Olof Nylander Inst. för neurovetenskap Enheten för fysiologi Uppsala universitet HT-11

Transkript

1 Olof Nylander Inst. för neurovetenskap Enheten för fysiologi Uppsala universitet HT-11 BLODKÄRLENS STRUKTUR De större blodkärlen innehåller: a) Endotelceller, b) elastiska fibrer, c) kollagena fibrer och d) glatta muskelceller. Endotelcellerna bekläder insidan av alla blodkärl. Endotelcellerna sitter så pass tätt att de förhindrar läckage av plasmaproteiner från blodet ut i vävnaden (undantag; kapillärer i levern, mjälten och benmärg). Dessutom producerar endotelcellerna olika vasoaktiva ämnen (NO, prostacyklin och endotelin). Endotelcellerna erbjuder dock inget nämnvärt mekaniskt stöd åt kärlet. Elastiska fibrer: Dessa gör att kärlet kan tänjas och återgå till dess ursprungliga form. Elastiska fibrer finns det mycket av i de elastiska artärerna, exempelvis aorta. Kollagena fibrer har som uppgift att ge mekanisk stadga åt kärlet och förhindrar att kärlet utvidgas för mycket. Glatta muskelceller gör att kärlet aktivt kan minska eller öka (passivt) kärldiametern. De glatta muskelcellernas aktivitet styrs av neurotransmittorer, hormoner och lokalt i vävnaden förekommande faktorer (ex adenosin och [K + ]). Muskulära artärer har förhållandevis många muskelcellsskikt. I arteriolerna dominerar de glatta muskelcellerna. Blodkärlens tre olika skikt 1. Tunica interna (intiman). Endotelceller + ett basalmembran. 2. Tunica media (median). Består av glatta muskelceller, elastiska fibrer samt kollagena fibrer. 3. Tunica externa (adventitia). Bindvävskapsel bestående av framför allt kollagena fibrer men även en del elastiska fibrer och glatta muskelceller. Artärer kan delas in i; a) elastiska, b) muskulära samt c) resistanskärl (arterioler). Artärer har betydligt tjockare vägg än vener och kan därför motstå höga tryck. Kapillärer består av endotelceller och ett basalmembran.

2 Vener är väsentligt mer tänjbara än artärer och kan lagra blod. De stora venerna, speciellt de i buken, har i adventitian rikligt med glatta muskelceller vilket gör att de lätt kan ändra sin styvhet. En del vener i armar och ben har klaffar. I huden finns s.k. shuntkärl och dessa är s.k. arteriovenösa anastomoser d.v.s. blodet flödar direkt från artärer via shuntkärlen till vener utan att passera kapillärer. Portådersystem. Dessa utgörs av två seriekopplade kapillärnät varav det andra erhåller blandblod d.v.s. ej syremättat blod. Artär kapillärnät I portakärl kapillärnät II ven. Portådersystem hittar vi mag-tarmkanalen och i hypothalamushypofys. De elastiska blodkärlens funktion Dessa kärl är konstruerade att tåla höga blodtryck. En annan mycket viktig egenskap är att de är just elastiska. Med elastisk menar vi att de lätt återgår till sin ursprungsform efter uttänjning. Dessa kärl bidrar till att omvandla det diskontinuerliga (stötvisa) blodflödet från hjärtat till ett någorlunda jämt men pulserade blodflöde i medelstora artärer till ett kontinuerligt icke pulserade blodflöde i arterioler. Exempel på en elastisk artär är aorta. När aortan töjs ut av slagvolymen under systole kommer en del av slagvolymen att så att säga magasineras i aortans vägg. Under diastole återgår aortan till sin ursprungsform varvid den magasinerade blodvolymen återföres cirkulationen. Om det inte vore så skulle blodvolym och tryck i våra artärer bli väsentligt lägre under diastole. Resistanskärlens funktion När blodet passerar dessa kärl (arteriolerna) sjunker artärtrycket kraftigt. Resistanskärlen utövar således ett stort motstånd mot blodflödet beroende på att kärlradien är liten (kom ihåg R 1/r 4!). Arteriolerna bestämmer den totala perifera resistansen (TPR). Om resistanskärlens radie minskar ökar den totala perifera resistansen och vice versa. Arteriolernas radie kommer således att i hög grad påverka artärtryckets storlek. Arteriolerna bestämmer det regionala blodflödet och kapillärtrycket. Om resistanskärlen i exempelvis tvärstrimmig muskulatur dilaterar (kärlradien vidgas) ökar blodflödet till denna vävnad (om blodtrycket är konstant). Dessutom kommer kapillärtrycket att stiga vilket gör att mer vätska pressas ut ur kapillären. Kapillärernas funktion Beskrivs senare. Kapacitanskärlens funktion Venerna är tunnväggiga och extremt tänjbara. I dessa kärl är trycket lågt. Ca 65 % av den totala blodvolymen finns i kroppens vener.

