A kardiovaszkuláris rendszer élettana

Átírás

1 A kardiovaszkuláris rendszer élettana 35. Hemodinamika: Biofizikai alapjelenségek 36. Hemoreológia Dr. Domoki Ferenc november 6. Az eddig elhangzottakból szükséges lesz Szabályozáselméleti alapok: Reflexes szabályozás, reflexív fogalma, reflexek csoportosítása, hormonális szabályozás A vegetatív idegrendszer szimpatikus és paraszimpatikus divíziójának funkcionális anatómiája és neurokémiája A primer és szekunder érzősejt fogalma, a primer szenzoros neuronok morfológiája és ingerületképzésének alapjai A simaizom élettana 1

2 Bevezetés helyett: a kardiovaszkuláris rendszer funkciójáért 3 főszereplő felelős A vér A szív Az érrendszer E három tényező tulajdonságait, kölcsönhatásait, és funkciójuk szabályozását kell megismerni. A kardiovaszkuláris élettan 9 tantermi előadása Hemodinamika, hemoreológia A szívműködés mechanikája A szívműködés szabályozása Az elektrokardiográfia Az érrendszer egyes elemeinek (artériás rendszer, mikrocirkuláció, vénás rendszer) funkcionális jellemzése (2 előadás) A szisztémás keringésszabályozás A lokális keringésszabályozás egyes szervek (szív, vázizom, tüdő) keringési jellegzetességei 2

3 Hemodinamika-alapfogalmak vérnyomás: a vérnek az erek falára kifejtett nyomása. Értéke a szívfunkciótól és az ér szívhez viszonyított pozíciójától is függ. Jele P, SI mértékegysége Pa, de az élettanban megszokottan a Hgmm-t használják. Áramlás az érrendszer két pontja között akkor jön létre ha az eret kitöltő vér nyomásában a két pontnál különbség van. Ezt nyomásfőnek (nyomásgrádiensnek) nevezzük. Jele P (=P1-P2) A keringésben a nyomásfőt ( P) a szív szívó-nyomó pumpa aktivitása alakítja ki 3

4 Hemodinamika-alapfogalmak Áramlás: a cső keresztmetszetén időegység alatt átáramló folyadékmennyiség ( V/ t), a szisztémás vérkeringésre vonatkoztatva a teljes áramlás neve keringési perctérfogat (PTF). Jele Q, mértékegysége térfogat/idő (pl liter/perc) Vigyázat! áramlás áramlási sebesség (v), utóbbi alatt az áramló folyadék részecskéinek átlagos sebessége értendő (m/s). Q=A v, ahol A a cső keresztmetszete. Hemodinamika-alapfogalmak Hogy adott nyomásfő mellett mekkora áramlás jön létre a csőben, azt a hidraulikus ellenállás szabja meg, ezt a nagyvérkörre vonatkoztatva teljes perifériás ellenállásnak/rezisztenciának (TPR) nevezzük. Jele R (TPR), mértékegysége nyomás idő/térfogat (Hgmm perc/liter) 4

5 A hemodinamika alaptörvénye: az Ohm törvény Áramlás=nyomásfő/hidraulikus ellenállás Q= P/R PTF nagyvérkör =(P aorta -P jobb pitvar )/TPR PTF kisvérkör =(P a.pulm -P bal pitvar )/R tüdő PTF nagyvérkör =( ) PTF kisvérkör Mitől függ a hidraulikus ellenállás? 5

6 HAGEN-POISEUILLE törvény Nyomás h Q 2h 2Q Q P Hossz L Q 2L ½ Q Q 1 L Sugár r Q 2r 16 Q (2 4 Q) Q r 4 Viszkozitás Q η 2η ½ Q Q 1 η Q = P r4 Lη π 8 R = Lη 8 r 4 π A tudósok Jean Louis Marie Poiseuille ( ) Matematikát és fizikát tanul az École Politecnique-ben, majd fiziológusként a vér áramlását tanulmányozza. Eredményeit ben publikálja. Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen ( ) fizikus, a viszkozitást méri meg először pontosan vékony csövekben, eredményeit 1840-ben publikája. 6

7 A Hagen-Poiseuille törvény teljesülésének kritériumai, összevetve a keringési rendszer tényeivel Hengeres nem elágazó, merev csövek newtoni folyadék stacioner áramlás lamináris viszonyok Rugalmas, elágazó csövek, a vénák nem hengeresek nem-newtoni folyadék (a vér) pulzáció néha turbulens áramlás Az egyenlőség tehát nem állhat fenn, mégis a törvény kijelöli a fontos faktorokat Mitől függ a hidraulikus ellenállás? az áramló folyadék saját anyagi tulajdonsága: viszkozitás (η) A cső geometriájától: a hosszúsággal (L) egyenesen arányos, a cső sugarának (r) a negyedik! hatványával fordítva arányos Hagen-Poiseuille törvény: Q= P x π/8 x r 4 /L x 1/η R= 8/π x L/r 4 x η 7

