Вазодилятация , также известная как вазорелаксация , представляет собой расширение кровеносных сосудов . [1] Это происходит в результате расслабления гладкомышечных клеток в стенках сосудов, особенно 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 адвентиции над слоями гладких мышц. [3] Расслабление гладкомышечного слоя позволяет кровеносному сосуду расширяться, поскольку он удерживается в полусуженном состоянии под действием активности симпатической нервной системы. [2] Вазодилатация является противоположностью вазоконстрикции , которая представляет собой сужение кровеносных сосудов.
Когда кровеносные сосуды расширяются, поток крови увеличивается из-за снижения сосудистого сопротивления и увеличения сердечного выброса [ необходимо дальнейшее объяснение ] . Сосудистое сопротивление — это величина силы, которую должна преодолеть циркулирующая кровь, чтобы обеспечить перфузию тканей тела. Узкие сосуды создают большее сосудистое сопротивление, а расширенные сосуды снижают сосудистое сопротивление. Вазодилатация увеличивает сердечный выброс за счет уменьшения постнагрузки — одного из четырех факторов, определяющих сердечный выброс. [4]
Расширяя доступную область для циркуляции крови, расширение сосудов снижает кровяное давление . [5] Реакция может быть внутренней (из-за местных процессов в окружающих тканях ) или внешней (из-за гормонов или нервной системы ). Кроме того, реакция может быть локализована в конкретном органе (в зависимости от метаболических потребностей конкретной ткани, например, при напряженных физических нагрузках) или может быть системной (прослеживаться по всему большому кругу кровообращения ). [2]
Эндогенные вещества и лекарства , вызывающие вазодилатацию, называются вазодилататорами. Многие из этих веществ являются нейротрансмиттерами , высвобождаемыми периваскулярными нервами вегетативной нервной системы [6]. Барорецепторы определяют кровяное давление и позволяют адаптироваться через механизмы вазоконстрикции или вазодилатации для поддержания гомеостаза . [2]
Основная функция расширения сосудов — увеличение притока крови к тканям, которые в этом больше всего нуждаются. Это часто является ответом на локальную потребность в кислороде , но может произойти, когда рассматриваемая ткань не получает достаточного количества глюкозы , липидов или других питательных веществ . Расширение сосудов, как локальное, так и системное, также облегчает иммунный ответ. [7] Локализованные ткани имеют несколько способов увеличения кровотока, включая высвобождение вазодилататоров, в первую очередь аденозина , в местную интерстициальную жидкость , которая диффундирует в капиллярные русла, провоцируя местное расширение сосудов. [8] [9] Некоторые физиологи предполагают, что именно недостаток кислорода приводит к расширению сосудов в результате гипоксии гладких мышц сосудов в этой области. Эта последняя гипотеза выдвигается в связи с наличием прекапиллярных сфинктеров в капиллярных руслах. Эти подходы к механизму вазодилатации не являются взаимоисключающими . [10]
Расширение сосудов играет важную роль в функционировании иммунной системы. Более широкие кровеносные сосуды позволяют большему количеству крови, содержащей иммунные клетки и белки, достичь места инфекции. Расширение сосудов происходит как часть процесса воспаления , которое вызвано несколькими факторами, включая наличие возбудителя, повреждение тканей или кровеносных сосудов и иммунных комплексов . [7] В тяжелых случаях воспаление может привести к сепсису или дистрибутивному шоку. [11] Расширение сосудов также является основным компонентом анафилаксии . [12]
Воспаление вызывает не только расширение сосудов, но и повышенную проницаемость сосудов , позволяя нейтрофилам , белкам комплемента и антителам достигать места инфекции или повреждения. [7] Повышенная проницаемость сосудов может позволить лишней жидкости покинуть кровеносные сосуды и скапливаться в тканях, что приводит к отеку ; расширение сосудов предотвращает сужение кровеносных сосудов и адаптацию к уменьшенному объему сосудов, вызывая низкое кровяное давление и септический шок . [11]
В случае воспаления расширение сосудов вызывается цитокинами . [7] Интерферон гамма , TNF-a , интерлейкин 1 бета и интерлейкин 12 являются несколькими примерами некоторых воспалительных цитокинов, продуцируемых иммунными клетками, такими как естественные клетки-киллеры , B-клетки , T-клетки , тучные клетки и макрофаги . [7] Эти иммунные клетки также производят противовоспалительные цитокины, которые регулируют воспаление и помогают предотвратить негативные последствия, такие как септический шок. [7] Расширение сосудов и повышенная проницаемость сосудов также позволяют иммунным эффекторным клеткам покидать кровеносные сосуды и следовать за хемоаттрактантами к месту инфекции посредством процесса, называемого экстравазацией лейкоцитов . [13] Расширение сосудов позволяет тому же объему крови двигаться медленнее в соответствии с уравнением скорости потока Q = Av, где Q представляет скорость потока, A представляет площадь поперечного сечения, а v представляет скорость. [14] Иммунные эффекторные клетки могут легче прикрепляться к селектинам , экспрессируемым на эндотелиальных клетках, когда кровь течет медленно, что позволяет этим клеткам покинуть кровеносный сосуд посредством диапедеза . [13]
