свойства неньютоновских жидкостей: 1) при повышении т е м п е р а т у р ы возрастает их вязкость; 2) вязкость зависит от градиента скорости. Но вязкость неньютоновских жидкостей возрастает также при уменьшении градиента скорости потока жидкости. П о э т о м у вязкость 79 крови и плазмы в разных сегментах сосудистой системы является величи­ ной непостоянной, переменной в зависимости от градиента скорости. Эффект Фареуса-Линдквиста (Fahraeus, Lindquist, 1931) описывает чет­ кую зависимость вязкости крови от радиуса капиллярной трубки. В капил­ лярах радиусом менее 500 мкм вязкость сплошной крови начинает сни­ жаться, и этот эффект нарастает по мере приближения значений ра­ диуса капилляров к размерам эритроцита при условии, что скорость сдвига является сравнительно высокой. Этот эффект наиболее выра­ жен в капиллярах, диаметры которых превышают диаметр эритроци­ тов примерно в 20 раз. К о л и ч е с т в е н н о е в ы р а ж е н и е э ф ф е к т а ФареусаЛиндквиста достаточно значительное. Например, в капиллярах радиусом 20 мкм, по сравнению с диаметром артериол, мнимая вязкость крови на 1/3 ниже, чем в трубках диаметром около 100 мкм, которые обыч­ но применяются в вискозиметрах (Bayliss, 1962). З н а ч и т е л ь н ы е затруднения в о з н и к а ю т при исследовании э т о г о э ф ф е к ­ та в капиллярах диаметром менее 40 мкм, поскольку с т е к л я н н ы е трубки та­ кого диаметра закупориваются ф о р м е н н ы м и элементами крови. Это, веро­ ятно, связано со взаимодействием крови и стекла, т а к как п о к р ы т и е внут­ ренней поверхности стеклянных капилляров ф и б р и н о м существенно сни­ ж а л о мнимую вязкость (Copley, 1960, 1965). Не и с к л ю ч е н а возможность влияния свертываемости крови. В л ю б о м случае, in vivo эритроциты лег­ ко проходят по капиллярам, отношение диаметра которых к диамет­ ру эритроцита меньше единицы. В экспериментах с исследованиям текучести крови в плоской капилляр­ ной щ е л и диаметром менее 7 мкм был обнаружен т а к н а з ы в а е м ы й обрат­ ный эффект Фареуса-Линдквиста (Dintenfass. 1967, 1968): с дальнейшим уменьшением диаметра мнимая вязкость крови начинает вновь возра­ стать, причем достаточно существенно. 4.1.3. ФАКТОРЫ, КАК ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ СВОЙСТВА П р и более высоких концентрациях зависших частиц, когда доля их о б ъ ­ ема п р е в ы ш а е т 3 - 5 % , нарастает напряжение и изменяется скорость сдвига суспензии. Н а и б о л е е ч е т к о проявляется способность частиц к взаимодейст­ вию при сравнительно невысоких скоростях сдвига. Р е з у л ь т а т ы многочис­ ленных вискозиметрических исследований говорят о том, что в сплошной крови м л е к о п и т а ю щ и х с н о р м а л ь н ы м г е м а т о к р и т о м э ф ф е к т взаимодейст­ вия эритроцитов о к а з ы в а е т с я существенным при скоростях сдвига менее 50 в секунду (Goldsmith, Skalak, 1975). Вместе с тем, в настоящее время ясно, что динамическая вязкость крови определяется преимущественно изменениями ее суспензионных свойств. КРОВИ 4.1.4. ЖИДКОСТИ Эйнштейн, предлагая формулу, о п и с ы в а ю щ у ю зависимость вязкости су­ спензий от концентрации зависших частиц, ввел одно значительное ограни­ чительное условие: частицы дисперсной фазы должны распределяться в дисперсионной среде таким образом, чтобы при движении возможность их взаимодействия была исключена. П о с к о л ь к у вероятность взаимодей­ ствия при сближении зависших частиц повышается, а сближение является прежде всего функцией концентрации, уравнение Эйнштейна может быть применено к суспензиям, в которых частицы составляют менее 80 3% объема. При более высоких концентрациях частиц дисперсной ф а з ы измеряемая мнимая вязкость суспензий и прочих дисперсных систем о к а з ы ­ вается заметно в ы ш е расчетной. П о л а г а ю т , это связано с тем, что при бо­ лее высоких концентрациях зависших частиц повышается вероятность их сближения, столкновения, взаимного притяжения и других видов вза­ имодействия в процессе движения, в результате чего могут образовы­ ваться более-менее значительные конгломераты частиц. Приводятся данные (Goldsmith, Skalak, 1975), свидетельствующие о том, что уже при ге­ матокрите примерно 5% почти треть эритроцитов функционирует в виде агрегатов, когда скорость сдвига сравнительно мала. Т а к и е кон­ г л о м е р а т ы из 2-3 и более частиц, во-первых, неминуемо в к л ю ч а ю т в