4. гемодинамика с позиций реологических свойств крови

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