Povrchová chemie mikrovaskulatury - Surface chemistry of microvasculature - Wikipedia

Mikrovaskulatura je definována jako mikrovesy – venuly a kapiláry z mikrocirkulace, s maximálním průměrným průměrem 0,3 milimetru.^[1] Jak se cévy zmenšují, zvětšují jejich poměr plochy k objemu. To umožňuje, aby povrchové vlastnosti hrály významnou roli ve funkci nádoby.

K difúzi dochází stěnami cév v důsledku koncentračního gradientu, který umožňuje nezbytnou výměnu iontů, molekul nebo krevních buněk. Propustnost kapilární stěny je dána typem kapiláry a povrchem kapiláry endoteliální buňky. Kontinuální, těsně rozmístěná výstelka endoteliálních buněk umožňuje pouze difúzi malých molekul. Větší molekuly a krevní buňky vyžadují dostatečný prostor mezi buňkami nebo otvory ve výstelce. Vysoký měrný odpor buněčné membrány zabraňuje difúzi iontů bez a membránový transportní protein. The hydrofobicita povrchu endoteliálních buněk určuje, zda voda nebo lipofilní molekuly difundují kapilární výstelkou. Hematoencefalická bariéra omezuje difúzi na malé hydrofobní molekuly, takže je obtížné dosáhnout difúze léčiva.

Tok krve je přímo ovlivněn termodynamikou těla. Změny teploty ovlivňují viskozitu a povrchové napětí krve a mění minimální průtok krve. Při vysokých teplotách se minimální průtok sníží a kapilára se roztáhne. To umožňuje přenos tepla přes zvětšený povrch vnitřní kapilární výstelky a přes zvýšený průtok krve. Při nízkých teplotách se minimální průtok zvýší a kapilára se zúží. To omezuje průtok krve a zmenšuje povrch kapiláry a snižuje přenos tepla.

Mechanika tekutin je primárně ovlivněna tlakem, teplotou, přenosem tepla a elektrokinetikou. Zvýšení tlaku zvyšuje rychlost průtoku danou Starlingovou rovnicí. Zvýšení teploty zvyšuje smáčivost povrchu a podporuje tok tekutin. Teplo také snižuje viskozitu lumen. Přenos tepla je monitorován termoreceptory, které regulují množství kapilárních vrstev otevřených pro odvod tepla. Chemie povrchu výstelky endoteliálních buněk také určuje tok tekutiny. Nabitý povrch získá vrstvu stojatých difúzních iontů, které brání toku iontů v lumen. To snižuje rychlost lumenu a podporuje výměnu molekul kapilární výstelkou.

Difúze

Difúze je pohyb molekul v důsledku koncentračního gradientu. Molekuly se pohybují v a náhodná procházka vzor pro dosažení jednotného řešení.

Jednoduchá difúze látky (modrá) v důsledku koncentračního gradientu přes polopropustnou membránu (růžová).

Povrchová difúze endotelových buněk

Kapilární stěny obsahují monovrstvu endoteliální buňky. Existují dva způsoby, jak mohou molekuly difundovat endotelovou monovrstvou: mezerami mezi buňkami nebo přímo buňkami. Molekuly difundují kapilárními stěnami v důsledku gradientů koncentrace. Difúze mezi buňkami se mění v závislosti na typu kapiláry. Existují tři různé typy kapilár: kontinuální, fenestrované a sinusové, také nazývané diskontinuální. V kontinuálních kapilárách jsou endotelové buňky těsně rozmístěny, což umožňuje difúzi pouze malých molekul, jako jsou ionty nebo voda, přes mezibuněčné štěrbiny (mezery mezi endotelovými buňkami). V fenestrovaných a sinusových kapilárách je mezi buňkami více prostoru, což umožňuje difúzi makromolekul a některých proteinů. Sinusové kapiláry mají velké otvory, které umožňují průchod červených a bílých krvinek.^[2] K difúzi plynů a molekul rozpustných v lipidech může docházet přímo endotelovými buňkami, jak popisuje Fickův první zákon:

${ displaystyle { bigg.} J = -D { frac { částečné C} { částečné x}} { bigg.}}$

Kde:

J je tok
D je difuzivita
C je koncentrace
x je tloušťka bariéry

Různé typy kapilár umožňují difúzi různých molekul.

