Успехи физиологических наук, 2023, T. 54, № 1, стр. 3-25

ВВЕДЕНИЕ

Основная функция крови состоит в доставке кислорода и питательных веществ к каждой клетке и выведении из тканевых регионов продуктов обмена. Для успешной реализации этих задач кровь должна пройти по сложной сосудистой сети с переменным диаметром от 3 см до 5 мкм со скоростью течения, при которой будут удовлетворены все метаболические потребности тканей. Потоковые свойства крови во многом определяют эффективность тканевой перфузии и доставки кислорода в ткани, они зависят от давления, генерируемого сердечной мышцей, геометрии сосудов (их длины и диаметра) и от реологических свойств самой крови [63].

Система микроциркуляции выступает в качестве финальной точки назначения сердечно-сосудистой системы, где в конечном счете реализуется функция обмена кислородом между находящимися в капиллярах эритроцитами и клетками паренхимы, куда кислород доставляется в соответствии с энергетическими потребностями тканей и уровнем их функциональной активности [50].

Среди других функций микроциркуляции необходимо отметить регуляцию обмена растворенных веществ между внутрисосудистым и тканевым пространством и участие в транспорте всех переносимых кровью гормонов и питательных веществ к клеткам тканей, а также важный вклад в обеспечение функциональной активности иммунной системы и гемостаза. Микрососудистое русло, один из важнейших отделов сердечно-сосудистой системы, поскольку находится в непосредственном контакте с паренхиматозными клетками, что обеспечивает надлежащее функционирование и поддержание жизнеспособности тканей, органов и всего организма в целом [70].

В последнее время прослеживается выраженная тенденция к интеграции знаний о периферическом кровообращении, на смену изолированным исследованиям функционирования сосудистой стенки, биофизических свойств крови in vitro, оценке кровотока в микрососудистой сети приходят представления о взаимосвязанной и взаимозависимой системе кровоснабжения тканей, которая является неотъемлемым элементом их жизнедеятельности и адаптации к изменяющимся метаболическим потребностям.

В развитие классических представлений А.М. Чернуха, и исходя из важности рассмотрения микрососудов во взаимосвязи с окружающими их тканевыми и регуляторными элементами, было предложено понятие микроциркуляторно-тканевой системы, под которой подразумевается “комплекс, состоящий из совокупности специализированных клеток паренхимы, клеточного и неклеточного компонента соединительной ткани, кровеносных и лимфатических микрососудов, окончаний нервных волокон и объединенный в единую систему регуляторными механизмами”. Иными словами, микроциркуляторно-тканевая система представляет собой структурно-функциональную единицу органа [5].

Несмотря на специфику микроциркуляторно-тканевых систем различных органов, и связанные с этими особенности организации циркуляции, микрососудистая система имеет типичные морфофункциональные свойства. Единство кровоснабжения, нервной и гуморальной регуляции, обменных процессов и обеспечение гомеостатического баланса тканевых микрорайонов реализуется на уровне микроциркуляторно-тканевых систем, являющихся основой трофического и адаптивного обеспечения тканей, регуляторные влияния при этом затрагивают не только сосудистую систему, но и тканевые элементы [5].

Тесное взаимодействие микроциркуляции и тканевых регионов играет важную роль в локальной регуляции микрокровотока. Основная функция системы микроциркуляции состоит в адекватном обеспечении кислородом каждого органа и каждой клетки, и для успешной реализации этой функции система микроциркуляции должна быть способна гибко перестраиваться в соответствии с постоянно изменяющимися метаболическими потребностями органов и тканей в процессе жизнедеятельности. В тех случаях, когда имеет место дисфункция микрососудистой сети, может наблюдаться тканевая гипоксия, несмотря на супранормальные значения показателей транспорта кислорода [46].

В последнее время наряду с повышенным вниманием к функционированию системы микроциркуляции неуклонно растет интерес и к реологическим свойствам крови, и в особенности к микрореологическим свойствам эритроцитов – их деформируемости и агрегации, поскольку именно эти клетки крови ответственны за адекватное снабжение кислородом всех органов и тканей в соответствии с их текущими метаболическими потребностями [33]. По мере усовершенствования методов прижизненного исследования микроциркуляции, претерпевают изменения и представления о реологии крови в системе микрокровотока.

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРОВИ

Кровь представляет собой двухфазную концентрированную суспензию форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов) в жидкой среде – плазме крови. Процессы деформации и течения как цельной крови, так и ее форменных элементов изучает гемореология [6, 64, 110]. Основными направлениями исследований в этой научной области являются макроскопические измерения вязкости (вискозиметрия) и микроскопическая оценка свойств крови и ее составляющих in vitro и in vivo. Последняя включает в себя изучение межклеточных взаимодействий клеток крови между собой и с выстилающими микрососуды эндотелиоцитами.