себя определенный о б ъ е м дисперсной среды, в результате чего э ф ф е к т и в н а я доля о б ъ е м а зависших частиц о к а з ы в а е т с я в ы ш е определяемой и мнимая вязкость дисперсной системы соответственно возрастает. Во-вторых, ка­ кая-то доля усилия, создаваемого в дисперсной системе напряжением сдви­ га, тратится на разъединение частиц, что о т о б р а ж а е т с я на кривой зависи­ мости потери от градиента давления в виде н е к о т о р о г о прогиба в сторону оси давления. Последнее, к а к известно, свидетельствует о принадлежности к неньютоновским жидкостям. ГЕМАТОКРИТ Гематокрит выступает промежуточным параметром в оценке со­ отношения суммарного о б ъ е м а эритроцитов ( V ) и о б ъ е м а плазмы крови(V ),вкоторойонинаходятся. э р и т р . п л а з м ы В норме: V /V эритр. = 0,4 плазмы Необходимо подчеркнуть, что крови возрастает. с повышением гематокрита вязкость 81 Возрастание п о к а з а т е л е й гематокрита в о з м о ж н о за счет п о в ы ш е н и я концентрации эритроцитов, их агрегации и увеличения их размеров. Известно понятие относительной вязкости как соотношение вязкости крови и вязкости воды. Вязкость воды при температуре 20° С составляет 1 Пас. Более высокая вязкость венозной крови обусловлена повышенным содержанием углекислого газа, что также увеличивает размеры эрит­ роцитов и изменяет их форму. Приведенные ниже ц и ф р ы о т о б р а ж а ю т с р е д н ю ю вязкость крови в ма­ гистральных сосудах или вязкость проб крови вне организма, измеренную капиллярными методами: вязкость крови в норме - 4-5 Пас. П р и разных па­ тологиях п а р а м е т р ы вязкости крови могут изменяться от 1,7 до 22,9 Пас. В результате п о в ы ш а е т с я г е м а т о к р и т и, закономерно, возрастает вяз­ кость крови. При гематокрите 9 0 % мнимая вязкость крови примерно на порядок вы­ ше, чем при гематокрите, равном 2 0 % . Тем не менее зависимость вязкос­ ти крови от гематокрита не линейная, как это в ы т е к а е т из уравнения Эйнштейна. Возрастание вязкости оказывается значительно более быс­ трым, особенно в диапазоне сравнительно высоких значений гематокрита. Б о л е е т о ч н ы е р е з у л ь т а т ы дает т а к ж е вискозиметрия сплошной крови, непосредственно в ы т е к а ю щ е й из разрезанного сосуда (Wayland, 1967). 4.2. ВЯЗКОСТЬ КРОВИ Динамическая вязкость (вязкость) - это внутреннее трение или свойство жидкости препятствовать перемещению ее частей под дей­ ствием на них внешних сил. Вязкость характеризует "несущее" свойст­ во жидкости. С этим понятием мы уже встречались в разделе 2.1. П а р а м е т р ы вязкости определяются градиентом давления и скоростью к р о в о т о к а , поэтому к о э ф ф и ц и е н т динамической вязкости крови не являет­ ся постоянной величиной. Т а к что для характеристики вязкости крови, как и других неньютоновских жидкостей, введены т е р м и н ы эффективная, ви­ димая или мнимая вязкость. Они у к а з ы в а ю т на то, что э т о вязкость кро­ ви при каких-либо определенных условиях и величина ее м о ж е т б ы т ь дру­ гой, если эти условия изменяются. Неоднородность структуры крови, специфика строения и разветвления кровеносных сосудов приводят к целому каскаду распределения вязкости в кровотоке. Увеличение концентрации патологических форм форменных элемен­ тов крови (ригидных сфер, дисков и даже эритроцитов серповидной фор­ мы) приводит к значительно большему повышению вязкости, чем возра­ стание концентрации нормальных эритроцитов (Goldsmith, Mason, 1967). Вполне очевидно, что на мнимую вязкость крови должны влиять не только изменения доли объема дисперсной фазы и свойств эритроци­ тов, но и особенности дисперсионной среды, т. е. плазмы крови, тем более если она представляет собой коллоидную систему, дисперсной ф а з о й кото­ рой являются белки, а дисперсионной средой - раствор э л е к т р о л и т а . 