Povrchový náboj endoteliálních buněk v bodech difuzivity může určit, který typ molekuly může difundovat kapilárními stěnami. Pokud je povrch hydrofilní, umožní průchod vody a nabitých molekul. Pokud je hydrofobní, budou nabité a nenabité lipofilní molekuly schopné difundovat skrz. Tyto mezimolekulární screeningové síly jsou také známé jako Van der Waals síly, které je určeno Keesom, Debye a Londýnské disperzní síly. Lipidová dvojvrstva membrány endoteliálních buněk je hydrofobní povrch. Nepolární lipidy vedou k velmi vysokému elektrickému odporu, danému:

${ displaystyle { bigg.} R_ {e} = { frac {R_ {m} em} {A}} { bigg.}}$

Kde:

R_E je měrný odpor membrány
R_mem je specifický odpor membrány
A je oblast

Tato vysoká rezistivita brání iontům procházet dvojvrstvou bez integrálního membránového proteinu pomocí usnadněné difúze.^[3]

Difúze dodávání léčiv

Léky difundují kapilárními stěnami stejným způsobem jako endogenní molekuly. Jedním z nejdůležitějších příkladů toho je difúze drog napříč hematoencefalická bariéra. Hematoencefalická bariéra se skládá z vrstvy kontinuálních kapilár. Typicky pouze malé hydrofobní molekuly jsou schopné difundovat přes hematoencefalickou bariéru.^[4] Díky tomu je velmi obtížné dostat léky do mozku bez jejich invazivního podání přímo do mozku. Jedním z možných řešení je využití nanočástic. Nanočástice jsou syntetizovány tak, aby zapouzdřily cílové léčivo. Povrch nanočástic, pokud již není hydrofobní, může mít k povrchu připojené polymery, aby upravil polaritu proudu. Ligandy lze také připojit k povrchu nanočástic, aby se zaměřily na určité receptory umístěné v mozku. Jakmile nanočástice prochází hematoencefalickou bariérou, uvolňuje lék do mozku.^[5] Specifickým příkladem tohoto řešení je dodávka léků proti HIV do centrálního nervového systému nanočásticemi konjugovanými s TAT.^[6]

Termodynamika

Okolní teplota těla přímo ovlivňuje průtok krve mikrovaskulaturou. Změny teploty ovlivňují viskozitu krve a povrchové napětí. Povrchové napětí klesá se zvyšující se teplotou a snižuje minimální průtok (viz Povrchové napětí ). Snížení minimálního průtoku vyššími teplotami umožňuje více krve proudit a odvádět teplo do celého těla. Teplota výrazně ovlivňuje průtok krve ovlivňováním průměru toku. Snížení a zvýšení teploty spouští vazokonstrikci a vazodilataci.

Vazokonstrikce

Vazokonstrikce ovlivňuje rychlost toku a povrchové vlastnosti mikrovaskulatury zúžením buněk hladkého svalstva a zmenšením průměru toku. Buňky hladkého svalstva jsou schopné se stahovat z vnějších i vnitřních podnětů. Tento mechanismus může být spuštěn teplotou okolí nebo autonomním nervovým systémem.^[7]Za studena se tělo pokouší zachytit teplo v krvi zúžením buněk hladkého svalstva kolem mikrovaskulatury. Svalové buňky jsou zúžené zvýšením vápníku. Zmenšená plocha průřezu pro průtok zvyšuje vaskulární rezistence a snižuje tok do končetin. Tento mechanismus umožňuje tělu soustředit teplo kolem životně důležitých orgánů pro přežití.

