References

microcirculation

Регионарное кровообращение и микроциркуляция

Regional blood circulation and microcirculation

1682-66552712-9756

Academician I.P. Pavlov First St. Petersburg State Medical University

10.24884/1682-6655-2017-16-2-90-100

microcirculation-118

Research Article

ЛЕКЦИИ

LECTURES

Микроциркуляция и гемореология: точки взаимодействия

Microcirculation and Hemorheology: points of interaction

Муравьев

А. В.

Muravyov

A. V.

alexei.47@mail.ru

Михайлов

П. В.

Mikhailov

P. V.

mikhaylovpavel@pochta.ru

Тихомирова

И. А.

Tikhomirova

I. A.

i.tikhomirova@yspu.org

Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. УшинскогоРоссияState pedagogical university after K. D. UshinskyRussian Federation

2017

30062017

16290100

2017

Муравьев А.В., Михайлов П.В., Тихомирова И.А.

Muravyov A.V., Mikhailov P.V., Tikhomirova I.A.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.microcirc.ru/jour/article/view/118

Транспорт дыхательных газов и всего спектра веществ для метаболизма клеток является скоординированной функцией крови и системы кровообращения. Поэтому цель обзора - рассмотреть основные теоретические и экспериментальные исследования по микроциркуляции и гемореологии с акцентом на механизмы их взаимосвязи, а также влияние отдельных гемореологических характеристик на эффективность микрососудистой перфузии тканей. Выполнен анализ важной роли микрореологической характеристики эритроцитов - деформируемости в регионарном кровообращении и микроциркуляции, показаны сигнальные молекулярные механизмы, ассоциированные с изменением этого параметра красных клеток крови. Приведены данные, свидетельствующие о роли эритроцитов в регуляции тонуса артериол и функциональной плотности капилляров. Обсужден механизм этой регуляции, связанный с выделением сигнальной молекулы - аденозинтрифосфата (АТФ), и его стимулирование синтеза оксида азота эндотелиальными клетками. В обзоре выполнен комплексный анализ участия основных гемореологических характеристик в регуляции микрососудистой перфузии и, в том числе, показана роль оптимальной вязкости цельной крови, вязкости плазмы и гематокрита в обеспечении эффективной тканевой перфузии и оксигенации.

Transport of respiratory gases and the entire spectrum of substances for the metabolism of cells is carried out by coordinated work of circulation and blood. The review considers the main theoretical and experimental studies on microcirculation and hemorheology with an emphasis on the mechanisms of their interrelation and on the influence of individual hemorheological characteristics on the regulation of microvascular tissue perfusion. The analysis of the leading microrheological characteristics of erythrocytes - deformability is performed, the signal molecular mechanisms associated with the change of this cell parameter are shown. Data on the role of erythrocytes in the regulation of arteriolar tonus and functional density of capillaries are given. The mechanism of this regulation by exocytosis with erythrocytes adenosine triphosphate (ATP) and its stimulation of nitric oxide synthesis by endothelial cells is discussed. The review performed a comprehensive analysis of the participation of major hemorheological characteristics in the regulation of microvascular perfusion, including the role of the optimal viscosity of whole blood and the viscosity of plasma for effective tissue perfusion and oxygenation.

гемореологиямикроциркуляцияэритроцитыдеформируемость и агрегациясигнальные молекулыАТФNOрегуляция тонуса микрососудовhemorheologymicrocirculationerythrocytesdeformabilityaggregationsignaling moleculesATPNOmicrovascular tone regulation

References1

Ивенс И., Скейлак Р. Механика и термодинамика биологических мембран. М.: Мир, 1982. 304 с.

Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. М.: Мир, 1981. 623 с.

Козлов В. И. Гистофизиология системы микроциркуляции // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2003. № 3(7). С. 79-85.

Куприянов В. В., Караганов Я. Л., Козлов В. И. Микроциркуляторное русло. М.: Медицина, 1975. 216 с.

Кузник Б. И. Клеточные и молекулярные механизмы регуляции системы гемостаза в норме и патологии. Чита: Экспресс-издательство, 2010. 832 с.

Муравьев А. В., Чепоров С. В. Гемореология (экспериментальные и клинические аспекты реологии крови). Ярославль: ЯГПУ, 2009. 178 с.

Муравьев А. В. Тихомирова И. А., Маймистова А. А. Роль микрореологических свойств эритроцитов в неньютоновском поведении цельной крови // Росс. журн. биомеханики. 2010. Т. 14. № 4(50). С. 96-104.

Муравьев А. В., Михайлова С. Г., Тихомирова И. А. Роль внутриклеточных сигнальных систем в изменениях микрореологических свойств эритроцитов // Биолог. мембраны. 2014. Т. 31. № 4. С. 270-277.

