Региональная и системная гемодинамика при модуляции волновых характеристик кровотока и внешнего дыхания

На правах рукописи

Поясов Илья Залманович

РЕГИОНАРНАЯ И СИСТЕМНАЯ ГЕМОДИНАМИКА ПРИ МОДУЛЯЦИИ ВОЛНОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КРОВОТОКА И ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ

03.03.01 - физиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора биологических наук

Санкт-Петербург

2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии медицинских наук

«Научно-исследовательский институт экспериментальной медицины Северо-Западного отделения РАМН»

Научный консультант:

академик РАМН, доктор медицинских наук,профессор

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Суворов Николай Борисович

доктор медицинских наук, профессор Поленов Сергей Александрович

доктор биологических наук Пуговкин Андрей Петрович

Ведущая организация: Институт эволюционной физиологии и биохимии РАН им. И.М. Сеченова, Санкт-Петербург.

Защита состоится 21 октября 2010 г. в ……. часов на заседании Диссертационного совета Д 001.022.03 при Научно-исследовательском институте экспериментальной медицины РАМН по адресу: 197376, Санкт-Петербург, Каменноостровский пр., 71.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Научно-исследо-вательского института экспериментальной медицины СЗО РАМН по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. акад. Павлова, 12.

Автореферат разослан 2010 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета

доктор биологических наук, Л.В. Пучкова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Важная роль, которую волновые процессы играют в живой и неживой природе, обусловливает постоянно растущее в последнее время внимание исследователей к их изучению. При этом анализ колебательного режима работы разнообразных систем (физических, химических, биологических и технических) позволяет вскрыть ранее неизвестные механизмы их функционирования и выявить общие закономерности их поведения. При несомненной теоретической значимости вопроса о роли колебаний в системе кровообращения, использование волновых технологий в диагностике и лечении различных патологических состояний является одним из наиболее перспективных направлений ХХI века (Барбараш А., 1998; Проблемы ритмов в естествознании, 2004; Лазерная допплеровская флоуметрия…, 2005; Combs D., 2006).

Применительно к системе кровообращения колебательный (пульсирующий) режим её работы обеспечивается сократительной деятельностью сердца и является естественным, непрерывно действующим на сосудистую систему фактором, а также поддерживает постоянно меняющееся за время сердечного цикла механическое (пульсовое) растяжение сосудистых стенок, оказывая действие на нервные и гладкомышечные образования их стенок.

В физиологии кровообращения представление о чувствительности гладких сосудистых мышц к растяжению рассматривается как феномен Остроумова-Бейлисса (Гуревич М.И., Бернштейн С.А., 1984). Сформулированная У. Бейлиccом миогенная гипотеза (Bayliss W.M., 1902) регуляции сосудистого тонуса предполагала участие в его формировании механизма сокращения гладких мышц, реагирующих сокращением на растяжение внутрисосудистым давлением и расслаблением на его снижение. Позднее миогенная гипотеза была подтверждена результатами многих экспериментальных исследований, материалы которых представлены в ряде обзорных работ (Конради Г.П., 1973; Шендеров С.М., Рогоза А.Н., 1979; Хаютин В.М., Рогоза А.Н., 1986; Johnson P.C., 1980).

Интерес физиологов к изучению действия механогенных стимулов на сосудистое русло обусловлен их участием в формировании базального тонуса сосудов, обеспечении баланса фильтрационно-абсорбционных процессов в ткани на капиллярном уровне, развитии рабочей и реактивной гиперемии (Гуревич М.И., Бернштейн С.А., 1972; 1984; Ткаченко Б.И., Левтов В.А., 1986; Hauge A., Nicolaysen G., 1979; Somlyo A.P., 1985). Актуальность задачи выяснения роли механогенных стимулов в регуляции кровообращения обусловлена также её практической важностью: она непосредственно связана с решением проблемы разработки и эксплуатации аппаратов "искусственное сердце" и использованием перфузионной техники в клинике и лабораторных условиях (Шумаков В.И. и др., 1988; Nagel S. et al., 2005; Arndt A. et al., 2008).

Большое количество работ, посвящённых исследованию сосудистых реакций, вызываемых механогенными стимулами, проводили в условиях, при которых входное воздействие имитировали изменением средней величины внутрисосудистого давления (Хаютин В.М., 1979; Johnson P.C., Intaglietta V.,1976; Grande P.O., Borgstrom P., Mellander S., 1979) без учёта возможного участия в наблюдаемых ответах пульсовых колебаний кровотока или давления. В меньшей степени представлены в литературе данные о влиянии на сосуды пульсового (быстроменяющегося) внутрисосудистого давления, причём в этих работах оценку действия пульсаций нередко проводили без рассмотрения вклада в наблюдаемые ответы собственно пульсовых (волновых) характеристик кровотока, среди которых наиболее часто используемыми являются амплитуда и частота пульсаций. В тех же работах, где анализируется роль указанных волновых характеристик (Осадчий Л.И., Пуговкин А.П., 1983; Speden R.N., Warren D.M., 1987), как правило, приводятся данные о влиянии лишь одного из пульсовых параметров на исследуемые гемодинамические показатели сосудистого русла.

Традиционно исследование действия пульсаций на органную гемодинамику проводится, главным образом, при сравнении влияния пульсирующего и непульсирующего режимов перфузии на изучаемые сосудистые функции. Оценка изменений резистивной функции сосудов в этом случае проводится, как правило, по поведению суммарного (интегрального) сопротивления исследуемого сосудистого региона без учёта вклада в его изменение каждого из последовательно расположенных сегментов.

В настоящее время не вызывает сомнения немаловажная роль венозных сосудов в органном и системном кровообращении (Ткаченко Б.И., 1979). Исследованию влияния пульсирующего кровотока на венозный отдел сосудистого русла в литературе по физиологии кровообращения не уделялось достаточного внимания: считалось, поскольку амплитуда пульсаций в венах мала, пульсации практически не влияют на венозные сосуды. В литературе отмечается и трудность анализа вен, связанная с существенной нелинейностью их характеристик. Учитывая значимость вен в системе кровообращения (Ткаченко Б.И.,1979), представляет несомненный интерес изучить участие пульсаций в формировании резистивной функции венозных сосудов и в обеспечении их основной роли - ёмкостной функции.