82 Основные факторы, влияющие на вязкость крови в живом организме: • температура, • гематокрит, • скорость, • организация эритроцитов в потоке крови. К р о м е того, вязкость крови зависит от вязкости плазмы, которая, в свою очередь, определяется концентрацией белков. Вязкость плазмы практически не зависит от скорости сдвига, т. е. по свойствам она близка к ньютоновской жидкости. Вместе с этим, влияние изменений б е л к о в о г о состава плазмы на мнимую вязкость к р о в и не в ы з ы в а е т сомне­ ния. Наиболее ощутимое влияние на мнимую вязкость крови оказыва­ ют изменения содержания в плазме фибриногена и в несколько меньшей мере - глобулинов. Влияние глобулинов более четко выражено при ма­ лых скоростях сдвига. Менее всего влияет на вязкость сплошной крови п о в ы ш е н и е в плазме концентрации альбуминов. По н е к о т о р ы м данным (Dintenfass, 1962), при изменениях б е л к о в о г о состава плазмы вязкость крови с малым гематокритом может оказаться даже выше вязкости крови с большим гематокритом. По данным других р а б о т (Merrill et al., 1963, 1965; Merrill, 1969), в дефибринированной крови мнимая вязкость при м а л ы х скоростях сдвига примерно в 8 раз ниже. С повышением температуры плазмы - уменьшается, а крови рот, возрастает. вязкость ньютоновской жидкости (неньютоновской жидкости) - наобо­ С. А. Селезнев и соавт. (1976) приводят р е з у л ь т а т ы исследований, указы­ в а ю щ и е на то, что зависимость вязкости крови от т е м п е р а т у р ы наиболее ч е т к о проявляется при малых скоростях сдвига. Н а ш о п ы т п о к а з ы в а е т , что при повышении т е м п е р а т у р ы о к р у ж а ю щ е й среды, т е м п е р а т у р ы тела и снижении скорости к р о в о т о к а становится ре­ альной угроза р е з к о г о возрастания вязкости крови и тромбообразования в л е т н ю ю жару. Сам ф а к т повышения вязкости крови м о ж н о заподозрить изза в ы р а ж е н н о г о тромбирования иглы во время внутривенных инъекций, за­ частую эти явления м о ж н о о б ъ е к т и в и з и р о в а т ь благодаря методике ультра­ звукового цветного ангииоскенирования. 83 Т е м п е р а т у р н ы е изменения вязкости при патологических процессах, происходящих с гипертермией, характеризуются большой сложностью. 1) возрастание вязкости крови обусловливает дополнительную нагрузку на сердце; 2) изменение т е м п е р а т у р ы м о ж е т приводить к изменениям степени агрегации эритроцитов и в ы з ы в а т ь другие изменения в структуре крови. 4.2.1. АГРЕГАЦИЯ Зависшие в плазме крови эритроциты способны адсорбировать на своей поверхности крупномолекулярные б е л к о в ы е комплексы плазмы крови. Эритроциты, сближающиеся в потоке крови, могут одновременно адсорби­ ровать такие крупномолекулярные структуры. Последние становятся при этом своего рода мосточками, связывающими эритроциты. Адсорбционные силы контактирующих поверхностей в этих случаях столь значительны, что клетки приобретают сплющенную форму. Роль крупномолекулярных бел­ ковых структур плазмы крови в процессах агрегации эритроцитов подтверж­ дается результатами исследований адсорбции высокомолекулярных полиме­ ров декстрана на поверхности эритроцитов. Приводятся данные (Merrill, 1969), что агрегации эритроцитов в наибольшей мере способствует фибрино­ ген, поскольку он обладает способность к образованию трехкомпонентных агрегатных структур. И з л о ж е н н о е дает основание считать: физической осно­ вой зависимости мнимой вязкости крови от скорости сдвига, определяющей ее свойства как неньютоновской жидкости, могут служить изменения суспен­ зионной стабильности крови и связанная с этим агрегация эритроцитов. В пользу такого допущения прежде всего свидетельствует зависимость мнимой вязкости крови от степени агрегации эритроцитов, установленная многими исследованиями (Zahler, 1966; Vogtmann et al., 1967; Ehrly 1968 и др.). Прочность агрегатов эритроцитов достаточно высока, и они и м е ю т сравнительно высокий модуль гибкости (Goldsmith, 1966). Прочность агре­ гатов эритроцитов конечна, и при скоростях сдвига приблизительно 60-100 в секунду они практически полностью разрушаются. Необходимо отметить, что именно это совпадает с зоной вязкости на кривой зависимости мнимой вязкости от скорости сдвига, т. е. соответствует диапазону скоростей сдвига, когда мнимая вязкость становится практически стабильной и кровь приоб­ р е т а е т свойства, близкие к свойствам ньютоновских жидкостей. К о с в е н н ы м и доказательствами роли агрегации эритроцитов в ф о р м и р о ­ вании свойств крови к а к неньютоновской жидкости могут служить: 1) отклонение зависимости между мнимой вязкостью крови и гемато­ к р и т о м от линейной, особенно при высоких значениях гематокрита; 2) свойства суспензии эритроцитов в ф и з и о л о г и ч е с к о м растворе, где э р и т р о ц и т а р н ы е агрегаты, как правило, не образуются; 84 3) отклонения суспензии эритроцитов в ф и з и о л о г и ч е с к о м растворе по свойствам от ньютоновских