Селезнев С. А., Вашетина С. М., Мазуркевич Г. С. Комплексная оценка кровообращения в экспериментальной патологии. Л.: Медицина, 1976. 207 с.

Чернух А. М. Воспаление. М.: Медицина, 1979. 448 с.

Adderley S. P., Sprague R. S., Stephenson A. H. Regulation of cAMP by phosphodiesterases in erythrocytes // Pharmacol. Rep. 2010. Vol. 62. № 3. P. 475-482.

Anderson J. P., Morrow J. S. The interaction of calmodulin with human erythrocyte spectrin. Inhibition of protein 4.1-stimulated actin binding // J. Biol. Chem. 1987. Vol. 262 (13). P. 6365-6372.

Aoki T., Suzuki Y., Nishio K. et al. Behavior of stimulated leukocytes in the pulmonary microcirculation of perfused rat lungs // Adv. Exp. Med. Biol. 1997. № 428. P. 355-362.

Baskurt O. K. In vivo correlates of altered blood rheology // Biorheology. 2008. Vol. 45. № 6. P. 629-638.

Bevan J., Halpern W., Mulvany M., editors. The Resistance Vasculature. Totowa, N. J.: Humana Press, 1991. Р. 476.

Boivin P. Molecular interactions of membrane proteins and erythrocyte deformability // Pathol. Biol. 1984. Vol. 32. P. 717-735.

Bor-Kucukatay M., Wenby B., Meiselman H. J., Baskurt O. K. Effects of nitric oxide on red blood cell deformability // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2003. Vol. 284. № 5. P. 1577-1584.

Chasis J. A., Mohandas N. Erythrocyte membrane deformability and stability: two distinct membrane properties that are independently regulated by skeletal protein associations // J. Cell. Biol. 1986. Vol. 103. P. 343-350.

Chien S., Lang L. A. Physicochemical basis and clinical implications of red cell aggregation // Clin. Hemorhelogy. 1987. Vol. 7. P. 71-91.

Chien S., Sung L.P. Molecular basis of red cell membrane rheology. Part 1 // Biorheology. 1990. Vol. 27. P. 327-344.

Cicco G., Cicco S. Hemorheological aspects in the microvasculature of several pathologies // Adv. Exp. Med. Biol. 2007. Vol. 599. P. 7-15.

Cokelet G. B., Meiselman H. J. Rheological comparison of hemoglobin Solutions and erythrocyte suspensions // Science. 1968. Vol. 162. P. 275-277.

Cook N. S., Ubben D. Fibrinogen as a major risk factor in cardiovascular diseases // Trends Pharmacol. Sci. 1990. № 11. P. 444-451.

Dintenfass L. Theoretical aspects and clinical applications of the blood viscosity equation containing a term for the internal viscosity of the red cell // Blood Cells. 1977. Vol. 3. P. 367-374.

Golias C., Tsoutsi E., Matziridis A. et al. Review. Leukocyte and endothelial cell adhesion molecules in inflammation focusing on inflammatory heart disease // In Vivo. 2007. № 21 (5). Р. 757-769.

Govekar R. B., Zingde S. M. Protein kinase C isoforms in human erythrocytes // Ann Hematol. 2001. Vol. 80. P. 531-534.

Ellis C. G., Milkovich S., Goldman D. What is the efficiency of ATP signaling from erythrocytes to regulate distribution of O(2) supply within the microvasculature? // Microcirculation. 2012. Vol. 19. P. 440-450.

Fuller G., Shields D. Molecular Basis of Medical Cell Biology, Appleton & Lange, Stamford, Connecticut, 2000. 272 p.

Fung Y. C., Zweifach B. W. Microcirculation: Mechanics ofbloodflow in capillaries // Annu Rev. Fluid Mech. 1971. № 3. Р. 189-210.

Hamlin S. K., Benedik P. S. Basic concepts of hemorheology in microvascular hemodynamic // Crit. Care Nurs. Clin. North Am. 2014. Vol. 26. № 3. P. 337-344.

Kass D. A., Champion H. C., Beavo J. A. Phosphodiesterase type 5: expanding roles in cardiovascular regulation // Circ Res. 2007. Vol. 101. P. 1084-1095.

Kaul D. K., Fabry M. E. In vivo studies of sickle red blood cells // Microcirculation. 2004. Vol. 11. P. 153-165.

Kesmarky G., Kenyeres P., Rabai M., Toth K. Plasma viscosity: a forgotten variable // Clin. Hemorheol. Microcirc. 2008. Vol. 39. P. 243-246.

