ROLA ŚRÓDBŁONKA W REGULACJI LOKALNEGO PRZEPŁYWU KRWI

ROLA ŚRÓDBŁONKA W REGULACJI LOKALNEGO PRZEPŁYWU KRWI Liana Puchalska

 FUNKCJA PARAKRYNNA ŚRÓDBŁONKA Mechano- receptor Napięcie ścinające KOMÓRKA SRÓDBŁONKA • Komórki śródbłonka są stale eksponowane na napięcie ścinające. Pod wpływem napięcia ścinającego odkształcają się mechanowrażliwe kanały komórek śródbłonka i inicjowana jest kaskada zmian molekularnych, prowadząca do wydzielania szeregu związków chemicznych, wpływających na wielkość lokalnego przepływu krwi. W warunkach prawidłowych dominuje uwalnianie przez śródbłonek substancji naczyniorozszerzajacych ↑ [Ca2+] aktywacja enzymów tlenek azotu (NO) endotelina (ET) aktywator plazminogenu (t-PA) prostacyklina (PGI2) tromboksan (TXA2) prostaglandyny (PG)

 SYNTEZA TLENEKU AZOTU  mocznik NO cytrulina ornityna ARGININA prolina poliaminy N-hydroksyarginina • rozrost miocytów • przebudowa ściany naczyniowej sprzy-jająca miażdżycy arginaza NOS (1-3) dekarboksylaza ornityny pobudzenie hamowanie

 SYNTEZA TLENEKU AZOTU  • Izoformy syntazy tlenku azotu (NO) • NOS-1 (nNOS) • NOS-3 (eNOS) • NOS-2 (iNOS) konstytutywna, wymagająca jonów Ca2+ indukowana, niezależna od jonów Ca2+, ale wymagająca aktywacji immunologicznej. Występuje w komórkach immunoreaktywnych, ale też w miocytach gładkich • NO jest stale syntetyzowany, wydzielany i tonicznie zmniejsza napięcie mięśni gładkich ściany naczyń • Okres półtrwania NO w komórce wynosi ok. 6 sekund, ponieważ NO jest „wymiatany” przez tlen i związki utleniające • „Wymiatacze” anionów nadtlenkowych (dysmutaza ponad-tlenkowa, katalaza, peroksydaza) oraz antyoksydanty (wit. E, C) przedłużają działanie NO

 DZIAŁANIE TLENEKU AZOTU  • Lokalna regulacja oporu naczyniowego: • - bezpośrednie działanie naczyniorozszerzające • - hamowanie uwalniania endoteliny-1 (ET-1) • - działanie synergistyczne z prostacykliną (PGI2) • Regulacja napięcia neurogennego: • - działa antogonistycznie do noradrenaliny (NA) • Modulacja ośrodkowej regulacji układu krążenia: • - hamowanie aktywności układu współczulnego • - nasilenie aktywności n.X • - hamowanie pobudliwości zakończeń baroreceptorowych • - hamowanie uwalniania i ośrodkowego działania wazopresyny (AVP) • Działanie przeciwmiażdzycowe: • - hamowanie adhezji i i agregacji płytek • - hamowanie proliferacji fibroblastow i miocytow gładkich • - zmniejszenie peroksydacji lipidów

 MECHANIZM DZIAŁANIA TLENEK AZOTU  NO HEM cyklaza guanilanowa (CG) ↑ c GMP fosforylacja lekkich łańcuchów miozyny pobieranie Ca2+ do magazynów komórki KATP i KCa2+ hiperpolaryzacja i rozkurcz mięśni gładkich

 TLENEK AZOTU  ↑liniowej prędkości strumienia krwi w dużych tętnicach zwiększenie przekroju tętnicy doprowadzającej krew do narządu pracującego lokalne czynniki roz-szerzające naczynia mikrokrążenia uwalnianie NO z ko-mórek śródbłonka • Głównym źródłem tlenku azotu (NO) jest śródbłonek dużych tętnic i tętniczek o średnicy > 50 μm, a zatem śródbłonek naczyń włosowatych oraz tętniczek o średnicy < 50 μm nie odgrywa istotnej roli w generacji NO • Zjawisko szerzącego się rozszerzenia wstępującego tętnic doprowadzających krew do narządów można schematycznie przedstawić w następujący sposób:

 TLENEK AZOTU  • Substancje wywierające efekt naczyniorozszerzajacy za pośrednictwem tlenku azotu (NO) działając na swoiste receptory komórek śródbłonka: • Acetylocholina (ACh) – przez receptory M1 • Bradykinina – przez receptor B2 • ATP – przez receptor P2y • VIP, histamina, prostaglandyny, substancja P, trombina, serotonina • Po zniszczeniu sródbłonka substancje te zwężają naczynia działając bezpośrednio przez receptory na miocytach

 PROSTAGLANDYNY (PG)  • Interleukina (IL-1β) • Czynnik nekrotyczny guzów (TNFα) PGI2 PGE PGH PGF kwas arachidonowy FOSFOLIPIDY BŁONOWE • wywiera działanie przez cAMP • poza krążeniem mózgowym nie wywiera tonicznego wpływu na naczyniorozszerza-jacego • hamuje proliferacje mięśni gładkich • działanie prozapalne • działanie bólowe fosfolipaza A2 COX-2 COX-1 konsytytutywna

 ENDOTELINA (ET)  napływ jonów Ca2+ do komórki śródbłonka szlak Gi ↓ aktywacja kanałów K+, rozkurcz mięsni gładkich szlak PLC ↓ skurcz mięsni gładkich synteza NO i PGI2- rozkurcz mięśni gładkich ETA ETB ETB uwolnienie endoteliny (ET) komórka śródbłonka miocyt ściany naczyń krwionośnych • Endoteliny (ET-1, ET-2, ET-3, ET-β – aktywny peptyd zwężający naczynia jelitowe) są to peptydy 21-aminokwasowe wywierające działanie naczyniozwężające

 ENDOTELINA (ET)  • W naczyniach krwionośnych gęstość receptorów ETA jest znacznie większa niż receptorów ETB, więc dominuje efekt naczyniozwężajacy • W mózgu jest syntetyzowana głównie ET-3. Duże stężenie endoteliny zawierają neurony jądra przykomorowego i nadwzrokowego • Sugeruje się że endotelina może odgrywać rolę w pobudzeniu neuronów obszaru RVLM, aktywując układ współczulny • Uwalniana w nadmiernych ilościach z niedotlenionego śródbłonka bierze udział w mechanizmie skurczu anoksycznego tętnic płucnych, wieńcowych i mózgowych, kurcząc naczynia poniżej miejsca uszkodzenia i pogłębiając niedokrwienie • Do czynników zwiększających syntezę i uwalnianie ET należą: wzrost napięcia ścinającego, angiotensyna II, noradrenalina, wazopresyna, adrenalina, trombina, insulina, endotoksyna

 ŚRÓDBŁONKOWY CZYNNIK HIPERPOLARYZACYJNY (EDHF)  • Powstaje z kwasu arachidonowego pod wpływem epoksygenazy zależnej od cytochromu P450 • Wywołana przez EDHF hiperpolaryzacja śródbłonka (przez otwarcie kanałów K+Ca2+) przenosi się na miocyty gładkie przez złącza między komórkami śródbłonka a miocytami • Odgrywa rolę w endogennym rozszerzaniu naczyń mikrokrążenia, wydzielany jest ze śródbłonka naczyń o średnicy <50μm. Pośredniczy (obok NO) w naczyniorozszerzającym działaniu acetylocholiny i bradykininy • Jest odporny na działanie anionów nadtlenkowych

 ADENOZYNA (Ado)  • Adenozyna jest produktem defosforylacji ATP. Jest wydzielana do przestrzeni pozakomorkowej przez niedotlenione miocyty • Aktywuje ATP - zależne kanały K+ miocytów, prowadząc do hiperpolaryzacji komórki mięśniowej, skutkiem czego jest rozkurcz mięśni gładkich ściany naczyniowej • Obok tlenku azotu (NO) adenozyna (Ado) jest elementem mechanizmu przekrwienia reaktywnego • Czynniki metaboliczne działają synergicznie w stosunku do NO i Ado. Spadek pH nasila działanie Ado, wzrost stężenia CO2 natomiast prowadzi do wzrostu stężenia Ca2+ w cytolazmie komórek środbłonka, a za tym prowadzi do aktywacji syntazy NO

