Влияние концентрации кислорода на местную регуляцию кровотока напряжением сдвига

Введение и цель исследования. Важная роль в местной регуляции сосудистого тонуса принадлежит регуляции механическими стимулами - трансмуральным давлением (реакция Остроумова-Бейлисса) и напряжением сдвига на стенке сосуда (реакция на изменение скорости течения). Цель работы состояла в исследовании влияния гипоксии на регуляцию сосудистого радиуса и кровотока реакцией на изменение скорости течения. Материал и методы исследования. Использовался метод математического моделирования. Модель базируется на опубликованных данных экспериментов на мозговых сосудах крыс. Основные предположения: 1) сосуд тонкостенный, имеет цилиндрическую форму; 2) диаметр сосуда регулируется концентрацией свободных ионов кальция в гладкомышечных клетках и концентрацией оксида азота (NO) в гладкомышечном слое; 3) скорость производства NO эндотелием пропорциональна модулю напряжения сдвига. Для определения кажущейся вязкости крови используется решение задачи о двухслойном течении. Численные эксперименты проводились в среде Turbo Pascal. Результаты исследования и их обсуждение. Зависимость регуляции сосудистого тонуса реакцией на изменение напряжения сдвига от напряжения кислорода (Po₂) обусловлена тем, что и синтез оксида азота в эндотелии, и его поглощение зависят от концентрации кислорода. Как показали оценки, сделанные на основе предложенной модели, гипоксия приводит к ослаблению регуляции напряжением сдвига, причем с увеличением вклада реакции на сдвиг в регуляцию этот эффект возрастает. При характерной для мозговых сосудов величине рассматриваемой реакции уменьшение Po₂ от 100 % до 30 % приводит к сужению диаметра на 6 %, снижение скорости кровотока при этом составляет 11 %. Реологические факторы препятствуют снижению скорости кровотока при гипоксии, однако различие этого показателя, вычисленного с учетом и без учета реологических свойств крови, составляет не более 3 % даже при Po₂=20 %. Падение Po₂ приводит к снижению скорости производства оксида азота эндотелием и концентрации NO в стенке сосуда. При сильной гипоксии (снижении Po₂ от 100 до 30 % и ниже) уменьшение концентрации оксида азота, попадающего в гладкомышечный слой, составляет более 15 %. Выводы. Следствием гипоксии является ослабление NO-зависимой реакции сосуда на изменение напряжения сдвига. Эффект усиливается с ростом величины реакции на изменение напряжения сдвига. Реологические факторы препятствуют снижению роли реакции на сдвиговое воздействие.

напряжение кислорода, сосудистая реакция, реакция на изменение напряжения сдвига, оксид азота, регуляция кровотока, oxygen tension, vascular response, response to altered shear stress, nitric oxide, blood flow regulation

1. Левтов В. А., Регирер С. А., Шадрина Н. X. Реология крови. М.: Медицина, 1982. 272 с.

2. Соколова И. А. Агрегация эритроцитов // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2010. Т. 9. № 4. С. 4-26.

3. Шадрина Н. X. О количественной оценке реакции резистивного сосуда на изменения напряжения сдвига // Российский журнал биомеханики. 2014. Т. 18. № 3. С. 284-293.

4. Arthurs K. M., Moore L. C., Peskin C. S. et al. Modeling arteriolar flow and mass transport using the immersed boundary method // J. Comput. Phys. 1998. Vol. 147. № 2. P. 402-440.

5. Buerk D. G. Can we model nitric oxide biotransport? A survey of mathematical models for a simple diatomic molecule with surprisingly complex biological activities // Annu. Rev. Biomed. Eng. 2001. Vol. 3. P. 109-143.

6. Carlson B. E., Beard D. A. Mechanical control of cation channels in the myogenic response // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2011. Vol. 301. № 2. P. H331-H343.

7. Faraci F. M. Role of endothelium-derived relaxing factor in cerebral circulation: large arteries vs. microcirculation // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 1991. Vol. 261. № 4. P. H1038-H1042.

8. Faraci F. M., Heistad D. D. Regulation of the cerebral circulation: role of endothelium and potassium channels // Physiol. Rev. 1998. Vol. 78. № 1. P. 53-97.

9. Hickok J. R., Vasudevan D., Jablonski K., Thomas D. D. Oxygen dependence of nitric oxide-mediated signaling // Redox Biology. 2013. Vol. 14. № 1. P. 203-209. doi:10.1016/j.redox.2012.11.002. eCollection 2013.

10. Kajita Y., Takayasu M., Suzuki Y. et al. Regional differences in cerebral vasomotor control by nitric oxide // Brain Res. Bull. 1995. Vol. 38. № 4. P. 365-369.

11. Kavdia M., Popel A. S. Wall shear stress differentially affects NO level in arterioles for volume expanders and Hb-based O2 carriers // Microvasc. Res. 2003. Vol. 66. № 1. P. 49-58.

12. Kimura M., Dietrich H. H., Dacey R. G. Nitric oxide regulates cerebral arteriolar tone in rats // Stroke. 1994. Vol. 25. № 11. P. 2227-2233.

13. Knot H. J., Nelson M. T. Regulation of arterial diameter and wall [Ca2+] in cerebral arteries of rat by membrane potential and intravascular pressure // J. Physiology. 1998. Vol. 508. № 1. P. 199-209.

14. Pries A. R., Neuhaus D., Gaehtgens P. Blood viscosity in tube flow: dependence on diameter and hematocrit // Am. J. Physiol. 1992. Vol. 263. № 6. P. H1770-H1778.

15. Sharan M., Popel A. S. A two-phase modelfor flow of blood in narrow tubes with increased effective viscosity near the wall // Biorheology. 2001. Vol. 38. P. 415-428.