УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2009, том 129, № 2, с. 198-211
УДК 612.111.7:612.117.001.8"312"(045)
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СДВИГОВОЙ РЕГУЛЯЦИИ
ФУНКЦИИ ТРОМБОЦИТОВ
© 2009 г. И. А. Будник, Г. Е. Брилль
Государственный медицинский университет, Саратов
Изложены теоретические основы возникновения сдвиговых сил при движении крови и значение сдвигового сигнала в регуляции функции тромбоцитов. Детально описано участие различных мембранных тромбоцитарных рецепторов и их лигандов в адгезии кровяных пластинок к субэндотели-альному матриксу при высокой и низкой скоростях движения крови.
Движение крови по системе кровеносных сосудов является важным фактором, регулирующим функции форменных элементов крови и определяющим их реактивность. Работы последних лет убедительно свидетельствуют, что сдвиговые силы, возникающие при движении крови, оказывают большое влияние на процесс адгезии и агрегации кровяных пластинок. Детальные исследования в области сдвиговой регуляции тромбоцитарных функций показывают, что гидродинамические факторы не только обеспечивают пристеночную локализацию кровяных пластинок в кровотоке, повышая тем самым вероятность их столкновения с тромбо-генной поверхностью, но и во многом определяют механизм адгезии тромбоцитов на экстраклеточном матриксе.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СДВИГОВОЙ РЕГУЛЯЦИИ ФУНКЦИИ ТРОМБОЦИТОВ
Необходимым условием начала адгезии, выражающейся в образовании соединений между мембраной тромбоцитов и определенными участками субэндотелиального матрикса, служит столкновение кровяных пластинок с сосудистой стенкой. Главную роль в доставке тромбоцитов к месту их связывания играют сдвиговые силы, возникающие при движении крови.
Упрощенно течение крови по сосудам можно представить в виде множества параллельных концентрических слоев равной толщины, движущихся с различной скоростью. Слой крови, прилегающий к стенке сосуда, остается практически неподвижным, скорость его равна нулю. По мере удаления от стенки сосуда скорость течения слоев крови постепенно возрастает, достигая максимума в центре. Если обозначить разность скоростей между двумя соседними слоями через йУ, а расстояние между ними через йг, то отношение йУ/йг будет называться градиентом скорости или, что то же самое, скоростью сдвига (у):
Иными словами, скорость сдвига показывает, на сколько быстро изменяется скорость движения крови от слоя к слою в поперечном сечении сосуда. Измеряется данный параметр в с-1. Скорость сдвига, равная 1 с-1, свидетельствует о том, что различие в скорости движения слоев жидкости, удаленных друг от друга на расстояние 1 см, составляет 1 см/с. Разница скоростей движения прилежащих слоев крови максимальна у стенки сосуда (пристеночная скорость сдвига) и убывает по мере приближения к центральной оси, где слои крови движутся с минимальным различием в скорости, образуя практически единый поток с максимальной средней скоростью [1].
Величина пристеночной скорости сдвига зависит от объемной скорости кровотока и диаметра сосуда. Упрощенно эта зависимость может быть выражена следующим соотношением:
У
32 0
п Б
3'
(2)
у =
(1)
где 0 - объемная скорость кровотока (мл/с), Б -диаметр сосуда (см) [81]. Из формулы (2) следует, что уменьшение диаметра сосуда в два раза приводит к восьмикратному повышению скорости сдвига. Следовательно, низкие значения скорости сдвига возникают в сосудах с медленным кровотоком, например в посткапиллярных венулах, в которых скорость сдвига составляет от 25 до 500 с-1 [34], а высокие - в сосудах с небольшим диаметром и быстрым кровотоком, например в мелких артериях и артериолах, в которых скорость сдвига колеблется в пределах от 500 до 5000 с-1 [108], составляя в среднем 1700 с-1 [38]. При патологическом сужении просвета сосуда, например при атеросклеротическом стенозе коронарных артерий, скорость сдвига нередко превышает 10000 с-1, а в ряде случаев может достигать 40000 с-1 и более [41].
Очевидно, что тот слой жидкости, который течет с большей скоростью, подгоняет соседний слой,
текущий с меньшей скоростью, и наоборот - медленный слой притормаживает более быстрый. В результате между прилегающими слоями крови возникает сила внутреннего трения, величина которой прямо зависит от вязкости крови. Сила, которая заставляет слои перемещаться вдоль сосудистой стенки, преодолевая возникающую между ними силу трения, носит название напряжения сдвига (т) и измеряется в Н/м2 или в дин/см2. Взаимосвязь скорости и напряжения сдвига упрощенно можно представить следующим соотношением:
У = т/п, (3)
где п - вязкость крови, Па с. Из формулы (3) следует, что скорость сдвига прямо пропорциональна напряжению сдвига и обратно пропорциональна вязкости [3]. Для крови, вязкость которой составляет ~0.004 Па с, напряжение сдвига в 1 дин/см2 приближенно соответствует скорости сдвига в 25 с-1 [33].