METABOLIZM MIĘŚNIA SERCOWEGO. REGULACJA PRZEPŁYWU WIEŃCOWEGO

 ENERGETYKA SKURCZU MIĘŚNIA SERCOWEGO  ATP produkcja i zużycie dobowe ok. 5 kg Czynność elektryczna serca (czynność Na+/K+ATPazy) SKURCZ (interakcja aktyny i miozyny) ROZKURCZ (aktywność Ca2+ ATPazy)

Teoretyczne wielkości produkcji ATP oraz konsumpcji tlenu potrzebnej do spalenia poszczególnych substratów energe-tycznych (wg. A. Berencewicz. Leczenie metaboliczne choroby niedokrwiennej serca i niewydolności serca)

wg. A. Berencewicz. Leczenie metaboliczne choroby niedokrwiennej serca i niewydolności serca Cytoplazma Kwasy tłuszczowe (FFA) Kwas mlekowy KWAS PIROGRONOWY Acetyl-CoA NADH, FADH2 Glukoza FFA-CoA GLUKOZO-6-P Cykl Krebsa Mitochondrium Fosforylacja oksydacyjna NAD+ FAD+ H2O ATP Skurcz. Przemiany podstawowe CPT-I

WYCHWYTYWANIE ZEWNĄTRZKOMÓRKOWEJ GLUKOZY ZALEŻY OD: • - przezbłonowego gradientu stężeń glukozy • - aktywności błonowych transporterów glukozy. W sercu zidentyfikowano 2 izoformy transporterów – GLUT 1 i GLUT 4. Insulina i niedokrwienie zwiększają ilość transporterów na błonie komórkowej, zwiększając transport glukozy • SZYBKOŚĆWYCHWYTYWANIA FFA ZALEŻY OD: • - stężenia FFA we krwi • - od zawartości na błonie komórkowej specyficznych białek transportujących FFA oraz zawartości w cytoplazmie komórki enzymu CPT-I, regulującego transport FFA do mitochondriów • Ok. 80% wychwytywanych FFA ulega spalaniu, pozostałe są magazynowane w trójglicerydach

ATP • β-oksydacja FFA dostarcza 60-90% ATP • 10-40% ATP pochodzi ze spalania pirogornianu • ok. 50% pirogronianu pochodzi z przemian kwasu mlekowego, pozostałe 50% powstaje z glukozy

 SUBSTRATY ENERGETYCZNE MIĘŚNIA SERCOWEGO  Aminokwasy, ciała ketonowe 2% Wolne kwasy tłuszczowe Wolne kwasy tłuszczowe Glukoza Glukoza Aminokwasy, ciała ketonowe Mleczan Mleczan STAN SPOCZYNKOWY WYSIŁEK FIZYCZNY

Na+ Na+ Ca2+ ATPaza • Usuwanie jonów Ca2+ i jonów H- z komórki mięśniowej podczas rozkurczu w zdrowym sercu H- Ca2+ Na+/H- Na+ /Ca2+ Na+/K+ ATPaza 2K+ 3Na+ K+

Niedokrwione lub reperfundowane komórki mięśnia sercowego Nasilenie aktywności wymiennika Odwrócenie kierunku wymiennika Na+ Na+ H- Na+/H- Na+ /Ca2+ Ca2+ pH – akumulacja kwasu mlekowego [Na+] i [Ca2+] Ca2+ ATPaza Spadek aktywności Na+/K+ATPazy Na+/K+ ATPaza 2K+ 3Na+ K+

