Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Морфология крупных артериальных сосудов. регуляция давлением и потоком диаметра крупных артерий ... 17
1.1. Морфология крупных артериальных сосудов 17
1.2. Механические свойства стенки артерий 20
1.3. Регионарные особенности тонуса и вазомоций артерий 27
1.4. Обусловленная эндотелием регуляция просвета магистральных артерий
приложенными к ним механическими силами 28
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования. метод перфузии изолированного участка артериального сосуда 43
2.1. Выбор объекта исследования 43
2.2 Экспериментальная установка 45
2.3. Метод статической регистрации наружного диаметра артерии 47
2.4. Порядок проведения опытов 50
2.5. Определение вязкости крови 52
2.6. Определение концентрации биологически активных вещест в крови.. 52
2.7. Статистическая обработка материалов 53
2.8. Применяемые растворы и вещества 53
ГЛАВА 3. Собственные исследования. биомеханические свойства крупных артерий в зависимости от скорости потока 55
3.1. Упруговязкие свойства стенки крупных артериальных сосудов 55
3.1.1. Зависимость диаметра от давления 55
3.1.2. Вклад различных структур в реологическое поведение артериальной стенки 61
3.2. Зависимость регулируемой эндотелием «потоковой» реактивности артерий от величины трансмурального давления 70
ГЛАВА 4. Регионарные особенности эндотелийзависимой поток-индуцируемой регуляции диаметра и механики крупных артериальных сосудов. критерии «потоковой» реактивности ... 76
4.1. Исследование реакций стенки артерий при изменении величины перфузионного потока в зависимости от регионарной локализации. Критерии «потоковой» реактивности 76
4.2. Механические свойства артерий, зависимые от сосудистого региона ... 91
4.3. Регионарные особенности регуляции градиента давления и линейной скорости в артериальном русле человека 100
4.3.1 Конструкция модели 103
4.3.2 Параметры объемного кровотока 108
4.3.3. Давление 108
4.3.4 Эндотелийзависимая поток-индуцируемая регуляция и градиент давления 110
4.3.5. Линейная скорость кровотока 113
ГЛАВА 5. Вазомоторная активность и биомеханические свойства артерий при действии пульсового компонента давления и потока 118
5.1. Вазомоторная активность артерий и их биомеханические свойства при действии пульсового компонента давления и потока в зависимости от величины модулируемого давления 118
5.2. Вазомоторная активность артерий в ходе сердечного цикла 127
5.3. Биомеханические свойства артериальной стенки в ходе сердечного цикла134
ГЛАВА 6. Эндотелийзависимая поток-индуцируемая регуляция диаметра артериальных сосудов в зависимости от пола и возраста 144
6.1 Половые различия в приросте диаметра общей сонной артерии, вызванном увеличением скорости кровотока 144
6.2. Онтогенетическая динамика опосредованной эндотелием поток-зависимой регуляции диаметра магистральных артерий животных 154
ГЛАВА 7. Взаимосвязь между индивидуальными особенностями поведения и показателями эндотелийзависимой реактивности артерий к изменению скорости потока 165
7.1. Определение типа ВНД экспериментальных животных 167
7.2. Индивидуально-типологические особенности поведения крыс в условиях «открытого поля» 170
7.3. Эндотелийзависимая поток-индуцируемая реактивность артерий и другие вегетативные показатели у крыс с различными типами поведения в «открытом поле» 172
7.4. Кластерный анализ вегетативных показателей у крыс изученной популяции 181
7.5. Корреляционные отношения между вегетативными параметрами и энтропией поведения у крыс 187
7.6. Клинико-биологические аспекты эндотелиальной дисфункции 192
Заключение 226
Выводы 235
Библиографический список 238
Благодарности 277
Список работ, опубликованных по теме диссертации 278
Приложения 283
- Механические свойства стенки артерий
- Метод статической регистрации наружного диаметра артерии
- Вклад различных структур в реологическое поведение артериальной стенки
- Механические свойства артерий, зависимые от сосудистого региона
Введение к работе
Актуальность исследования
Существует довольно распространенное мнение, что физиология кровообращения как раздел физиологии является одним из наиболее законченных. Открытие в начале 80-х годов XX века феномена эндотелийзависимой поток-индуцируемой регуляции артерий [Смешко В. с соавт., 1979; Smiesko V. et al., 1983, 1985; Мелькумянц А. М. с соавт., 1981, 1982, 1985, 1986; Хаютин В. М, 1983, 1986, 1987] позволило по-новому интерпретировать свойства артериальных сосудов.
Эндотелийзависимая модуляция состояния артериальной стенки потоком потребовала уточнения ее биомеханических свойств, которые исследовались на полосках ткани при одноосном растяжении [Халин Н. С, 1977], двуосном растяжении [Hildenbrant J. et al., 1969, Melbin J., 1971], на цилиндрическом участке сосуда при надувании воздухом [Хвилицкая М. И., 1926; Bergel D. Н., 1961]. Биомеханические свойства артерий в условиях максимально приближенных к in vivo на целостном цилиндрическом участке сосуда и перфузии физиологическим раствором исследовались, как правило, при сильном сокращении гладких мышц норадреналином, либо при полном расслаблении релаксантами [Dobrin Р. В. et al., 1969, 1978; Gow В. С, 1972; Рогоза А. Н., 1982]. Изучению феноменологии регуляции артерий давлением было посвящено достаточно много работ различных авторов, вошедших в сборники и монографии [Dobrin Р. В. et al., 1969, 1978; Hudetz A. G., 1979, 1986; Пуриня Б. А., Касьянов В. А., 1980; Каро К. с соавт., 1981; Рогоза А. Н., 1982;], однако в них не учитывалось влияние на тонус артерий такого фактора, как поток. Отсюда становится ясной необходимость изучения биомеханических свойств артерий в широком диапазоне давления при различных значениях объемной скорости потока, а также построение математической модели явлений и выработку исходя из модели критериев для определения характеристик сосудистой стенки.