Данные литературы о влиянии пульсовых колебаний на обменную функцию сосудов носят противоречивый характер. Одни авторы отмечают, что пульсирующая перфузия увеличивает количество внесосудистой жидкости (Hauge A., Nicolaysen G.,1979), другие (Taguchi S. et al.,1988) наблюдали противоположный эффект.

Противоречивость литературных данных о влиянии пульсовых колебаний кровотока на показатели сосудистых функций могут быть и следствием того, что анализ их влияния на сосудистое русло проводили, как правило, при варьировании одного из волновых параметров: амплитуды или частоты пульсаций. Для сосудистой системы, которая является нелинейной, наиболее правомерен одновременный учёт обеих указанных характеристик, поскольку в нелинейных системах не соблюдается принцип суперпозиции, предполагающий выполнение условий аддитивности и однородности по выходному сигналу (отсутствие линейной зависимости между выходным сигналом и входными воздействиями).

Адекватность одновременного рассмотрения влияния амплитуды и частоты пульсаций на сосудистое русло определяется и тем, что в естественных условиях любая нагрузка на сердечно-сосудистую систему, как правило, сопровождается одновременным изменением, как амплитуды, так и частоты сердечных сокращений. Проведение исследований, рассматривающих одновременно влияние и амплитуды и частоты пульсирующего кровотока на работу последовательно расположенных участков органного сосудистого русла (артерии, капилляры, вены), позволило бы в единых методических условиях выявить специфику действия пульсаций на каждую из сопряжённых сосудистых функций.

Волновые процессы в сердечно-сосудистой системе присутствуют на разных уровнях её организации, начиная с реологического до высшего нервного и системного (Биоритмические…, 1992; Барбараш А., 1998; Циклы: матер. межд. конф. 2000, 2002, 2003; Романов Ю.А.и др., 2004; Загускин С.Л., Загускина С.С., 2008). Хотя в литературе по теории колебаний (Андронов А.А. и др., 1959; Васильев В.А. и др., 1987; Бычков Ю.А. и др., 2004) много внимания уделяется анализу волновых характеристик (амплитуды, частоты, фазы, скорости изменения и т.д.) рассматриваемых процессов, в физиологии эти вопросы остаются малоизученными.

Исследование роли и функциональной значимости волновых характеристик пульсирующего кровотока в функционировании системы кровообращения в норме и при действии нагрузок различной модальности, согласно данным литературы, практически не проводилось.

В физиологической литературе подчёркивается тесная функциональная взаимосвязь в организме систем дыхания и кровообращения (Физиология человека, 2006; Гайтон А.К., Холл Дж. Э., 2008; Rowell, 1993). Режим дыхания, как и режим работы сердечно-сосудистой системы, является также колебательным. Однако, связь волновых характеристик (параметров) дыхательного цикла - амплитуды и частоты - с показателями как лёгочной, так и системной гемодинамики остаётся практически неизученной. Учитывая важность изучения транссосудистого перемещения жидкости для понимания регуляции обменных процессов в лёгких, изменения объёма межклеточного пространства и развития отёка в них, изучение влияния частоты и объёма вентиляции лёгких на транскапиллярный обмен жидкости в этом сосудистом регионе является актуальной задачей, требующей своего разрешения. Малоизученной, согласно литературным данным, остаётся и взаимосвязь изменений параметров дыхания с показателями, в том числе и волновыми, системной гемодинамики, в частности, её артериального и венозного отделов.

Цель исследования:

Целью работы являлось изучение влияния волновых гемодинамических характеристик на резистивную, ёмкостную и обменную функции органных сосудов и выяснение характера зависимости показателей органной и системной гемодинамики от волновых характеристик внешнего дыхания.

Задачи исследования:

1. Установить характер изменений резистивной и ёмкостной функции сосудов скелетной мышцы у кошек при модуляции волновых характеристик (амплитуды и частоты) пульсирующего кровотока.

2. Исследовать влияние амплитудно-частотной модуляции пульсовых колебаний кровотока на изменения обменной функции сосудов скелетной мышцы у кошек.

3. Выяснить влияние волновых характеристик (объём, частота) различных режимов искусственной вентиляции лёгких на их гемодинамику.

4. Изучить влияние увеличения амплитуды дыхания (глубокого дыхания) на артериальный и венозный кровоток.

5. Исследовать характер изменений волновых характеристик артериального давления, а также кровотока и давления в лёгочной артерии при действии на систему кровообращения прессорных стимулов.

Научная новизна

Установлены ранее неизвестные закономерности влияния волновых характеристик пульсовых колебаний кровотока на сопряжённые (резистивную, ёмкостную и обменную) функции органных сосудов. Для выполнения работы была специально разработана методика и сконструирована установка, позволяющая модулировать амплитуду и частоту пульсаций без изменения средней величины перфузионного кровотока или давления. В работе получены приоритетные данные о характере действия пульсаций на последовательно расположенные - артериальный, капиллярный и венозный - отделы сосудистого русла. Впервые выявлена роль пульсовых характеристик кровотока (давления), заключающаяся в возможности изменением амплитуды и частоты пульсаций воздействовать на сопряжённые функции органных сосудов. Впервые показано, что при определенных значениях амплитуды и частоты пульсовых колебаний, свойства гемодинамических параметров, характеризующих обменную и резистивную сосудистые функции, достигать своих максимальных сдвигов ассоциируются с резонансными.

Показана возможность изменением волновых характеристик внешнего дыхания влиять на лёгочное кровообращение (его макро- и микрогемодинамику) и волновые характеристики артериального и венозного кровотоков системной гемодинамики. Получены данные об изменениях пульсовых характеристик (амплитуды и частоты) артериального давления при действии прессорных стимулов (введении катехоламинов, увеличении объёма циркулирующей крови). Анализ соотношения сдвигов сердечного выброса, венозного возврата, и лёгочного кровотоков, вызываемых введением катехоламинов, позволил расшифровать информационную значимость фазового сдвига между давлением и кровотоком в артериальном русле лёгочных сосудов, свидетельствующего об изменении ёмкостной функции сосудов лёгких.