жидкостей по м е р е п р и б а в л е н и я к ней белко­ вых структур, особенно фибриногена, и одновременно увеличения степени агрегации эритроцитов (Merrill et al., 1963; Well et al., 1964; Gregersen, 1967; Chien et al., 1966,1967 и др.); 4) начало ф о р м и р о в а н и я агрегатов эритроцитов в венулярном конце терминального сосудистого л о ж а , где скорость к р о в о т о к а самая малая (Чернух и др., 1975). Следует сказать, что образование агрегатов э р и т р о ц и т о в , к о т о р о е в ф и ­ зиологических условиях является процессом о б р а т и м ы м , следует отличать от так н а з ы в а е м о г о сладжа, к о т о р ы й выступает, к а к о т м е ч а ю т A.M. Ч е р ­ нух и др. (1975), прежде всего реакцией крови на повреждение. А г р е г а т ы эритроцитов типа сладжа о т л и ч а ю т с я от "монетных с т о л б и к о в " , образова­ ние к о т о р ы х в о з м о ж н о в случае естественных к о л е б а н и й скорости крово­ тока, более п л о т н ы м и х а о т и ч н ы м "упаковыванием" э р и т р о ц и т о в . Предпо­ лагается, что образование сладжа всегда проходит стадию "монетных стол­ биков", поскольку они, как правило, н а б л ю д а ю т с я в микрососудах в началь­ ных стадиях сладжирования крови. В микроциркуляторном русле с его многочисленными разветвлениями ф е н о м е н сладжа м о ж е т иметь т я ж е л ы е последствия, связанные с закупориванием к л е т о ч н ы м и к о н г л о м е р а т а м и од­ них сегментов и с перфузией других к р о в ь ю , в к о т о р о й практически отсут­ ствуют э р и т р о ц и т ы , т . е . т а к н а з ы в а е м о й о б е с к л е т о ч е н н о й плазмой. И в том, и в другом случае происходят серьезные нарушения транспорта субст­ ратов метаболизма к соответствующим т к а н е в ы м регионам. Способность эритроцитов к скопления в "монетные столбики", когда кровь находится в стационарных условиях, известна давно (Norris, 1969; Fahraeus, 1929 и др.). Физические механизмы агрегации ф о р м е н н ы х элемен­ тов крови, свойства агрегатов эритроцитов и возможность их образования в живом организме - слишком с л о ж н ы е и пока что о к о н ч а т е л ь н о не решен­ н ы е п р о б л е м ы . Н ы н е ш н и е представления основаны преимущественно на косвенных доказательствах (Чижевський, 1959; Fahraeus, 1961; Bayliss, 1962; Wayland, 1967; B r a n e m a r k , 1969 и др.). 4.2.2. АДГЕЗИВНОСТЬ Адгезивность - э т о вид взаимодействия ф о р м е н н ы х э л е м е н т о в крови с сосудистой стенкой, что обусловлено свойством крови к а к неньютоновской жидкости (преимущественно эритроцитов) оседать на внутренней поверх­ ности сосудистой стенки или "прилипать" к ней (Copley, 1960, Copley et al., 1960; Swank, 1961). 85 Исследование ее in vivo и особенно количественная оценка весьма с л о ж н ы . П о э т о м у для исследований пользуются преимущественно модель­ ными экспериментами и о ц е н и в а ю т адгезивность по т о л щ и н е слоя оседа­ ния ф о р м е н н ы х э л е м е н т о в крови на внутренней поверхности стандартизи­ рованного стеклянного капилляра при определенном о б ъ е м е крови, про­ т е к а ю щ е м у по нему за единицу времени, и заданному градиенту давления (Copley et al., 1960). По данным Селезнева и др. (1976), при ш о к е т о л щ и н а слоя оседания э р и т р о ц и т о в н е с к о л ь к о снижается, скорость его образова­ ния существенно увеличивается, и э т о т а к ж е о т р а ж а е т с я на к р о в о т о к е , особенно в м и к р о ц и р к у л я т о р н о м л о ж е . Очевидно, адгезивность эритроци­ т о в при определенных условиях м о ж е т способствовать ф о р м и р о в а н и ю ре­ ологических свойств крови, подобных свойствам неньютоновских жидкос­ тей. П р и появлении визуализирующих диагностических приборов возмож­ на оценка данного явления. 