Vzorec pro výpočet systémové vaskulární rezistence je:

${ displaystyle SVR = 80 krát { frac { vlevo (MAP-MRAP vpravo)} {CO}}}$

SVR jako systémová vaskulární rezistence
MAP jako střední arteriální tlak
MRAP jako průměrný arteriální tlak vpravo
CO jako srdeční výdej v mililitrech za minutu

Typické hodnoty jsou mezi 100-300 dyny * s * cm-5.^[8]

Vazodilatace

Vazodilatace je v podstatě opakem vazokonstrikce.^[9] Při vazodilataci se cévy dilatují, aby umožnily větší průtok krve. Buňky hladkého svalstva jsou uvolněné, aby se zvětšil průměr toku a snížil se vaskulární odpor. To je možné díky přímému vztahu mezi srdečním výdejem, středním arteriálním tlakem a vaskulárním odporem. Stejně jako vazokonstrikce může být vazodilatace způsobena vnitřními a vnějšími faktory. Například oxid dusnatý, který se nachází v potravinách, je velmi silným vazodilatátorem. Bylo zjištěno, že nervy v páteři mohou spustit oba procesy. Vasodilatace se také spouští pro termoregulaci, která zajišťuje odvod tepla.

Vazokonstrikce a vazodilatace zobrazené vedle normálního kapilárního průřezu pro srovnání.

Mechanika tekutin

Starlingova rovnice

The Starlingova rovnice popisuje tok rozpouštědla kapilárním ložem. Rovnici lze vidět níže

${ displaystyle J_ {v} = K_ {f} doleva [ doleva (P_ {c} -P_ {i} doprava) - sigma doleva ( pi _ {c} - pi _ {i} dobře dobře]}$

Popis konstant a také některé průměrné hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce.

Variabilní ^[10]	Definice ^[10]	Výpočet ^[11] ^[12]	Přibližná normální hodnota ^[11]^[12]
P_C	Kapilární hydrostatický tlak	P_C = 0,2 x arteriální tlak + venózní tlak 1.2	25 mmHg (arteriolový konec) 10 mmHg (venózní konec)
P_i	Tkáňový intersticiální tlak	Určeno poddajností tkáně Shoda = objem / tlak Δ Liší se podle umístění	≅ -6 mmHg
Π_C	Kapilární onkotický tlak	Měřeno přes polopropustnou membránu Liší se podle umístění a fenestrace mikrovaskulatury	23-30 mmHg
Π_i	Onkotický tlak v tkáni	Vyšší propustnost α Vyšší Π_i Vyšší kapilární filtrace α Nižší Π_i	≈ 5 mmHg
K._F	Koeficient filtrace	K._F = Plocha x Hydraulická vodivost
σ	Koeficient odrazu	Korekční faktor pro únik bílkovin přes membránu

Součinitel filtrace je určen hodnotou hydraulická vodivost, což je měřítkem toho, jak snadno se voda pohybuje klikatou oblastí. V mikrovaskulatuře je to řízeno porézností kapiláry a tím, zda je kontinuální, fenestrovaná nebo sinusová. The koeficient odrazu působí jako korekční faktor a je určen rozdílem ve velikosti částic a poměru pórů. Předpokládá se pravděpodobnost, že částice bude cestovat do póru uvnitř kapilárních stěn, než se dostane do intersticiální tekutiny. Pokud je částice iont, dojde k účinku pociťovanému nábojem endoteliálních obložení, který může zvýšit nebo snížit koeficient odrazu.

Teplotní efekty

U kapalin s relativně nízkou viskozitou existuje téměř lineární, inverzní vztah mezi teplotou a povrchovým napětím.^[13] Pokles povrchového napětí zvyšuje smáčivost stěn kapiláry, což usnadňuje tekutině protékat kapilárou.

Teplo také ovlivňuje viskozitu tekutiny uvnitř kapiláry. Zvýšení tepla snižuje viskozitu lumenální tekutiny. Dobrým příkladem této akce lze pozorovat v lidském těle během cvičení. Když člověk cvičí, dochází ke zvýšení rychlosti metabolismu uvnitř svalů, což vede ke zvýšení produkce tepla. Zvýšení tepla je detekováno termoreceptory, což je typ senzorického receptoru umístěného na různých místech těla. Tyto receptory vysílají do mozku signál, který říká tělu, aby rozšířilo cévy, včetně kapilár. To vytváří viditelnou změnu v počtu cév na kůži. To umožňuje přenos tepla konvekcí.