Обобщение полученных данных о влиянии волновых параметров пульсирующего кровотока на органную макро- и микрогемодинамику указывает на существование ранее не рассматриваемого в физиологии волнового контура управления в системе кровообращения. В результате проведённых исследований предложена концепция волновой регуляции сопряжёнными функциями органных сосудов, в соответствии с которой гемодинамические параметры, характеризующие указанные функции, могут изменяться при модуляции волновых характеристик кровотока и внешнего дыхания.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Величина и направленность сдвигов сопротивления сосудов скелетной мышцы при переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии зависит от значений амплитуды и частоты пульсаций. Ёмкость сосудистого русла скелетной мышцы при амплитудно-частотной модуляции перфузионного кровотока в режиме стабилизации расхода зависит от амплитуды пульсаций: рост амплитуды приводит к снижению кровенаполнения органов.

2. Переход от непульсирующей к пульсирующей перфузии вызывает увеличение коэффициента капиллярной фильтрации, приводя, таким образом, к возрастанию скорости транскапиллярного перемещения жидкости.

3. Амплитудно-частотная модуляция параметров внешнего дыхания, сопровождающаяся возрастанием минутного объёма вентиляции, вызывает снижение показателей гемодинамики доли лёгкого. В условиях гипервентиляции изменения фильтрационно-абсорбционного равновесия в сосудистом русле лёгких становятся более выраженными и характеризуются смещением в сторону фильтрации.

4. Изменение амплитуды дыхательного цикла влияет на частоту и амплитуду пульсовых колебаний артериального и венозного кровотоков; при этом практически неизменными остаются значения их средних величин. В результате реализуется возможность модуляцией режима дыхания воздействовать на амплитудно-частотные характеристики работы сердца, изменения которых влияют на сопряжённые функции органных сосудов.

5. Прессорные воздействия - введение катехоламинов, нагнетание в сосудистое русло физиологического раствора - на систему кровообращения вызывают сдвиги амплитудно-частотных характеристик артериального давления, причём изменения амплитуды пульсовых колебаний давления более выражены, чем сдвиги его средней величины. Диапазон изменений амплитуды и частоты пульсовых колебаний данного параметра указывает на возможность их непосредственного влияния на резистивную, ёмкостную и обменную функции органных сосудов.

6. Полученные данные свидетельствуют, что управление сопряжёнными функциями органных сосудов может осуществляться посредством изменения волновых характеристик кровотока, что позволяет предложить концепцию волнового управления указанными функциями.

Апробация работы

Материалы диссертации представлены и доложены на ежегодных научных конференциях Отдела физиологии висцеральных систем НИИ Экспериментальной медицины СЗО РАМН, V Всесоюзной школе-семинаре «Центральные механизмы регуляции кровообращения» (Ашхабад, 1987), IV Всесоюзном симпозиуме «Венозное кровообращение и лимфообращение» (Алма-Ата, 1989), II Всесоюзной конференции физиологов «Система микроциркуляции и гемокоагуляции в экстремальных условиях» (Фрунзе, 1990), II Республиканском съезде физиологов Туркменистана (Ашхабад, 1992), XXVII съезде физиологов России (Ростов на Дону, 1998), на Международной конференции, посвященной 150-летию И.П. Павлова «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 1999), Всесоюзной научной конференции с международным участием, посвященной 150-летию со дня рождения академика Ивана Петровича Павлова (Санкт-Петербург, 1999), на научной конференции «Актуальные проблемы фундаментальных исследований биологии и медицины», посвященной 110-летию института Экспериментальной медицины (Санкт-Петербург, 2000), XXVIII съезде физиологов им. И.П. Павлова (Казань, 2001), на Научной сессии СЗО РАМН «Болезни сосудов: фундаментальные и клинические аспекты (Петрозаводск, 2001), III Всероссийский научной конференции с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем», посвященной 175-летию со дня рождения Ф.В. Овсянникова (Санкт-Петербург, 2003), на конгрессе «Кардиостим 2004» и IV Международном симпозиуме «Электроника в медицине» (Санкт-Петербург, 2004), II Международном симпозиуме «Проблемы ритмов в естествознании» (Москва, 2004), конференции «Достижения и трудности современной кардиологии», посв. памяти проф. В.Н.Померанцева (Москва, 2005), IV Всероссийской школе-конференции по физиологии и кровообращению (Москва, 2008), на I Российском съезде по хронобиологии и хрономедицине с международным участием (Владикавказ, 2008).

Публикации

Основные положения диссертации изложены в 40 научных работах, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 2 главы в Руководстве по физиологии кровообращении, 15 работ в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Объём и структура диссертации

Диссертация изложена на 329 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследований, семи глав результатов собственных исследований, заключения, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована 21 таблицей и 35 рисунками. Указатель литературы содержит 342 источника, включая 165 отечественных и 177 зарубежных.

Работа выполнена в Учреждении Российской академии медицинских наук - Научно-исследовательском институте экспериментальной медицины Северо-Западного отделения РАМН в соответствии с основным научным направлением, утвержденным Президиумом Северо-Западного отделения РАМН «Интегративные механизмы регуляции висцеральных систем организма в норме и патологии». Исследование выполнено также при поддержке грантов РФФИ №№ 96-15-97667; 00-04-49342 и ведущих научных школ РФ № НШ-2330.2003.4.

Личный вклад соискателя

В основу диссертационной работы положены многолетние (1985-2009 гг.) исследования по изучению механизмов регуляции сопряжённых функций органных сосудов, а также лёгочной и системной гемодинамики. Автором разработана методика попеременной (постоянный или пульсирующий кровоток) перфузии органных сосудов с модуляцией по амплитуде и частоте пульсовых колебаний кровотока при сохранении неизменного значения его средней величины. Методика позволяет получать амплитудно-частотные характеристики показателей, характеризующих резистивную, ёмкостную и обменную функции органных сосудов, с целью изучения функциональной значимости волновых характеристик пульсирующего кровотока в обеспечении указанных функций. Автор принимал участие в разработке методики комплексного определения параметров регионарного кровообращения и методики одновременного многопараметрического измерения показателей системной и лёгочной гемодинамики, позволяющей производить многофакторный анализ взаимосвязей указанных параметров, которая может быть использована не только в фундаментальных исследованиях, но и в клинической практике у человека. Идея поставленной задачи исследования, проведение экспериментов, статистическая обработка и оценка результатов, научные выводы диссертационной работы, предложенная в результате выполненной работы концепция волнового управления сопряжёнными функциями органных сосудов принадлежат автору.