Несмотря на кажущуюся простоту вычислений, рассчитать точные значения скорости и напряжения сдвига зачастую не представляется возможным. Прежде всего, это связано с тем, что вязкость крови, являющейся неньютоновской жидкостью, зависит не только от температуры, но и от множества других параметров, например от гематокрита, размера и деформируемости форменных элементов, концентрации растворенных веществ, содержания белка в плазме и др. [118].
Проблема усложняется еще и тем, что вязкость крови не является постоянной в различных отделах сосудистой системы и меняется в зависимости от скоростных параметров движения крови. В частности, установлено, что по мере увеличения скорости сдвига происходит снижение вязкости крови [120]. Данное явление объясняется тем, что в условиях низкой скорости кровотока наблюдается агрегация эритроцитов в виде "монетных столбиков", что обусловливает повышенную вязкость крови. При увеличении скорости сдвига "монетные столбики" разрушаются, что приводит к нелинейному снижению вязкости крови [45]. Дальнейшее повышение скорости сдвига приводит к тому, что эритроциты, деформируясь, вытягиваются вдоль оси кровотока, что еще больше снижает трение и облегчает скольжение слоев крови друг относительно друга. В свою очередь объемная концентрация эритроцитов, измеряемая по показателю гематокрита, также оказывает существенное влияние на вязкостные свойства крови: чем больше гематокрит, тем больше вязкость, однако зависимость в данном случае не линейная [2].
Другая особенность, затрудняющая определение истинной пристеночной скорости и напряжения сдвига, - эффект Фареуса-Линдквиста, согласно которому при уменьшении радиуса трубки
(в диапазоне от 200 до 5 мкм) происходит снижение вязкости крови. Данный феномен обусловлен тем, что в узких сосудах происходит разделение кровотока на два слоя: эритроциты выстраиваются вдоль центральной оси в цепочку наподобие змейки, отделяясь при этом от стенки сосуда бесклеточным слоем плазмы с пониженной вязкостью [2, 5].
Еще одна сложность расчета реальных значений скорости и напряжения сдвига связана с возможностью нарушения ламинарности движения крови и возникновения турбулентного кровотока. Характер течения крови (ламинарный или турбулентный) определяется числом Рейнольдса (Яв). Число Рейнольдса является безразмерной величиной и выражается следующим отношением:
Яв = рТО/п, (4)
где р - плотность жидкости (кг/м3), V - скорость потока (м/с), Б - диаметр трубки (м), п - вязкость жидкости (Н с/м2). Из формулы (4) следует, что малые значения числа Рейнольдса соответствуют ситуации, когда силы вязкости "гасят" турбулентность, делая поток ламинарным. Высокие значения числа Рейнольдса, превышающие некоторое критическое значение, описывают ситуацию, когда силы вязкости относительно малы и не способны сгладить турбулентные завихрения потока. Для однородной жидкости критическое значение числа Яв составляет 2300, для крови -приблизительно 970. Однако, начиная с 400, уже возникают локальные завихрения в разветвлениях артерий и в области их крутых изгибов [4]. Турбулентное течение крови наблюдается при ее движении из предсердий в желудочки, при изгнании крови в аорту или легочный ствол, в местах бифуркации крупных сосудов, а также при патологическом сужении сосудов, например при образовании атеросклеротических бляшек [17]. В результате возникновения завихрений некоторые участки сосудистой стенки испытывают различное по продолжительности и величине воздействие напряжения сдвига, меньшее, чем при ламинарном течении крови.
РЕГУЛЯТОРНОЕ ЗНАЧЕНИЕ СДВИГОВЫХ СИЛ
Форменные элементы крови при движении по сосудам подвергаются воздействию напряжения сдвига. Результат данного влияния заключается в отбрасывании более мелких клеток к стенке сосуда. В связи с этим кровяные пластинки занимают периферическое положение в кровотоке, что, несомненно, повышает вероятность их столкновения с сосудистой стенкой [101]. Данный феномен можно объяснить, если рассмотреть влияние сдвиговых сил на эритроциты в потоке крови. Де-
ло в том, что противоположные полюса эритроцита подвергаются различному по величине воздействию напряжения сдвига: оно в большей степени выражено у края, направленного к стенке сосуда, и менее значимо со стороны, ориентированной к центральной оси кровотока. Разница действующих векторов силы у противоположных краев обусловливает ротационное движение эритроцитов в текущей жидкости [6]. При столкновении вращающихся эритроцитов с кровяными пластинками, последние, будучи значительно более мелкими, отбрасываются к стенке сосуда, причем тем сильнее, чем больше величина гема-токрита, размер эритроцитов и ригидность эрит-роцитарной мембраны [31].
Таким образом, повышение вероятности столкновения тромбоцитов с субэндотелиальны-ми структурами поврежденного сосуда обеспечивается высокой концентрацией пластинок в пристеночной зоне в результате их направленного движения в эту область благодаря ротации эритроцитов, вызванной действием сдвиговых сил.
Роль напряжения сдвига в регуляции адгезии не ограничивается одним лишь механическим отбрасыванием тромбоцитов на периферию кровотока. Как известно, кровяные пластинки сами по себе являются весьма чувствительными к сдвиговому воздействию. Так, наприме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.