Вазодилатация , также известная как вазорелаксация , представляет собой расширение кровеносных сосудов . [1] Она возникает в результате расслабления гладкомышечных клеток в стенках сосудов, в частности в крупных венах , крупных артериях и более мелких артериолах . [2] Стенки кровеносных сосудов состоят из эндотелиальной ткани и базальной мембраны, выстилающей просвет сосуда, концентрических слоев гладких мышц поверх эндотелиальной ткани и адвентициальной оболочки над слоями гладких мышц. [3] Расслабление слоя гладких мышц позволяет кровеносному сосуду расширяться, поскольку он удерживается в полусуженном состоянии активностью симпатической нервной системы. [2] Вазодилатация является противоположностью вазоконстрикции , которая является сужением кровеносных сосудов.
Когда кровеносные сосуды расширяются, поток крови увеличивается из-за снижения сосудистого сопротивления и увеличения сердечного выброса [ необходимо дополнительное объяснение ] . Сосудистое сопротивление — это величина силы, которую циркулирующая кровь должна преодолеть, чтобы обеспечить перфузию тканей организма. Узкие сосуды создают большее сосудистое сопротивление, в то время как расширенные сосуды уменьшают сосудистое сопротивление. Вазодилатация увеличивает сердечный выброс за счет снижения постнагрузки — одного из четырех факторов, определяющих сердечный выброс. [4]
Расширяя доступную область для циркуляции крови, вазодилатация снижает артериальное давление . [5] Реакция может быть внутренней (из-за локальных процессов в окружающей ткани ) или внешней (из-за гормонов или нервной системы ). Кроме того, реакция может быть локализована в определенном органе (в зависимости от метаболических потребностей конкретной ткани, как во время напряженных упражнений), или она может быть системной (наблюдаемой во всем системном кровообращении ). [2]
Эндогенные вещества и препараты , вызывающие вазодилатацию, называются вазодилататорами. Многие из этих веществ являются нейротрансмиттерами, выделяемыми периваскулярными нервами автономной нервной системы [6]. Барорецепторы ощущают кровяное давление и позволяют адаптироваться через механизмы вазоконстрикции или вазодилатации для поддержания гомеостаза . [2]
Основная функция вазодилатации заключается в увеличении притока крови в организме к тканям, которые в нем больше всего нуждаются. Это часто происходит в ответ на локализованную потребность в кислороде, но может происходить, когда рассматриваемая ткань не получает достаточного количества глюкозы , липидов или других питательных веществ . Вазодилатация, как локализованная, так и системная, также способствует иммунному ответу. [7] Локализованные ткани имеют несколько способов увеличения притока крови, включая высвобождение вазодилататоров, в первую очередь аденозина , в местную интерстициальную жидкость , которая диффундирует в капиллярные русла, вызывая местную вазодилатацию. [8] [9] Некоторые физиологи предположили, что именно недостаток кислорода сам по себе заставляет капиллярные русла расширяться из-за гипоксии гладких мышц сосудов в этом регионе. Эта последняя гипотеза выдвигается из-за наличия прекапиллярных сфинктеров в капиллярных руслах. Было обнаружено, что эти подходы к механизму вазодилатации не являются взаимоисключающими . [10]
Вазодилатация играет важную роль в функционировании иммунной системы. Более широкие кровеносные сосуды позволяют большему количеству крови, содержащей иммунные клетки и белки, достигать места инфекции. Вазодилатация происходит как часть процесса воспаления , который вызван несколькими факторами, включая присутствие патогена, повреждение тканей или кровеносных сосудов и иммунные комплексы . [7] В тяжелых случаях воспаление может привести к сепсису или распределительному шоку. [11] Вазодилатация также является основным компонентом анафилаксии . [12]
Воспаление вызывает не только вазодилатацию, но и повышенную проницаемость сосудов , что позволяет нейтрофилам , белкам комплемента и антителам достигать места инфекции или повреждения. [7] Повышенная проницаемость сосудов может позволить избыточной жидкости покинуть кровеносные сосуды и скапливаться в тканях, что приводит к отеку ; вазодилатация предотвращает сужение кровеносных сосудов, чтобы адаптироваться к уменьшенному объему в сосудах, что приводит к низкому кровяному давлению и септическому шоку . [11]