Исследование биомеханических свойств артерий проводилось, как правило, в условиях статических нагрузок сосудов давлением, но для полного физиологического описания необходимо выяснение динамической связи диаметра артерий с пульсовым давлением [Дриска С. П., 1988].
После открытия феномена ЭЗПИ реактивности артериальных сосудов [Смешко В. с соавт., 1979] активно исследовались реакции артерий при турбулентном [Smiesko V. et al., 1985], не пульсирующем потоке [Gerova Н., 1983]. Была показана независимость ЭЗПИР от нервной системы, гуморальных факторов крови [Балашов С. А. с соавт., 1984]. Работы А. М. Мелькумянц с соавт. [Мелькумянц А. М. 1982, 1985, 1986, 1989] убедительно показали, что триггером ЭЗПИ реакции является изменение напряжение сдвига. ЭЗПИ регуляция артерий исследована при различных физиологических и патологических состояниях [Манухина Е. А. с соавт., 1996; Sugawara М. et al., 1997; Dorup I. et al., 1999; Bruce I. N. et al., 1997]. Изучен эффект эндотелия в ослаблении констрикторных реакций сосудистого русла [Мелькумянц А. М. с соавт., 1992, 2004]. В. П. Никольский с соавт. [Никольский В. П. 1986, 1987, 1989, 1991] изучили эффект стабилизации падения давления в артериях при изменении скорости кровотока. Однако данные, касающиеся стабилизации падения давления, были получены на изолированных артериях. Вопрос о том, в какой мере эффект стабилизации давления принадлежит отдельным артериям, и как он распределяется по трассе аорта - артериолы остается открытым. Интерес к данной проблеме связан также с тем, что участие эндотелийзависимого механизма в реакциях системной гемодинамики на физиологические раздражители практически не изучено.
Дальнейшими исследованиями роли эндотелия в процессе регуляции активности ГМ артерий было установлено, что ЭРФ не является единственным веществом, способным модулировать состояние сосудистой стенки. В работах D. Harder и соавт. (1987), G. М. Rubanyi (1988) было
9 показано, что вызванное давлением сокращение ГМ зависит от целостности эндотелия.
После установления роли эндотелия в ЭЗПИ реактивности артерий [Furchgott R. F., 1980, 1984; Smiesko V. et al., 1983, 1985] большое количество исследований было посвящено изучению молекулярно-клеточных механизмов этого явления [Palmer R. М. J. et al., 1987; Moncada S. et al., 1987; Lansman J. B. et al., 1987; Shicano K., 1988; Griffits Т. M., 1993; Sausbier M. et al., 2000; Brandes A. C, 2001; Krick S. et al., 2002; Mochizuki S. et al., 2003; Jin Z. G.. et al., 2003; Корж A. H., 2003].
Наряду с изученными аспектами ЭЗПИ регуляции артерий остаются вопросы, касающиеся регионарных, половых, возрастных особенностей ЭЗПИ реактивности артерий, взаимосвязи этого вида реактивности артерий с типом ВНД животных. Рядом авторов изучена ЭЗПИ реактивность на бедренной [Kaiser L., 1986; Мелькумянц А. М. с соавт., 1981; Мелькумянц А. М. с соавт., 1982], сонной [Smiesko V. et al., 1985; Балашов С. А. с соавт., 1984; Балашов С. А., 1987], коронарной [Gerova М. et al., 1983; Hintze Т. Н., 1984; Holtz J. et al., 1984], почечной [Мелькумянц A. M., Балашов С. А., 1986; Melkumyants А. М., 1987], кожной артериях [Никольский В. П., 1987; Никольский В. П. с соавт., 1989; Khayutin V. М., 1986; Smiesko V. et al., 1980], артериях тонкой кишки [Smiesko V. et al., 1980], слюнной железы [Никольский В. П., 1987; Khaytin V. М. et al., 1986], щитовидной железы [Smiesko V. et al., 1980], артерии стройной мышцы [Смиешко В. и др., 1979; Smiesko V. et al., 1987], артерии уха [Griffith Т. М. et al., 1987]. В вышеперечисленных исследованиях ЭЗПИР сосудов изучалась разными авторами на сосудах разных видов животных в отличающихся диапазонах потока и давления с использованием различных методических подходов. Для полноценной характеристики и сравнения реактивности артерий между собой недостаточно одного критерия ЭЗПИ реактивности. В связи с вышесказанным представляет интерес исследование регионарных
10 особенностей регуляции диаметра артерий давлением и потоком на одном животном, выработка новых критериев «потоковой» реактивности.
Интерес к половым различиям в проявлении ЭЗПИ реакции обусловлен тем, что наблюдаются половые различия в развитии сердечно-сосудистых заболеваний у мужчин и женщин. Известно, что окклюзионными болезнями артерий [Захарова Г. Н., 1973] и ишемической болезнью сердца чаще страдают мужчины [Сергеев П. В. с соавт., 1996]. Исследование половых различий в эндотелийзависимой регуляции артерий касалось влияния половых гормонов на индуцируемую ацетилхолином выработку NO [Miller V. et al., 1991], изучения поток-зависимой дилатации в различные периоды менструального цикла у женщин [Hashimoto М. et al., 1995; Kawano Н. et al., 1996]. Работы, касающиеся возрастных особенностей сосудов, посвящены в основном изучению изменения состава стенки артерий [Бисярина В. П. с соавт., 1986; Maurel Е., 1987], возрастному изменению реактивности различных рецепторных систем артерий [Docherty J. R., 1987; Taddei S. et al., 1995; Gerhard M. et al., 1996; Bruce I. N. et al., 1997]. Несмотря на то, что имеются работы, посвященные возрастным особенностям ЭЗПИР артерий человека [Taddei S. et al., 1995; Gerhard M. et al., 1996], посвящены они в основном изменениям эндотелиальной функции при старении организма, изучению индукции и выделению оксида азота под действием биологически активных веществ [Torok J. et al., 1996; Alonso M. J. et al., 1997; Lyons D. et al., 1997; Banting J. G., 1997]. He известно, каким образом проявляется эндотелиизависимая поток-индуцируемая реактивность артерий в различные возрастные периоды.