содержание работы

Материалы и методы исследований

Исследование механизмов изменений резистивной, ёмкостной и обменной функций органных и системной гемодинамики при модуляции волновых характеристик пульсирующего кровотока и внешнего дыхания выполнено на 139 кошках массой 2.8 - 5.0 кг под уретановым (1.0 г/кг) или нембуталовым (35 - 40 мг/кг, внутримышечно) наркозом в условиях острых опытов при естественном дыхании животных и в ряде опытов при искусственной вентиляции лёгких и вскрытой грудной клетке, а также в наблюдениях на 12 добровольцах. Эксперименты на кошках проводились с соблюдением основных биоэтических правил обращения с животными.

Важная роль в изучении сопряжённых функций органных сосудов отводится скелетной мускулатуре, масса которой составляет около 40% от общей массы тела, а её кровоток имеет большое значение в регуляции объёма циркулирующей крови, распределении сердечного выброса и формировании венозного возврата крови к сердцу (Ткаченко Б.И., 1979; 1984). Поэтому в проводимой работе исследование влияния пульсаций на функции органных сосудов проводилось в экспериментах на сосудистом русле скелетной мышцы у кошек. Эксперименты выполнены на 48 кошках обоего пола, массой 2.8 - 4.5 кг, наркотизированных уретаном, с применением гепарина (2000 ЕД/кг). Препарат задней конечности кошки был децентрализован и изолирован в гуморальном отношении путём перевязок соответствующих сосудистых коллатералей. Эксперименты проводили с использованием двух режимов перфузии - при постоянном расходе и постоянном давлении. Значения перфузионного давления и кровотока в начале опытов составляли в среднем 110 - 120 мм рт.ст. и 5 - 9 мл/мин/100г соответственно, что совпадает с приводимыми в литературе данными (Фолков Б., Нил Э., 1976; Джонсон П., 1982).

Для изучения влияния пульсаций на сосудистое русло скелетной мышцы был разработан метод модуляции перфузионного кровотока и давления по амплитуде и частоте без изменения их средней величины. С этой целью сконструировано и введено в установку для комплексного определения параметров регионарной гемодинамики специальное устройство - пульсатор, с помощью которого амплитуда пульсаций (А) на входе перфузируемого органа либо задавалась равной 0.25, 0.5, 1.0, 1.5 значений от своей исходной величины замеренной до начала перфузии либо сглаживалась до 0.1 исходной величины; такой кровоток принимался за непульсирующий. Частота пульсаций (f) менялась дискретно (50, 90, 134 и 178 уд/мин.) в интервале от 1 до 3 гц, что перекрывает естественный и ниже его диапазоны частоты сердечных сокращений кошки (Западнюк И.П. и др., 1974). Препарат перфузировали насосом постоянной производительности (производство ЭПМ НИИЭМ СЗО РАМН) в режиме постоянного расхода и стабилизированного давления (Интеграция…, 1984). Давление венозного оттока из перфузируемой конечности поддерживалось на уровне 10 мм рт.ст. (Фолков Б., Нил Э., 1976).

Резистивную функцию сосудов скелетной мышцы оценивали по изменению перфузионного давления (в режиме стабилизации расхода) или кровотока (в режиме стабилизации давления), а также сдвигам интегрального (R), пре- (Rа) и посткапиллярного (Rv) сопротивлений. Об изменениях ёмкостной функции сосудов судили по сдвигам уровня крови в экстракорпоральном резервуаре (Ткаченко Б.И., 1979). По изменению капиллярного гидростатического давления (Pc) и сдвигам величины коэффициента капиллярной фильтрации (CFC), который отражает площадь обменной поверхности и состояние проницаемости микрососудов, оценивали транссосудистое перемещение жидкости исследуемого региона (обменная функция). Определение CFC, Рс, расчёт интегрального, пре- и посткапиллярного сопротивлений проводили по уже известным методикам (Интеграция…, 1984).

Изменения венозного оттока, приводящие к сдвигам объёма крови в экстракорпоральном резервуаре и свидетельствовавшие об изменениях ёмкостной функции сосудов, рассчитывали в миллилитрах на 100 г массы препарата.

Для изучения различий в реакции скелетной мышцы на пульсирующий и непульсирующий кровоток (давление) исследования проводились попарно: каждому заданному набору параметров (А и f) пульсаций предшествовали измерения в непульсирующем режиме перфузии. Все измерения (кроме динамических в переходном процессе) проводились в установившемся режиме, идентифицируемом по достижению стабильного состояния перфузионного давления и венозного оттока.

При переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии, во время переходного процесса, изменения интегрального сосудистого сопротивления оценивали во время максимума наблюдаемых реакций перфузионного давления или кровотока (в зависимости от режима перфузии).

Измеряемые параметры (артериальное давление, перфузионное давление и давление венозного оттока в экстракорпоральном резервуаре) регистрировали с помощью механотронных датчиков электроманометров производства ЭПМ НИИЭМ СЗО РАМН. Кровоток измерялся проточным датчиком ультразвукового расходомера «Dyna» (тип DUD-400, Франция). Для стандартизации динамической составляющей венозной нагрузки в экспериментальную установку было введено специально разработанное автоматическое подъёмное устройство. Температура поступающей в орган крови поддерживалась на уровне 37^оС с помощью ультратермостата UTU-4 (Германия).

Полученные экспериментальные данные после подсчёта средних и их ошибок сводились в двумерные таблицы (в координатах амплитуда - частота); при статистической обработке проверялась гипотеза о достоверности различий (сдвигов) средних от нуля.