В случае воспаления вазодилатация вызывается цитокинами . [7] Интерферон гамма , ФНО-a , интерлейкин 1 бета и интерлейкин 12 — вот несколько примеров некоторых воспалительных цитокинов, вырабатываемых иммунными клетками, такими как естественные клетки-киллеры , В-клетки , Т-клетки , тучные клетки и макрофаги . [7] Противовоспалительные цитокины, которые регулируют воспаление и помогают предотвратить негативные результаты, такие как септический шок, также вырабатываются этими иммунными клетками. [7] Вазодилатация и повышенная проницаемость сосудов также позволяют иммунным эффекторным клеткам покидать кровеносные сосуды и следовать за хемоаттрактантами к месту инфекции через процесс, называемый экстравазацией лейкоцитов . [13] Вазодилатация позволяет тому же объему крови двигаться медленнее в соответствии с уравнением скорости потока Q = Av, где Q представляет собой скорость потока, A представляет собой площадь поперечного сечения, а v представляет собой скорость. [14] Иммунные эффекторные клетки могут легче прикрепляться к селектинам, экспрессируемым на эндотелиальных клетках, когда кровь течет медленно, что позволяет этим клеткам покидать кровеносный сосуд посредством диапедеза . [13]
Анафилаксия — это тяжелая аллергическая реакция, характеризующаяся повышенной проницаемостью сосудов, системной вазодилатацией, желудочно-кишечной дисфункцией и дыхательной дисфункцией. [15] Анафилатоксины , в частности белки комплемента C3a и C5a, связываются с рецепторами на тучных клетках и базофилах, вызывая дегрануляцию . [12] Гранулы в этих клетках содержат гистамин , фактор активации тромбоцитов и другие соединения, вызывающие клиническое проявление анафилаксии, включая системную вазодилатацию, вызывающую опасно низкое кровяное давление. [12] Иммуноглобулин E , антитело, вырабатываемое плазматическими клетками , также связывается с рецепторами на тучных клетках и базофилах, вызывая дегрануляцию. [12]
Для понимания причин и последствий вазодилатации необходимо базовое понимание сердечного выброса , сосудистого сопротивления и артериального давления . Сердечный выброс определяется как количество крови, перекачиваемой через сердце за 1 минуту, в литрах в минуту, равное частоте сердечных сокращений , умноженной на ударный объем . [4] Он напрямую связан с частотой сердечных сокращений , сократимостью миокарда и преднагрузкой и обратно связан с постнагрузкой . [4] Повышенное сосудистое сопротивление из-за суженных кровеносных сосудов вызывает увеличение постнагрузки, величины силы, против которой сердце должно сокращаться. [4] Таким образом, вазодилатация снижает сосудистое сопротивление, что снижает постнагрузку, повышая сердечный выброс и обеспечивая перфузию тканей. Артериальное давление измеряет, какое давление кровь оказывает на стенки кровеносных сосудов; систолическое артериальное давление измеряет давление во время сокращения сердца ( систола ), а диастолическое артериальное давление отражает давление между сокращениями ( диастола ). Среднее артериальное давление (САД) — это средневзвешенное значение систолического и диастолического артериального давления, которое является лучшим показателем перфузии в течение сердечного цикла. [16] Вазодилатация снижает сосудистое сопротивление и артериальное давление за счет расслабления гладкомышечных клеток в слое средней оболочки крупных артерий и более мелких артериол. [17] Когда вазодилатация приводит к падению систолического артериального давления ниже 90 мм рт. ст., наблюдается циркуляторный шок . [11]
Сосудистое сопротивление зависит от нескольких факторов, включая длину сосуда, вязкость крови (определяемую гематокритом ) и диаметр кровеносного сосуда. [18] Последний является наиболее важной переменной при определении сопротивления, при этом сосудистое сопротивление изменяется в четвертой степени радиуса. [2] Увеличение любого из этих физиологических компонентов (сердечного выброса или сосудистого сопротивления) вызывает повышение среднего артериального давления. Артериолы создают наибольшее сосудистое сопротивление из всех типов кровеносных сосудов, так как они очень узкие и обладают концентрическими слоями гладких мышц в отличие от венул и капилляров . [2]
Вазодилатация происходит в поверхностных кровеносных сосудах теплокровных животных, когда окружающая их среда горячая; этот процесс перенаправляет поток нагретой крови к коже животного, где тепло может быть легче отдано в окружающую среду. Противоположный физиологический процесс - вазоконстрикция . Эти процессы естественным образом модулируются местными паракринными агентами из эндотелиальных клеток (например, оксидом азота , брадикинином , ионами калия и аденозином ), а также автономной нервной системой и надпочечниками , которые секретируют катехоламины , такие как норадреналин и адреналин соответственно. [19] [20]
