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, поскольку 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 , экзогенный или 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 удерживаться от сужения. [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).