Skutki nadmiernego nagromadzenia Ca2+ w komórkach mięśnia sercowego • efekt „trwonienia” APT – pobudzenie ATP-az wapniowych, czemu towarzyszy zwiększony rozkład ATP • spadek stosunku synteza ATP/konsumpcja O2–rozprzęganie procesów fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach, wzrost mitochondrialnej produkcji toksycznych wolnych rodników tlenowych • uszkodzenie białek(m.i. białek kurczliwych oraz białek błony komórkowej) – aktywacja komórkowych wapnio-zależnych proteaz • spowolnienie rozkurczu i rozkurczowa niewydolność mięśnia sercowego • reperfuzyjne zaburzenie rytmu • uszkodzenie szkieletu komórkowego • zaburzenia w kodzie genetycznym komórki

wydatek energetyczny serca zależy prawie wyłącznie od jego obciążenia hemodyna-micznego • konsumpcja tlenu odzwierciedla wydatek energetyczny serca • warunkiem prawidłowej pracy hemody-namicznej serca jest precyzyjne dosto-sowanie perfuzji wieńcowej do aktualnej wielkości obciążenia serca

85% krwi przepływa przez lewą tętnicę wieńcową zaopatrując krwią lewy przed-sionek, przednią i większą część tylnej ściany komory lewej, część przedniej ściany komory prawej, przednie 2/3 przegrody. Prawa tętnica wieńcowa zaopatruje pozostałe części mięśnia sercowego • Tętnice wieńcowe tworzą gęste roz-gałęzienia. Drobne tętniczki są zespolone ze sobą we wszystkich warstwach mięśnia ser-cowego. Liczba tętniczek oraz zespoleń rośnie przy systematycznych wysiłkach fizycznych

Tętnice wieńcowe są bardziej podatne do rozciągania, niż tętnice mięśni szkieletowych. Wzrost ciśnienia tętniczego wywołuje bierne rozciąganie ścian tętnic wieńcowych i zmniejszenie oporu przepływu krwi. W tych warunkach przepływ przez tętnice wieńcowe może wzrosnąć w stopniu 4 do 5 razy większym niż w tętnicach zaopatrujących mięśnie szkieletowe • Liczba naczyń włosowatych w mięśniu sercowym jest 3 do 4 razy większa, niż w mięśniu szkieletowym. Na każde włókno mięśniowe przypada jedno naczynie włosowate

 SPOCZYNKOWY METABOLIZM MIĘŚNIA SERCOWEGO i NIEKTÓRYCH NARZĄDÓW 

 OPÓR NACZYNIOWY W KRĄŻENIU WIEŃCOWYM  ΔP Q = Rmikrokrążenie • W krążeniu wieńcowym około 80% całkowitego oporu wieńcowego generują drobne tętniczki wieńcowe, a jedynie 20% tętnice duże epikardialne i przeszywające. Drobne tętniczki wieńcowe posiadają duże napięcie podstawowe • W zdrowym sercu zmiana wielkości średnicy drobnych tętniczek decyduje zmianie całkowitego oporu wieńcowego. Blaszka miażdżycowa ograniczająca średnicę tętnicy epikardialnej o 50% i zwiększająca kilkunastokrotnie opór w miejscu zwężenia, praktycznie nie wpływa na całkowity opór wieńcowy i spoczynkowy przepływ wieńcowy w sercu

 REGULACJA OPORU WIEŃCOWEGO  • CZYNNIKI OKREŚLAJĄCE OPÓR NACZYŃ WIEŃCOWYCH • anatomicznie uwarunkowana średnica naczynia • podatność ściany naczyniowej • stan czynnego napięcia mięśni gładkich naczynia (komponent czynnościowy oporu) • ucisk wywierany na naczynie przez kurczący się mięsień (komponent kompresyjny oporu)

 CZYNNE NAPIĘCIE MIĘŚNI GŁADKICH NACZYNIA 

 AUTOREGULACJA PRZEPŁYWU KRWI  0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Jest to zachowanie stałości przepływu w warunkach znacznych wahań ciśnienia tętniczego. Szczególnie wyraźne mechanizmy autoregulacji posiadają tętnice nerkowe, mózgowe i wieńcowe

