Поверхностная химия микроциркуляторного русла

Микроциркуляторное русло включает микрососуды – венулы и капилляры микроциркуляции , максимальный средний диаметр которых составляет 0,3 миллиметра. ^[1] По мере уменьшения размеров сосудов увеличивается соотношение площади поверхности к объему. Это позволяет свойствам поверхности играть значительную роль в функционировании сосуда.

Диффузия происходит через стенки сосудов за счет градиента концентрации, обеспечивая необходимый обмен ионов, молекул или клеток крови. Проницаемость стенки капилляра определяется типом капилляра и поверхностью эндотелиальных клеток . Сплошная, плотно расположенная выстилка эндотелиальных клеток обеспечивает диффузию только небольших молекул. Более крупные молекулы и клетки крови требуют достаточного пространства между клетками или отверстий в слизистой оболочке. Высокое сопротивление клеточной мембраны предотвращает диффузию ионов без мембранного транспортного белка . Гидрофобность поверхности эндотелиальных клеток определяет, будут ли вода или липофильные молекулы диффундировать через выстилку капилляров. Гематоэнцефалический барьер ограничивает диффузию небольших гидрофобных молекул, что затрудняет диффузию лекарств.

На кровоток напрямую влияет термодинамика тела. Изменения температуры влияют на вязкость и поверхностное натяжение крови, изменяя минимальную скорость кровотока. При высоких температурах минимальная скорость потока уменьшится и капилляр расширится. Это обеспечивает передачу тепла через увеличенную площадь поверхности внутренней оболочки капилляров и за счет увеличения кровотока. При низких температурах минимальная скорость потока увеличивается и капилляр сужается. Это ограничивает кровоток и уменьшает площадь поверхности капилляра, уменьшая теплообмен.

На механику жидкости в первую очередь влияют давление, температура, теплопередача и электрокинетика. Увеличение давления увеличивает скорость потока, определяемую уравнением Старлинга. Повышение температуры увеличивает смачиваемость поверхности, способствуя течению жидкости. Тепло также уменьшает вязкость просвета . Теплопередача контролируется терморецепторами, которые регулируют количество капиллярных слоев, открытых для рассеивания тепла. Химический состав поверхности эндотелиальных клеток также определяет поток жидкости. Заряженная поверхность приобретет слой застойных диффузных ионов, препятствующих движению ионов в просвет. Это уменьшает скорость просвета и способствует обмену молекул через выстилку капилляра.

Диффузия

Диффузия – это движение молекул за счет градиента концентрации. Молекулы движутся случайным образом, чтобы достичь однородного раствора.

Простая диффузия вещества (синий) за счет градиента концентрации через полупроницаемую мембрану (розовый).

Поверхностная диффузия эндотелиальных клеток

Стенки капилляров содержат монослой эндотелиальных клеток . Молекулы могут диффундировать через монослой эндотелия двумя способами: через промежутки между клетками или непосредственно через клетки. Молекулы диффундируют через стенки капилляров за счет градиентов концентрации. Диффузия между клетками меняется в зависимости от типа капилляра. Существует три различных типа капилляров: непрерывные, окончатые и синусоидальные, также называемые прерывистыми. В непрерывных капиллярах эндотелиальные клетки расположены плотно, позволяя только небольшим молекулам, таким как ионы или вода, диффундировать через межклеточные щели (промежутки между эндотелиальными клетками). В фенестрированных и синусоидальных капиллярах между клетками больше пространства, позволяющего диффузию макромолекул и некоторых белков. Синусоидальные капилляры имеют большие отверстия, через которые проходят эритроциты и лейкоциты. ^[2] Диффузия газов и жирорастворимых молекул может происходить непосредственно через эндотелиальные клетки, что описывается первым законом Фика :

${\displaystyle J=-D{\frac {\partial C}{\partial x}}}$

где

• J — поток
• D - коэффициент диффузии
• C — концентрация
• x - толщина барьера

Различные типы капилляров обеспечивают диффузию разных молекул.