Индивидуально-типологические характеристики нервной системы находят свое отражение в индивидуальных особенностях поведения человека и животных. В настоящее время типологические особенности нервной системы животных и человека получили достаточно широкое освещение в литературе [Симонов П. В., 1981; Забродин И. Ю. с соавт., 1989]. Установлена связь типа нервной системы с характером вегетативных
реакций, функциональной активностью некоторых эндокринных желез, иммунологической реактивностью, с особенностями памяти, мыслительно-речевой деятельности [Чайченко Г. М., 1982; Wilcock J. et al., 1967; Саркисова К. Ю. с соавт., 1991]. До настоящего времени не известны конкретные особенности биохимических и физиологических процессов у представителей различных типов нервной системы. Вместе с тем изучение взаимосвязи между физиологическим статусом организма и типологическими особенностями его нервной системы позволит понять многие вопросы, связанные с характером индивидуальной реактивности и резистентности организма, как в норме, так и при патологии, что является необходимой предпосылкой для разработки индивидуальной профилактики и терапии заболеваний человека.
Из анализа состояния проблемы целью данной работы явилось экспериментальное исследование физиологических механизмов эндотелиизависимои гидродинамической регуляции диаметра магистральных артерий.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
Изучить взаимодействие двух контуров регуляции диаметра артериальных сосудов - давления и потока.
Изучить регионарные особенности эндотелиизависимои поток-чувствительной регуляции и биомеханических свойств артерий.
Исследовать вазомоторную активность артерий и их биомеханические свойства, а также влияние на них эндотелия при действии пульсового компонента давления и потока.
Изучить эндотелийзависимую поток-индуцируемую регуляцию диаметра артериальных сосудов в зависимости от пола и возраста.
Выявить взаимосвязь между индивидуальными особенностями поведения и показателем эндотелиизависимои поток-индуцируемой реактивностью артерий.
12 Для решения задач 1-5 использовался метод перфузии изолированного участка артериального сосуда. Определение типологии ВНД крыс осуществлялось с помощью тестирования животных в «открытом поле».
Научная новизна
Впервые показано, что зависимость модуля упругости Юнга от давления имеет немонотонный двойной S-образный характер, выражена тремя плато, каждое из которых отражает биомеханические свойства трех компонентов сосудистой стенки - эластина, гладких мышц, коллагена. Биомеханические свойства стенки артерий описаны с помощью полуэмпирической математической модели, параметры которой определялись с помощью пакета программ MCN. Жесткость артерий существенно меняется в зависимости от скорости потока крови.
Установлено, что эндотелийзависимая поток-индуцируемая реакция артериальных сосудов модулируется величиной трансмурального давления и определяется механическими свойствами сосудистой стенки. Показано, что между двумя контурами регуляции, давлением и потоком существует взаимодействие, проявляющееся во влиянии скорости потока на статические механические свойства крупных артерий и в действии давления на выраженность эндотелийзависимой поток-индуцируемой реакции.
В отличие от работ L. Kaiser (1986); А. М. Мелькумянц (1981, 1982, 1986), V. Smiesko (1980, 1985), С. А. Балашова (1984, 1987), В. П. Никольского (1987), J. A. Bevan (1988), Т. М. Griffith et al. (1987) в нашей работе впервые проведено комплексное изучение влияния сочетанного действия внутрисосудистого давления и потока как взаимообусловленных контуров регуляции диаметра артерий, роли эндотелия сосудов в модуляции биомеханических свойств стенки артерий в зависимости от их регионарной принадлежности. Выявлен градиент чувствительности артерий к скорости потока - чувствительность артерий к скорости потока максимальна у периферических сосудов и минимальна у
13 центральных сосудов циркуляторного русла. Установлено функциональное значение эндотелиизависимои поток-индуцируемой регуляции диаметра артериальных сосудов - не только стабилизация градиента давления в отдельных участках сосудистого русла при увеличении скорости потока, но и предотвращение возникновения турбулентного течения для крупных артерий. В этом состоит физиологическое значение потокзависимого механизма эндотелиальной природы, обусловленного изменением секреции N0 под влиянием механических стимулов.
Установлено, что зависимость модуля упругости стенки артерий от давления при действии его пульсового компонента носит сложный, нелинейный характер и зависит от величины преднагрузочного давления, фазы пульсовой волны и интактности эндотелия.
Обнаружены половые различия в реактивности сонных артерий кроликов к скорости потока крови. Выявленные различия на 30% определяются отличиями в вязкости крови и, как следствие, различным потоковым стимулом в сосудах самок и самцов кроликов. Ведущим фактором является отличающийся тонус исследованных сосудов.
Впервые показана возрастная динамика ЭЗПИ реактивности артерии.
Впервые показана связь между показателями потоковой реактивности и энтропии поведения крыс в «открытом поле». С помощью корреляционного анализа показано, что общим звеном, связывающим поведение животных и реактивность артерий к потоку, являются гормоны эстриол, тестостерон.