Средняя оболочка стенок артерий, артериол и вен состоит из гладких мышц и вызывает вазодилатацию и вазоконстрикцию. [3] Сокращение гладкомышечных клеток вызывает вазоконстрикцию, а расслабление гладкомышечных клеток вызывает вазодилатацию. [1] Гладкие мышцы иннервируются автономной нервной системой и не имеют поперечной исчерченности (не содержат саркомеров). [21] Сокращение зависит от концентрации Ca2 + в цитозоле, либо через Ca2+,Mg-АТФазу из саркоплазматического ретикулума , либо через потенциалзависимые кальциевые каналы из внеклеточного матрикса. [21] Ионы кальция связываются с кальмодулином , активируя киназу легкой цепи миозина , которая фосфорилирует легкую цепь миозина. [21] Фосфорилированный легкий миозин взаимодействует с актиновыми нитями, образуя поперечный мостик , что позволяет мышечному сокращению вызывать вазоконстрикцию. [21] Вазодилатация вызывается фосфатазой легкой цепи миозина , которая дефосфорилирует легкую цепь миозина, вызывая расслабление мышц. [21] Гладкие мышечные клетки могут оставаться сокращенными без использования АТФ из-за действия миозин-связывающей субъединицы фосфатазы легкой цепи миозина. Фосфорилирование этой субъединицы Rho-киназой предотвращает ее связывание с легкой цепью миозина и ее дефосфорилирование, что позволяет клетке оставаться сокращенной. [21]
Вазодилатация является результатом расслабления гладких мышц, окружающих кровеносные сосуды. Это расслабление, в свою очередь, основано на устранении стимула для сокращения, который зависит от внутриклеточной концентрации ионов кальция и тесно связан с фосфорилированием легкой цепи сократительного белка миозина . Таким образом, вазодилатация работает в основном либо за счет снижения внутриклеточной концентрации кальция, либо за счет дефосфорилирования (фактически замещения АТФ на АДФ) миозина. Дефосфорилирование фосфатазой легкой цепи миозина и индукция симпортеров и антипортеров кальция , которые выкачивают ионы кальция из внутриклеточного отсека, способствуют расслаблению гладкомышечных клеток и, следовательно, вазодилатации. Это достигается путем обратного захвата ионов в саркоплазматический ретикулум через обменники и вытеснения через плазматическую мембрану. [22] Существует три основных внутриклеточных стимула, которые могут привести к вазодилатации кровеносных сосудов. Конкретные механизмы достижения этих эффектов варьируются от вазодилататора к вазодилататору. [ необходима ссылка ]
Ингибиторы ФДЭ5 и активаторы калиевых каналов также могут давать схожие результаты.
Соединения, опосредующие вышеуказанные механизмы, можно разделить на эндогенные и экзогенные .
Вазодилатирующее действие активации бета-2-рецепторов (например, адреналином) по-видимому, не зависит от эндотелия . [27]
Как упоминалось в объяснении физиологии гладких мышц, гладкие мышцы в средней оболочке иннервируются автономной нервной системой. Автономная нервная система (АНС) контролирует основные непроизвольные функции организма и берет начало в нервах, выходящих из ствола мозга или спинного мозга; она содержит как сенсорные, так и двигательные нервы. [2] Два отдела АНС, симпатическая нервная система (СНС) и парасимпатическая нервная система (ПСНС), по-разному воздействуют на кровеносные сосуды. [2] Традиционно мы понимаем, что эти два отдела работают друг против друга, СНС производит «бей или беги», а ПСНС производит «отдыхай и переваривай», но в случае сосудистой иннервации эта граница становится размытой [6] Нервы АНС не иннервируют сосудистую сеть напрямую через синапсы с мышечными клетками; вместо этого они выделяют нейротрансмиттеры , которые достигают целевых клеток и вызывают сокращение или расслабление гладких мышц. [6] Физические характеристики СНС и ПСНС приводят к тому, что СНС оказывает длительное системное воздействие на кровеносные сосуды, в то время как ПСНС вызывает кратковременные локальные изменения. [2] Стимуляция СНС вызывает базовый уровень вазоконстрикции, часто называемый базальным нервным тонусом, поддерживающим кровяное давление. [2] Часто вазодилатация является просто результатом недостаточного количества нейромедиатора для поддержания базального нервного тонуса без присутствия соединения, непосредственно вызывающего вазодилатацию. [2]
Нейротрансмиттеры могут действовать, связываясь напрямую с гладкомышечными клетками или связываясь с эндотелиальными клетками, опосредуя эффекты нейротрансмиттера. [6] Ниже приведена таблица, обобщающая основные нейротрансмиттеры, участвующие в регуляции сосудистой системы.