Поверхностный заряд эндотелиальных клеток в точках диффузии может определять, какой тип молекул может диффундировать через стенки капилляров. Если поверхность гидрофильна, она пропускает воду и заряженные молекулы. Если он гидрофобен, через него смогут диффундировать незаряженные и липофильные молекулы. Эти силы межмолекулярного экранирования также известны как силы Ван-дер-Ваальса , которые определяются дисперсионными силами Кисома , Дебая и Лондона . Липидный бислой мембраны эндотелиальных клеток представляет собой гидрофобную поверхность. Неполярные липиды приводят к очень высокому электрическому сопротивлению, определяемому формулой

${\displaystyle R_{\text{e}}={\frac {R_{\text{mem}}}{A}}}$

где

• R _e – удельное сопротивление мембраны
• R _mem – удельное сопротивление мембраны.
• А – это площадь

Это высокое удельное сопротивление предотвращает проникновение ионов через бислой без встроенного мембранного белка за счет облегченной диффузии. ^[3]

Распространение доставки лекарств

Лекарства диффундируют через стенки капилляров так же, как эндогенные молекулы. Одним из наиболее важных примеров этого является диффузия лекарств через гематоэнцефалический барьер . Гематоэнцефалический барьер состоит из ложа непрерывных капилляров. Обычно только небольшие гидрофобные молекулы способны диффундировать через гематоэнцефалический барьер. ^[4] Это очень затрудняет доставку лекарств в мозг без инвазивного введения их непосредственно в мозг. Одним из возможных решений является использование наночастиц . Наночастицы синтезируются для инкапсуляции целевого лекарства. Поверхность наночастицы, если она еще не гидрофобна, может иметь прикрепленные к ней полимеры для регулирования полярности тока. Лиганды также можно прикрепить к поверхности наночастиц, чтобы воздействовать на определенные рецепторы, расположенные в мозге. Как только наночастица преодолевает гематоэнцефалический барьер, она высвобождает лекарство в мозг. ^[5] Конкретным примером такого решения является доставка препаратов против ВИЧ в центральную нервную систему с помощью ТАТ-конъюгированных наночастиц. ^[6]

Термодинамика

Температура окружающей среды тела напрямую влияет на кровоток через микроциркуляторное русло. Изменения температуры влияют на вязкость крови и поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры, уменьшая минимальную скорость потока (см. Поверхностное натяжение ). Уменьшение минимальной скорости потока из-за более высоких температур позволяет большему количеству крови течь и рассеивать тепло по всему телу. Температура сильно влияет на кровоток, влияя на диаметр потока. Снижение и повышение температуры вызывают вазоконстрикцию и вазодилатацию соответственно.

Сужение сосудов

Вазоконстрикция влияет на скорость кровотока и поверхностные свойства микроциркуляторного русла, сжимая гладкомышечные клетки и уменьшая диаметр кровотока. Гладкомышечные клетки способны сокращаться как от внешних, так и от внутренних раздражителей. Этот механизм может быть запущен температурой окружающей среды или вегетативной нервной системой. ^[7] При холоде организм пытается удержать тепло в крови, сжимая гладкомышечные клетки вокруг микроциркуляторного русла. Мышечные клетки сжимаются из-за увеличения содержания кальция. Уменьшенная площадь поперечного сечения потока увеличивает сосудистое сопротивление и снижает поток к конечностям. Этот механизм позволяет организму концентрировать тепло вокруг жизненно важных органов для выживания.

Формула расчета системного сосудистого сопротивления:

${\displaystyle SVR=80\times {\frac {MAP-MRAP}{CO}}}$

где

• СВО как системное сосудистое сопротивление,
• САД – среднее артериальное давление,
• MRAP – среднее давление в правом предсердии,
• CO — сердечный выброс в миллилитрах в минуту.

