Часть 1
Это первая часть статьи по физиологии крови для анестезиологов. В этом учебном пособии будут описаны производство и компоненты крови, а также группы крови, транспорт газа и роль крови в кислотно-щелочном балансе. Во второй части будут описаны сложные процессы, связанные с гемостазом.
Введение
Кровь является жидкой составляющей сердечно-сосудистой системы, включающей как плазму, так и клеточные компоненты. Пятьдесят пять процентов общего объема крови состоит из плазмы, которая, в свою очередь, содержит 90% воды, 8% белков плазмы, а остальные 2% состоят из электролитов и органических соединений. Эритроциты, лейкоциты и тромбоциты образуют клеточный компонент.
Кровь имеет много необходимых гомеостатических функций, включая перенос кислорода и углекислого газа, питательных веществ и отходов, иммунной функции, буферной функции и гемостаза. Поскольку кровь играет такую важную роль в поддержании гомеостаза, анестезиолог нуждается в хорошем знании ее компонентов и физиологии.
Гемопоэз
Место производства
Основные участки гемопоэза или производства клеток крови различаются на разных стадиях развития человека. В первые недели гестационного периода в желточном мешке появляются гемопоэтические клетки. Примерно через шесть недель печень становится основным местом производства клеток крови, при этом селезенка и лимфатические узлы играют меньшую роль. И только в течение последнего месяца беременности красный костный мозг становится основным местом производства клеток крови.
Красный костный мозг обнаруживается во всех костях вплоть до пятилетнего возраста, когда он постепенно замещается желтым костным мозгом, который состоит в основном из жира. Начиная с двадцатилетнего возраста производство большинства клеток крови ограничивается позвонками, грудиной, ребрами и подвздошными костями.
Полипотентные гемопоэтические стволовые клетки
Эти клетки находятся в костном мозге, и именно из этих клеток образуются все типы клеток крови. Они дают начало дочерним клеткам, которые в свою очередь дифференцируют в стволовые клетки-основатели от которых образуются клетки-предшественники для каждого типа клеток крови. Именно из этих клеток-предшественников развиваются зрелые клетки крови.
Эритропоэз
Производство эритроцитов, или эритропоэз, от предшественника проэритробласта до образования ретикулоцитов и их высвобождения в кровообращение занимает около семи дней. Этот процесс находится под контролем эритропоэтина, который представляет собой гликопротеиновый гормон, синтезируемый главным образом в почках, причем 10-15% вырабатывается печенью. У плода, однако, печень является основным местом продукции эритропоэтина.
Эритропоэтин вырабатывается в перитубулярных капиллярах почек в ответ на гипоксию. Это локальное снижение доставки кислорода может быть связано либо с анемией, либо с системной гипоксемией. Как только эритропоэтин выпущен он действует на незрелые эритроидные клетки в костном мозге путем связывания со специфическим рецептором, найденном в их клеточной мембране, приводя к их дифференцировке и пролиферации в зрелые клетки крови. Скорость производства эритроцитов тесно сбалансирована скоростью разрушения.
Красные клетки крови
Зрелый эритроцит (RBC) представляет собой двояковыпуклый диск диаметром около 7-8 микрометров без ядра. Размер и форма не только увеличивают площадь поверхности RBC, таким образом облегчая газообмен, но также увеличивают гибкость, позволяющую проходить через узкие капилляры. Продолжительность жизни RBC составляет около 120 дней, затем они удаляются из кровообращения макрофагами, содержащимися в костном мозге, селезенке и печени.
Гемоглобин
Гемоглобин – крупный протеин, находящийся внутри эритроцитов. Синтез его начинается в костном мозге в эритробластах и завершается, как только клетки становятся ретикулоцитами. Гемоглобин состоит из четырех субъединиц, каждая субъединица представлена полипептидом, соединенным с гемом. Есть две пары полипептидных цепей. В нормальном взрослом гемоглобине (HbA) они названы альфа и бета цепями. Четыре цепи составляют глобиновую часть молекулы. Гемовая группа состоит из порфиринового кольца атомом железа в центре. Кислород связывается с каждым атомом железа для формирования оксигемоглобина, таким образом, каждая молекула гемоглобина способна переносить 4 молекулы кислорода.