Реологические свойства крови зависят от скорости сдвига, размеров и геометрии сосуда, в котором она находится. Кровь обладает свойством тиксотропии – способностью пластично-вязких жидкостей обратимо восстанавливать свою структуру, разрушенную механическими воздействиями. О том, что кровь при определенных условиях проявляет свойства неньютоновской жидкости известно достаточно давно и подтверждено многочисленными вискозиметрическими измерениями in vitro [64]. Однако реальное движение крови в микрососудистой сети, характеризующейся разветвленностью и изменяющейся геометрией, значительно отличается от существенно упрощенных условий оценки реологии крови in vitro. Свой вклад вносит и активность эндотелиальных клеток (например, их лиганд-рецепторное взаимодействие с клетками крови) и гликокаликс, покрывающий тонким слоем люминальную поверхность сосуда [89].

Реология крови известна как важная детерминанта тканевой перфузии и, в соответствии с уравнением Пуазейля, гемодинамическое сопротивление в сосудистой сети с постоянной геометрией (длиной и радиусом сосуда) прямо пропорционально вязкости крови [23, 24].

R = 8lη/πr⁴,

где R – гидроодинамическое сопротивление, l – длина сосуда; r – радиус сосуда; η – вязкость.

Существует множество механизмов, напрямую контролирующих калибр кровеносных сосудов, которые регулируют так называемую анатомическую составляющую сопротивления кровотоку посредством нейрогенных и биохимических сигналов. Дополнением к ним служит вязкость крови, которая является относительно постоянной в условиях нормы и может претерпевать изменения при повреждениях, заболеваниях и адаптации к изменяющимся условиям [1, 151].

Если исходить из формулы Пуазейля, рост вязкости крови должен способствовать увеличению гидродинамического сопротивления кровотоку и наоборот, при снижении вязкости сопротивление будет уменьшаться. Однако в реальных условиях кровотока отмечена выраженная нелинейность взаимосвязи этих параметров, не согласующаяся с законом Пуазейля, обусловленная регуляторными воздействиями текущей по сосудам крови и/или плазмы на их диаметр [64]. Ток крови продуцирует напряжение сдвига, воздействующее на мембраны эндотелиальных клеток, что ведет к выработке ими оксида азота и простациклина, это феномен так называемой биохимической механотрансдукции, который лежит в основе ауторегуляторного феномена – потокзависмой вазодилатации и регуляции давления крови с изменением ее вязкости [81].

Экспериментальные измерения вязкости крови человека демонстрируют, что с изменением скорости сдвига кажущаяся вязкость крови заметно меняется. При скоростях сдвига выше 100 с^–1 (типичных для многих кровеносных сосудов in vivo) отклонение поведения крови от ньютоновского становится незначительным, и кажущаяся вязкость крови приближается к некоторому постоянному значению. Однако при уменьшении скорости сдвига вязкость крови постепенно возрастает.

Общей причиной зависимости кажущейся вязкости от скорости сдвига является изменение ее внутренней структуры, поэтому такая вязкость называется структурной. В зоне низких скоростей сдвига, характерных для кровотока в венулах и венах, формируются структуры из агрегатов эритроцитов. По мнению некоторых авторов, более 50% сопротивления кровотоку в венах связано с агрегацией эритроцитов, а почти все его изменения опосредованы динамикой агрегационного процесса в этом отделе системы кровообращения [76].

Зависимость вязкости крови от диаметра сосудов имеет сложный характер. В соответствии с эффектом Фареуса–Линдквиста, кажущаяся вязкость крови снижается при уменьшении диаметра сосуда менее 0.3 мм. При этом, чем меньше калибр сосуда, тем значительнее снижение вязкости крови и, в конечном счете, она приближается к вязкости плазмы (за счет образования пристеночного слоя плазмы, аксиального дрейфа эритроцитов и снижения гематокрита).

Однако при значениях диаметра менее некоторого критического уровня наблюдается обратный эффект – вязкость крови и сопротивление кровотоку существенно возрастают. Величина критического диаметра в значительной степени определяется внутренней вязкостью эритроцитов и степенью их агрегации. Внезапный и кратковременный рост вязкости крови может быть обусловлен резким изменением агрегируемости эритроцитов или тромбоцитов, изменением уровня рН. Даже начальные стадии процесса свертывания крови способствуют повышению степени агрегации эритроцитов [64].

Небольшие изменения двух или более факторов, влияющих на реологию крови, способны вызвать усиленное синергичное повышение вязкости и увеличение критического диаметра, при котором проявится обратный эффект Фареуса–Линдквиста [124]. Такие многократно усиленные по механизму положительной обратной связи даже локальные нарушения могут спровоцировать остановку кровотока.