Также стоит упомянуть при обсуждении нейронного контроля вазодилатации систему ренин-ангиотензин-альдостерон, или РААС. [2] Почки удерживают воду, реабсорбируя ионы натрия, или выводят воду, вызывая выведение ионов натрия. [28] Активность симпатической нервной системы, уменьшенный объем крови или сниженное артериальное давление запускают β-адренергические рецепторы в отдельных клетках почек [2] для высвобождения ренина , который преобразует облегчает образование ангиотензина II из его субстрата ангиотензина . [28] Ангиотензин II запускает надпочечники для секреции альдостерона , мощного вазоконстриктора. [28]
Адреналин , как экзогенный, так и эндогенный, является еще одним вазоконстриктором, выделяемым надпочечниками в ответ на стресс. [28] Он связывается с α- и β-адренергическими рецепторами, такими как норадреналин , вызывая вазодилатацию и вазоконстрикцию в различных частях тела, чтобы перераспределить кровообращение в критические области. [2]
Холодовая вазодилатация (CIVD) происходит после воздействия холода, возможно, для снижения риска травмы. Она может происходить в нескольких местах человеческого тела, но чаще всего наблюдается в конечностях. Пальцы особенно распространены, поскольку они чаще всего подвергаются воздействию. [ необходима цитата ]
Когда пальцы подвергаются воздействию холода, сначала происходит сужение сосудов , чтобы уменьшить потерю тепла, что приводит к сильному охлаждению пальцев. Примерно через пять-десять минут после начала воздействия холода на руку кровеносные сосуды в кончиках пальцев внезапно расширяются. Вероятно, это вызвано внезапным снижением высвобождения нейротрансмиттеров из симпатических нервов в мышечную оболочку артериовенозных анастомозов из-за местного холода. CIVD увеличивает приток крови и, следовательно, температуру пальцев. Это может быть болезненным и иногда известно как « горячие боли », которые могут быть достаточно болезненными, чтобы вызвать рвоту. [ необходима цитата ]
За вазодилатацией следует новая фаза вазоконстрикции, после чего процесс повторяется. Это называется реакцией Хантинга . Эксперименты показали, что возможны три других сосудистых реакции на погружение пальца в холодную воду: непрерывное состояние вазоконстрикции; медленное, равномерное и непрерывное согревание; и пропорциональная форма контроля, при которой диаметр кровеносного сосуда остается постоянным после начальной фазы вазоконстрикции. Однако подавляющее большинство реакций можно классифицировать как реакцию Хантинга. [29]
Эти препараты могут поддерживать сосуды открытыми или помогать сосудам не сужаться. [47]
Препараты, которые, по-видимому, действуют путем активации рецепторов α2A в мозге, тем самым снижая активность симпатической нервной системы . [48] [47]
Непосредственно расслабляют мышцы стенок кровеносных сосудов (особенно артериол), позволяя сосуду расширяться. [47]
Вазодилататоры используются для лечения таких состояний, как гипертония , при которой у пациента аномально высокое кровяное давление, а также стенокардия , застойная сердечная недостаточность и эректильная дисфункция , и когда поддержание более низкого кровяного давления снижает риск развития у пациента других сердечных проблем. [17] Приливы могут быть физиологической реакцией на вазодилататоры. Некоторые ингибиторы фосфодиэстеразы, такие как силденафил , варденафил и тадалафил , работают над увеличением притока крови к половому члену посредством вазодилатации. Они также могут использоваться для лечения легочной артериальной гипертензии (ЛАГ).