8 A Fehér fagyöngy (Viscum album) Örökzöld, parazita cserje Bogyójából ragasztót, lépet állítottak elő (lépre csalni vmit/vkit) A viszkozitás tehát ragadósságot jelent (ragad, mint a lép) Hemoreológia: a vér folyékonyságával foglalkozó tudományág rhei görög szó, folyót jelent, közismertté a Panta rhei! - Minden folyik!- filozófiai aforizma tette (semmi nem állandó, minden változik) A lamináris áramlás jellemzése, Newton viszkozitás törvénye:, nyírófeszültség, nyírási sebesség, viszkozitás fogalmának bevezetése a newtoni folyadékok és a nem-newtoni, komplex folyadék: a vér viszkozitása Az áramló vér viszkozitásának jellemzése, a vörösvérsejt adaptációja Turbulens áramlás fogalma. Reynolds szám. 8

9 Newton viszkozitástörvénye I. mozgó üveglap rögzített üveglap F Egy folyadékkal elválasztott két üveglapot elmozdítva egymás felett, az elmozdított üveglap alatti folyadék is elmozdul, mégpedig úgy, hogy a folyadék részecskéi egymással párhuzamos rétegekben (laminákban), egymáshoz képest is elmozdulnak. Ez a sebességgrádiens (dv/dx) a folyadékban homogén, és az üveglapot elmozdító erővel arányos. Newton viszkozitástörvénye II. Nyírófeszültség, nyírási erő (shear stress): az a tangenciális erő, ami egységnyi felszínre hatva elmozdítja egymáson a rétegeket, jele τ, mértékegysége N/m 2 (Pa) Nyírási sebesség (shear rate): az a sebesség (v), amivel az áramló folyadék egymástól x távolságban levő rétegei elcsúsznak egymáshoz képest, jele γ=dv/dx, mértékegysége 1/s Newton viszkozitás törvénye szerint az egyszerű (newtoni) folyadékokban τ és a hatására létrejövő γ között egyszerű arányosság áll fenn, az arányossági tényezőt a folyadék belső súrlódásának, viszkozitásnak hívják. A viszkozitás jele η=τ/γ, mértékegysége Pa s ill. P (poise). átváltás: 1 Pa s = 0.1 P. A viszkozitás a hőmérséklet emelkedésével csökken (lsd hideg vs. meleg méz csurgatása) 9

10 Lamináris véráramlás Egymáson elcsúszó folyadékrétegek (laminák) Csövekben a laminák koncentrikus körökként képzelhetők el, a folyadékrétegekben mozgó részecskék lineáris sebessége centrum-periféria irányban csökken Parabola formájú áramlási sebességgrádiens alakul ki Nyíró-erő Shear stress A pair of SHEARS Shear stress 10

11 ( ) A vér viszkozitása A vérplazma newtoni folyadék, viszkozitása a plazmafehérjék összetételétől és koncentrációjától függ (kiszáradás!) A vér azonban nem newtoni folyadék (η τ/γ), viszkozitása a nyíróerőktől is függ, és a csőgeometria is befolyásolja. 1. A hematokrit növekedése növeli a vérviszkozitást. 2. A nyírási sebesség növelése drasztikusan csökkenti a vérviszkozitást. 3. Az érátmérő csökkenése csökkenti a vérviszkozitást. A legtöbb jelenségre a vörösvérsejt membrán különleges, nem rugalmas, hanem folyadékszerű (viszkózus) deformálhatósága szolgál, amely az áramláshoz való alkalmazkodást jelzi. 11

12 Ad 1. A vér viszkozitásának hematokrit-függése RELATIV VISZOZITÁS Normálérték HEMATOKRIT plazma víz Ad 2. Vörösvérsejt aggregátumok alvadékok! Alacsony nyírási sebességnél a vörösvérsejtek aggregátumokat képeznek, ez a pénztekercsképződés viszkozitásemelkedésként jelentkezik. Az aggregációs hajlam a plazmafehérjék összetételétől függ, a globulinok arányának emelkedésével nő. Ez a reverzibilis aggregáció az alapja a vörösvérsejt süllyedési sebesség és a plazma diszproteinémiája közötti kapcsolatnak is (a süllyedési sebesség nő, amikor az albumin/globulin arány csökken). 12

13 Ad 2. Nyíróerő (shear stress) hatására a membrán passzív rotációt végez, miközben a vörösvérsejt alakja áramvonalas formát vesz fel Ad 2. Kísérleti felvétel: a vörösvérsejtek nyírási sebesség (shear rate) növekedésével fokozódó alakváltozáson esnek át, a membránhoz csatolt jelző segítségével a membránrotáció is vizualizálható 13

