PowerPoint Presentation

Vascozitatea sangelui in microvaseBancescu AndaGrumezescu FlorinaStan RoxanaTurbatu FlaviusGrupa 3, Bim IIIScopul acestei expuneri este de a prezenta un sumar ale rezultatelor experimentale si teoretice in ceea ce priveste vascozitatea sangelui si a mecanismelor care stau la baza acestui fenomen si pentru a indica anumite zone in care se investigheaza in mod curent.

In cele ce urmeaza vom trece in revista observatiile experimentale obtinute asupra vascozitatii aparente a sangelui in vivo si in vitro si se va intelege mecanismul implicat.

Relatia dintre presiunea generata de catre inima si fluxul rezultat in sistemul circulator a fost vreme indelungata un subiect de studiu. La mijlocul secolului XIX, J-L-M Poiseuille a facut referire la acest subiect si a stabilit relatia :

- este vascozitatea fluidului.Q-rata fluxului in diametru(D) Rezistenta la curgere este determinata de interactiunile mecanice dintre fiecare celula rosie cu mediul de suspensie,cu peretii tubului sau cu alte celule rosii (RBC). Complexitatea sistemului este evidentiata in cazul observatiilor microscopice a celulelor rosii care curg in tuburi inguste, asa cum este aratat in fig 1

fig 1 In aceste conditii, efectele proprietatilor reologice ale sangelui asupra rezistentei la curgere poate fi reprezentata in termenii vascozitatii aparente, care este o derivatie de la legea lui Poiseulle: In general, vascozitatea aparenta poate depinde de diametrul tubului, debit, hematocrit (fractii volumetrice ale celulelor rosii), vascozitatea plasmei (fluidul de suspensie), proprietatile biofizice ale celulelor rosii si proprietatile biofizice ale tubului sau ale vaselor de sange.

Observatiile in vitro.In jurul anului 1930, Martini, Fahraeus si Lindqvist au observat o descrestere marcanta a vascozitatii aparente a sangelui din tuburile de sticla cu diametre situate sub 300m, fenomen cunoscut ca si efectul FhraeusLindqvist. In anii ce au urmat numerosi autori au masurat vascozitatea aparenta a sangelui din tuburi de sticla cu diametre mici. Majoritatea acestor studii au folosit suspensii ale celulelor rosii umane si sange integral cu coagulanti. Rezultatele unora dintre aceste studii au fost asamblate si reanalizate in 1992 de catre Pries care a dezvoltat ecuatia empirica pentru a descrie dependenta vascozitatii relative aparente rel asupra diametrului tubului si a hematocritului:-D este diametrul exprimat in m Dependenta viscozitatii aparante fata de diametrul tubului si a hematocritului, in concordanta cu aceste ecuatii, este ilustrata in fig.2.

Fig. 2. Masurarile directe in vivo au fost tehnic ingreunate din punct de vedere al dificultatii de masurare a scaderii presiunii din microvase .Lipowsky a reusit performanta de a face masuratori in vase cu diametrul de 10-60 um si a obtinut estimari ale vascozitatii aparente substantial mai mari decat era de asteptat in comportamentul in vitro. Datele din acele experimente nu au fost suficient de cuprinzatoare pentru a stabili dependenta dintre vascozitatea aparenta pe diametru si hematocrit.Pries a analizat comportamentul reologic al sangelui in microvase utilizand o abordare bazata pe retea. Circulatia sangelui in reteaua microvasculara in mezenterul sobolanului a fost observata experimental si comparata segment cu segment cu modelele teoretice. Distributiile de debit si a hematocritului derivat din simulari bazate pe descrierea parametrica a vascozitatii sangelui in vitro descris mai sus ,s-au dovedit a fi incompatibile cu comportamentul observat. Oricum o intelegere satisfacatoare a fost gasita cand un parametru alternativ de descriere a vascozitatii sangelui a fost folosit dupa cum urmeaza:

Observatii in VIVO

Fig.3. Dependena de vascozitate aparent relativ a sngelui n tuburi de sticl pe diametru , pentru diferite niveluri de descrcare a hematocritului , conform ecuaiilor empiriceDependena viscozitii relative aparente de diametru si a descarcarii hematocritului conform Fig . 3