Опыты по изучению влияния параметров дыхания на гемодинамику лёгочных сосудов проведены на 11 кошках, наркотизированных уретаном в условиях искусственной вентиляции лёгких аппаратом «Вита-1». Начальные параметры вентиляции лёгких животного выбирали по рекомендуемым (Дворецкий Д.П., Ткаченко Б.И., 1987; Гриппи М., 1997) значениям составляющих газового состава артериальной крови (рН - 7.294 ± 0.018; рСО₂ - 36.4 ± 2.3 мм рт. ст.; рО₂- 102.2 ± 3.4 мм рт.ст.), измеряемым с помощью газоанализатора крови BMS 3 Мк2 («Radiometer», Дания). В указанных условиях напряжение газов в конечных порциях выдыхаемого воздуха составили: рО₂ - 17.8 ± 0.2 об%: рСО₂ - 3.2 ± 0.17 об%, при интратрахеальном давлении 4.1 ± 0.5 см. вод. ст. Газовый состав выдыхаемого воздуха оценивали с помощью масс-спектрографа МХ6202 (Россия).

Заднюю долю правого лёгкого изолировали в гемодинамическом отношении и перфузировали аутокровью с помощью насоса постоянной производительности. Перфузионное давление в артериальном сосудистом русле в доли лёгкого устанавливали на уровне 21.0 ± 1.5 мм рт.ст., а венозное давление, при котором кровь оттекала в экстракорпоральный резервуар, поддерживалось равным 5 мм рт.ст., что соответствует данным литературы (Дворецкий Д.П., Ткаченко Б.И., 1987). Измерение коэффициента капиллярной фильтрации, капиллярного гидростатического давления, а также расчёт пре- и посткапиллярного сопротивлений (Ра и Рv) осуществляли по методикам, описанным ранее (Интеграция…, 1984).

Модуляцию параметров дыхания создавали посредством изменения дыхательного объёма за цикл (V) или частоты (f) искусственной вентиляции лёгкого в 1.5; 2 и 3 раза (исходный уровень искусственной вентиляции лёгкого (V) составлял 1910 ± 23 мл • мин ^-1). Показатели обменной (CFC, Pс), резистивной (R, Rа, Rv) функций лёгкого, газового состава выдыхаемого воздуха (рО₂, рСО₂), напряжение газов и кислотно-щелочного состояния артериальной и венозной крови (рН, рСО₂, рО₂), интратрахеальное давление измеряли до воздействия и на 5 - 10 минутах после изменения режима искусственной вентиляции лёгких.

Исследование влияния амплитуды дыхательного цикла на волновые характеристики артериального и венозного кровотоков, а так же влияния прессорных стимулов на амплитудно-частотные характеристики гемодинамических параметров большого и малого кругов кровообращения проводили на специально разработанной многоцелевой универсальной экспериментальной установке. Созданная установка позволяла проводить многофакторный анализ характера взаимосвязи исследуемых показателей и осуществлять гибкую адаптацию своей структуры под конкретную задачу эксперимента. Исследования этой части работы выполнены на 80 кошках массой 4.0-5.0 кг под нембуталовым наркозом в условиях острых опытов при искусственной вентиляции лёгких и вскрытой грудной клетке, а в ряде опытов - при естественном дыхании животных. Искусственная вентиляция лёгких осуществлялась аппаратом «Фаза-9» при этом частота дыхания составляла 12 циклов/мин, а дыхательный объём - 70 см³. Отсутствие сдвигов газового состава крови контролировали при помощи газоанализатора ABL-50, «Radiometer», Дания. Температуру тела животного поддерживали на уровне 37.8-38.4 єС путём подогрева операционного столика. Для предотвращения тромбообразования в сердечно-сосудистой системе животным в левую бедренную вену вводили гепарин в (1000 ЕД/кг).

При изучения влияния амплитуды дыхательного цикла на артериальный и венозный кровоток у кошек при естественном дыхании создавали дополнительное сопротивление вдоху в течение 2-х мин (Bjurstedt H., Rosenhamer G. et al., 1980). Вдох осуществлялся через соединительную трубку из резервуара ёмкостью 20 л, в котором вакуумным насосом снижали давление воздуха, измеряемое манотронным датчиком, на -16.5 ± 0.5 мм рт. ст. Выдох происходил через клапан в атмосферу без увеличения сопротивления. Создаваемое у животных в результате такого дыхания отрицательное внутригрудное давление оценивали по величине давления в грудной части пищевода с помощью силиконового зонда диаметром 5 мм и длиной 15 см, соединённого с датчиком Statham P23XL, США. Оно возрастало только в течение вдоха и возвращалось к исходному значению во время выдоха. Кровоток в сонной артерии регистрировали манжеточным датчиком ультразвукового расходомера Т-106 «Transonic» (США), а кровоток в брюшной или восходящей аорте (сердечный выброс) регистрировали манжеточным датчиком электромагнитного расходомера MVF-2100 «Nihоn Kohdеn» (Япония). В этих опытах грудная клетка у животных не вскрывалась, а измерение венозного кровотока осуществляли в брюшной части каудальной полой вены с помощью манжеточного датчика ультразвукового расходомера T-106 «Transonic», США. После расположения датчика на вене брюшную полость герметически зашивали послойно.

Для выяснения степени влияния амплитуды дыхательного цикла (глубины дыхания) на артериальный и венозный кровоток у человека в специальной серии опытов были проведены наблюдения на 6 молодых людях-добровольцах, у которых в вертикальном положении измеряли кровоток в левой сонной артерии и в левой бедренной вене с помощью линейного датчика (5 МГц) ультразвукового датчика сонографа «Philips» (Голландия). Испытуемым предлагали произвести 9 глубоких медленных вдохов и выдохов в течение 40 с. Сдвиги артериального и венозного кровотоков записывали на видеокассету с последующей визуализацией на эхокардиографе, компьютерным анализом и статистической обработкой измеряемых величин.

Изучение характера влияния прессорных стимулов на волновые характеристики гемодинамических параметров большого и малого кругов кровообращения проводили у животных при вскрытой грудной клетке (путём удаления грудины) и в условиях искусственной вентиляции лёгких. Одновременно осуществляли многопараметрическую регистрацию показателей системы низкого и высокого давлений, а так же ряда параметров кардиогемодинамики.

Сердечный выброс у кошек определяли в восходящей аорте манжеточным датчиком ультразвукового расходомера Т-106, «Transonic», США. Артериальное давление измеряли в левой бедренной артерии датчиком ПДП-400. Частоту сердечных сокращений измеряли специально сконструированным тахометром по интервалу между зубцами R-R электрокардиограммы, регистрируемой во втором стандартном отведении.