Метаболизм железа
Железо является важным компонентом для производства гемоглобина. Большая часть железа для этого процесса берется из рециркулирующих запасов, и только 1-2 мг в день поступает с пищей. Всасывание железа происходит в двенадцатиперстной кишке и жестко контролируется дуоденальными энтероцитами. Железо абсорбируется в 3 формах: двухвалентный ион (Fe2+), трехвалентный ион (Fe3+) и гем. Внутри энтероцитов Fe2+ преобразуется в Fe3+, связывается с апоферритином с образованием ферритина, где оно хранится в виде Fe3+. Железо затем транспортируется на базолатеральной мембране при помощи ферропортина. Ферропортин соединен с ферроксидазой, которая преобразует двухвалентный ион в трехвалентный. Только Fe3+ может свободно проходить из энтероцита в кровоток. Как только Fe3+ попадает в кровоток, оно переносится трансферрином к целевым клеткам.
Железо высвобождается из трансферрина после эндоцитоза комплекса и после удаления железа молекула трансферрина возвращается в обращение. Уровни трансферрина непосредственно зависят от запасов железа, при этом адекватные запасы приводят к более низким уровням трансферрина. Это в свою очередь приводит к уменьшению перехода железа через слизистую двенадцатиперстной кишки.
Белые клетки крови
Белые кровяные тельца отвечают за защитные механизмы организма. Выделяют две основные группы лейкоцитов, а именно фагоциты и лимфоциты. Фагоциты – клетки которые поглощают и разрушают чужеродный материал. Они состоят из моноцитов (предшественников макрофагов) и гранулоцитов. Гранулоциты состоят из трех типов клеток: нейтрофилов, эозинофилов и базофилов. Лимфоциты являются эффекторными клетками иммунной системы и включают В-и Т-лимфоциты.
В-лимфоциты
В-лимфоциты созревают в костном мозге, поэтому называются B-клетками. Они составляют 15% от общей популяции лимфоцитов и циркулируют между селезенкой/лимфатическими узлами и кровообращением. Их роль – созреть в антитела-производящие плазматические клетки после сталкивания со специфическим антигеном. Антиген – это любая молекула, которая может связываться с антителом. Антитело или иммуноглобулин – это белок, который связывается с антигеном, подготавливая его для фагоцитоза.
Как только незрелая В-клетка сталкивается с антигеном, который соответствует ее мембранно-связанному иммуноглобулину, она поглощает его. Молекулы главного комплекса гистосовместимости (МНС) II находятся на цитоплазматической мембране В-клетки после этого представляют фрагменты встреченного антигена. Для созревания в плазматическую клетку, продуцирующую антитела, этот комплекс должен связаться со своей специфической Т-хелперной клеткой 2-го типа (TH-2), инициируя высвобождение цитокинов из клетки TH-2, тем самым побуждая В-клетку завершить свое созревание (рис.).
Т-Лимфоциты
Эти клетки дифференцируются в тимусе, поэтому называются Т-клетками. Подобно клеткам В они также двигаются между кровяным руслом и селезенкой / лимфоузлами. Макрофаги и дендритные клетки представляют антигены Т-клеткам, таким образом активируя их для произведения цитокинов, которые в свою очередь приводят к дифференцированию и пролиферации различных классов эффекторных Т-клеток.
Существует три класса эффекторных Т-клеток: CD8 (цитотоксические клетки) и два типа CD4 Т-хелперов; Тип 1 (TH-1) и тип 2 (TH-2). Цитотоксические клетки убивают клетки-мишени, которые имеют фрагменты вирусных патогенов, связанных с молекулами класса I MHC на их клеточной поверхности. Клетки TH-1 разрушают внутриклеточные организмы путем активации макрофагов, в то время как клетки TH-2, как описано выше, инициируют созревание клеток В плазматические клетки, продуцирующие антитела (рис.).
Группы крови
Система AB0
Группы крови генетически определены присутствием антигенов, найденных на мембранах клеток крови. Агглютинация, процесс, при котором клетки собираются вместе, происходит, когда красные клетки с определенным антигеном сталкиваются с соответствующим антителом. In vivo агглютинация приводит к внутрисосудистому или внесосудистому гемолизу.
