Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Механизмы изменений сопряжённых функций органных сосудов и системной гемодинамики при модуляции волновых характеристик кровотока и внешнего дыхания

ВАК РФ 03.03.01, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктор биологических наук, Поясов, Илья Залманович, Санкт-Петербург

Щ:

(резалке

71 11-3/87

Учреждение Российской академии медицинских наук

Научно-исследовательский институт экспериментальной медицины Северо-Западного отделения РАМН *

На правах рукописи

0," / « № ^Л/^ '[ г

7'

Поясов Илья Залманович

МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИИ СОПРЯЖЁННЫХ ФУНКЦИЙ ОРГАННЫХ СОСУДОВ И СИСТЕМНОЙ ГЕМОДИНАМИКИ ПРИ МОДУЛЯЦИИ ВОЛНОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КРОВОТОКА И

ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ

Специальность 03.03.01 - физиология

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научный консультант-академик Российской АМН, профессор Б.И.Ткаченко

Санкт - Петербург 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................6

Глава I. ФУНКЦИИ ОРГАННЫХ СОСУДОВ, ОРГАННАЯ И СИСТЕМНАЯ ГЕМОДИНАМИКА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ВОЛНОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КРОВОТОКА И ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ (обзор литературных данных).................................19

1.1. Волновые характеристики пульсирующего кровотока в системе кровообращения.............................................19

1.2. Чувствительность гладких мышц к изменениям внутрисосудис-

того давления...............................................28

1.3. Влияние пульсовых колебаний кровотока на резистивную и ёмкостную функции органных сосудов............................37

1.4. Фильтрационно-абсорбционные процессы в микрососудах органов при пульсирующем кровотоке.............................46

1.5. Биомеханика пульсирующего кровотока........................54

1.6. Лёгочная и системная гемодинамика при изменении волновых характеристик внешнего дыхания.............................65

1.7. Моделирование кровообращения как открытой и динамической системы...................................................70

Глава II. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................85

2.1 Методика изучения влияния пульсовых характеристик кровотока на органное кровообращение.............................85

2.1.1. Разработка методики непульсирующей и пульсирующей с модуляцией по амплитуде и частоте перфузии сосудистого русла скелетной мышцы....................................87

2.1.2. Методика исследования функций органных сосудов в режиме перфузии постоянным расходом крови.......................92

2.1.3. Методика исследования функций органных сосудов в режиме перфузии при постоянном давлении.....................101

2.2. Изучение влияния волновых характеристик лёгочной вентиляции

на органную и системную гемодинамику.......................105

2.2.1. Методика перфузии доли лёгкого при различных режимах

его вентиляции..........................................106

2.2.2. Методика изучения влияния амплитуды дыхательного цикла

на артериальный кровоток...............................110

2.2.3. Методика исследования влияния амплитуды дыхательного цикла на венозный кровоток..............................112

2.3. Методика изучения изменений волновых характеристик кровотока лёгочной и системной гемодинамики при действии прессорных стимулов...................................................114

2.4. Методы моделирования системы кровообращения при изучении волнового режима её работы.............................118

Глава III. ФУНКЦИИ СОСУДОВ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ ЗАДНЕЙ КОНЕЧНОСТИ ПРИ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ ВОЛНОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРФУЗИОННОГО КРОВОТОКА В РЕЖИМЕ СТАБИЛИЗАЦИИ ЕГО СРЕДНЕЙ ВЕЛИЧИНЫ..............................................120

3.1. Резистивная функция сосудов.................................120

3.2. Ёмкостная функция сосудов..................................133

3.3. Обменная функция сосудов...................................138

3.3.1. Зависимость изменений среднего капиллярного гидростатического давления от пульсовых характеристик кровотока.....138

3.3.2. Сдвиги коэффициента капиллярной фильтрации при изме-

нении амплитуды и частоты пульсаций....................141

Заключение....................................................146

Глава IV. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ПЕРФУЗИИ (ПОСТОЯННОЕ ДАВЛЕНИЕ ИЛИ КРОВОТОК) НА СДВИГИ ПАРАМЕТРОВ СОСУДИСТЫХ ФУНКЦИЙ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ ЗАДНЕЙ КОНЕЧНОСТИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АМПЛИТУДЫ И ЧАСТОТЫ ПУЛЬСАЦИЙ............................................151