3 Venernas väggar är innerverade av sympatiska nervsystemet. Om dessa nerver stimuleras frisätts noradrenalin som aktiverar s.k. α-receptorer på de glatta muskelcellerna varvid venernas väggar styvnar vilket får en del av det magasinerade blodet i venerna att tillföras hjärtat. Ventonus påverkar således hjärtats fyllnad. KAPILLÄRFUNKTION Mikrocirkulationen. Utgörs av de minsta blodkärlen d.v.s. arterioler, kapillärer och venoler. Data kapillärer Det finns ca 40 miljarder kapillärer i kroppen och deras sammanlagda yta är ca 1000 m 2. Kapillärerna ser inte exakt lika ut i de olika kroppsorganen. I levern är de stora och läckiga och i CNS är de mindre och mycket täta. Flest kapillärer finns i lungorna. Kapillärer är tunnväggiga rör där själva väggen, som utgörs av endotelceller, endast är 0.5 µm tjock. En kapillärs inre diameter är 5-7 µm d.v.s. ungefär lika en röd blodkropps diameter. Längden på en kapillär är ca mm. Funktion kapillär 1. Här sker utbytet med de omgivande vävnadscellerna vad gäller syrgas, näringsämnen (glukos, aminosyror) samt metaboliska slaggprodukter (koldioxid, laktat). 2. Filtrerar och absorberar vätska och är därmed inblandad i regleringen av vätskevolymen i de extravaskulära och intravaskulära rummen Hur tar sig molekyler över kapillärväggen? Det finns i princip tre olika transportsätt: 1. Diffusion genom endotelcellernas plasmamembran 2. Diffusion och konvektion i utrymmet mellan endotelcellerna 3. Vesikeltransport genom endotelcellen Vilket sätt molekylen använder sig av beror på molekylens: 1. Fett- kontra vattenlöslighet 2. Molekylstorlek Det är brukligt att dela in substanserna i tre kategorier: 1. Fettlösliga molekyler (O 2, CO 2, alkohol, korta fettsyror) 2. Fettolösliga små molekyler (Na +, K +, Cl -, glukos, aminosyror etc.) 3. Fettolösliga stora molekyler (proteiner, typ albumin)