Суммарный венозный возврат крови к сердцу рассчитывали на компьютере по сумме величин кровотоков в передней и задней полых венах, измеряемым манжеточными датчиками двухканального ультразвукового расходомера T-206, «Transonic», США. Давление в предсердиях измеряли датчиками давления Baxter, США с помощью гибких катетеров, проведённых в полости предсердий через их ушки. Давление в лёгочной артерии определяли датчиком ПДП-400 с помощью мягко-эластичного катетера диаметром 2 мм и длиной 20 см, который проводили в лёгочную артерию через ушко правого предсердия, минуя последовательно трикуспидальный и полулунный клапаны сердца. У животных регистрировали систолическое и диастолическое артериальное давление и давление в лёгочной артерии, а так же в предсердиях. Кровоток в лёгочной артерии измеряли манжеточным датчиком электромагнитного расходомера MFV-2100, «Nihon Kohden», Япония. Лёгочное сосудистое сопротивление рассчитывали по формуле Пуазейля, используются величины среднего давления в лёгочной артерии и левом предсердии, которые рассчитывали с помощью компьютера как среднее арифметическое систолического и диастолического давлений.

В соответствии с поставленными задачами у животных внутривенно применяли ряд прессорных - адреналин (2.5 - 5.0 мкг/кг), норадреналин (2.5 -5.0 мкг/кг) вазоактивных веществ, которые вызывали примерно одинаковые по величине (на 50-60%) сдвиги артериального давления.

Исследуемые показатели артериального давления, кровотоков в полых венах, давления и кровотока в лёгочной артерии, сердечного выброса, давления в предсердиях регистрировали на быстродействующем чернилопишущем приборе Н-338-8П (или Н-327/5). При помощи платы аналого-цифрового преобразования L-Сard L-783 (Россия) осуществлялась также запись этих сигналов на жёсткий диск компьютера с последующим анализом программой АСТ (Россия). Статистическую обработку экспериментальных данных проводили на IBM PC Pentium с использованием пакета оригинальных и стандартных (Axum 5.0, Math Soft Inc.) программ, t-критерия Стьюдента.

результаты работы и их обсуждение

Функции сосудов скелетных мышц задней конечности при амплитудно-частотной модуляции волновых характеристик перфузионного кровотока в режиме стабилизации его средней величины.

В физиологической литературе отсутствуют данные, рассматривающие совместное влияние двух волновых характеристик пульсирующего кровотока на функции органных сосудов, тем более одновременно, в единых методических условиях, на их резистивную, ёмкостную и обменную функции. Изучение влияния амплитуды и частоты пульсаций на сопряжённые функции сосудов являлось одной из задач проводимого исследования.

При переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии в проведённых экспериментах при вариациях амплитуды (А) и частоты (f) перфузионного кровотока отмечали, три типа изменений суммарного сосудистого сопротивления (R): увеличение (в большинстве случаев - 44%), уменьшение, либо отсутствие изменений, причём при определённых сочетаниях амплитуды и частоты пульсаций сдвиги этого показателя были достоверными. Результаты статистической обработки изменений суммарного сопротивления показали, что величина и направленность его сдвигов зависят от значений волновых характеристик кровотока: амплитуды и частоты, причём максимум зарегистрированных изменений, равный 4.3 1.9% (p<0.05), наблюдали при f=90, A=0.5; минимум, равный -5.5 2.3 (p<0.05) - при f=90, A=1.5 (табл. 1). Зарегистрированное увеличение суммарного сопротивления согласуется с данными литературы (Mellander S., Arvidsson S., 1974), где увеличение суммарного сопротивления скелетной мускулатуры составило 6.0 0.5%. Достоверного уменьшения суммарного сопротивления в цитированной работе не наблюдали, что объясняется, по-видимому, тем, что работа Мелландера и Арвидсона была проведена без учета влияния вариаций амплитуды и частоты пульсаций на исследуемое сосудистое русло.

Таблица 1. Сдвиги суммарного сопротивления сосудов скелетной мышцы при изменении амплитуды и частоты пульсирующего крово тока.

Обозначения: A - амплитуда пульсаций (в частях по отношению к исходной величине, измеренной в бедренной артерии до начала эксперимента); f -частота пульсаций (ударов/мин); ^* - p < 0.05; величины сдвигов даны в про- центах по отношению к значениям, полученным при непульсирующем кровотоке.

При изменении амплитуды и частоты пульсаций увеличение пре-капиллярного сопротивления (Ra) отмечено в 44.5% случаев, уменьшение - в 53.8%. Результаты статистической обработки показали, что достоверные сдвиги Ra были направлены только в сторону уменьшения (-6.4 2.3% (p<0.05) при f=90, A=1.5). При увеличении амплитуды пульсаций и уменьшении частоты наблюдалась тенденция к увеличению отрицательных сдвигов прекапиллярного сопротивления.

Изменения посткапиллярного сопротивления (Rv) при амплитудно-частотной модуляции перфузионного кровотока были направлены, в основном, в сторону увеличения (71.8% случаев). Максимум сдвигов, равный 19.1 5.7% (p<0.02) наблюдали при f=90, A=1. Достоверных сдвигов в сторону уменьшения посткапиллярного сопротивления, в отличие от изменений суммарного и прекапиллярного, зарегистрировано не было.

Сравнительная характеристика исследуемых сопротивлений R, Ra, Rv в диапазоне своих максимальных изменений в ответ на появление пульсаций представлена на рис. 1 (зависимость от f при A=0.5). Поскольку изменения Rv наиболее выражены (по сравнению с R и Ra) и, учитывая, что его изменения практически напрямую передаются на капиллярное гидростатическое давление (Интеграция…, 1984), можно полагать высокую степень влияния пульсаций на обменную функцию сосудов.

Рис. 1. Сравнительная характеристика изменений суммарного, пре- и постка- пиллярного сопротивлений сосудов скелетной мышцы частоты пульсирующего кровотока при фиксированной амплитуде.