4.2.3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ более приемлемой в этом плане конструкцией капиллярного вискозиметра является т а к н а з ы в а е м ы й р а м о ч н ы й (Copley et al., 1960), позволяющий про­ водить измерения в м а л ы х порциях крови при различных скоростях сдвига. Однако "даже безупречные с методической точки зрения реологические эксперименты, выполненные физически "чисто", могут обнаружить такие ре­ ологические свойства, которые никогда не будут существовать в сложно ор­ ганизованной живой системе" (Чернух A.M. и соавт., 1975). Поэтому следует помнить, что вязкость крови, определяемая с помощью вискозиметра, иногда существенно отличается от реальной вязкости крови в организме. Безусловно, наиболее адекватное измерение вязкости крови в о з м о ж н о т о л ь к о в условиях естественного к р о в о т о к а . В настоящее время стало воз­ м о ж н ы м исследование микроциркуляции при помощи оптической к о м п ь ю ­ терной визуализации и лазерной допплеровской флоуметрии. И м е н н о тут необходимо учитывать представления о реологических свойствах крови для т р а к т о в к и механизмов расстройств гемодинамики. КРОВИ 4.3. К а к следует из основных положений гидродинамики, ведущим парамет­ ром, о п р е д е л я ю щ и м текучесть жидкости, является ее вязкость. П р и оценке вязкости крови возникают значительные затруднения. Они связаны с пре­ имущественным использованием для этого так н а з ы в а е м о й экстерниальной вискозиметрии с н е и з б е ж н ы м при взятии проб крови использованием антикоагулянтов, изменением динамического г е м а т о к р и т а и н е к о т о р ы х биохимических характеристик крови, что существенно отражается на ее вязкости. П р и б о р ы для определения вязкости крови принципиально не от­ л и ч а ю т с я от тех, к о т о р ы е используются для других жидкостей. Они разде­ ляются на два основных типа: к а п и л л я р н ы е и р о т а ц и о н н ы е вискозиметры. В капиллярных вискозиметрах вязкость оценивается по о б ъ е м у жидко­ сти, п р о т е к а ю щ е м у за единицу времени через капиллярную трубку под действием определенного перепада давлений. В одних конструкциях гради­ ент давления создается собственной массой столба исследуемой жидкости (вискозиметр Оствальда), в других - градиент давления обеспечивается ка­ ким-либо внешним источником (вискозиметр Гесса). З н а я геометрические п а р а м е т р ы капилляра, величину вязкости ньютоновских жидкостей м о ж н о рассчитывать по уравнению Пуазейля. Вязкость неньютоновских жидкос­ тей м о ж е т б ы т ь оценена таким образом т о л ь к о при относительно высоких скоростях сдвига, т. е. когда они приближаются по своим качествам к нью­ тоновским жидкостям. Для исследования вязкости крови к а п и л л я р н ы е вис­ к о з и м е т р ы могут б ы т ь оснащены специальными приборами типа гемостата и оборудованием для учета изменения скоростей движения крови. Наи- 86 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ КРОВОТОКА К л е т о ч н ы е и корпускулярные э л е м е н т ы крови представляют собой электрические системы. У их поверхности сосредоточен двойной слой эле­ ктрических зарядов. Э л е к т р и ч е с к и е заряды распределены т а к ж е внутри м о р ф о л о г и ч е с к и х элементов крови - на внутренней поверхности мембра­ ны и органоидах. Эти с л о ж н ы е электрические системы крови непрерывно двигаются по сосудам разного диаметра и, следовательно, склонны к изме­ няющимся гидродинамическим влияниям. Изменяется т а к ж е концентрация ф о р м е н н ы х э л е м е н т о в крови. Все это приводит к непрерывному измене­ нию расстояния между к л е т о ч н ы м и и б е л к о в ы м и э л е м е н т а м и крови. П р и этом электростатический вектор стремится удерживать их на определен­ ном расстоянии друг от друга, обеспечивая их относительную эквидистант­ ность и определенную ориентировку в пространстве (Чижевський, 1973). Электрические свойства эритроцитов принято выражать не в виде количества элементарных зарядов, которые несет поверхность эрит­ роцитов, а в форме дзета-потенциала, т. е. э л е к т р и ч е с к о г о потенциала на границе двух ф а з - поверхности эритроцита и плазмы. В отличие от э л е ­ ктрического заряда эритроцитов, к о т о р ы й в ы р а ж а е т с я в э л е к т р о с т а т и ч е с ­ ких единицах, дзета-потенциал измеряется в милливольтах (мВ). Дзета-по­ тенциал эритроцитов составляет примерно 35 мВ. При снижении его до 5-20 мВ суспензионная стабильность крови нарушается. Т а к и м образом, э ф ф е к т взаимодействия между ф о р м е н н ы м и элементами крови в ф о р м и ­ ровании ее реологических свойств является функцией разницы потенциа­ лов поверхности эритроцитов и плазмы. 87 4.4. ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ Для последовательного соединения сосудов общее сопротивление определяется суммой их отдельных гидравлических сопротивлений: М о ж н о представить упрощенно сосудистую систему как набор т р у б о к разной длины и диаметра, соединенных между собой последовательно и/или параллельно. Согласно формуле Пуазейля. гидравлическое сит от нескольких переменных величин: • вязкости крови, сопротивление X • калибра (радиуса) сосуда. П р е ж д е всего в физиологических условиях к р о в о т о к а о б р а щ а ю т внима­ ние на радиус сосуда, так как изменение величины гидравлического сопро­ тивления обратно пропорционально радиусу сосуда, возведенному в чет­ вертую степень: 1/r 4 Поэтому в норме величина гидравлического сопротивления уменьшается по мере отдаления от сердца: наименьшее гидравлическое сопротивление - в аорте, несколько большее - в артериях и самое высокое - в капиллярах: X капилляра > X артерии > X аорты. Следует подчеркнуть, что • при повышении вязкости, гидравлическое сопротивление 1 возрастает: • при резком перепаде калибра на коротком промежутке сосуда (на­ пример, резкий переход из крупнокалиберной артерии в артерию малого калибра). 2 3 n При параллельном разветвлении сосудистого русла ние рассчитывается таким образом: общее сопротивле­ 1/Х = 1/Х + 1/Х + 1/Х + ... + 1/Х . зави­ • длины сосуда, Х~ X = X + X + Х + ... + Х . 1 2 3 n Н а и б о л ь ш е е сопротивление наблюдается в конечных участках артери­ ального звена к р о в о о б р а щ е н и я - артериолах, что создает препятствия для о т т о к а артериальной крови из системы к р о в о о б р а щ е н и я и приводит к ф о р ­ мированию артериального внутрисосудистого давления. Величина п е р и ф е ­ рического сопротивления в основном определяется тонусом артериол, т. е. степенью постоянного сокращения гладких м ы ш ц сосудистой стенки. Из­ менение тонуса артериол регулирует величину просвета артериол и сопро­ тивления сосудов, ч т о обусловливает изменение величины к р о в о т о к а через отдельные сосудистые бассейны в зависимости от интенсивности жизнеде­ ятельности ткани, ее потребности в кислороде и в метаболизме. 4.5. ХАРАКТЕР КРОВОТОКА В ОРГАНИЗМЕ Как правило, движение крови в сосудистой системе организма подчине­ но законам гидродинамики о ламинарности, непрерывности. О д н а к о при определенных условиях к р о в о т о к м о ж е т приобретать чер­ ты турбулентности. Именно на терминологии турбулентности следует остановиться не­ с к о л ь к о подробнее. В медицине л ю б о й вихревой поток принято н а з ы в а т ь турбулентным. С точки зрения механики это д а л е к о не так. На самом деле мы м о ж е м иметь дело с так н а з ы в а е м ы м и о т р ы в н ы м и течениями. В норме при определенных условиях кровоток в сосудистой системе орга­ низма может приобретать признаки турбулентности. Явления турбулентнос­ ти кровотока могут быть как физиологическими, так и патологическими. Физиологическая турбулентность м о ж е т возникать в полостях сердца и/или в дуге а о р т ы (за счет б о л ь ш о г о диаметра просвета) при интенсивной физической нагрузке (возрастает скорость движения крови). Рис. 4.4.1. Схематическое изображение вариантов ангиоархитектоники артерий мозга. П о л о ж и т е л ь н а я роль турбулентности состоит в обеспечении полного перемешивания крови (например в желудочках сердца) даже в таких случа­ ях, когда обогащение крови кислородом происходит неравномерно в раз­ ных участках легких. Гидравлическое сопротивление X сосудистой системы можно рассматри­ вать по аналогии с расчетом общего электрического сопротивления при парал­ лельном и последовательном соединении резисторов в электрической сети. Патологическая турбулентность возникает при определенных патологи­ ческих процессах, приводящих к аномальному снижению вязкости крови, при наличии локального сужения сосуда, в участке атеросклеротической бляшки. 88 89 О т р и ц а т е л ь н ы й э ф ф е к т турбулентности связан с повышением нагрузки на сердце и высоким риском возможной тромбоэмболии, что способствует запуску каскада патологических перестроек в сердечно-сосудистой системе. Н а л и ч и е турбулентности м о ж н о заподозрить при аускультации фонен­ доскопом специфических шумов. Условия, способствующие возникновению турбулентности, в ы р а ж а ю т ­ ся числом Рейнольдса, о котором ш л а речь в разделе 2.3. Рис. 4.5.1. П р о ф и л ь скорости движения идеальной жидкости (вязкость = 0; Fтрения = 0). З н а ч е н и е критического числа Рейнольдса Rе для крови по данным раз­ ных авторов находится в пределах 1600-9000 ( К а р о К., П е д л и Т., Ш р о т е р Р., Сид У. Механика кровообращения: П е р . с англ. - М.: Мир, 1981). K Считается, что при