4 Porteorin Många forskare anser att det finns ett s.k. porsystem i kapillärerna. Enligt denna teori finns det porer av olika storlek. Miniporer finns i endotelcellernas plasmamembran. Vatten använder dessa för att komma in och ut i cellen. Sedan har vi småporer med en diameter kring 8 nm. Dessa porer, tror man, finns i utrymmet mellan endotelcellerna, i de s.k. intercellulära kanalerna. Man har estimerat att de utgör % av den totala kapillärytan. Till sist har vi storporer. Dessa har en diameter på nm och finns företrädesvis på den venösa delen av kapillären. Två alternativ: Antingen finns de i utrymmet mellan endotelcellerna eller så är det blåsor som vandrar från ena till den andra sidan av endotelcellen. Det går en storpor på småporer. Funktion hos de olika porerna Miniporer. Här sker vattentransport. Na +, K +, Cl - etc. kan inte passera p.g.a. att de är för stora. Dessa joner behöver bärarprotein eller jonkanaler för transport in och ut ur endotelcellen. Småporer. Genom dessa kan vatten, elektrolyter (Na +, Cl -, K + etc.), glukos och aminosyror passera. Stora proteiner, exempelvis albumin, kan inte passera. Av den totala vätsketransporten över kapillärmembranet sker 70-90% genom småporerna. Storporer. Här sker transporten av makromolekyler av typen albumin men även en del vätska och däri förekommande joner (10-30%). Som tidigare nämnts har kapillärer olika struktur i olika vävnader. Man delar in kapillärer i tre kategorier. 1. Kontinuerliga kapillärer 2. Fenestrerade kapillärer 3. Diskontinuerliga kapillärer Kontinuerliga kapillärer finns bl.a. i skelett-, glatt-, och hjärtmuskulatur, lungor, fettväv, bindväv och CNS. I CNS är de ovanligt täta och i princip saknas småporer. Till och med Na + och K + har problem att ta sig igenom kapillären. Dessa joner är hänvisade till transportproteiner eller jonkanaler i cellmembranet för att ta sig över denna täta barriär som kallas blod-hjärn-barriären. Glukos tar sig över kapillären via en specifik transportör likaså aminosyror. I övriga kontinuerliga kapillärer kan vatten, elektrolyter, glukos och aminosyror ta sig igenom kapillären via de s.k. småporerna.

5 Fenestrerade kapillärer finns i organ med utsöndrande eller uppsugande funktion såsom njurglomeruli, exokrina och endokrina körtlar (ex. salivkörtlar respektive sköldkörteln) samt i mag-tarmkanalen. Kapillärerna i dessa organ har s.k. fenestra, vilket betyder fönster, i cellmembranet. En fenestra ser ut som ett kärrhjul. Membranet är således perforerat av småporer. Permeabiliteten i de fenestrerade kapillärerna är väsentligt högre än i de kontinuerliga. Inte p.g.a. att porerna är större utan p.g.a. att de innehåller fler småporer per ytenhet. Den sammanlagda porarean är således betydligt större i dessa än i kontinuerliga kapillärer. Diskontinuerliga kapillärer kallas även för sinusoider och är i regel större än vanliga kapillärer. Dessa kapillärer finns framför allt i levern men även i mjälten, binjurar och benmärg. Utrymmet mellan endotelcellerna är så pass stort att stora proteinmolekyler kan passera. De diskontinuerliga kapillärerna är mycket läckiga. Transportprocesser Med vilken transportprocess tar sig molekyler över kapillärväggen? 1. Diffusion. Ficks lag för fri diffusion. Beror på koncentrationsskillnaden över kapillärväggen samt kapillärväggens tjocklek. Exempel syrgas. Syrgastrycket i kapillärblod är mycket högre än i cellen. Det kommer således att ske en nettodiffusion av syrgas från kapillärblodet till cellen. Det omvända gäller för koldioxid. Diffusion av glukos i småporerna är begränsad d.v.s. inte helt fri. Den klart viktigaste transportprocessen för syresättning och nutrition av vävnadscellerna!!!!! 2. Konvektion. Åstadkoms av antingen en hydrostatisk tryckskillnad ( P) eller osmotisk tryckskillnad ( π) över kapillärväggen. Viktig för vätskefördelningen mellan plasma och interstitium (utrymmet mellan cellerna). 3. Vesikeltransport. Makroproteiner kan transporteras över kapillärväggen via s.k. vesikeltransport. Filtrations- och absorptionsprocessen över kapillärväggen Hur högt är trycket i en kapillär? Varierar beroende på den fysiologiska situationen och kroppsläget. Trycket i fotens kapillärer är väsentligt högre vid stående än liggande ställning p.g.a. tyngdkraftens inverkan. Trycket i en vanlig kapillär i hjärthöjd (påverkas inte av kroppsställningen) är i början av kapillären (artärsidan) ca mm Hg och sjunker till ca mm Hg i kapillärens ände. Det hydrostatiska trycket i kapillären strävar till att pressa ut, d.v.s. filtrera, vätska.