Система группы крови AB0 состоит из 4 групп, они определены присутствием или отсутствием антигенов A и B. Наличие антиген А или антиген В определяет группы А или группы B, при наличии обоих антигенов приводит к группе AB и отсутствие обоих антигенов приводит к группе 0. Антитела к этим антигенам могут быть либо естественными, либо в результате иммунного ответа. Иммунные антитела возникают, когда организм подвергается действию чужих антигенов красной клетки при гемотрансфузии или переходе красных клеток через плаценту во время беременности.
Резус-фактор
Система резуса состоит из пяти основных антигенов, а именно C, c, D, E и e. Термин резус-положительный обычно относится к тем людям, которые имеют антиген D на своих эритроцитах и резус-отрицательный для тех, чьи эритроциты не содержат этот антиген. Антитела к этим антигенам резуса встречаются очень редко в природе, однако бывают природные формы анти-Е. Продукция иммунных антител, обычно анти-D, происходит после сенсибилизации беременностью или трансфузией. Именно по этой причине анти-D вводится резус-отрицательной матери после трансплацентарного прохода крови плода в материнское кровообращение. Это разрушает все фетальные резус-положительные клетки крови прежде чем материнская иммунная система сможет ответить.
Транспорт кислорода
Девяносто девять процентов кислорода, транспортируемого в крови, связывается с гемоглобином, а 1% растворяется в плазме при нормальном атмосферном давлении.
Гемоглобин
Каждая молекула гемоглобина может обратимо связать 4 молекулы кислорода с атомом железа гемовой группы, для образования оксигемоглобина. По мере того как каждая молекула кислорода передана, бета-цепи гемоглобина расходятся, позволяя войти метаболиту клетки 2,3-дифосфоглицерату (2,3-DPG). Это уменьшает сродство гемоглобина для кислорода и облегчает разгрузку в среде с дефицитом кислорода. Наоборот сродство гемоглобина для кислорода повышается по мере того как каждая молекула кислорода связана, поэтому повышается загрузка в окружающей среде богатой кислородом. Именно на этом кооперативном свойстве основан график кривой диссоциации оксигемоглобина (ODC) (рис.).
Факторы, изменяющие сродство к кислороду
Ряд факторов изменяет положение кривой диссоциации кислорода. Увеличение уровней ионов водорода, PCО2, температура и уровень эритроцитарного 2,3-DPG сдвигает кривую вправо и приводит к снижению сродства к кислороду.
Растворенный кислород
В соответствии с законом Генри количество кислорода, растворенного в плазме крови пропорциональна его парциальному давлению. Именно эта растворенная фракция диффундирует в ткани.
Транспорт углекислого газа
Углекислый газ, вырабатываемый метаболически активными тканями, диффундирует по градиенту своей концентрации в кровь. Его транспорт происходит в трех формах: растворенном СО2, в виде бикарбоната и в виде карбаминовых соединений. Соединение СО2 и воды катализируется карбоангидразой, находящейся в красных кровяных тельцах, с образованием угольной кислоты, которая затем подвергается быстрой деградации в бикарбонат и протон. Протоны присоединяются гемоглобином, а гидрокарбонат переносится из клеток крови в плазму и заменяется ионами хлорида для поддержания электронейтральности.
Карбаминовые соединения образуются из СО2, при взаимодействии с терминальными аминогруппами белков и аминогруппами в боковых цепях аргинина и лизина. Гемоглобин является важнейшим белком в формировании карбаминовых соединений, так как каждая молекула гемоглобина имеет четыре N-концевые группы.
Эффект Холдейна
Эффект Холдейна описывает увеличенную способность крови переносить CО2 по мере того как гемоглобин разгружает свой кислород. Это явление обусловлено двумя факторами. Во-первых, образование карбаминовых соединений увеличивается при разгрузке кислорода из гемоглобина. Это определяет 70% эффекта Холдейна, дезоксигемоглобин 3/5 времени более эффективно образует данные соединения, чем оксигенированный гемоглобин. Во-вторых, дезоксигенированный гемоглобин буферирует ионы водорода, полученные из диссоциации угольной кислоты лучше, чем оксигенированный гемоглобин, тем самым улучшая транспортировку CО2 в качестве бикарбоната (рис.).