Типичные значения находятся в диапазоне 100–300 дин×сек×см-5. ^[8]

расширение сосудов

Вазодилатация , по сути, является противоположностью вазоконстрикции. ^[9] При расширении сосудов кровеносные сосуды расширяются, обеспечивая больший приток крови. Гладкомышечные клетки расслабляются, увеличивая диаметр кровотока и уменьшая сосудистое сопротивление. Это возможно благодаря прямой зависимости сердечного выброса, среднего артериального давления и сосудистого сопротивления. Как и вазоконстрикция, вазодилатация может быть вызвана внутренними и внешними факторами. Например, оксид азота, содержащийся в пище, является очень сильным сосудорасширяющим средством. Было обнаружено, что нервы позвоночного столба могут запускать оба процесса. Расширение сосудов также запускается для терморегуляции и обеспечения рассеивания тепла.

Для сравнения рядом с нормальным поперечным сечением капилляров показаны вазоконстрикция и вазодилатация.

Гидравлическая механика

Уравнение Старлинга

Уравнение Старлинга описывает течение растворителя через капиллярный слой. Уравнение можно увидеть ниже

${\displaystyle J_{v}=K_{f}\left[(P_{c}-P_{i})-\sigma (\pi _{c}-\pi _{i})\right]}$

Описание констант, а также некоторые средние значения можно увидеть в следующей таблице.

Коэффициент фильтрации определяется гидравлической проводимостью , которая является мерой того, насколько легко воде проходить через извилистую местность. В микроциркуляторном русле это контролируется пористостью капилляра и тем, является ли он непрерывным, окончатым или синусоидальным. Коэффициент отражения действует как поправочный коэффициент и определяется разницей в размере частиц и соотношении пор. Это рассматривается как вероятность того, что частица попадет в пору внутри стенок капилляра, прежде чем попасть в межтканевую жидкость. Если частица представляет собой ион, будет наблюдаться эффект заряда эндотелиальных выстилок, который может увеличивать или уменьшать коэффициент отражения.

Температурные эффекты

В жидкостях с относительно низкой вязкостью существует почти линейная обратная зависимость между температурой и поверхностным натяжением. ^[13] Уменьшение поверхностного натяжения увеличивает смачиваемость стенок капилляров, что облегчает течение жидкости через капилляр.

Тепло также влияет на вязкость жидкости внутри капилляра. Увеличение тепла снижает вязкость просветной жидкости. Хороший пример этого действия можно наблюдать в организме человека во время физических упражнений. Когда человек тренируется, скорость обмена веществ внутри мышц увеличивается, что приводит к увеличению выработки тепла. Увеличение тепла регистрируется терморецепторами — типом сенсорных рецепторов, расположенных в различных точках тела. Эти рецепторы посылают в мозг сигнал, который заставляет организм расширять кровеносные сосуды, включая капилляры. Это создает видимое изменение количества сосудов на коже. Это позволяет осуществлять передачу тепла посредством конвекции.

Передача тепла путем циркуляции

Кровеносные сосуды передают тепло посредством конвекции . В конвекции преобладают броуновское движение и адвекция . При конвекции тепло в системе перемещается из точки с высокой концентрацией тепла в точку с низкой концентрацией тепла - концепция, аналогичная диффузии. Величина теплового потока зависит от разницы температур окружающей среды и внутренней температуры, которую фиксируют терморецепторы. Если температура окружающей среды выше температуры в капиллярах, организм откроет прекапиллярный сфинктер , чтобы увеличить количество капиллярных лож. Это увеличивает общую площадь поверхности капилляров, что позволяет увеличить теплопередачу за счет конвекции. ^[14]

Электрокинетические явления

Поверхностные заряды на стенках сосудов влияют на поток ионов через капилляры и механику жидкости в микроциркуляторном русле. Заряженная эндотелиальная выстилка создает связанный слой ионов, в котором происходит диффузия между клеточными стенками и просветом, также известный как кормовой слой . Это создает диффузный слой, градиент заряда, в котором ионы движутся к заряженной поверхности в эндотелиальной выстилке капилляров. Эффекты заряженных эндотелиальных клеток затухают экспоненциально на измеренном расстоянии, известном как длина Дебая . Ионы в диффузном слое препятствуют движению других ионов в просвете, замедляя окружающий раствор, обеспечивая большую диффузию. Профиль скорости можно определить с помощью уравнения Гельмгольца–Смолуховского ^[13] :

${\displaystyle {\vec {v}}=-{\frac {\varepsilon _{o}\varepsilon _{r}\zeta {\vec {E}}}{\mu }}}$