6 Blodplasma innehåller ca 7% proteiner och dessa proteiner är för stora för att i någon större omfattning kunna läcka ut ur kapillären. Man säger att kapillärväggen utgör ett semipermeabelt membran. Proteinerna i blodet kommer därmed att utöva ett osmotiskt tryck på vätskan utanför kapillären och strävar att dra åt sig, absorbera, vätska. Det föreligger således två mot varandra riktade krafter; en kraft som vill pressa ut vätska (hydrostatiska kapillärtrycket) och en annan (kolloidosmotiska trycket) som vill suga upp vätska i kapillären. Med hjälp av Starlings kapillärformel kan man räkna ut vilken av ovanstående krafter som dominerar d.v.s. räkna ut om en kapillär kommer att absorbera eller filtrera vätska. FV = k (P c -P i ) (π c - π i ) FV = filtrationsvolym/tidsenhet, k = konstant, P c = kapillärtryck, P i = interstitiellt tryck, π c = kolloidosmotiskt tryck i kapillär och π i = kolloidosmotiskt tryck i interstitiet. Filtrations- och absorptionsprocessen i kapillärerna är viktig för vätskefördelningen mellan kroppens intravaskulära- och extravaskulära vätskerum och därmed viktig för regleringen av plasmavolymen. Perifer Cirkulationskontroll Med denna menas hur genomblödningen (blodflödet) i de enskilda organen eller vävnaderna regleras. Det finns två stora kontrollsystem: 1. Ett lokalt (i organet) och 2. Ett centralt (fjärrstyrt, CNS) system. Det lokala systemet. Är först och främst intresserad av det egna organets funktion och välbefinnande. Befrämjar det regionala blodflödet och därmed näringstillförseln till vävnaden. Ser till att hålla kapillärtrycket någorlunda konstant för att förhindra ödem. Målorganen är resistanskärl (små artärer och arterioler). Fysisk ansträngning är ett mycket bra exempel på när detta system är fullt aktiverat. Då behöver den arbetande muskelmassan mer syrgas. Under dylika omständigheter sker en omfördelning av blodtillförseln. Muskulaturen få väsentligt mer blod (större andel av hjärtminutvolymen) än vad den får under vilobetingelser. 2. Det centrala systemet. Tänker i första hand på kroppen som helhet. Har till uppgift att upprätthålla ett adekvat artärtryck och ett adekvat venöst återflöde samt en normal plasmavolym. Målorgan: Resistanskärl (framför allt de lite grövre arteriolerna) samt kapacitanskärl.