Научно-практическая значимость работы
Исследование носит экспериментально-теоретический характер и посвящено фундаментальному вопросу физиологии кровообращения -эндотелиизависимои поток-индуцируемой регуляции диаметра артериальных сосудов, регионарным особенностям этого вида регуляции артерий, особенностям регионарных биомеханических свойств стенки артерии в условиях статических нагрузок давлением, при действии пульсового
14 компонента давления и потока в зависимости от пола, возраста, типологии ВНД животных. Результаты проведенного исследования углубляют представления о регуляции артериальных сосудов потоком и давлением, способствуют развитию представлений о взаимодействии этих двух контуров регуляции сосудов и пониманию механизмов функционирования кровеносной системы в целом. Выявленный нелинейный двойной S-образный характер зависимости дифференциального модуля упругости Юнга от давления позволяет оценить количественный вклад компонентов сосудистой стенки в сопротивление, оказываемое сосудом окружному растяжению.
Построение математической модели с помощью уточненной модели А. Ноодерграафа дало возможность определить градиенты давления в артериальном русле человека, выявить тем самым физиологическое значение ЭЗПИР для организма.
Обнаруженные половые различия в ЭЗПИ реактивности артерий вносят вклад в понимание особенностей сердечно-сосудистой патологии в зависимости от пола, в частности того факта, что окклюзионными болезнями чаще страдают мужчины. Возрастная динамика ЭЗПИР способствует пониманию процесса роста, с которым неразрывно связан ангиогенез. Выявлены общие закономерности взаимосвязи между типологией ВНД и характером индивидуальной реактивности артерий к скорости потока. Результаты проведенного исследования значительно углубляют представления о связи типа нервной системы с характером вегетативных реакций.
Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических и лабораторных занятий по курсу «Физиология человека и животных» для студентов биологического факультета ГОУ ВПО «АлтГУ», спецкурсам «Физиология кровообращения», «Физиология высшей нервной деятельности» для студентов кафедры физиологии человека и животных биологического факультета ГОУ ВПО
15 «АлтГУ». Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры нормальной физиологии ГОУ ВПО «АГМУ Роздрава», используются в лекционном материале и ходе практического занятия в разделе «Физиология сердечно-сосудистой системы». Полученные результаты могут учитываться для понимания патогенеза облитерирующего тромбангиита.
Положения, выносимые на защиту
Между двумя контурами регуляции диаметра артериальных сосудов -давлением и потоком - существует взаимодействие. Поток-индуцируемая эндотелийзависимая реакция модулируется значением внутрисосудистого давления, биомеханические свойства сосудистой стенки зависят от скорости потока через степень релаксации гладких мышц. Двойной S-образный характер зависимости модуль упругости - давление отражает вклад эластина, гладких мышц, коллагена.
Существуют две стратегии регулирования параметров ЭЗПИ реактивности артерий. Для грудной аорты, брюшной аорты, подвздошной артерии роль этой реактивности сводится к ограничению линейной скорости потока с целью предотвращения возникновения турбулентного течения. Для артерий более мелкого калибра, начиная с бедренной, эндотелий-зависимое поток-индуцируемое увеличение диаметра гораздо большее значение имеет для стабилизации падения давления.
В условиях пульсирующего давления исходный уровень давления определяет степень активности гладких мышц артерий в соответствии с фазами повышения и понижения давления. В условиях естественного сердечного цикла эндотелий оказывает антиконстрикторный эффект на гладкие мышцы артерий.
ЭЗПИ реактивность артерий зависит от пола, типологии поведения животных, имеет возрастную динамику.
Апробация материалов диссертации
Тема исследования дважды поддержана грантами Госкомвуза "Молекулярно-клеточные механизмы эндотелийзависимой регуляции давлением и потоком в онтогенезе животных" (1993-1995 гг.), "Исследование стато-динамических биомеханических свойств артериального русла в связи с сочетанной эндотелийзависимой регуляцией давлением и потоком" (1996-1997 гг.). Результаты исследования доложены на пленумах Головного совета по биологии (г. Новороссийск 1994, 1995 гг.), на II Международной конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук» (г. Москва, 1994), на II, III Всероссийской конференции по биомеханике памяти Н.А. Бернштейна (г. Н. Новгород, 1994, 1996), на II съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока (г. Новосибирск, 1995) по материалам исследований О. В. Филатовой сделан симпозиумный доклад. Результаты исследований докладывались на III съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока (г. Новосибирск, 1997), на XVII съезде физиологов России (г. Ростов-на-Дону, 1998), на XVIII съезде физиологов России (г. Казань, 2001), на IV съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока (г. Новосибирск, 2002), на V съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока (г. Томск, 2005)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, в числе которых 15 статей, 1 монография.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 308 страницах, состоит из введения, обзора литературы, характеристики материалов и методов исследования, пяти глав собственных исследований, заключения, выводов и библиографического списка, содержащего 159 отечественных и 212 иностранных источников. Работа включает 56 рисунков и 29 таблиц.
Механические свойства стенки артерий
Биомеханические свойства сосудистой стенки непосредственно связаны с её структурой, причем имеют значение, как количественные характеристики, так и особенности их структуры и физико-химических свойств [Савицкий Н. Н., 1974]. Упругие свойства сосудов определяются эластином, коллагеном и организованными в волокна гладкомышечными клетками. В крупных, магистральных артериях на долю эластина и коллагена приходится до 50% сухого веса. Соотношение между ними в разных регионах сосудистого русла различно [Burton М. et al, 1954]. Содержание и соотношение структурных элементов во многом определяет биомеханику сосудистой стенки [Dobrin Р. В. et al., 1969]. Не менее важное значение, чем количественное содержание структурных элементов, имеет и их взаимное расположение [Каро К. с соавт., 1981].