Роль крови как буфера
Системы буферизации в организме минимизируют изменение pH (-log [H+]), которое происходит при добавлении или удалении кислот. Немногим более половины буферной емкости организма составляют внутриклеточные белки и фосфаты. Кровь обеспечивает немногим менее одной трети буферной емкости всего организма с двумя третями этого от двуокиси углерода-бикарбонатной системы. Гемоглобин вносит свой вклад – около 8% от полной буферной емкости организма, де-оксигемоглобин является более сильным буфером чем оксигемоглобин. Остальная емкость делится между протеинами плазмы и гидрокарбонатом интерстициальной жидкости.
Часть 2
Это вторая часть статьи по физиологии крови для анестезиолога, будут описаны сложные процессы, связанные с гемостазом.
Гемостаз
Гемостаз состоит из сложных физиологических процессов, которые служат для минимизации и остановки кровопотери из поврежденного кровеносного сосуда. Эти процессы включают внутреннюю реакцию сосуда на повреждение или травму, образование тромбоцитарной пробки и сложный механизм коагуляции.
Реакция сосудов
Первоначальной реакцией кровеносного сосуда на травму является его сужение, которое эффективно уменьшает объем потерянной крови. Считается, что сокращение гладких мышц в сосудах, таких как артериолы и венулы, происходит из-за деполяризации гладкомышечных клеток. Вазоактивные медиаторы, такие как тромбоксан А2 и серотонин высвобождающиеся из васкулярного эндотелия и активированных тромбоцитов соответственно, также вносят вклад в вазоконстрикцию. Капилляры не могут сокращаться, но их эндотелиальные клетки способны прилипать друг к другу, тем самым герметизируя небольшие промежутки. Повреждение эндотелиальной оболочки сосудов также приводит к высвобождению тканевого фактора, важного для процесса коагуляции, и фактора Виллебранда (vWF), необходимого для адгезии тромбоцитов.
Клеточная модель коагуляции
В клеточной модели коагуляции выделяются три фазы: инициирование, усиление и распространение.
Инициация
Этот процесс постоянно происходит в тканях на низком уровне и позволяет держать сосудистую систему в готовности к тому, чтобы ответить немедленно на любое повреждение ткани. Этот процесс активации тканевого фактора (TF) на низком уровне происходит вне сосудистого компартмента. TF находится на многих интерстициальных клетках, и эти поверхности клеток обеспечивают места для инициации.
Факторы VII, X и протромбин способны диффундировать из внутрисосудистого компартмента в интерстициальное пространство и связываться с TF, в результате чего образуются небольшие количества тромбина. Количество образующегося тромбина недостаточно, чтобы привести к широкому распространению тромбообразования, как стенки сосуда служит в качестве барьера для других важных клеточных компонентов.
Усиление
Повреждение кровеносных сосудов приводит к воздействию TF на субэндотелиальные клетки. Тромбин произведенный этими клетками вступает в контакт с тромбоцитами на месте травмы, приводя к их полной активировации. Он также участвует в активации других факторов свертывания крови, а именно: фактор V и фактор XI. Фактор V высвобождается активированными тромбоцитами и отщепляет фактор VIII от vWF, что приводит к активации vWF. Фактор XI связывается с поверхностями активированных тромбоцитов. Результат этого процесса – тромбоциты покрываются активированными факторами свертывания.
Распространение
Фактор IXa генерируется комплексом TF/VIIa, расположенным на поверхности TF-экспрессирующих клеток. В комбинации с ко-фактором VIIIa на поверхности тромбоцитов, фактор IXa отвечает за активацию фактора X. В результате сочетания Xa с его кофактором Va происходит образование больших количеств тромбина. Затем тромбин превращает фибриноген в фибрин. Фибриновая структура сгустка стабилизируется ковалентным связыванием под влиянием фактора XIII (рис.).