Rе<2300, п о т о к всегда является л а м и н а р н ы м , а при Re>2500 в потоке постоянно наблюдается турбулентность, к о т о р а я стано­ вится все интенсивнее при возрастании Re. 4.5.1. СКОРОСТЬ СДВИГА В Рис. 4.5.2. П р о ф и л ь скорости движения реальной жидкости (ньютоновской, вязкой жидкости). КРОВОТОКЕ П о с к о л ь к у линейная скорость крови и д и а м е т р ы сосудов в разных сег­ ментах сосудистой системы человеческого организма о б л а д а ю т способнос­ т ь ю к в ы р а ж е н н ы м изменениям своей величины, то закономерно, что ско­ рости сдвига в п о т о к е движущейся крови т а к ж е значительно отличаются. Т а к как кровь является неньютоновской ж и д к о с т ь ю , то и ее вязкость, зависящая от скорости сдвига слоев крови, будет разной в различных отде­ лах системы кровообращения. Считается, что во многих крупных кровеносных сосудах скорость сдви­ га близка к 1000 с . -1 П р и этом проявления неньютоновских свойств движения крови незначи­ т е л ь н ы , а ее вязкость соответствует физиологическим параметрам 4-5 Пас. П о э т о м у при таких скоростях сдвига крови а г р е г а т ы не образуются, а имеющиеся а г р е г а т ы , сформировавшиеся при м а л ы х скоростях сдвига, полностью разрушаются. О д н а к о необходимо обратить внимание на ф а к т постепенного возраста­ ния э ф ф е к т и в н о й вязкости при уменьшении скорости сдвига в мелких кро­ веносных сосудах и значительно в ы р а ж е н н о м приросте при скоростях сдви­ га менее чем 1 в секунду. 4.5.2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОФИЛЯ СКОРОСТЕЙ В ПОТОКЕ КРОВИ Мы уже рассмотрели понятие п р о ф и л я скоростей и н е к о т о р ы е харак­ т е р н ы е п р о ф и л и в разделе 2.1. Для удобства дальнейшего изложения на­ помним их е щ е раз. 90 Рис. 4.5.3. П р о ф и л ь скорости движения неньютоновской жидкости (вязкой жидкости). Профиль скорости для ньютоновской жидкости имеет вид параболы: скорость потока по оси сосуда максимальна, а возле его стенок - минимальна. Соединяя концы векторов, получаем график профиля скоростей в виде пули. Профиль скорости для неньютоновской жидкости (крови) значи­ тельно сплющивается. П р и токе по узким трубкам суспензии с достаточно высокой концентрацией зависших в ней частиц вблизи стенки образуется слой, свободный от частиц. Ширина э т о г о пристеночного слоя невелика. Она сравнима с радиусом зависших в суспензии частиц и практически не за­ висит от условий тока суспензии, но связана со структурой стенки, к о т о р а я влияет на напряжение трения на ней, диаметром трубки и концентрацией дисперсной ф а з ы . О б ы ч н о принято считать, что толщина пристеночного слоя колеблется в пределах 2-4 мкм в сосудах до 100 мкм в диаметре, но в крупных сосудах с диаметром примерно 500 мкм т о л щ и н а его м о ж е т дости­ гать 15-45 мкм (Charm, Kurland, 1962). Т а к как вязкость пристеночного слоя практически не отличается от вязкости плазмы, он служит своеобразным смазочным слоем для двигающейся крови. 91 Скорости движения по центру сосуда и возле его краев незначительно о т л и ч а ю т с я по ряду причин: • при движении эритроцитов с п о т о к о м плазмы возникает их продоль­ ная ориентация, совпадающая с направлением кровотока; • в пристеночной зоне образуется тонкий пристеночный слой плазмы крови пониженной вязкости, не содержащий эритроцитов; • э р и т р о ц и т ы в виде э ш е л о н а один за другим продвигаются по сосуду в туннеле п л а з м ы . И м е н н о т а к о е приспособление обусловливает уменьше­ ние вязкости крови, особенно в самых мелких сосудах. При ламинарном течении жидкости профиль скоростей разных ее слоев имеет вид параболы с наименьшей скоростью возле стенок трубки и наиболь­ шей - по ее оси. Поэтому при определенном градиенте давления на концах трубки напор будет максимальным возле стенок и минимальным - возле цен­ тра, что способствует миграции зависших в суспензии частиц к оси трубки. Б о л ь ш о й интерес представляют так н а з ы в а е м ы е концентрационные эффекты - пристеночный и приосевой, к о т о р ы е в о з н и к а ю т вследствие взаимодействия суспензии зависших частиц со стенками, ограничивающи­ ми п о т о к в трубках. Б л а г о д а р я этому взаимодействию происходит некото­ р о е запаздывание перемещения близких к стенке трубки частиц. Это запаз­ дывание проявляется на расстоянии не более двух диаметров частиц от стенки трубки и способствует