Обозначения: по оси ординат - изменения сопротивлений в процентах; по оси абсцисс - изменения частоты пульсаций; R - суммарное сопротивление (белые столбики), Ra - прекапиллярное сопротивление (столбики с правой штриховкой), Rv - посткапиллярное сопротивление (столбики с левой штриховкой). f - частота пульсаций (ударов/минуту), А - амплитуда пульсаций в частях по отношению к исходной величине, измеренной в бедренной артерии до начала эксперимента.

Сопоставляя изменения сопротивлений различных последовательно расположенных участков сосудистого русла скелетной мышцы, можно отметить, что увеличение посткапиллярного сопротивления на 18.9 3.0% (p<0.01) при f=90, A=0.5 сопровождалось ростом суммарного сопротивления на 4.3 1.9% (p<0.05) без достоверных сдвигов прекапиллярного; а уменьшение прекапиллярного при f=90, A=1.5 на -5.5 2.3% (p<0.05) сопровождалось почти таким же снижением суммарного на -4.6 2.1% (p<0.05) на фоне отсутствия достоверных сдвигов посткапиллярного сопротивления.

Минимумы и максимумы изменений исследуемых сопротивлений варьировали от опыта к опыту, как по величине, так и по тем значениям амплитуд и частот, при которых они возникали, что свидетельствует об индивидуальных особенностях сосудистого русла исследуемых животных. Различались и координаты экстремумов суммарного, пре- и посткапиллярного сопротивлений, как в каждом отдельном опыте, так и от опыта к опыту. В используемом амплитудно-частотном диапазоне изменений волновых характеристик кровотока полученные данные позволили выявить экстремумы в сдвигах исследуемых сосудистых сопротивлений, существование которых ассоциируется со свойствами резонанса данных переменных.

Существенным фактором, определяющим величину и направленность достоверных изменений R, Ra и Rv, являлись значения амплитуды и частоты пульсирующего кровотока: только при определённых сочетаниях этих волновых характеристик наблюдали достоверные сдвиги исследуемых сосудистых сопротивлений. Полученные данные позволяют предположить существование волнового контура управления данными гемодинамическими показателями, в котором управление реализуется посредством изменения пульсовых характеристик кровотока. Анализ свойств пре- и посткапиллярного сопротивлений, вызванных изменениями волновых характеристик перфузионного кровотока, позволил расшифровать их вклад в сдвиги суммарного сопротивления, возникающими при переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии. Достоверное увеличение посткапиллярного сопротивления сопровождалось и ростом суммарного сопротивления в том же амплитудно-частотном диапазоне, а уменьшение прекапиллярного - снижением суммарного, то есть сдвиги посткапиллярного сопротивления коррелировали с ростом суммарного сопротивления, а сдвиги прекапиллярного - с его снижением.

При модуляции амплитуды и частоты пульсаций сдвиги ёмкостной функции сосудов скелетной мышцы, в условиях стабилизированного перфузионного кровотока, оценивали по изменениям венозного оттока (ВО), которые происходили как в сторону увеличения (46.5% случаев), так и в сторону уменьшения (47.5%). В большей степени уменьшение венозного оттока наблюдали при малых амплитудах пульсаций (A=0.25, A=0.5), увеличение - при больших амплитудах (A=1, A=1,5). Результаты статистической обработки показали, что наибольшее уменьшение ёмкостной функции сосудов, равное -0.14 0.06 мл/(мин·100г ткани) (р<0.05), наблюдали при f=90, A=0.5, а максимум увеличения, равный 0.21 0.14 мл/(мин·100 г ткани), - при f=90, A=1.5; то есть существенным фактором, определяющим величину и направленность сдвигов этого показателя, являлась амплитуда пульсаций, частота же практически не влияла на характер изменения этой функции.

Помимо непосредственного влияния пульсовых колебаний кровотока на ёмкостную функцию венозных сосудов можно полагать, что сдвиги венозного оттока (в том числе и их разнонаправленность) могут происходить и вследствие нарушения фильтрационно-абсорбционного равновесия исследуемого региона, вызываемых изменением волновых характеристик пульсаций. Разнонаправленность сдвигов этого равновесия в сторону фильтрации или абсорбции может приводить к снижению или увеличению венозного оттока, а, следовательно, и трактоваться как возрастание или уменьшение ёмкостной функции соответственно. О справедливости такого предположения свидетельствуют вызываемые пульсациями изменения посткапиллярного сопротивления, сдвиги которого изменяют и капиллярное давление.

В проведенных экспериментах среди исследуемых гемодинамических параметров наиболее выраженные сдвиги в ответ на действие пульсаций были отмечены у показателей, характеризующих обменную функцию. При переходе к пульсирующей перфузии изменения среднего капиллярного гидростатического давления (Рс) были направлены в основном в сторону увеличения (69.8%). Результаты статистической обработки экспериментальных данных показывают, что максимум сдвигов Рс, равный 11.1 ± 3.8% (p<0.02) был зарегистрирован при f=134, A=1, отрицательные же значения статистик Рс выявлены не были. Наибольшие сдвиги Рс регистрировали в средней части диапазонов изменения амплитуд и частот. Изменения капиллярного гидростатического давления, представленные в виде 3-х мерной гистограммы (поверхности отклика) на рис. 2, отчётливо демонстрируют присутствие выраженного максимума (резонанса) в его амплитудно-частотной характеристике. Помимо собственных механизмов на капиллярном уровне, реагирующих на пульсовые колебания кровотока (Каро К. и др., 1984; Лазерная…, 2005; Hochman J. S., 2003), в проведённых экспериментах увеличение Рс могло быть взаимосвязано с ростом посткапиллярного сопротивления, вызванного влиянием пульсаций.