4.1. Резистивная функция сосудов................................151

4.2. Обменная функция сосудов..................................164

Заключение....................................................172

Глава V. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКЦИЙ СОСУДОВ СКЕЛЕТНОЙ МЫШЦЫ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ НЕПУЛЬСИРУЮЩЕГО К ПУЛЬСИРУЮЩЕМУ КРОВОТОКУ...............174

5.1. Динамические характеристики реакций сосудов в режиме перфузии при постоянном расходе.................................176

5.2. Динамические характеристики реакций сосудов в режиме перфузии при постоянном давлении................................181

5.3. Сравнение динамических характеристик изменений суммарного сосудистого сопротивления при двух различных режимах перфузии .......................................................187

Заключение...................................................190

Глава VI. ВОЛНОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРОВОТОКА И ДАВЛЕНИЯ В ЛЁГОЧНОЙ И СИСТЕМНОЙ ГЕМОДИНАМИКЕ ПРИ ДЕЙСТВИИ ПРЕССОРНЫХ СТИМУЛОВ...............193

6.1. Временная динамика изменений давления и кровотока в лёгочной артерии при применении катехоламинов.......................194

6.2. Влияние вязко-упругих свойств сосудистой системы на динамику

её работы................................................209

6.3. Изменения амплитуды колебаний артериального давления и частоты сердечных сокращений при действии прессорных стимулов .216

Заключение ...................................................222

Глава VII. ЛЁГОЧНАЯ И РЕГИОНАРНАЯ ГЕМОДИНАМИКА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ВОЛНОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЖИМА ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЁГКИХ................................224

7.1. Макро- и микрогемодинамика лёгких при амплитудно-частотной модуляции параметров искусственной вентиляции..............225

7.2. Влияние амплитуды дыхательного цикла на артериальный кровоток в большом круге кровообращения.........................234

7.3. Влияния амплитуды дыхательного цикла на венозный кровоток

в большом круге кровообращения.............................242

Заключение....................................................249

Глава VIII. ВЛИЯНИЕ ВОЛНОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КРОВОТОКА И ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ НА ОРГАННУЮ И СИСТЕМНУЮ

ГЕМОДИНАМИКУ (обсуждение полученных данных)..........254

ВЫВОДЫ........................................................296

УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ.......................................299

Список основных сокращений......................................329

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Важная роль, которую волновые процессы играют в живой и неживой природе, обусловливает постоянно растущее внимание исследователей к их изучению. При этом анализ колебательного режима работы разнообразных систем (физических, химических, биологических, технических и т.д.) позволяет вскрыть ранее неизвестные механизмы функционирования и выявить общие закономерности их поведения. При несомненной теоретической значимости вопроса о роли колебаний в системе кровообращения, использование волновых технологий в диагностике и лечении различных патологических состояний является одним из наиболее перспективных направлений («прорывов») XXI века (Барбараш А., 1998; Проблемы ритмов в естествознании, 2004; Лазерная допплеровская флоумет-рия..., 2005; Combs D., 2006).

В системе кровообращения колебательный (пульсирующий) режим её работы обеспечивается сократительной деятельностью сердца и является естественным, непрерывно действующим на сосудистую систему фактором. Физиологическая значимость создаваемых сокращениями сердца колебаний и их роль в обеспечении одной из главных задач системы кровообращения - транспортной функции не получила достаточного освещения в литературе. Сложность изучения роли волновых процессов в деятельности сердечно-сосудистой системы определяется трудностями, возникающими при анализе протекания пульсирующей "неньютоновской" жидкости (крови) по неоднородному, разветвленному сосудистому руслу, находящемуся под действием различных контуров регуляции (нервного, гуморального, метаболического, биофизического). Общих методов количественного анализа таких систем, являющихся нелинейными, открытыми и неравновесными (Николис Г., Пригожин И., 1979; Волькенштейн М.В., 2008), в настоящее время в литературе не приводится. В то же время для систем различной природы наме-

тился ряд подходов (Николис Г., Пригожин И., 1979; Хакен Г., 1980) к количественному исследованию протекающих в них процессов, пригодных, возможно, и для изучения системы кровообращения. Поэтому выяснение роли и значимости волновых характеристик кровотока и давления при анализе работы сердечно-сосудистой системы в колебательном режиме представляется актуальной задачей, трудность решения которой связана с отсутствием к настоящему времени хорошо разработанных для этой цели стандартных методических подходов.