7 Vilotonus = Det kärltonus (grad av konstriktion) som råder vid viloaktivitet. Vilotonus bestäms huvudsakligen av den myogena tonusen (de glatta muskelcellernas inneboende egenskap att konstringera när kärlet tänjs ut) och aktiviteten i det sympatiska nervsystemets vasokonstriktorfibrer samt frisättningen av NO (som vill dilatera d.v.s. vidga kärlet). Det sympatiska nervsystemet innerverar både arterioler och små vener. Noradrenalin frisätts från nervändsluten och ger upphov till en vasokonstriktion. Vilotonusen varierar mellan de olika kroppsorganen. En vilande skelettmuskel har exempelvis hög vilotonus d.v.s. kärlen är förhållandevis konstringerade. Njurarna, som har hög aktivitet även i vila, har låg vilotous d.v.s. arteriolerna är mer dilaterade än i muskeln. Vilotonusen i kapacitanskärlen beror nästan helt på aktiviteten i sympatiska nervsystemets vasokonstriktorfibrer. Lokala system Kemisk metabolisk kontroll: Som tidigare sagt så är vilotonus i skelettmuskel hög i vila. När skelettmuskeln arbetar behöver den mer syrgas och glukos. Eftersom det är blodet som levererar syrgas och glukos till den arbetande muskeln måste blodflödet till muskeln öka. Frågan är hur detta går till? Jo, vid ökad metabolism produceras olika vasoaktiva ämnen av vävnadscellerna d.v.s. de som finns precis intill blodkärlen. Dessa får resistanskärlen att dilatera d.v.s. kärlradien ökar. Om vi antar att det drivande trycket (artärtrycket) är konstant så kommer en minskning av resistansen att öka blodflödet. Det ökade blodflödet som ses vid stegrad vävnadsmetabolism kallas för funktionell hyperemi. I hjärtat är det framför allt adenosin (ATP ADP AMP Adenosin) och hypoxi (lågt syrgastryck) som orsakar vasodilation av kranskärlen. I skelettmuskulaturen är det hög osmolalitet, en förhöjd [K + ], samt hypoxi som ger upphov till dilatation. I hjärnan är det framför allt ett högt koldioxidtryck eller ett lågt ph som dilaterar hjärnans arterioler. När vävnadsmetabolismen avtar minskar produktion av dessa vasodilatoriska ämnen varvid blodflödet återgår till viloläget. Blodkärlens endotelceller kan även de bilda vasoaktiva ämnen. Exempel på sådana är prostacyclin och NO (endothelium-derived relaxing factor). Båda dessa faktorer ger upphov till vasodilatation. Myogen kontroll: Antag att blodtrycket stiger d.v.s. det drivande trycket ökar vilket momentant leder till att blodflödet ökar om resistansen är konstant (glöm inte Q = ΔP/TPR!). Om nu organet inte har behov av ökat blodflöde kommer resistanskärlen

8 att konstringera. Detta ökar resistansen varvid blodflödet normaliseras. Mekanismen bakom detta är den s.k. myogena kontrollen. De glatta muskelcellerna, som omger arteriolerna, konstringeras spontant om kärlet tänjs ut. Den viktigaste funktion är dock inte att normalisera blodflödet utan att förhindra alltför kraftig ökning av kapillärtrycket. En kraftig ökning av kapillärtrycket kan nämligen leda till att mer vätska filtreras ut ur kapillärerna och det föreligger då risk för ödem. Centrala kontrollsystem Har till uppgift att kontrollera resistanskärlen d.v.s. justera den totala perifera resistansen (TPR) och därmed blodflödet och artärtrycket. Det centrala kontrollsystemet har även till uppgift att reglera plasmavolymen genom att mobilisera extracellulärvätska till blodbanan detta genom att påverka kapillärtrycket. Till sist men inte minst så kan detta system påverka kapacitanskärlens tonus. Ett ökat ventonus mobiliserar blod från små perifert belägna vener till hjärtat varvid det venösa återflödet till hjärtat ökar. Det centrala systemet använder framför allt det sympatiska nervsystemet för att tillgodose de akuta behoven. På lite längre sikt kommer även andra faktorer att reglera ovan beskrivna variabler. Andra blodburna substanser (hormoner) kan också påverka blodkärlens glatta muskulatur. Exempel är angiotensin II och vasopressin som båda ger upphov till vasokonstriktion. Blodtrycksreglering Trots betydande läges- och aktivitetsförändring under en normal arbetsdag bibehålls medelartärtrycket någorlunda konstant. Det finns flera system som bidrar till att hålla blodtrycket konstant men endast den supersnabba baroreceptorreflexen kommer att behandlas här. Baroreceptorreflexen Anatomi. Detta måste du känna till om anatomin för att förstå baroreceptorreflexen. Aortabågen innerveras av sensoriska nervfibrer som löper i nervus vagus (10:e kranialnerven) och har sina centrala nervändslut i medulla oblongata (förlängda märgen). Sinnesreceptorerna kallas för sinus aorticus. Arteria carotis communis delar sig i två grenar d.v.s. arteria carotis interna och externa. Bifurkationen innerveras av Herings nerv (eller sinusnerven), som är en sensorisk nerv och löper till medulla oblongata via nervus glossopharyngeus (9:e kranialnerven). Sinnesreceptorerna kallas för sinus caroticus. Sinnesreceptorerna i sinus aorticus