 AUTOREGULACJA PRZEPŁYWU KRWI W NACZYNIACH WIEŃCOWYCH • Poziom na którym utrzymywany jest stały przepływ wieńcowy w mechanizmie autoregulacji jest wypadkową regulacji miogennej i metabolicznej przepływu wieńcowego • spadek ciśnienia tętniczego prowadzi do krótkotrwałego spadku przepływu wieńcowego. Uruchomione zostają dwa przeciwdziałające temu mechanizmy: • - spadek napięcia miogennego mięśniówki gładkiej naczyń oraz spadek oporu • - rozkurcz tętniczek wrażliwych metaboliczne na skutek wywołanego przez spadek perfuzji niedokrwienia mięśnia sercowego

 OPÓR KOMPRESYJNY  Ciśnienie w aorcie Ciśnienie w lewej komorze Przepływ krwi w lewej tętnice wieńcowej Przepływ krwi w prawej tętnice wieńcowej • Podczas skurczu w skutek mocnego ucisku zewnętrznego na naczynia wieńcowe gwałtownie wzrasta w nich opór przepływu krwi. Mimo wyższego ciśnienia krwi w tętnicach wieńco-wych przepływ przez naczynia wień-cowe jest znacznie mniejszy podczas skurczu niż podczas rozkurczu • Różnice przepływu krwi przez lewą a prawą tętnicę wieńcową uwarun-kowane różną grubością mięśnia lewej i prawej komory, różnym ciśnie-niem generowanym w komorach ser-ca podczas skurczu a za tym różnym stopniem ucisku na naczynia wieńco-we • Podczas rozkurczu wielkość przepły-wu krwi przez naczynia wieńcowe wzrasta ponad zapotrzebowanie me-taboliczne (przekrwienie czynnoś-ciowe)

 CYKL PRACY SERCA  Czas trwania skurczu i rozkurczu mięśnia sercowego w zależności od częstości skurczów serca (HR)

Przepływ krwi oraz różnica tętniczo-żylna zawartości tlenu we krwi w spoczynku i podczas wysiłku fizycznego

W normalnym krążeniu wieńco-wym zmiany średnicy, spowodowa-ne zmianami czynnego napięcia mięśni gładkich budujących ściany naczyniowe, są ostatecznym regula-torem przepływu wieńcowego.

Współdziałanie między regulacją miogenną, metaboliczną i śródbłonkową jest czynnikiem umożliwiającym precyzyjne dostosowanie przepływu wieńcowego do zapotrzebowania energetycznego mięśnia sercowego • Regulacja metaboliczna – tętniczki o średnicy <100μm; • regulacja miogenna – tętniczki o średnicy 80-150 μm; • regulacja śródbłonkowa – tętniczki o średnicy 120-200 μm

 LOKALNE CZYNNIKI ZWIĘKSZAJĄCE PRZEPŁYW WIEŃCOWY  • Spadek PO2 w przestrzeni międzykomórkowej • Spadek stężenia ATP – aktywacja ATP - zależnych kanałów K+ – hiperpolaryzacja komórki mięśniowej • Spadek pH – zmniejszenie wrażliwości układów kurczliwych na jony Ca2+ – rozkurcz mięśni gładkich naczyń • Wzrost PCO2 w przestrzenie międzykomórkowej • Wzrost stężenia jonów K+ w przestrzeni zewnątrz-komórkowej • Wzrost intensywności syntezy z wydzielania tlenku azotu (NO) • Wzrost stężenia adenozyny (Ado) – aktywacja ATP- zależnych kanałów K+ (receptor A1) – hiperpolaryzacja komórki mięśniowej

 TLENEK AZOTU  ↑liniowej prędkości strumienia krwi w dużych tętnicach zwiększenie przekroju tętnicy doprowadzającej krew do narządu pracującego lokalne czynniki roz-szerzające naczynia mikrokrążenia uwalnianie NO z ko-mórek śródbłonka • Zjawisko szerzącego się rozszerzenia wstępującego tętnic doprowadzających krew do narządów można schematycznie przedstawić w następujący sposób:

 NERWOWA REGULACJA PRZEPŁYWU WIEŃCOWY  • Naczynia wieńcowe unerwiane są przez adrenergiczne (receptory α1 i β2) i cholinergiczne (receptory M1) włókna autonomicznego układu nerwowego (AUN) • Komórki mięśni gładkich naczyń wieńcowych posiadają receptory α1 których pobudzenie powoduje zwężenie naczyń (wzrost stężenia DAG i IP3 w miocycie). Komórki śródbłonka zawierają receptory α2. Wzrost aktywności części współczulnej AUN powoduje wzrost szybkości syntezy i wydalania NO. Mechanizmy te mają małe znaczenie fizjologiczne w regulacji średnicy naczyń wieńcowych • Efektem pobudzenia części współczulnej AUN jest wtórnerozszerzenie naczyń wieńcowych związane ze wzrostem stężenia metabolitów w przestrzeni zewnątrzkomórkowej na skutek zwiększonej pracy serca

Komórki mięśni gładkich naczyń wieńcowych i komórki śródbłobka posiadają receptory M1(wzrost stężenia DAG i IP3 oraz cGMP) • Pobudzenie receptora M1 mięśni gładkich naczyń powoduje skurcz mięśni gładkich naczyń (wzrost stężenia DAG i IP3). Pobudzenie M1 receptorów śródbłonka powoduje wzrostszybkości syntezy i wydalania NO (wzrost cGMP) • Efektem pobudzenia części przywspółczulnej AUN jest wtórnezwężenie naczyń wieńcowych związane ze zmniejszeniem stężenia metabolitów w przestrzeni zewnątrzkomórkowej na skutek zmniejszenia pracy serca

 REZERWA WIEŃCOWA  • Różnica między przepływem spoczynkowym a maksymalnym możliwym nazywana jest rezerwą wieńcową i wyrażana w procentach przepływu wieńcowego • U zdrowych osobników wynosi 200-300% i nigdy nie stanowi czynnika ograniczającego wysiłek fizyczny. Przy maksymalnych wysiłkach możliwy jest dalszy, choć już nie wielki rozkurcz mięśni gładkich naczyń wieńcowych

 REZERWA WIEŃCOWA  • Czynniki decydujące o wielkości rezerwy wieńcowej w sercu: • ciśnienie perfuzyjne – wzrost ciśnieniazwiększa wielkość rezerwy wieńcowej w zakresie autoregulacji • średnica i podatność oporowych naczyń • rytm serca – zmniejszenie rezerwy wieńcowej na skutek wzrostu oporu kompensacyjnego • przepływ spoczynkowy – im większyjest przepływ spoczynkowy tym mniejsza jest rezerwa wieńcowa (np. w przebiegu przerostu mięśnia sercowego)

REGULACJA PRZEPŁYWU MÓZGOWEGO

Aktywność metaboliczna mózgu w przeliczeniu na 1 gram tkanki jest prawie tak samo dużą jak mięśnia sercowego. Całkowity poziom metabo-lizmu mózgu prawie nie zmienia się. Zmianie ulega aktywność poszcze-gólnych obszarów mózgowych, a za tym poziom metabolizmu w poszczególnych obszarach mózgowych

 LOKALNE CZYNNIKI ZWIĘKSZAJĄCE PRZEPŁYW MÓZGOWY  • Wzrost PCO2 w przestrzenie międzykomórkowej – aktywacja ATP- zależnych kanałów K+ – hiperpolaryzacja komórki mięśniowej aktywacja (w zakresie 20-60 mmHgna 1 mmHgzmiany prężności CO2 przepływ spoczynkowy zmienia się o 4%) • Spadek PO2 w przestrzeni międzykomórkowej – gromadzenie adenozyny i jonów K+(w zakresie 50-90 mmHgna 1 mmHgspadku prężności O2 przepływ mózgowy wzrasta o 3-6%) • Wzrost stężenia adenozyny (Ado) – aktywacja ATP- zależnych kanałów K+ (receptor A1) – hiperpolaryzacja komórki mięśniowej • Wzrost intensywności syntezy z wydzielania tlenku azotu (NO) i prostacykliny (PGI2)

ROLA ŚRÓDBŁONKA W REGULACJI LOKALNEGO PRZEPŁYWU KRWI