Cauze posibile pentru diferena substanial ntre vscozitate aparent in vivo i in vitro care au fost discutate de Pries :* (I) nereguli ale peretilor vaselor ; *(II) asimetrie de poziionare RBC n capilare ; *(III) Efectele globulelor albe; ( IV ) incetinirea fluxului plasmatic de structurile macromoleculare ataate de pereii vaselor.Primele trei din aceste efecte par insuficiente pentru a face o diferentiere .Principala cauz a diferenelor a fost dovedita ca fiind prezena unui strat relativ gros, de macromolecule legate la celulele endoteliale care cptuesc pereii microvaselor , cunoscute sub numele de glycocalix sau stratul de suprafa endotelial ( ESL ).Proprietatile mecanice a celulelor rosii Sangele este o suspensie de celule in plasma , ce reprezinta un fluid newtonian incompresibil cu o viscozitate de aproximativ 1 cP. Celulele sunt RBC (eritrocite) , celulele albe (leucocitele) de mai multe tipuri si trombocite. Hematocritul sangelui uman normal este de 40-45 % , n consecinta, RBC au un efect dominant asupra proprietatilor de curgere ale sangelui. Proprietile cheie a mecanicii RBC umane au fost stabilite n urm cu peste 30 de ani , inclusiv estimrile cantitative parametrilor mecanici. Aceste informaii au oferit o baz pentru dezvoltarea de modele teoretice detaliate pentru comportamentul sangelui i suspensii ale RBC n diverse geometrii de debit , inclusiv tuburi nguste , aa cum este descris ulterior.

RBC-urile umane (i a altor mamifere) sunt remarcabile pentru gradul lor ridicat de deformabilitate , care este o consecin a structurii lor. Lipsindu-le nucleul , ele sunt constituite dintr-un interior fluid nconjurat de o membran subire. Membrana este compusa din dou componente principale : bistratul lipidic i citoschelet. Bistratul lipidic se comport ca un fluid aproape incompresibil bidimensional, prin urmare celula rezist puternic modificri zonale cu un modul de elasticitate si dilatare izotropa .Citoscheletul , o retea de molecule proteice, se afl imediat n interiorul bistratului lipidic , i are componente care proiecteaz n bistrat , strangerea celor dou structuri. Membrana are o rezisten relativ mic la indoire. Momentele de incovoiere devin importante doar n regiunile membranei unde raza de curbur este foarte mica. Fig. 4. Computed axisymmetric red blood cell shapes, for tube diameters in m as indicated. Flow is from right to left with velocity 0.01 cm/s. Results redrawn after Membrana are de asemenea, o rezisten vscoas tranzitorie plana deformrii de forfecare. Aceast rezisten este generat n principal n citoschelet cu o mic contribuie din partea viscozitatii membranei. Comportamentul viscoelastic a membranei la forfecare poate fi reprezentat de un model solid Kelvin.