Přenos tepla cirkulací

Krevní cévy přenášejí teplo o proudění. V konvekci dominuje Brownův pohyb a advekce. Při konvekci se teplo v systému pohybuje z bodu vysoké koncentrace tepla do nízké koncentrace tepla, což je koncept podobný difúzi. Množství tepelného toku závisí na rozdílu teploty okolí a vnitřní teploty, který je detekován termoreceptory. Pokud je okolní teplota vyšší než teplota v kapilárách, tělo se otevře prekapilární svěrač zvýšit počet kapilárních lůžek. To zvyšuje celkovou plochu kapilárního povrchu, což umožňuje zvýšený přenos tepla konvekcí.^[14]

Elektrokinetické jevy

Povrchové náboje na stěnách cév ovlivňují tok iontů kapilárami a mechanikou tekutin v mikrovaskulatuře. Nabitá endoteliální výstelka vytváří vázanou vrstvu iontů, kde dochází k difúzi mezi buněčnými stěnami a lumen, také známý jako zadní vrstva. To vytváří difuzní vrstvu, gradient náboje, kde se ionty pohybují směrem k nabitému povrchu, v endoteliální výstelce kapilár. Účinky nabitých endoteliálních buněk se exponenciálně rozpadají na měřenou vzdálenost, která se označuje jako Délka debye. Ionty v difuzní vrstvě narážejí na pohyb jiných iontů v lumenu a zpomalují okolní roztok, aby umožnily větší difúzi. Rychlostní profil může určit Helmholtz-Smoluchowski^[13] rovnice:

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

Kde ${ displaystyle { vec {v}}}$ je rychlost
ε_Ó je permitivita volného prostoru
ε_r je dielektrická konstanta,
ζ je zeta potenciál
μ je viskozita kapaliny
a ${ displaystyle { vec {E}}}$ je elektrické pole vytvořené z nabité povrchové výstelky endotelových buněk.

Elektrické pole vytvářené nabitými endotelovými buňkami lze koncepčně modelovat pomocí dutého válce. Nabitá plocha aplikuje výsledné elektrické pole, které působí na částice ve středu válce ve směru kolmém k průřezu pozorovaného válce.

Při zvýšené koncentraci solí v lumen kapiláry se délka debye zmenšuje. Tím se snižuje velikost rychlosti popsaná Helmholtz-Smoluchowského rovnicí.

Reference

^ "Mikrovaskulární" Merriam-Webster. N.p., n.d. Web. 21. května 2012.
^ Bennett, H., Luft, J., Hampton, J. (1959). „Morfologická klasifikace krevních kapilár obratlovců“. American Journal of Physiology. 196 (2): 381–390. doi:10.1152 / ajplegacy.1959.196.2.381. PMID 13627187.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
^ Butt, H., Graf, K., Kappl, M. (2006). Fyzika a chemie rozhraní. Weinheim: Wiley-VCH. p. 277. ISBN 978-3-527-40629-6.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
^ Bernacki, J., Dobrowolska, A., Nierwinska, K., Malecki, A. (2008). "Fyziologie a farmakologická role hematoencefalické bariéry" (PDF). Farmakologické zprávy. 60: 600–622.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
^ Bhojani, M., Van Dort, M., Rehemtulla, A., Ross, B. (2010). „Cílené zobrazování a terapie rakoviny mozku pomocí terapeutických nanočástic“. Molekulární farmaceutika. 7 (6): 1921–1929. doi:10,1021 / mp100298r. PMC 3291122. PMID 20964352.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
^ Raoa, K., Reddya, M., Horning, J., Labhasetwa, V. (2008). „Nanočástice konjugované s TAT pro dodávání léků proti HIV do CNS“. Biomateriály. 29 (33): 4429–4438. doi:10.1016 / j.biomaterials.2008.08.004. PMC 2570783. PMID 18760470.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
^ Artour Rakhimov. „Vasodilatace a vazokonstrikce: skutečný příběh.“ Vazodilatace a vazokonstrikce. 2011. Web. 21. května 2012.
^ Zdravotnický systém University of Virginia. „Fyziologie: katétry plicních tepen“
^ „Definice vazodilatace - definice lékařského slovníku populárních lékařských pojmů snadno definovatelné na MedTerms.“ Medterms. 19. března 2012. Web. 21. května 2012.
^ ^A ^b Levick, J. R. & C. C. Michel. (2010). Výměna mikrovaskulárních tekutin a revidovaný princip Starlingové. Kardiovaskulární výzkum 87.2. 198–210.CS1 maint: umístění (odkaz)
^ ^A ^b „Hydrostatické a onkotické tlaky“. Fyziologie životopisu. 11. července 2011. Citováno 22. května 2012.
^ ^A ^b Brandis, Kerry. „4.2 Starlingova hypotéza“. Fyziologie tekutin. Citováno 22. května 2012.
^ ^A ^b Ronald F. Probstein (2003). Fyzikálně-chemická hydrodynamika, druhé vydání. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons Inc. ISBN 978-0471458302.
^ Elaine N. Marieb a Katja Hoehn (2010). Anatomy & Physiology Čtvrté vydání. San Francisco, Kalifornie: Pearson Education. p. 1023. ISBN 978-0-321-61640-1.