Увеличение коэффициента капиллярной фильтрации при пульсирующем режиме перфузии (по сравнению с непульсирующим), в ответ на изменение волновых характеристик кровотока наблюдали в 58.8% случаев, уменьшение - в 37.3%. Наиболее часто увеличение коэффициента капиллярной фильтрации наблюдали в среднем диапазоне изменений амплитуды и частоты пульсаций. Результаты статистической обработки сдвигов CFC в зависимости от амплитуды и частоты пульсаций показали, что изменения CFC были разнонаправлены: максимум сдвигов, ассоциирующийся с резонансом, равный 48 ± 17% (p<0.02) наблюдали при входных воздействиях f=90, A=0.5; минимум, равный -12.8 ± 3.2% (p<0.02), - при f=90, A=1.5. Полученные данные показывают, что рост коэффициента капиллярной фильтрации, связанный, по-видимому, с увеличением поверхности фильтрации (Интеграция..., 1984), свидетельствует о том, что пульсирующий кровоток, обеспечивая более интенсивное транскапиллярное перемещение жидкости, способствует лучшему выполнению одной из важнейших задач системы кровообращения - её обменной функции.

Рис. 2. Зависимость изменений капиллярного гидростатического давления сосудов (Рс) скелетной мышцы (в процентах) от амплитуды и частоты пульсаций в режиме стабилизации кровотока.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют, что при переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии модуляция амплитуды и частоты кровотока (при сохранении его среднего значения), в режиме постоянного расхода, приводит к изменению параметров резистивной, ёмкостной и обменной функций сосудов скелетной мышцы. В каждом конкретном опыте наблюдали, как правило, отчетливо выраженный экстремум сдвигов этих параметров (один или несколько), который, в силу индивидуальных отличий животного, варьировал от опыта к опыту. Наличие экстремумов в координатах “амплитуда-частота” на поверхности отклика исследуемых параметров свидетельствует о существовании резонансных свойств исследуемых переменных. Результаты статистической обработки выявили наличие таких экстремумов (индивидуальных и усреднённых по всей выборке) в амплитудно-частотных характеристиках параметров сосудистых функций, а также определили диапазоны изменений амплитуд и частот пульсаций, при которых проявлялись достоверные сдвиги этих параметров. Возможность изменением амплитуды и частоты пульсаций сдвигать показатели резистивной, ёмкостной и обменной функций позволяет предположить существование волнового контура управления этими функциями и регуляторную роль волновых характеристик кровотока в обеспечении сопряжённых функций органных сосудов.

Влияние режима перфузии (постоянное давление или кровоток) на сдвиги параметров сосудистых функций скелетных мышц задней конечности при изменении амплитуды и частоты пульсаций.

Поскольку режим перфузии (постоянный расход или постоянное давление) оказывает влияние на величину и характер сосудистых реакций, было проведено исследование влияния волновых характеристик пульсирующего кровотока на резистивную и обменную функции сосудов скелетной мышцы в режиме стабилизации перфузионного давления (P=const).

В проведённой экспериментальной серии по сравнению с режимом стабилизации кровотока увеличение суммарного сосудистого сопротивления при переходе к пульсирующей перфузии происходило более часто (50,6% случаев), а уменьшение - более редко (12.7%). Наиболее часто сдвиги суммарного сопротивления сосудов наблюдали при увеличении амплитуды пульсаций (А=1 и А=1.5) во всем диапазоне частот. Максимум увеличений R равный 13.9 ± 5.9% (p<0.05) отмечали при f=60, A=1.5 и он был втрое более выражен, чем при стабилизации кровотока; достоверных же сдвигов в сторону уменьшения R зарегистрировано не было. Большая выраженность констрикторных ответов суммарного сопротивления сосудов в режиме Р=const (по сравнению с перфузией при Q= const) может быть объяснено тем, что их способность к констрикции в этом режиме усиливается (Интеграция…, 1984).

При переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии (P=const) прекапиллярное сопротивление (Ra) сосудов скелетной мышцы возрастало в 59.9%, уменьшалось в 37.2%. По сравнению с опытами со стабилизированным давлением в режиме Q=const наблюдали меньшее количество случаев возрастания Ra (44.5%) и большее количество случаев его уменьшения (53.8%). Более часто увеличение прекапиллярного сопротивления в режиме P=const происходило при f=60, A=1.5 (84% случаев) и при f=90, A=1.5 (83.3%). Наиболее выраженный прирост этого показателя в режиме P=const был отмечен при больших значениях амплитуды пульсаций (А=1, А=1.5) и на средних её частотах (f=60, f=90). Результаты статистической обработки изменений суммарного сопротивления, вызванных действием пульсаций, показали, что максимальные сдвиги Ra были при f=60, A=1.5 (13.7 ± 4.2% (p<0.01)) и близкие к ним - при f=90, A=1 (13.5 ± 5.4% (p<0.05)). Достоверных сдвигов в сторону уменьшения Ra в проведенной серии экспериментов не наблюдали, что свидетельствует о преобладании констрикторных ответов при переходе от непульсирующей к пульсирующей перфузии. Характер изменений прекапиллярного сопротивления при амплитудно-частотной модуляции перфузионного кровотока в режиме стабилизации давления качественно совпадал с изменениями суммарного регионарного сопротивления, что указывает на взаимосвязь между этими показателями.

В режиме перфузии со стабилизированным расходом при амплитудно-частотной модуляции кровотока достоверных сдвигов прекапиллярного сопротивления в сторону увеличения получено не было. Можно полагать, что слабая выраженность к констрикции прекапиллярных сосудов в этом случае обусловлена указанным режимом перфузии. Достоверное уменьшение Ra, наблюдали в том же амплитудно-частотном диапазоне, в котором снижалось суммарное сопротивление сосудов, что позволило сделать вывод о том, что снижение суммарного сопротивления в режиме Q=const обусловлено уменьшением прекапиллярного сопротивления.

В проведённых экспериментах посткапиллярное сопротивление (Rv) при изменении амплитуды и частоты пульсаций в режиме стабилизации перфузионного давления могло, как увеличиваться (59.6% случаев), так и уменьшаться (40.4%). При стабилизации кровотока количество случаев увеличения Rv было больше, а уменьшения - меньше. Статистическая обработка выявила тенденцию Rv к росту - все средние изменений Ra при P=const были положительны, причем максимум (33.4 ± 17.4%) наблюдали при f=134, A=1, однако достоверных сдвигов посткапиллярного сопротивления на изменения амплитуды и частоты пульсаций отмечено не было. В режиме стабилизации кровотока были зафиксированы значения амплитуд и частот, при которых наблюдали достоверные увеличения Rv (менее выраженные, чем при стабилизации давления), достоверного же снижения Rv также не наблюдали.