Поскольку количественные измерения реологических свойств крови в системе микроциркуляции в условиях in vivo на сегодняшний день составляют определенную методическую проблему, основные представления о реологии крови базируются на измерениях вязкости in vitro с использованием ротационных либо капиллярных вискозиметров.

Вязкость крови как свойство этой жидкой ткани кроме вышеназванных внешних факторов зависит от вязкости плазмы, показателя гематокрита (объемной концентрации ее форменных элементов, преимущественно эритроцитов) и от микрореологических свойств красных клеток крови – их деформируемости и агрегации [7, 64].

МИКРОЦИРКУЛЯЦИЯ КАК ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА

В организме человека различают органы, имеющие определенную локализацию (легкие, сердце, головной мозг, кожа и т.д.) и комплексные распределенные системы, такие как нервная, иммунная система, система кровообращения, к ним же относится и система микроциркуляции. Ангиогенез на уровне микроциркуляции отличается стохастическим характером, при этом формируется микрососудистая сеть с мельчайшими сосудами – капиллярами, диаметр которых сопоставим с размерами клеток крови (порядка 5 мкм) [122]. Если системное кровообращение имеет определенную структуру и строение, то на уровне микрокровотока рост и изменения сосудистой сети происходят под управлением локальных тканевых факторов [101, 154].

Сократительная активность гладких миоцитов сосудистой стенки обеспечивает поддержание оптимального диаметра сосудов в системе микроциркуляции и сопряжена с их способностью поддерживать сосудистый тонус в течении длительного времени. На мышечный компонент сосудистой стенки непосредственно воздействуют основные тонусформирующие факторы в системе микроциркуляции – нейрогенный, миогенный и эндотелиальный механизмы регуляции просвета сосудов. В физиологических условиях собственно миогенный компонент регуляции в чистом виде локализован на прекапиллярах и сфинктерах, нейрогенная регуляция затрагивает артериолы и артериоло-венулярные анастомозы, мишенью эндотелиальной регуляции диаметра сосудов являются по большей части более проксимальные сосуды (мелкие артерии, крупные артериолы) [5].

Особое место в регуляции тонуса микрососудов наряду с нейрогенной и гормональной регуляцией принадлежит локальной (местной) регуляции, поскольку именно она способна оперативно управлять кровотоком в соответствии с постоянно изменяющимися потребностями тканей. И это служит дополнительным аргументом в пользу представлений о микроциркуляторно-тканевой системе, где все подчинено решению основной задачи – обеспечению оптимального уровня жизнедеятельности тканевого региона. Для поддержания адекватного потребностям ткани кровотока существует “самоуправление периферии в виде гистометаболических, кислородзависимых и гистомеханических механизмов”, сочетанное воздействие которых модулирует регионарный микрокровоток относительно независимо от центральных гемодинамических и рефлекторных влияний. На уровне обменных сосудов (капилляров), не имеющих сократительных элементов, объектами регуляции выступают число функционирующих (перфузируемых) капилляров, отражающих площадь обменной поверхности, и те процессы обмена, которые реализуются через сосудистую стенку (массоперенос растворенных веществ) [5].

Сосуды микроциркуляторного русла почти полностью выстланы эндотелиальными клетками, которые фенестрированы и содержат поры, связь между ними осуществляют различные молекулы, включая кадгерины, а также токопроводящие щелевые контакты, которые обеспечивают восходящую электрическую связь между эндотелиоцитами. Эти эндотелиальные структуры различаются по плотности и морфологии в сосудах различных органов. Эндотелиоциты в симбиозе с гладкомышечными клетками сосудистой стенки влияют на микрососудистый кровоток преимущественно за счет регуляции сосудистого тонуса артериол и прекапиллярных сфинктеров. Одной из важнейших субклеточных структур эндотелия, опосредующей его функцию, является гликокаликс, присутствующий на люминальной поверхности эндотелия [71, 146].

Гликокаликс представляет собой гелеобразный слой толщиной 0.2–0.5 мкм, синтезированный эндотелиоцитами, состоит он из 3 основных компонентов, протеогликанов, гликозаминогликанов и адгезивных белков плазмы, и “захватывает” различные вещества, такие как антитромбин и супероксиддисмутаза. Гликокаликс играет ключевую роль в поддержании гомеостаза сосудов, контролирует проницаемость сосудов и тонус микроциркуляторного русла, предотвращает микрососудистый тромбоз и регулирует адгезию лейкоцитов. Принято считать, что целостность гликокаликса является основной детерминантой сосудистого барьера, однако в исследованиях Guerci P. и соавт. было показано, что в условиях шока барьерная функция сосудистой стенки сохраняется и при повреждении и сбросе гликокаликса [60].