Для тел упругих и изотропных К. Гуком (1635-1703) установлен закон, согласно которому величина деформации пропорциональна величине внешнего вызывающего её усилия. Константа пропорциональности нагрузки деформации в условиях одноосной нагрузки была определена Томасом Юнгом (1773-1829) как модуль эластичности. Для материалов, подчиняющихся закону Гука, соотношение нагрузка-деформация линейно, т. е. приращение нагрузки вызывает прямо пропорциональное приращение деформации. Однако сосудистая стенка в силу особенности её морфологии является анизотропным телом. Особенностью поведения стенки артерий является непропорциональное приращение деформации.
Кроме того, у стенки артерий явление упругого гистерезиса, т. е. остаточных деформаций, после освобождения сосуда от действия деформирующей силы выражено значительно, что связывается с особенностями молекул ряда волокнистых органических тел и зависит от свойств межмолекулярного пространства [Каро К. с соавт., 1981]. Время релаксации здесь бывает нередко значительным. Наличие потерь на внутреннее трение у таких тел велико, и его можно обнаружить, накладывая кривую, полученную при нагрузке сосуда, на кривую, полученную при разгрузке. Кривая разгрузки расположится выше кривой нагрузки, и в совокупности они образуют петлю упругого гистерезиса [Фанг Я. Ч., 1975]. Потери на преодоление внутреннего трения в телах, подобных сосудистой стенке, значительны, поэтому свойства сосудистых стенок, определяющие их способность деформироваться под влиянием внешнего усилия, обозначают как упруговязкие, за которые ответственны в основном гладкие мышцы [Каро К. с соавт., 1981].
Существует проблема применения классического закона Гука и расчетов модуля упругости Юнга к описанию состояния стенки артерии. Законы классической механики применимы лишь к описанию малых деформаций стенки сосуда, т.е. вблизи некоторого положения равновесия, где кривая напряжение - деформация может приближенно быть представлена прямой, касательной к точке, где напряжение равно нулю — т. е. в точке равновесной конфигурации [Каро К. с соавт., 1981].
Малые деформации можно анализировать, используя модуль Юнга, задаваемый наклоном этой касательной. Величину Е в этом случае называют касательным, или дифференциальным модулем Юнга [Каро К. с соавт., 1981]: где Тп- Ті - малое увеличение натяжения, ln-li - малое увеличение длины, Sj - площадь поверхности.
Применительно к сосудам касательный модуль Юнга - величина, связывающая изменение диаметра сосуда с изменением давления. Давление в кровеносном сосуде создает в стенке растягивающее напряжение, направленное по касательной к окружности, при этом возникает и продольное напряжение. Из окружного напряжения и соответствующего ему изменения значения диаметра на основании закона Гука вычисляется величина Е. В общем виде величина Е определяется из уравнения [Каро К.,1981]:
Е = (AP/dDe)-((2De-Di2)-(l-a)/(De2- D 2)) где а — коэффициент Пуассона; Р -давление, De - наружный диаметр артерии, D, - внутренний диаметр (подробнее см.: п.п.3.2.).
В условиях организма упруговязкие свойства сосудов обусловлены не только структурными элементами ткани сосуда, количественно варьирующими в разных сосудистых регионах, но и активным состоянием мышечных элементов сосудистой стенки, и чем богаче в количественном отношении представлены эти элементы, тем более вариантны упруговязкие свойства сосуда [Каро К. с соавт., 1981].
Вопрос о том, в каком направлении изменяются упруговязкие свойства сосудистой стенки, окончательно не решен. Упругое сопротивление стенки сосуда, находящегося в сокращенном состоянии, с увеличением давления уменьшается; упругое сопротивление расслабленного сосуда с повышением давления нарастает.
Повышение тонического напряжения и сокращения мышечных элементов сосудистой стенки повышает её упругое сопротивление [Савицкий Н. Н., 1974]. В статическом режиме нагрузок модуль упругости материала стенки артерии постепенно возрастает при растяжении сосуда. Известно, что модуль Е при давлении 40 мм рт. ст. для грудной аорты собак составляет 1,2-106 дин/см2; при 100 мм рт. ст., он равен 4,4-106 дин/см2; при 220 мм рт. ст. достигает величины 18-10 дин/см . Для крупных артерий собак и человека модуль Е при 100 мм рт.ст. находится в пределах 6-8-106 и возрастает до 12-20-10 дин/см , когда давление возрастает до 220 мм рт. ст. [Fung Y., 1971].
Нелинейность зависимости напряжения от растяжения отражает легкую распрямляемость сморщенных мембран эластической стенки при малых давлениях и постепенное включение в сопротивление растяжению эластиновых и коллагеновых волокон. При одном и том же давлении модуль упругости материала стенки малых артерий мышечного типа значительно меньше, чем крупных [Dobrin Р. В., 1978].
Экспериментальное изучение механических свойств сосудистой стенки берет начало еще в работах Т. Юнга [Каро К. с соавт., 1981]. Н. Н. Савицкий (1974) упоминает о работах А. Г. Полотебнова, который в 1869 г. выполнил одни из первых клинико-экспериментальных работ, посвященных изучению упруго-вязких свойств сосудистых стенок и их изменению при некоторых заболеваниях. Влияние гладкой мускулатуры на вязко-эластичные свойства артерий изучал О. P. Reuterwall (1921). М.И. Хвилицкая (1926) исследовала вязко-упругие свойства артерий человека в зависимости от возраста и атеросклеротических изменений. К началу шестидесятых годов у ученых сложились представления о механических свойствах крупных артерий [Wezler К. et al., 1936], включая в себя соображения о связи механических свойств артерий со строением стенки и реологическими параметрами составляющих ее материалов [Krafka В., 1939; Burton М., 1954]. В последующие десятилетия продолжилось исследование биомеханических свойств сосудистой стенки [Каро К. с соавт., 1981; Пуриня Б. А., Касьянов В. А., 1980, Рогоза А. Н., 1982; Hudetz A. G., 1986].