радиальному компоненту перемещения час­ тиц в потоке (Brenner, 1966; Goldsmith, Mason, 1967; Сох, Mason, 1971 и др.). Следует к о р о т к о остановиться на приосевом эффекте Сегре-Зильберга (Segre, Silberberg, 1961,1962): • ригидные частицы в ф о р м е сфер, дисков, цилиндров и пр., плотность к о т о р ы х близка к плотности дисперсионной среды суспензии, не мигрируют в осевое течение, а, смещаясь как от стенки трубки, так и от ее оси, стремятся занять равновесное п о л о ж е н и е по окружности трубки на расстоянии от ее оси, равном примерно 0,6 радиуса трубки; • д е ф о р м и р у ю щ и е с я частицы смещаются в осевое течение (Goldsmith, Mason, 1964,1967 и др.); • тенденцию к смещению к оси сосуда и м е ю т т а к ж е э р и т р о ц и т ы (Benis, 1964; Goldsmith, 1967; Bugliarello, Sevilla, 1970 и др.). Наличие приосевого э ф ф е к т а в крови in vivo признают не все. Считается, что реформированность эритроцитов и их способность создавать агрегаты с высоким модулем изгиба и с к л ю ч а ю т возможность возникновения приосево­ го э ф ф е к т а (Goldsmith, Mason, 1961; Kerniset et al., 1966 и др.). Впрочем, име­ ются данные, что этот э ф ф е к т наблюдается in vivo в сосудах диаметром ме­ нее 600 мкм (Silberberg, 1966). Очевидно, вопрос подлежит уточнению, тем более что с приосевым э ф ф е к т о м связывают способность эритроцитов к э ф ­ фективному распределению при разветвлении сосудов (Deakin, 1967). 92 В о з м о ж н о с т ь появления пристеночного эффекта в ж и в о м организме подтверждена исследованиями in vivo (Copley et al., 1960; Copley, Staple, 1962; Bloch, 1962; Monro, 1964 и др.). П р е д п о л а г а е т с я , ч т о и м е н н о с образованием плазменного слоя у стенки сосуда связано более б ы с т р о е по сравнению с плазмой перемещение эритроцитов вдоль сосуда (Bayliss, 1964; Lowson, 1962; Rowland et al., 1965 и др.). A . M . Чернух и др. (1975) приводят данные о большей скорости движения эритроцитов в сосудах сердца, легких, почек, печени и с к е л е т н ы х м ы ш ц . Образование пристеночного слоя и смещения деформированных эритро­ цитов в осевое течение крови рассматриваются в данное время как ведущие ф а к т о р ы , определяющие э ф ф е к т Фареуса-Линдквиста. И хотя для объясне­ ния этого феномена выдвигались р а з л и ч н ы е гипотезы, наиболее обоснован­ н ы м экспериментально представляется предположение о связи его с нерав­ номерным распределением ф о р м е н н ы х элементов крови во время ее тока по сосудам м а л о г о д и а м е т р а , б л и з к о г о к а р т е р и о л я р н о м у . Л а й т ф у т (Lightfoot, 1977) отмечает, что следствием неравномерного распределения эритроцитов являются: 1) образование лишенного эритроцитов пристеночного слоя низкой вяз­ кости; его т о л щ и н а с уменьшением диаметра сосудов практически не изме­ няется, в результате чего часть п р о ф и л я потока в сосудах малого диаметра, к о т о р у ю занимает э т о т слой, увеличивается; 2) миграция эритроцитов в осевое течение, где скорость тока в ы ш е и, следовательно, время их нахождения меньше, что приводит к относитель­ ному снижению концентрации эритроцитов; 3) частичная задержка эритроцитов во время затекания крови в более уз­ кие трубки, что способствует фактическому снижению плотности эритроци­ тов по сравнению с плотностью в резервуаре, из которого кровь поступает. Однако все еще существует н е к о т о р а я неопределенность в вопросе от­ носительно роли упомянутых ф а к т о р о в и их биологической значимости в механизмах э ф ф е к т а Фареуса-Линдквиста. Особенное место отводится вопросу о капиллярном кровотоке. К р о в ь , т е к у щ а я по капилляру, не м о ж е т рассматриваться к а к сплошная среда, и па­ раболическое распределение скоростей в ней отсутствует. В капиллярах э р и т р о ц и т ы п е р е м е щ а ю т с я , как правило, в один ряд, а плазма в к л ю ч е н а между ними. Основными ф а к т о р а м и , способствующими текучести крови в капиллярах, очевидно, является способность эритроцитов к д е ф о р м а ц и и и особенности поверхности сосудистого эндотелия. Роль сосудистой стенки в э т о м взаимодействии весьма велика. Она прежде всего связана со способностью стенок практически всех сосудистых секций, к р о м е капилляров, деформироваться, причем не т о л ь к о пассивно, под влиянием внешних усилий, но и активно, в связи с с о к р а щ е н и е м сосудистых гладких м ы ш ц . 93