Kleinbongard P., Schulz R., Rassaf T. et al. Red blood cells express a functional endothelial nitric oxide syntheses // Blood. 2006. Vol. 107. P. 2943-2951.

Koller A. Kaley G. Endothelial regulation of wall shear stress and blood flow in skeletal muscle microcirculation // Am. J. Physiol. 1991. Vol. 260. P. 862-868.

Kon K., Maeda N., Shiga T. Erythrocyte deformation in shear flow: influences of internal viscosity, membrane stiffness, and hematocrit // Blood. 1987. Vol. 69. P. 727-734.

Kuebler W. M., Kuhnle G. E., Groh J., Goetz A. E. Leukocyte kinetics in pulmonary microcirculation: intravital fluorescence microscopic study // J. Appl. Physiol. 1994. Vol. 76. Р. 65-71.

Kuhnle G. E., Kuebler W. M., Groh J., Goetz A. E. Effect of bloodflow on the leukocyte-endothelium interaction in pulmonary microvessel // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 1995. № 152 (4 Pt 1). Р. 1221-1228.

Lowe G. D. Blood rheology in vitro and in vivo // Baillieres Clin. Haematol. 1987. Vol. 1. № 3. P. 597-636.

Liu S.C., Palek J. Spectrin tetramer-dimer equilibrium and the stability of erythrocyte membrane skeletons // Nature (Lond). 1980. Vol. с285. P. 586-588.

Manno S., Takakuwa Y., Mohandas N. Modulation of erythrocyte membrane mechanical function by protein 4.1 phosphorylation // J. Biol. Chem. 2005. Vol. 280. P. 7581-7587.

Martini J. B., Carpentier A., Negrete Ch. Beneficial effects due to increasing blood and plasma viscosity // Clin. Hemorheol. Microcirc. 2006. Vol. 35. № 1-2. P. 51-57.

Menger M. D., Kerger H., Geisweid A. et al. Leukocyte-endothelium interaction in the microvasculature of postischemic striated muscle // Adv. Exp. Med. Biol. 1994. Vol. 361. P. 541-545.

Houslay M. D., Kolch W. Cell-Type Specific Integration of Cross-Talk between Extracellular Signal-Regulated Kinase and cAMP Signaling // Mol. Pharm. 2000. Vol. 58. Is. 4. P. 659-668.

Minetti G., Ciana A., Balduini C. Differential sorting of tyrosine kinases andphosphotyrosine phosphatases acting on band 3 during vesiculation of human erythrocytes // Biochem. J. 2004. Vol. 377 (Pt 2). P. 489-497.

Michel C. C., Curry F. E. Microvascular permeability // Physiol. Rev. 1999. № 79. Р. 703-761.

Mohandas N. Molecular bases for red cell membrane viscoelastic properties // Biochim. Soc. Trans. 1992. Vol. 20. P. 776-782.

Mohandas N., Chasis J. A. Red blood cell deformability, membrane material properties and shape: regulation by transmembrane, skeletal and cytosolic proteins and lipids // Semin Hematol. 1993. Vol. 30. P. 171-192.

Mohandas N., Gallagher P. G. Red cell membrane: past, present, and future // Blood. 2008. Vol. 112. № 10. P. 3939-3944.

Mortensen S. P., Saltin B. Regulation of the skeletal muscle blood flow in humans // Exp. Physiol. 2014. Vol. 99. P. 1552-1558.

Muravyov A. V., Tikhomirova I. A. Role of molecular signaling pathways in changes ofred blood cell deformability // Clin. Hemorheol. Microcirc. 2013. Vol. 53. P. 45-59.

Muravyov A. V., Tikhomirova I. A. Signaling pathways regulating red blood cell aggregation // Biorheology. 2014. Vol. 51. P. 135-145.

Neu B., Sowemimo-Coker S. O., Meiselman H. J. Cellcell affinity of senescent human erythrocytes // Biophys J. 2003. Vol. 85. Р. 75-84.

Nunomura W., Takakuwa Y. Regulation of protein 4.1R interactions with membrane proteins by Ca2+ and calmodulin // Front Biosci. 2006. Vol. 1. № 11. P. 1522-1539.

Pasini E. M., Kirkegaard M., Salerno D. et al. Deep coverage mouse red blood cell proteome. A first comparison with the human red blood cell // Molecular & Cellular Proteomics. 2008. Vol. 7. P. 1317-1330.

Pfafferott C., Nash G. B., Meiselman H. J. Red blood cell deformation in shear flow. Effects of internal and external phase viscosity and of in vivo aging // Biophys J. 1985. Vol. 47. P. 695-704.

Popel A. S., Johnson P. C. Microcirculation and Hemorheology // Annu Rev. Fluid Mech. 2005. Vol. 37. Р. 43-69.