Метод статической регистрации наружного диаметра артерии
Для исследований эндотелий-зависимого поток-индуцируемого феномена регуляции диаметра артериальных кровеносных сосудов в нашей лаборатории был разработан и изготовлен наружный дифференциальный контактный датчик емкостного типа, позволяющий динамически регистрировать диаметр сосудов in vitro и in situ.
В основе работы датчика (рис. 2) лежит емкостный преобразователь с изменяющимся перекрытием площади обкладок. При увеличении диаметра артерии измерительный рычаг, крепящийся на оси с агатовыми подшипниками (минимизирующими трение и люфт оси измерительного устройства), смещается вверх, что приводит к изменению площади перекрывания пластин, и вследствие этого - к изменению взаимоперекрывания пластин конденсатора, появляется сигнал, преобразующийся электронным устройством по схеме датчика давления от прибора "Мингограф-34".
При уменьшении диаметра артерии наблюдается обратная картина. При работе чувствительная часть датчика заземляется съемным экранирующим кожухом (на рис. 2 не показан). Используемый прецизионный датчик отличается высокой чувствительностью, линейностью, стабильностью [ФорейтЙ., 1966].
Основание выполнено из алюминия, опора изготовлена из пластмассы и прикреплена к основанию. Профилированная подложка под сосуд выполнена из оргстекла. Соприкасающийся с сосудом конец измерительной пластины покрывали клеем БФ-6. Пластина выполнена из дюралюминия и имеет вес 0,33 г, приведенный при горизонтальном положении датчика. Дополнительное усиление и обработка сигнала осуществлялась аналоговым устройством, позволяющим калибровать чувствительность системы, осуществлять рабочий контроль нулевой линии, смещать нулевую отметку на заданную величину (растягивать шкалу). Последнее позволило регистрировать диаметр сосуда на потенциометре КСП в пределах от 50 до 150% от изначального диаметра и оценивать текущий диаметр кровеносного сосуда по показаниям цифрового четырехразрядного вольтметра с точностью до 0,1 мкм на 1,0 мВ измеряемого напряжения. Калибровка смещения 1 мм - 1,0 В. Для определения чувствительности датчика и линейности его измерений проводили калибровочные эксперименты, в ходе которых в измерительную часть вместо артерии помещали металлические цилиндры диаметром от 0,5 до 3,5 мм. Результаты калибровочных экспериментов представлены на рис. 3. Нелинейность системы оказалась вне пределов разрешающей способности прибора, что позволило осуществить растяжку диапазона регистрации и значительно повысить точность отсчета. Для повышения точности использовалась цифровая индикация, облегчение которой достигалось включением в измерительную установку усилителя с фильтром второго порядка с крутизной среза 27 дБ на октаву с частотами среза от 5 до 0,2 Гц. линии. Временной дрейф прибора также отсутствовал при регистрации нулевой линии в течение пяти часов.
Исследования проводили на кроликах под кетаминовым наркозом (13 мг/кг внутривенно, поддерживающие дозы составляли 50%, премедикация аминазином 2% - 0,05 мл/кг внутримышечно) и крысах (30 мг/кг внутримышечно, поддерживающие дозы составляли 50%, премедикация аминазином 2% - 0,05 мл/кг внутримышечно). Животное помещали на препаровальный столик, приступали к выделению артерии. Делали надрез, отпрепаровывали участок артерии длиной, достаточной для перфузии, отходящие сосуды тщательно перевязывали, сосуд канюлировали, сохраняя длину его равной in vivo. Диаметр тонкостенных металлических канюль соответствовал диаметру сосуда.
После окончания препаровки и начала перфузии в артерии сосуд не подвергался воздействиям в течение часа. За это время проходило состояние частичного спазма, вызванного препаровкой. Увлажнение поверхности сосуда производилось с помощью суперфузии РТ.
Скорость потока задавали с помощью роликового насоса по предварительно градуированной шкале, ждали в течение нескольких минут развития реакции - увеличения диаметра, затем снижали поток до исходной величины (рис. 4). Давление внутри сосуда создавалось с помощью задатчика давления.
Вклад различных структур в реологическое поведение артериальной стенки
Анализ плато I зависимости модуля упругости от давления сосудов, перфузируемых РТ и цельной кровью, показывает, что жесткость материала стенки сравнительно невелика независимо от действия потока. Окончание плато I при различных условиях приходится на значения давления, по величиной близкие к 60 мм рт. ст. (табл. 3).
Наибольшую вариабельность имеет плато II, именно величина модуля упругости, соответствующая началу и окончанию плато II, изменяется под влиянием потока и папаверина (рис. 7, 8, табл. 3).
По мере увеличения трансмурального давления резервы к растяжимости артерии исчерпываются, деформации становятся минимальными, зависимость модуля упругости от давления выходит на плато III.
Стенка кровеносного сосуда неоднородна, и ее слои могут иметь отличающиеся модули упругости. Это позволяет применить для анализа трехкомпонентную модель строения и поведения сосудистой стенки Б. Фолкова (1976), представляющую собой конструкцию, включающую в себя упругий резиноподобный материал эластин, ГМ - материал с изменяющимися свойствами в зависимости от степени релаксации, жесткий малорастяжимый коллаген.
Стенка артериальных кровеносных сосудов как композитная конструкция не подчиняется классическому закону Гука, но отдельные компоненты этой стенки демонстрируют упругое поведение [Савицкий Н. Н., 1974). При низких значениях давления деформации подвергаются многочисленные эластиновые мембраны. Анализ полученных нами кривых модуль упругости - давление показал, что в области малых давлений жесткость сосудов невелика (табл. 3) при действии различных потоков и папаверина и количественно близка к жесткости эластина (3-10 Н/м ) [Каро К. ссоавт., 1981].