В системе кровообращения волновой процесс, возникающий в результате циклической работы сердца, сопровождается изменением артериального и трансмурального давлений в кровеносных сосудах и поддерживает постоянно меняющееся в течение сердечного цикла механическое растяжение их стенок. Создаваемые таким образом колебания кровотока оказывают непрерывное воздействие на нервные и гладкомышечные образования сосудистых стенок.

В физиологии кровообращения чувствительность гладких мышц сосудов к растяжению рассматривается как феномен Остроумова-Бейлисса (Гу-ревич М.И., Бернштейн С.А., 1984). Сформулированная У. Бейлиссом мио-генная гипотеза (Bayliss W.M., 1902) регуляции сосудистого тонуса предполагает участие в его формировании механизма, обеспечивающего сокращение гладких мышц в ответ на повышение в них давления и расслабление гладкой мускулатуры при снижении внутрисосудистого давления. Позднее миогенная гипотеза была подтверждена результатами экспериментальных исследований, материалы которых представлены в ряде обзорных работ (Конради Г.П., 1973; Шендеров С.М.,Рогоза А.Н., 1979; Хаютин В.М., Рогоза А.Н., 1986; Johnson P.C., 1980).

Важность изучения действия механогенных стимулов на сосудистое русло обусловлен их участием в формировании базального тонуса сосудов, обеспечении баланса фильтрационно-абсорбционных процессов в

ткани на капиллярном уровне, развитии рабочей и реактивной гиперемии (Гуревич М.И., Бернштейн С.А., 1972; 1984; Ткаченко Б.И., Левтов В.А., 1986; Hauge A., Nicolaysen G., 1979; Somlyo А.Р., 1985). Актуальность задачи выяснения роли механогенных стимулов в регуляции кровообращения обусловлена также её практической важностью; она непосредственно связана с решением проблемы разработки и эксплуатации аппаратов "искусственное сердце", а также использованием перфузионной техники в клинике и экспериментальных исследованиях (Шумаков В.И. и др., 1988; Nagel S. et al., 2005; Arndt A. et al., 2008).

Большое количество работ, посвящённых изучению сосудистых реакций, вызываемых механогенными стимулами, проведено в условиях, при которых входное воздействие имитировали изменением средней величины внутрисосудистого давления (Хаютин В.М.,1979; Johnson P.C., Intaglietta V.,1976; Grande P.O., Borgstrom P., Mellander S., 1979) без учёта возможного участия в наблюдаемых ответах пульсовых колебаний кровотока или давления. Значительно меньше представлены в литературе данные о влиянии на сосуды пульсового (быстроменяющегося) внутрисосудистого давления, причём, как правило, в этих работах оценка действия пульсаций проводили путём сравнения сдвигов регистрируемых гемодинамических показателей при переходе от непульсирующей или слабопульсирующей к пульсирующей перфузии исследуемого сосудистого региона (Орлов В.В. и др., 1981). При этом не производилась оценка вклада в наблюдаемые ответы собственно пульсовых (волновых) характеристик кровотока, среди которых наиболее важными и часто используемыми являются амплитуда и частота пульсаций.

Сведения о действии пульсовых характеристик кровотока (давления) на регионарную гемодинамику малочисленны и фрагментарны (Осадчий Л.И., Пуговкин А.П., 1983; Speden R.N., Warren D.M., 1987). В них, как правило, приводятся данные о влиянии лишь одного из пульсовых параметров (амплитуды либо частоты) на исследуемые гемодинамические показатели со-

судистого русла. Результаты исследований по этой теме носят противоречивый характер: отмечается как возможность увеличения изучаемого показателя, так и его снижения в ответ на одни и те же сдвиги амплитуды или частоты (Недошивин В.П., Дворецкий Д.П., 1991). Отмеченные противоречия могут быть вызваны не только сложными, как правило, нелинейными характеристиками изучаемых объектов, но и трудностью сопоставления данных, полученных в разных методических условиях. Практически отсутствуют работы, характеризующие совместное действие вариации амплитуды и частоты пульсаций, то есть изменение двух входных переменных, на гемодинамику сосудистого русла. В то же время правомерность и актуальность такой постановки задачи несомненна, поскольку в естественных условиях любая нагрузка на сердечно-сосудистую систему, как правило, сопровождается одновременным изменением, как амплитуды, так и частоты сердечных сокращений.