14 Ad 2. A nyírási sebesség növelésével a vér viszkozitása látványosan csökken: ennek mechanizmusa: 1. a stagnáló vérben keletkező vérsejtaggregátumok diszperziója (globulin-függő pénztekercsképződés megszűnése) 2.a vérsejtek áramvonalas alakváltozása Ad 3. Az ér méretének hatása a vér viszkozitására A vér viszkozitása az érátmérő 300µm alá csökkenésekor látványosan csökkenni kezd, ~7-10 µm átmérőnél megközelíti a plazma viszkozitását. Ez a Fåhraeus-Lindquist effektus (1918). THE VISCOSITY OF THE BLOOD IN NARROW CAPILLARY TUBES Am J Physiol March 1, :(3) A tudósok: Robert Sanno Fåhraeus ( ) Johan Torsten Lindquist (1906-) svéd hemato-patológusok 14

15 Ad 3. A Fåhraeus-Lindquist effektus Relatív viszkozitás plazmaviszkozitás érátmérő (µm) Ad 3. a Fåhraeus-Lindquist effektus mechanizmusai 1. Axiális migráció és 2. plazma skimming: a vékonyabb erekben a sejtek a tengelyáram közepén, gyorsan haladnak, míg a szélen lassabb, sejtmentes plazmaáram alakul ki: az érben a hematokrit effektív értéke csökken. Ez a mechanizmus főleg a nagyobb mikroerekben ( µm) játszik szerepet 3. A kapillárisokban az egy sejtsorban áramló vörösvérsejtek folyadékcseppszerű adaptációja tökéletessé válik, egymással nem érintkeznek, felveszik a paraboloid sebességprofilt. A kapillárisokba kerülő fehérvérsejtek viszont viszkozitásemelkedést hoznak létre. 15

16 Vékony csövekben (kapillárisokban) az alakváltozás megközelíti a parabolikus sebességprofilt, a vörösvérsejtek lövedék vagy papucs konformációt vesznek fel, miközben bennük szinte semmilyen rugalmas erő NEM ébred! Fehérvérsejt mint viszkozitásemelkedés 16

17 Take home message #1: A vörösvérsejt a keringésben soha nem hasonlít cukrászipari termékekre (fánk, babapiskóta), hanem passzívan a nyíróerőknek megfelelő bármilyen formát vesz fel! Turbulens áramlás A folyadékrétegek szabálytalan áramlása mindig viszkozitás-növekedéshez vezet, fokozva az áramlási ellenállást. A turbulencia kialakulását elősegíti a csőrendszer tágassága, szabálytalansága (érszűkület, elágazás, irányváltás), valamint a magas áramlási sebesség, a folyadék alacsony viszkozitása 17

18 Reynolds szám: a turbulencia kialakulásának valószínűségét jelző mutató Mértékegység nélküli szám Re=d v ρ/η, ahol d az átmérő, v az áramlási sebesség, ρ sűrűség és a viszkozitás (cm, cm/s, g/cm 3, és Poise-ben mérve, CGS szisztéma). Ha a szám meghaladja 2000-t a turbulencia kialakulásának valószínűsége nagy A keringésben az artériás rendszerben alakulhat ki turbulencia (nagy érátmérő+nagy sebesség). Mi ebből a fontos egy orvosnak? A vér viszkozitása fiziológiásan nem szabályozza a hidraulikus ellenállást, de képes azt jelentősen befolyásolni Magas hematokrit (policitémia, kiszáradás) fokozza a viszkozitást, emelve az ellenállást Alacsony hematokrit következtében csökkenő viszkozitás fokozza a turbulens áramlás veszélyét, ami érsérüléshez ill. ellenállásfokozódáshoz vezet A véráramlás sebességének kóros csökkenése pénztekercsképződéshez, ún. strukturális viszkozitásfokozódáshoz vezet, tovább rontva a keringést A vörösvérsejt veleszületett vagy szerzett membrándefektusai rontják a deformálhatóságot és a fluiditást, ezek a vér viszkozitásának jelentős fokozódásához vezetnek, rontva a keringést. 18

19 Van-e jelentősége a reológiai státusz vizsgálatának a betegágy mellett: IGEN! : Reológiai tesztek viszkozimetria Ozmotikus grádiens ektacitometria: deformabilitási index Kritikus stressz: az a lgkisebb nyíróerő, ami diszpergálja az aggregálódott vörösvérsejteket etc Take home message #2: Az emlős vörösvérsejt az evolúciós siker egyik kulcsa! Béka (bal), és ember (jobb) vörösvérsejt és kapilláris 19

20 Take home message #2: Az emlős vörösvérsejt az evolúciós siker egyik kulcsa! Az emlősök ugyanakkora vértérfogatból ~16-szor több kapillárist képesek perfundálni, mint a béka, a diffúziós távolságok lerövidítése alapvetően lehetővé tette a nagy metabolikus aktivitású szövetek (agy) felépítését! 20