По мере роста давления величина модуля упругости возрастает: сопротивление растягивающему давлению начинают оказывать миоциты, смещение вверх кривых Е-Р при увеличении потока (рис. 8) свидетельствует об увеличении жесткости миоцитов или уменьшении их активации, вызванном действием ЭРФ на ГМ. Модуль упругости плато II возрастает в среднем от 1,79-106 Н/м2 до 3,93-106 Н/м2 (табл. 3), модуль упругости гладкой мускулатуры изменяется от 105 до 2-Ю6 Н/м2 [Каро К. с соавт., 1981].
Скорректированная с процентным содержанием гладкой мускулатуры величина модуля упругости плато II в среднем изменяется от 0,72-106 до 1,57-10 Н/м , поддержка пассивного скелетона составляет величину менее 1%. При увеличении потока до 45 мл/мин увеличивается релаксирующее действие эндотелия, миоциты испытывают поддержку пассивного скелетона при давлении 144 ± 12 мм рт. ст., вклад коллагена составляет при этом не более 2%. Начиная с давления 192 ± 14 мм рт. ст., модуль упругости возрастает, это свидетельствует о том, что поддержка пассивного скелетона возрастает до 4%.
При действии максимального потока поддержка пассивного скелетона начинается при давлении 120±14 мм рт. ст., вклад ее составляет не более 4% с учетом процентного содержания гладкой мускулатуры в стенке кровеносного сосуда.
Наши данные, касающиеся действия различных потоков на механические свойства сосудов, частично совпадают с данными Р. В. Dobrin с соавт. (1969), исследовавшими вклад гладкой мускулатуры в сопротивление, оказываемое сосудистой стенкой растягивающему давлению при сильной активации миоцитов норадреналином. Повышение активации ГМ проявляется в смещении кривой Е-Р вниз и вправо. Уменьшение модуля упругости наблюдается, если модули упругости стенки активированной и покоящейся артерии определять при одном и том же давлении. Это связано с тем, что при сокращении гладкой мышцы артерии меньшая часть нагрузки приходится на жесткий коллаген. Однако, если сравнение проводили при одном и том же диаметре, а не давлении (т. е. при одной и той же степени деформации), то артерии с активированными ГМ были более жесткими [Dobrin Р. В. etal., 1969].
Учитывая, что расслабленная гладкая мускулатура вносит небольшой вклад в сопротивление, оказываемое сосудистой стенкой давлению, считают, что кривая Е-Р нагружения сосуда давлением под действием папаверина или других релаксантов, отражает свойства пассивного скелетона [Dobrin Р. В. et al., 1969]. В нашей работе при повышения давления в сосуде, обработанном папаверином, наблюдается возрастание жесткости почти в 30 раз (от 0,05-106 до 1,45-10 Н/м ) уже под давлением 126±17,8 мм рт. ст. Причинами резкого повышения жесткости пассивного материала с ростом окружного удлинения считают два фактора - распрямление и растяжение складчатых структур и вовлечение в противодействие растягивающему давлению дополнительно более жестких компонентов, в частности, коллагена.
Величина модуля упругости плато III ( 10 Н/м ) количественно близка модулю упругости чистого коллагена (10 Н/м ) и позволяет нам утверждать, что плато III отражает вклад коллагена в сопротивление окружному растяжению. Расчет величины модуля упругости плато III позволил оценить вклад коллагена в жесткость около 15%. Учитывая, что волокна коллагена упакованы разнонаправлено, становится понятным, почему коллаген не вносит 100%-ный вклад в жесткость артерий при полностью расслабленных миоцитах.
Исходя из существующего определения тонуса сосудов как состояния возбуждения гладкой мускулатуры сосуда, определяющего степень ее сокращения, очевидно, что его численная оценка представляет собой не простую задачу из-за отсутствия соответствующей единицы измерения, многокомпонентной гетерогенной структуры сосудистой стенки, маскирующей напряжение гладкомышечных волокон, и отсутствия удовлетворительного эталона сравнения [Мажбич Б. И., 1990]. Понятие сосудистого тонуса не относится к категории четких формализованных понятий, и поэтому тонус сосудов сегодня не может быть охарактеризован количественно соответствующей единицей измерения. Несмотря на то, что понятие тонуса сосудов не может быть однозначно охарактеризовано в терминах напряжений и деформаций, такие понятия, как сопротивление току жидкости, просвет сосудов, показатели их упругих свойств, в совокупности дают представление об этом физиологическом феномене [Мажбич Б. И., 1990]. Более того, в качестве меры его тонуса предлагается безразмерная величина - отношение статического модуля объемной упругости интактного сосуда к такому же показателю релаксированного сосуда [Шендеров С. М. с соавт., 1979; Gow В. С, 1972].
Механические свойства артерий, зависимые от сосудистого региона
Можно было бы ожидать более высокой реактивности к изменению скорости потока, чем у этих сосудов. На самом деле почечная артерия практически не отличается по потоковой реактивности от вышеназванных артерий, у нее наблюдается относительно невысокий тонус, сочетающийся с небольшими резервами сосуда к расширению. Самый высокий тонус у бедренной артерии. Из чего следует, что потоковая реактивность зависит не от того диаметра, который определяется пассивными элементами сосудистой стенки (эластино-коллагеновый каркас), а состоянием активного элемента (гладкой мускулатурой) и ее тонусом. Прирост диаметра артерий, вызванный увеличением скорости потока, зависит от исходного диаметра артерии. Однако более высокое значение коэффициента корреляции между показателями прироста диаметра и фоновым тонусом свидетельствует о большем значении для потоковой реакции тонуса сосуда, нежели абсолютной величины диаметра.