Анафилаксия — тяжелая аллергическая реакция, характеризующаяся повышенной проницаемостью сосудов, системной вазодилатацией, желудочно-кишечной дисфункцией и респираторной дисфункцией. [15] Анафилатоксины , в частности, комплементарные белки C3a и C5a, связываются с рецепторами тучных клеток и базофилов, вызывая дегрануляцию . [12] Гранулы в этих клетках содержат гистамин , фактор активации тромбоцитов и другие соединения, вызывающие клинические проявления анафилаксии, включая системную вазодилатацию, вызывающую опасно низкое кровяное давление. [12] Иммуноглобулин Е , антитело, вырабатываемое плазматическими клетками , также связывается с рецепторами тучных клеток и базофилов, вызывая дегрануляцию. [12]
Базовое понимание сердечного выброса , сосудистого сопротивления и артериального давления необходимо для понимания причин и последствий вазодилатации. Сердечный выброс определяется как количество крови, перекачиваемой сердцем 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 пропорционален постнагрузке . [4] Повышенное сосудистое сопротивление из-за сужения кровеносных сосудов приводит к увеличению постнагрузки, величины силы, против которой должно сокращаться сердце. [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 сердца ( диастола ). Среднее артериальное давление (MAP) представляет собой средневзвешенное значение систолического и диастолического артериального давления и является лучшим показателем перфузии на протяжении 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] Последняя является наиболее важной переменной при определении сопротивления: сосудистое сопротивление изменяется в четвертой степени радиуса. [2] Увеличение любого из этих физиологических компонентов (сердечного выброса или сосудистого сопротивления) вызывает повышение САД. Артериолы создают наибольшее сосудистое сопротивление среди всех типов кровеносных сосудов, поскольку они очень узкие и имеют концентрические слои гладких мышц, в отличие от венул и капилляров . [2]
Расширение сосудов происходит в поверхностных кровеносных сосудах теплокровных животных, когда окружающая их среда горячая; этот процесс направляет поток нагретой крови к коже животного, откуда тепло легче отдать в окружающую среду. Противоположным физиологическим процессом является вазоконстрикция . Эти процессы естественным образом модулируются местными паракринными агентами из эндотелиальных клеток (например, оксидом азота , брадикинином , ионами калия и аденозином ), а также вегетативной 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 гладких мышц вызывает вазодилатацию. [21] Гладкая мышца иннервируется вегетативной нервной системой и не исчерчена (не содержит саркомеров). [22] Сокращение зависит от концентрации Ca 2+ в цитозоле, либо через Ca,Mg-АТФазу из саркоплазматического ретикулума , либо через потенциалзависимые кальциевые каналы из внеклеточного матрикса. [22] Ионы кальция связываются с кальмодулином , активируя киназу легкой цепи миозина, которая фосфорилирует легкую цепь миозина. [22] Фосфорилированный миозин легкой цепи взаимодействует с актиновыми нитями, образуя поперечные мостики , позволяя сокращаться мышцам, вызывая вазоконстрикцию. [22] Расширение сосудов вызывается фосфатазой легкой цепи миозина , которая дефосфорилирует легкую цепь миозина, вызывая расслабление мышц. [22] Гладкомышечные клетки могут оставаться сокращенными без использования АТФ благодаря действию миозинсвязывающей субъединицы фосфатазы легкой цепи миозина. Фосфорилирование этой субъединицы Rho-киназой предотвращает ее связывание и дефосфорилирование легкой цепи миозина, позволяя клетке оставаться сокращенной. [22]
Расширение сосудов является результатом расслабления гладких мышц, окружающих кровеносные сосуды. Это расслабление, в свою очередь, основано на устранении стимула к сокращению, которое зависит от внутриклеточной концентрации ионов кальция и тесно связано с фосфорилированием легкой цепи сократительного белка миозина . Таким образом, вазодилатация действует главным образом либо за счет снижения внутриклеточной концентрации кальция, либо за счет дефосфорилирования (фактически замены АТФ на АДФ) миозина. Дефосфорилирование фосфатазой легкой цепи миозина и индукция симпортеров и антипортеров кальция , которые выкачивают ионы кальция из внутриклеточного компартмента, способствуют расслаблению гладкомышечных клеток и, следовательно, вазодилатации. Это достигается за счет обратного захвата ионов в саркоплазматический ретикулум через обменники и вытеснения через плазматическую мембрану. [23] Существует три основных внутриклеточных стимула, которые могут привести к расширению кровеносных сосудов. Конкретные механизмы достижения этих эффектов варьируются от вазодилататора к вазодилататору. [ нужна цитата ]
Ингибиторы ФДЭ5 и средства, открывающие калиевые каналы, также могут давать аналогичные результаты.
Соединения, которые опосредуют вышеуказанные механизмы, можно разделить на эндогенные и экзогенные .