• где скорость ${\displaystyle {\vec {v}}}$
• ε _o — диэлектрическая проницаемость свободного пространства
• ε _r – диэлектрическая проницаемость,
• ζ - дзета-потенциал
• μ — вязкость жидкости
• и представляет собой электрическое поле, создаваемое заряженной поверхностью эндотелиальных клеток. ${\displaystyle {\vec {E}}}$

Электрическое поле, создаваемое заряженными эндотелиальными клетками, концептуально можно смоделировать полым цилиндром. Заряженная поверхность создает результирующее электрическое поле, которое действует на частицу в центре цилиндра в направлении, перпендикулярном поперечному сечению наблюдаемого цилиндра.

При повышении концентрации солей в просвете капилляра дебаевская длина уменьшается. Это уменьшает величину скорости, описываемой уравнением Гельмгольца–Смолуховского.

Рекомендации

1. "Микрососудистая система" Мерриам-Вебстер. Нп и Интернет. 21 мая 2012 г.
2. Беннетт, Х., Люфт, Дж., Хэмптон, Дж. (1959). «Морфологическая классификация кровеносных капилляров позвоночных». Американский журнал физиологии . 196 (2): 381–390. дои : 10.1152/ajplegacy.1959.196.2.381 . ПМИД  13627187.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
3. Батт, Х., Граф, К., Каппл, М. (2006). Физика и химия интерфейсов . Вайнхайм: Wiley-VCH. п. 277. ИСБН 978-3-527-40629-6.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
4. Бернаки Дж., Добровольска А., Нирвинска К., Малецки А. (2008). «Физиология и фармакологическая роль гематоэнцефалического барьера» (PDF) . Фармакологические отчеты . 60 (5): 600–622. ПМИД  19066407.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
5. Бходжани, М., Ван Дорт, М., Рехемтулла, А., Росс, Б. (2010). «Направленная визуализация и терапия рака головного мозга с использованием тераностических наночастиц». Молекулярная фармацевтика . 7 (6): 1921–1929. дои : 10.1021/mp100298r. ПМК 3291122 . ПМИД  20964352. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
6. Раоа, К., Реддья, М., Хорнинг, Дж., Лабхасетва, В. (2008). «ТАТ-конъюгированные наночастицы для доставки в ЦНС препаратов против ВИЧ». Биоматериалы . 29 (33): 4429–4438. doi :10.1016/j.bimaterials.2008.08.004. ПМК 2570783 . ПМИД  18760470. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
7. Артур Рахимов. «Вазодилатация и вазоконстрикция: реальная история». Вазодилатация и вазоконстрикция. 2011. Интернет. 21 мая 2012 г.
8. Система здравоохранения Университета Вирджинии. «Физиология: катетеры легочной артерии»
9. «Определение вазодилатации - определения популярных медицинских терминов в медицинском словаре, которые легко определить на медицинских терминах». Медтермс. 19 марта 2012 г. Интернет. 21 мая 2012 г.
10. Левик, младший и CC Мишель. (2010). Микрососудистый обмен жидкости и пересмотренный принцип Старлинга . Том. 87. Сердечно-сосудистые исследования 87.2. стр. 198–210. doi : 10.1093/cvr/cvq062. ПМИД  20200043. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )CS1 maint: location (link) CS1 maint: location missing publisher (link)
11. «Гидростатическое и онкотическое давление». Физиология сердечно-сосудистой системы . 11 июля 2011 года . Проверено 22 мая 2012 г.
12. Брэндис, Керри. «4.2 Гипотеза Старлинга». Физиология жидкости . Проверено 22 мая 2012 г.
13. Рональд Ф. Пробштейн (2003). Физико-химическая гидродинамика Второе издание . Хобокен, Нью-Джерси: ISBN John Wiley & Sons Inc. 978-0471458302.
14. Элейн Н. Мариб и Катя Хен (2010). Анатомия и физиология, четвертое издание . Сан-Франциско, Калифорния: Pearson Education. п. 1023. ИСБН 978-0-321-61640-1.