[1] "Mikrovaskulární" Merriam-Webster. N.p., n.d. Web. 21. května 2012.

[capillarytypes-2] Bennett, H., Luft, J., Hampton, J. (1959). „Morfologická klasifikace krevních kapilár obratlovců“. American Journal of Physiology. 196 (2): 381–390. doi:10.1152 / ajplegacy.1959.196.2.381. PMID 13627187.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[resistivity-3] Butt, H., Graf, K., Kappl, M. (2006). Fyzika a chemie rozhraní. Weinheim: Wiley-VCH. p. 277. ISBN 978-3-527-40629-6.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[bbb-4] Bernacki, J., Dobrowolska, A., Nierwinska, K., Malecki, A. (2008). "Fyziologie a farmakologická role hematoencefalické bariéry" (PDF). Farmakologické zprávy. 60: 600–622.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[nanoparticles-5] Bhojani, M., Van Dort, M., Rehemtulla, A., Ross, B. (2010). „Cílené zobrazování a terapie rakoviny mozku pomocí terapeutických nanočástic“. Molekulární farmaceutika. 7 (6): 1921–1929. doi:10,1021 / mp100298r. PMC 3291122. PMID 20964352.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[NPs-6] Raoa, K., Reddya, M., Horning, J., Labhasetwa, V. (2008). „Nanočástice konjugované s TAT pro dodávání léků proti HIV do CNS“. Biomateriály. 29 (33): 4429–4438. doi:10.1016 / j.biomaterials.2008.08.004. PMC 2570783. PMID 18760470.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)

[7] Artour Rakhimov. „Vasodilatace a vazokonstrikce: skutečný příběh.“ Vazodilatace a vazokonstrikce. 2011. Web. 21. května 2012.

[8] Zdravotnický systém University of Virginia. „Fyziologie: katétry plicních tepen“

[9] „Definice vazodilatace - definice lékařského slovníku populárních lékařských pojmů snadno definovatelné na MedTerms.“ Medterms. 19. března 2012. Web. 21. května 2012.

[Levick-10] A ^b Levick, J. R. & C. C. Michel. (2010). Výměna mikrovaskulárních tekutin a revidovaný princip Starlingové. Kardiovaskulární výzkum 87.2. 198–210.CS1 maint: umístění (odkaz)

[CVphysiology-11] A ^b „Hydrostatické a onkotické tlaky“. Fyziologie životopisu. 11. července 2011. Citováno 22. května 2012.

[Brandis-12] A ^b Brandis, Kerry. „4.2 Starlingova hypotéza“. Fyziologie tekutin. Citováno 22. května 2012.

[Probstein-13] A ^b Ronald F. Probstein (2003). Fyzikálně-chemická hydrodynamika, druhé vydání. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons Inc. ISBN 978-0471458302.

[Anatomy-14] Elaine N. Marieb a Katja Hoehn (2010). Anatomy & Physiology Čtvrté vydání. San Francisco, Kalifornie: Pearson Education. p. 1023. ISBN 978-0-321-61640-1.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]