Analize teoretice a curgerii sangelui prin capilareIn capilare cu diametrul pana la 8u, globulele rosii curg deobicei intr-o singura directie. Interactiunile dintre celule pot fi neglijate si analiza unei singure globule rosii este suficienta .In aceste vase , globulele rosii sunt compresate in forma de glont si mecanica lor poate fi analizata , presupunand ca globulele rosii au simetrie rotationala in jurul axei de tub. O simplificare este folosirea teoriei lubrifierii, care descrie miscarea plasmei in spatiul dintre celule si peretii vasului de sange. Elementele cheie sunt:-forma celulelor asimetrica;-componentele de tensiune membranoase;-momentele de incovoiere;-intrarea fluidului incelula;-sistemul rezultat din ecuatii diferentiale si conditii limita este rezolvat matematic pt a prezice forma celulelor si vascozitatea aparenta .Miscarea globulelor rosii intrand in capilar intr-o pozitie asimetrica a fost simulat folosind un model 2 D simplificat al mecanicii globulelor rosii.Mai multe experimente au luat in considerare efectul glicocalixului asupra miscarii globulelor rosii in capilare. S-a aratat ca un glicocalix cu o grosime de aproximativ 1 um, actionand ca un mediu poros cu rezistivitate hidraulica a condus la prezicerea valorilor vascozitatii aparente intr-un capilar de 6 um ca si in descoperirile in vivo deja descrise . O descoperire importanta a fost ca , o globula rosie in miscare se poate plimba pe suprafata glicocalixului in conditiile in care , o globula rosie statica se va intinde pentru a acoperi lumenul in intregime , compresand glicocalixul. Forta de forfecare rezultata din fluxul de sange a fost demonstrat ca este transmis catre celulele endoteliale prin intermediul punctelor de fixare al glicocalixului . Pries a propus ca structurile lant legate de membrana sub tensiune, ca rezultat al umflarii osmotice , transporta forta de forfecare in timp ce Weinbaum considera ca filamentele din strat se comporta ca niste grinzi.Glicocalixul poate ajuta pentru protejarea globulelor rosii impotriva deteriorarii mecanice in timpul tranzitului , pe care fiecare celula il face prin sistemul circulator in timpul vietii(120 zile).Modele de flux bidimensional In tuburi cu diametre de 7-8um sau mai mult ,globulele rosii pot prezenta flux bidimensional in functie de hematocrit . In cazul fluxului unidimensional , valorile scazute ale vascozitatii aparente observate in fluxul bidimensional rezulta in principal din prezenta unui strat fara celule , adiacent la peretele vasului . Un strat de plasma relativ ingust poate avea un impact substantial asupra vascozitatii aparente ,deoarece scade vascozitatea locala in regiunea din aproprierea peretelui unde disiparea enrgiei ar fi astfel concentrate. In cazul particulelor deformabile care curg in canale inguste sunt implicate 2 mecanisme:1.Tendinta de a migra departe de pereti2.Difuzia fortei induse Tendinta de a migra departe de pereti are 2 cauze : o forta de ridicare indusa de interactiunea particulelor care curg; rata de forfecare variabila intr-un profil de viteza parabolic . Concentratia de interactiune dintre particule este dependenta de hematocrit , iar grosimea stratului de celule libere scade odata cu cresterea hematocritului .Comportarea celulelor rosii in sisteme microfluidice Recent , abilitatea de a fabrica sisteme microfluidice folosind metode fotolitografice a adus noi posibilitati pt studierea si manipularea fluxului de sange in microscale geometrice.In ceea ce priveste rezistenta vaselor capilare ale fluxului sangvin , sistemele microfluidice pot fi folosite pentru a detecta schimburile in rezistenta la curgere asociata cu trecerea individuala de celule rosii si albe printr-un canal ingust. Efectele asupra deformarii globulelor rosii prin modificari chimice , proprietatile mecanice, pot fi evaluate prin observarea modificarilor formei celulelor individuale cand traverseaza un canal cu o contractie microfluidicaGlobulele rosii sunt cunoscute in eliberarea ATP-ului.Deformarea celulelor este unul din factorii ce afecteaza rata eliberarii ATP-ului , iar acest fenomen poate fi examinat la scari celulare folosind sisteme microfluidice.

Repartitia neuniforma a globulelor rosii in bifurcatiile vaselor divergente ofera o baza in separarea hematiilor de plasma sau sortarea lor in functie de proprietati in sisteme microfluidice , cu un potential diagnostic sau aplicatii terapeutice. Aceste experimente in combinatie cu noile abordari computerizate descrise mai sus , au condus la o crestere a activitatii de cercetare cu privire la proprietatile de curgere a sangelui la microscala.

Concluzii Experimentele clasice folosind tuburi de sticla au aratat o reducere semnificativa in vascozitatea aparenta la diametre mici , efectul Fahrsaeus-Lindquist si un set consistent de date pt vascozitatea aparenta . Studiile teoretice bazate pe proprietatile mecanice cunoscute ale hematiilor au condus la o predictie cantitativa de succes a vascozitatii aparente in fluxul unidimensional cu 25 de ani in urma , in timp ce pentru fluxul bidimensional , au fost realizate recent . Proprietatile mecanice ale hamtiilor umane si ale mamiferelor au fost studiate in detaliu si sunt bine caracterizate la un nivel cantitativ . Aceasta informatie ofera o baza buna pentru simularea teoretica a fluxului sangelui intr-o varietate de conditii. Progresul in toate aceste domenii este necesar pt a realiza o buna intelegere ale mecanismelor determinand vascozitatea aparenta a sangelui in microvase de sange .