Образование тромбоцитарной пробки
Структура тромбоцитов
Тромбоциты являются небольшими, безъядерными дисками размером примерно 2-3 микрометра. Структура тромбоцитов играет фундаментальную роль в их функционировании. Они имеет внешний гликокаликс, который содержит гликопротеины мембраны, необходимые для прилипания и комплексирования, фосфолипидный бислой расположенный внутри цитоплазматической мембраны важен для образования фосфолипидных факторов: фактор активации тромбоцитов, арахидоновая кислота и тромбоцитарный фактор 3.
Система канальцевой инвагинации мембраны тромбоцитов и микротубулярный скелет. Последний лежит под мембраной и обеспечивает большую площадь для адсорбции факторов свертывания. Цитоплазма также содержит элементы, которые служат для усиления функции тромбоцитов, таких как альфа-гранулы, плотные гранулы и плотные трубочки. Альфа-гранулы содержат vWF, тромбоцитарный фактор 4, фибриноген и фибронектин, в то время как плотные гранулы содержат АДФ, АТФ и пирофосфат. Плотные канальцы обеспечивают место для синтеза простагландина и тромбоксана.
Фактор фон Виллебранда
Фактор Виллебранда находится в альфа-гранулах цитоплазмы тромбоцитов. Он действует как связывающая молекула между тромбоцитом и местом повреждения, облегчая прикрепление тромбоцита к месту. Путем формирования нековалентной связи с фактором VIII, он также служит для стабилизации и предотвращения быстрого удаления фактора VIII в циркуляцию.
Адгезия
Повреждение кровеносного сосуда приводит к быстрой миграции тромбоцитов к месту травмы, данный процесс не требует затрат энергии. Гликопротеин Ia способствует адгезии к коллагену. Дальнейшее прилипание увеличено привязкой гликопротеида Ib-IX к комплексу vWF-эндотелий, что в свою очередь активирует комплекс GP-IIb-GP-IIIa, приводя к связыванию vWF, фибриногена и фибронектина. В результате эндотелиальная поверхность покрывается тромбоцитами.
Активация тромбоцитов
Тромбоциты активируются при адгезии к коллагену, высвобождением агонистов, таких как АДФ и адреналин, и образованием тромбина в процессе коагуляции. Тромбоциты дегранулируются за счет действия тромбина и воздействия коллагена. Высвобождение как плотных, так и альфа-гранул дополнительно усиливает активацию тромбоцитов, адгезию и агрегацию.
Агрегация и стабилизация
Это происходит в результате выброса тромбоксана А2 и ADP, которые повышают комплексирование тромбоцитов на месте повреждения. Этот процесс агрегации сам по себе приводит к дальнейшему высвобождению тромбоксана А2 и АДФ, тем самым еще больше усиливая агрегацию. Высвобождение фибриногена и vWF из альфа-гранул также способствует большей адгезии и агрегации. Комплекс слипшихся тромбоцитов стабилизируется тромбоспондином, другим продуктом дегрануляции альфа-гранул. Этот агрегат тромбоцитов затем армируется фибриновой сеткой (рис.).
Регуляция коагуляции
При инициировании процесса коагуляции одновременно индуцируются механизмы, ингибирующие коагуляцию. Это предотвращает широкое распространение, непрерывность образования сгустка крови.
Контроль уровня тромбина
Существует три основных механизма регулирования:
- Поддержание циркулирующего тромбина в его неактивной форме
- Ингибирование активации факторов VIII и V белками C и S
- Специфическое ингибирование тромбина: Антитромбин III, альфа2-макроглобулин, гепарин кофактор II, альфа1-трипсин
Контролируя продукцию и активность тромбина, можно ограничить образование фибринового сгустка.
Фибринолиз
Это процесс, в котором фибриновый тромб растворяется. Протеолитический фермент плазмин играет важную роль в этом процессе, расщепляя сеть фибрина. Плазминоген является предшественником плазмина и связывается с фибрином в сгустке во время его образования. Тканевой активатор плазминогена (t-PA) и Урокиназа стимулируют превращение плазминогена в плазмин. t-PA высвобождается несколько дней после первоначального повреждения эндотелия и появления урокиназы в плазме.
Dr. Karen Hayes
2011 г.