9 och sinus caroticus, som för övrigt är mekanoreceptorer, skickar ständigt och jämt information om blodtrycket till medulla oblongata i form av nervimpulser. Ansamlingen av neuron i medulla oblongata som reglerar hjärt- och kärlaktivitet går under benämningen kardiovaskulärt centrum. I kardiovaskulärt centrum ingår en grupp av nervceller som vill sänka (depressorarean) och en annan som vill höja blodtrycket (pressorarean). Dessutom finns här grupper av nervceller som vill sänka hjärtats slagfrekvens (kardioinhibitoriskt centrum). Från pressor och depressor arean i förlängda märgen går efferenta nerver (bulbospinala banor) till ryggmärgen och dessa synapsar med columna intermediolateralis i de olika ryggmärgssegmenten. Intermediolateralis innehåller det sympatiska nervsystemets cellkroppar och härifrån utgår således de preganglionära sympatiska neuronen. Pressorarean är alltid aktiv och skickar hela tiden nervimpulser till de sympatiska nerverna. Pressorarean stimulerar de sympatiska nervfibrerna. Depressorareans aktivitet varierar beroende på aktiviteten i de uppåtgående sensoriska nerverna (baroreceptorerna) till kardiovaskulärt centrum. Depressorarean hämmar de sympatiska nervfibrerna. Kardioinhibitoriskt centrum skickar nervimpulser till hjärtat (förmaken) via parasympatiska nervfibrer som löper i nervus vagus. Signalerna dämpar hjärtaktiviteten (minskar slagfrekvensen). Det sympatiska nervsystemets innerverar: a) Hjärtat. En stegrad aktivitet leder till ökad slagfrekvens och kontraktilitet. b) Resistanskärl. En stegrad aktivitet leder till ökat perifert motstånd och minskad genomblödning till vissa organ (bl.a. huden). c) Kapacitanskärl (speciellt de i huden och mag-tarmkanalen). En stegrad aktivitet leder till att ventonus ökar (venernas väggar styvnar) vilket i sig ökar det centrala ventycket och fyllnaden av höger kammare. d) Binjuremärgen (som frisätter adrenalin). Det parasympatiska nervsystemet innerverar: a) Hjärtat (förmak). En stegrad aktivitet leder till att hjärtats slagfrekvens minskar. Vad händer då artärtrycket minskar? Sinnesreceptorerna i sinus aorticus och sinus caroticus avfyrar färre impulser till kardiovaskulärt centrum än vid normalt artärtryck. Hjärnan tolkar detta som att blodtrycket är för lågt (jämfört med någon sort intern standard). Detta gör att pressorarean får mer att säga till om vilket innebär att aktiviteten i det sympatiska nervsystemet ökar. Samtidigt kommer färre impulser skickas till kardioinhibitoriskt

10 centrum varvid färre nervimpulser skickas i de parasympatiska fibrerna till sinusnoden och AV-noden. Effekter på hjärtat Antalet nervimpulser i de sympatiska nerverna till hjärtat ökar medan aktiviteten i de parasympatiska nerverna minskar. Detta leder till ökad hjärtfrekvens. Effekter på blodkärl Det sympatiska nervsystemet gör att många arterioler konstringerar (vasokonstriktion). Detta ökar den totala perifera resistansen. Det sympatiska nervsystemet gör att vener i framför allt mag-tarmkanalen styvnar vilket gör att det venösa återflödet till hjärtat ökar. En ökad hjärtfrekvens i kombinationen med ökat venöst återflöde och ökad kontraktilitet gör att hjärtminutvolymen ökar (CO = SV x HF). Kom ihåg att CO x TPR = ΔP. Alltså, när blodtrycket minskar kommer kroppen att försöka normalisera blodtrycket genom att; a) öka hjärtminutvolymen och b) öka den totala perifera resistansen. Försök själv att lista ut vad som händer med ovanstående cirkulatoriska variabler då blodtrycket plötsligt ökar!