Сосудорасширяющее действие активации бета-2-рецепторов (например, адреналином), по-видимому, не зависит от эндотелия . [28]
Как указано в объяснении физиологии гладких мышц, гладкие мышцы средней оболочки иннервируются вегетативной нервной системой. Автономная нервная система (АНС) контролирует важные непроизвольные функции организма и возникает из нервов, выходящих из ствола головного мозга или спинного мозга; он содержит как сенсорные, так и двигательные нервы. [2] Два отдела ВНС, симпатическая нервная система (СНС) и парасимпатическая нервная система (ПСНС), по-разному влияют на кровеносные сосуды. [2] Традиционно мы понимаем, что эти два отдела работают друг против друга: СНС обеспечивает «борьбу или бегство», а PSNS — «отдых и переваривание пищи», но в случае сосудистой иннервации эта линия становится размытой. [6] Нервы ВНС выполняют функцию «отдых и переваривание пищи». не иннервировать сосуды напрямую через синапсы с мышечными клетками; вместо этого они высвобождают нейротрансмиттеры , которые достигают клеток-мишеней и вызывают сокращение или расслабление гладких мышц. [6] Физические характеристики СНС и PSNS приводят к тому, что SNS оказывает длительное системное воздействие на кровеносные сосуды, в то время как PSNS вызывает кратковременные локальные изменения. [2] Стимуляция СНС вызывает базовый уровень вазоконстрикции, часто называемый базальным нервным тонусом, поддерживающий кровяное давление. [2] Часто вазодилатация является просто результатом недостаточности нейротрансмиттера для поддержания базального нервного тонуса без присутствия соединения, непосредственно вызывающего вазодилатацию. [2]
Нейромедиаторы могут действовать путем связывания непосредственно с гладкомышечными клетками или путем связывания с эндотелиальными клетками, опосредующими эффекты нейромедиатора. [6] Ниже представлена таблица, в которой суммированы основные нейротрансмиттеры, участвующие в регуляции сосудистой сети.
При обсуждении нейронного контроля вазодилатации также следует упомянуть систему ренин-ангиотензин-альдостерон или РААС. [2] Почки удерживают воду, реабсорбируя ионы натрия, или выводят воду, удаляя ионы натрия. [29] Активность симпатической нервной системы, уменьшение объёма крови или снижение артериального давления запускают β-адренергические рецепторы в избранных клетках почек [2] для высвобождения ренина , который превращается в облегчение образования ангиотензина II из его субстрата ангиотензина . [29] Ангиотензин II заставляет надпочечники секретировать альдостерон , мощный вазоконстриктор. [29]
Адреналин , экзогенный или эндогенный, является еще одним сосудосуживающим средством, выделяемым надпочечниками в ответ на стресс. [29] Он связывается с α- и β-адренергическими рецепторами, такими как норадреналин , вызывая расширение и сужение сосудов в различных частях тела, перераспределяя кровообращение в критические области. [2]
Холодовая вазодилатация (CIVD) возникает после воздействия холода, возможно, для снижения риска травм. Это может произойти в нескольких местах человеческого тела, но чаще всего наблюдается в конечностях. Пальцы особенно распространены, потому что они подвергаются воздействию чаще всего. [ нужна цитата ]
При воздействии холода на пальцы сначала происходит сужение сосудов для уменьшения теплопотерь, что приводит к сильному охлаждению пальцев. Примерно через пять-десять минут после начала холодового воздействия руки кровеносные сосуды кончиков пальцев внезапно расширяются. Вероятно, это вызвано внезапным уменьшением высвобождения нейромедиаторов из симпатических нервов в мышечную оболочку артериовенозных анастомозов вследствие местного холода. CIVD увеличивает кровоток и, следовательно, температуру пальцев. Это может быть болезненно и иногда называется « горячими болями », которые могут быть достаточно болезненными, чтобы вызвать рвоту. [ нужна цитата ]
За расширением сосудов следует новая фаза вазоконстрикции, после чего процесс повторяется. Это называется реакцией Хантинга . Эксперименты показали, что возможны три другие реакции сосудов на погружение пальца в холодную воду: постоянное состояние вазоконстрикции; медленное, устойчивое и непрерывное согревание; и форма пропорционального контроля, при которой диаметр кровеносных сосудов остается постоянным после начальной фазы вазоконстрикции. Однако подавляющее большинство ответов можно отнести к реакции Хантинга. [30]
Эти препараты могут удерживать сосуды открытыми или помогают сосудам не сужаться. [48]
Лекарства, которые , по-видимому, действуют путем активации рецепторов α2A в головном мозге, тем самым снижая активность симпатической нервной системы . [49] [48]
Непосредственно расслабьте мышцы стенок кровеносных сосудов (особенно артериол), позволяя сосуду расшириться. [48]
Сосудорасширяющие средства 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 проблем с сердцем. [50] Приливы крови могут быть физиологической реакцией на вазодилататоры. Некоторые ингибиторы фосфодиэстеразы , такие как силденафил , варденафил и тадалафил , усиливают кровоток в половом члене за счет расширения сосудов. Их также можно использовать для лечения легочной артериальной гипертензии (ЛАГ).