Salazar Vazquez B. Y., Martini J., Negrete C. A. Microvascular benefits of increasing plasma viscosity and maintaining blood viscosity: counterintuitive experimental findings // Biorheology. 2009. Vol. 46. № 3. P. 167-179.

Salazar Vazquez B. Y., Cabrales P., Tsai A. G., Intaglietta M. Nonlinear cardiovascular regulation consequent to changes in blood viscosity // Clin. Hemorheol. Microcirc. 2011. Vol. 49. P. 29-36.

Schmid-Schonbein G. W., Granger D., editors. Molecular Basis of Microcirculatory Disorders. Springer France Editions. 2003. 640 p.

Secomb T. W. Mechanics of red blood cells and blood flow in narrow tubes // Pozrikidis C., editor. Modeling and Simulation of Capsules and Biological Cells. Boca Raton: Chapman & Hall/CRC. 2003. P. 163-196.

Sheetz M. P. Membrane skeletal dynamics: role in modulation of red cell deformability, mobility of transmembrane proteins, and shape // Semin Hematol. 1983. Vol. 20 (3). P. 175-188.

Simchon S., Jan K. M., Chien S. Influence of reduced red cell deformability on regional bloodflow // Am. J. Physiol. 1987. Vol. 253 (4 Pt 2). Р. 898-903.

Simmonds M. J., Detterich J. A., Connes P. Nitric oxide, vasodilation and the red blood cell // Biorheology. 2014. Vol. 51. № 2-3. P. 121-134.

Skalak R., Ozkaya N., Skalak T. C. Biofluid Mechanics // Annu Rev. Fluid Mech. 1989. Vol. 21. P. 167-204.

Sprague R. S., Ellsworth M. L. Erythrocyte-derived ATP and perfusion distribution: role of intracellular and intercellular communication // Microcirculation. 2012. Vol. 19. № 5. P. 430-439.

Sridharan M., Bowles E. A., Richards J. P. Prostacyclin receptor-mediated ATP release from erythrocytes requires the voltage-dependent anion channel // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2012. Vol. 302. № 3. P. 553-559.

Sriram K., Salazar Vazquez B. Y., Tsai A. G. et al. Autoregulation and mechanotransduction control the arteriolar response to small changes in hematocrit // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2012. Vol. 303 (9). Р. 1096-1106.

Stoltz J. F., Donner M. Red blood cell aggregation: measurements and clinical applications // Turkish. J. Med. Sci. 1991. Vol. 15. P. 26-39.

Stromqvist M., Backman L., Shanbhag V. P. Effect of spectrin dimer on actin polymerization // FEBS Lett. 1985. Vol. 190. Р. 15-20.

Takakuwa Y., Mohandas N., Ishibashi T. Regulation of red cell membrane deformability and stability by skeletal protein network // Biorheology. 1990. Vol. 27 (3-4). P. 357-365.

Takakuwa Y. Regulation of red cell membrane protein interactions: implications for red cell function // Curr. Opin. Hematol. 2001. Vol. 8. P 80-84.

Tran-Son-Tay R., Kan H. C., Udaykumar H. S. et al. Rheological modelling of leukocytes // Med. Biol. Eng. Comput. 1998. Vol. 36. P. 246-250.

Tsai A. G. Acero C., Nance P R. Elevated plasma viscosity in extreme hemodilution increases perivascular nitric oxide concentration and microvascular perfusion // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2005. Vol. 288. № 4. P. 1730-1739.

Ulker P., Sati L., Celik-Ozenci C. et al. Mechanical stimulation of nitric oxide synthesizing mechanisms in erythrocytes // Biorheology. 2009. Vol. 46. P. 121-132.

Unal C., Sen C., Iscen D., Dalcik H. In vivo observation of leukocyte-endothelium interaction in ischemia reperfusion injury with the dorsal window chamber and the effects of pentoxifylline on reperfusion injury // J. Surg Res. 2007. Vol. 138. P. 259-266.

Villela N. R., Salazar Vazquez B. Y., Intaglietta M. Microcirculatory effects of intravenous fluids in critical illness: plasma expansion beyond crystalloids and colloids // Curr. Opin. Anaesthesiol. 2009. Vol. 22. № 2. P. 163-167.

Wang L., Olivecrona G., Gotberg M. ADP acting on P2Y13 receptors is a negative feedback pathway for ATP release from human red blood cells // Circ. Res. 2005. Vol. 96. P. 189-196.

Zail S. Clinical disorders of the red cell membrane skeleton // Crit. Rev. Oncol. Hematol. 1986. Vol. 5. P. 397-453.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.