Согласно данным литературы, исследование действия пульсаций на органную гемодинамику проводится, главным образом, при сравнении влияния пульсирующего и непульсирующего режимов перфузии на изучаемые сосудистые функции. Оценка изменений резистивной функции сосудов в этом случае проводится по поведению суммарного (интегрального) сопротивления исследуемого сосудистого региона без учёта вклада в его изменение каждого из последовательно расположенных сегментов. Вместе с тем, изучение сдвигов сосудистого сопротивления различных участков перфузи-руемого русла (пре- и посткапиллярного) в ответ на действие пульсаций позволило бы расшифровать значимость каждого из них в механизмах изменений резистивной функции.

В настоящее время не вызывает сомнения важная роль венозных сосудов в органном и системном кровообращении (Ткаченко Б.И.,1979). Исследованию влияния пульсирующего кровотока на венозный отдел сосудистого русла в литературе по физиологии кровообращения не уделялось достаточно-

го внимания: считалось, поскольку амплитуда пульсаций в венах мала, пульсации практически не влияют на венозные сосуды. В литературе отмечается и трудность анализа реакций вен, связанная с существенной нелинейностью их характеристик (например, проявление свойств гистерезиса в зависимости "давление - объём"). Учитывая значимость вен в системе кровообращения (Ткаченко Б.И.,1979), представляет несомненный интерес изучить участие пульсаций в формировании резистивной функции венозных сосудов и в обеспечении их основной роли - ёмкостной функции.

Данные литературы о влиянии пульсовых колебаний на обменную функцию сосудов носят противоречивый характер. Одни авторы отмечают, что пульсирующая перфузия увеличивает количество внесосудистой жидкости (Hauge A., Nicolaysen G.,1979), другие (Taguchi S. et al., 1988) наблюдали противоположный эффект. Среди факторов, приводящим к противоречивым результатам, мог быть выбор условий и режима перфузии, в частности, постоянный кровоток или давление. В то же время показано (Интеграция..., 1984), что при изучении регионарной макро- и микрогемодинамики наиболее адекватным аналитическим подходом для расшифровки механиз-

I/ W W /

мов сосудистых реакции в ответ действие стимулов различной природы (гу-моральнных, биофизических) является использование в исследованиях двух режимов перфузии - при постоянном кровотоке и постоянном давлении. Изучение изменений обменной (как и резистивной, ёмкостной) функции сосудов при переходе от непульсирующего к пульсирующему кровотоку в обоих режимах перфузии, согласно данным литературы, так же не проводилось. Кроме того, приводимые литературные данные о действие пульсаций на органные сосуды рассматривают, как правило, их влияние на одну из сопряжённых сосудистых функций: резистивную, ёмкостную или обменную.

Противоречивость данных литературы о влиянии пульсовых колебаний кровотока на показатели сосудистых функций может быть следствием того, что анализ их влияния на сосудистое русло проводили, как правило, при

варьировании лишь одного из волновых параметров: амплитуды или частоты пульсаций. Для сосудистой системы, которая является нелинейной, наиболее правомерен одновременный учёт влияния на исследуемые гемодина-мические показатели обеих указанных характеристик, поскольку в нелинейных системах не соблюдается принцип суперпозиции, предполагающий выполнение условий аддитивности и однородности по выходному сигналу (отсутствие линейной зависимости между выходным сигналом и входными воздействиями). Проведение исследований, рассматривающих одновременно влияние и амплитуды и частоты пульсирующего кровотока на работу последовательно расположенных участков органного сосудистого русла (артерии, капилляры, вены), позволило бы в единых методических условиях выявить специфику действия пульсаций на каждую из сопряжённых сосудистых функций.

Волновые процессы в сердечно-сосудистой системе присутствуют на разных уровнях её функционирования, начиная с реологического до высших, нервного и системного (Биоритмические..., 1992; Барбараш А., 1998; Циклы: Материалы Международных конференций 2000-2003 гг., Романов Ю.А.и др., 2004; Загускин С.Л., Загускина С.С., 2008). Так, данные литературы о влиянии пульсирующего режима перфузии (в сравнении с непульсирующим) на общее периферическое сопротивление носят противоречи