Начальный диаметр артерий, детерминируемый Т0, связан в свою очередь с чувствительностью эндотелия к изменению напряжения сдвига. В экспериментах с хроническим изменением скорости кровотока артерии увеличивали свой просвет к повышенному потоку крови, что свидетельствует о структурных изменениях сосудистой стенки, происшедших под действием длительно увеличенного напряжения сдвига [Мелькумянц А. М. с соавт., 1981].
Явление «остаточного тонуса» периферических артериальных сосудов после их денервации известно давно. Еще в XIX веке при изучении действия вазодилататорных нервных волокон было показано существование некого, как его называли, периферического, или остаточного тонуса, который, как представлялось, развивается лишь после устранения действия констрикторных нервных волокон. Несмотря на это, приблизительно до 40-50 гг. XX века считалось, что основным фактором в формировании сосудистого тонуса играет симпатическая иннервация, а тонус сосудов, лишенных симпатических нервов, восстанавливается за счет приобретения гладкой мускулатурой сосудов специфических, отсутствующих до денервации свойств и, в частности, повышение чувствительности к катехоламинам. Предполагалось также, что причиной тонуса могут быть циркулирующие в крови вазоактивные вещества [цитировано по Конради Г. П., 1973]. В таком случае интенсивность тонуса зависела бы от чувствительности сосудов органа к таковым веществам и была бы регионарно зависима. Однако Б. Фолков [Folkow В., 1964] обратил внимание на то, что наибольшей чувствительностью к подобным эндогенным агентам обладают артериовенозные анастомозы, в то время как эти сосуды характеризуются низким «остаточным» тонусом. Ставили под сомнение нейрогенную теорию и ряд работ, в которых денервированные сосуды обладали способностью расширяться на введение вазодилататорных веществ, демонстрируя дилатацию на фоне уже имевшийся паралитической дилатации. В начале XX века Бейлисс предположил, что сосудистая стенка обладает свойствами спонтанного тонуса. Это предположение получило дальнейшее развитие в работах Б. Фолкова (1960), Г. П. Конради (1963). Впоследствии было показано, что причина, модулирующая активное состояние ГМ кровеносных сосудов, - повышенная проницаемость мембран гладкомышечных клеток сосудов к кальцию.
Основной, или базальный, тонус обусловлен местными факторами, которые наряду с центральными звеньями регуляции вносят вклад в поддержание сосудистого тонуса на определенном физиологическом уровне. Величина базального тонуса неодинакова в разных сосудистых регионах, и он более выражен в тканях с изменчивым уровнем обмена веществ (например, скелетных мышцах) либо в органах, требовательных к постоянству в кровоснабжении и плохо переносящих его дефицит (головной мозг, миокард) [Folkow В., 1964].
Интересен и тот факт, что чем богаче иннервирован орган, тем менее выражен основной сосудистый тонус. Тонус гладких мышц кровеносных сосудов подвержен спонтанным ритмическим изменениям, наиболее выраженным у прекапиллярных артериол и мелких вен и менее интенсивным у крупных артерий. Подобные изменения тонуса сосудов не синхронны и независимы друг от друга - служат одним из проявлений автоматизма сосудистой стенки. Автоматия сосудистых мышц является базисом для самоподдерживающегося сокращения сосудистой стенки, корригируя которое регуляторные факторы обеспечивают ауторегуляцию кровотока.
Существует точка зрения, что значительным миогенным тонусом обладают артериолы и прекапиллярные сфинктеры, в то время как у мышц крупных артериальных сосудов миогенный тонус и, соответственно, автоматия выражена слабо. Тем не менее, остаточный тонус артерий, как видно в наших исследованиях, определяет релаксационный потенциал исследованных сосудов.
Сравнение максимальных значений потоковой реактивности с предельными величинами вариаций потоков в регионах, снабжаемых изученными артериями, представлено в табл. 8. Максимальной способностью к вазодилатации обладает бедренная .артерия, обеспечивающая регион с наибольшей вариативностью кровотока. Остальные изученные артерии, кровоснабжающие регионы с относительно низкими изменениями кровотока, демонстрируют иное сочетание показателей потоковой реактивности.
Брюшная аорта, чревный ствол, сонная артерия - магистральные кровеносные сосуды, у которых не выявлено значительных резервов к увеличению диаметра. В большинстве работ, в которых исследовали дилататорный ответ крупных артерий, расширение артерий при многократном увеличении кровотока не превышало 10-12% [Мелькумянц А. М, Балашов С. А., 1989]. Столь слабо выраженная дилатация артерий эластического типа связана с невысоким исходным тонусом, а, следовательно, и с небольшим резервом расслабления их гладкой мускулатуры [Мелькумянц А. М., Балашов С. А., 1989]. Так для брюшной аорты характерен невысокий тонус, умеренная вариативность потока [Фолков Б., Нил Э., 1976], наибольшая линейная скорость потока in vivo [Педли Т., 1983], наименьшая чувствительность по Уідпах (табл. 8).
Значение такого фактора, как эндотелийзависимая поток-индуцируемая реакция для оптимизации параметров кровотока можно определить, рассчитав зависимость линейной скорости от объемной скорости в реальном сосуде и для гипотетического сосуда, лишенного эндотелийзависимой регуляции, который на рис. 17 обозначен как жесткая трубка. Если бы сосуд был лишен эндотелийзависимой поток-индуцируемой регуляции, то при повышении объемной скорости потока при неизменном диаметре линейная скорость приближалась бы к таким значениям, при которых возникает опасность появления турбулентного течения. Увеличение объемной скорости потока в бедренной артерии до максимальных величин, полученных в эксперименте, при неизменном диаметре артерии дало бы увеличение линейной скорости до 382 см/с.