Гликокаликс отталкивает эритроциты от люминальной поверхности эндотелия, способствуя их дальнейшему продвижению по сосудистому руслу, препятствует адгезии тромбоцитов к сосудистой стенке и ослабляет взаимодействие между тромбоцитами и лейкоцитами [4].

ГЕМОРЕОЛОГИЯ И ГЕМОДИНАМИКА. РЕГУЛЯЦИЯ МИКРОКРОВОТОКА

К системе микроциркуляции принято относить сосудистую сеть, включающую артериолы, капилляры и венулы, и максимальный диаметр сосудов в этой сети не превышает несколько сот микрометров (по разным оценкам от 100 до 300 мкм) [63, 64, 101]. Число Рейнольдса, отражающее гидродинамический режим движения и степень его турбулентности, в таких сосудах невелико, поэтому течение крови принято считать ламинарным и подчиняющимся закону Стокса, на основании чего в таких условиях можно говорить о параболическом распределении скоростей (профиле скоростей) в сечении трубки (сосуда). Если геометрия сосуда неизменна, движение крови определяется ее суспензионными свойствами.

В сосудах с диаметром, значительно превышающем размеры клеточных элементов, кровь рассматривают как континуум с нелинейными реологическими свойствами. Если просвет микрососуда сопоставим с диаметром клеток, о континууме говорить не приходится, реологическое “поведение” крови усложняется, отмечается уменьшение гематокрита в микрососудистой сети, варьирование кажущейся вязкости крови с изменением диаметра сосуда, неравномерное распределение гематокрита (форменных элементов) при ветвлении сосудов в точках бифуркации [64].

При изучении движения крови в стеклянных трубках было продемонстрировано, что кажущаяся вязкость крови значительно снижается при уменьшении диаметра сосуда менее 300 мкм (уровень микроциркуляции) (эффект Фареуса–Линдквиста), а при уменьшении диаметра сосуда до критических для пассажа клеток размеров (порядка 3–5 мкм), наблюдается обратный эффект Фареуса–Линдквиста – рост кажущейся вязкости крови, поскольку на этом уровне определяющим фактором становятся клеточные свойства [24, 128].

Значения сопротивления кровотоку на уровне микроциркуляции оказались существенно выше в условиях кровотока по сосудистой сети in vivo в сравнении с оценками, полученными в экспериментах in vitro при течении в стеклянных трубках. Логично предположить, что сосудистая стенка, являясь активным участником циркуляции крови, вносит свой вклад в это несоответствие. В качестве одной из возможных причин несоответствия было названо наличие гликокаликса на поверхности эндотелиальных клеток.

Эндотелий, длительное время считавшийся пассивной сосудистой оболочкой, в настоящее время рассматривается в качестве независимой системы, играющей важную роль в процессах тромбоза и тромболизиса, взаимодействия тромбоцитов и лейкоцитов с сосудистой стенкой, в регуляции сосудистого тонуса и пассажа крови [146]. Эндотелий экранирован от патогенных воздействий эндотелиальным гликокаликсом – гелеобразным отрицательно заряженным слоем, состоящим из сульфатированных гликозаминогликанов и протеогликанов, который выполняет защитную функцию в отношении эндотелиоцитов, уменьшая воздействие на них напряжения сдвига, индуцированного потоком крови [71, 146].

Напряжение сдвига – это сила, прикладываемая к верхнему слою ламинарно текущей жидкости, вызывающая смещение нижележащих слоев относительно друг друга в направлении прикладываемой силы [112]. В случае повышения напряжения сдвига, опосредованного через гликокаликс, эндотелий увеличивает выработку оксида азота, вызывающего вазодилатацию и снижение напряжения сдвига. Под действием напряжения сдвига эндотелиоциты существенно усиливают выработку гиалуроновой кислоты в гликокаликсе, что также уменьшает напряжение сдвига. Повреждение гликокаликса нарушает эти механизмы и реакцию эндотелия на напряжение сдвига, что может приводить к развитию тромбоза и атеросклероза [4].

Более 80 лет назад А. Крог предложил модель транспорта кислорода в ткани, которая базировалась на процессе диффузии кислорода в направлении условного цилиндра (цилиндра Крога), окружающего каждый капилляр. Эта модель продемонстрировала ограничения диффузии и смогла объяснить почему ткани с высоким уровнем потребления кислорода отличаются высокой плотностью капилляров. Также модель Крога показала, что недостаточно просто доставить к органу адекватное количество кислорода, необходимо еще и распределить его в точном соответствии с его потребностями [64].

Артериолы, которые контролируют сосудистое сопротивление в микрососудистой сети органа, а, следовательно, и приток крови, также отвечают за регуляцию распределения кислорода в пределах тканевого региона. Для обеспечения эффективного контроля, ответ микрососудов на изменяющиеся условия), например, повышенная потребность в кислороде, сниженная доставка кислорода) должен быть тесно интегрирован в пределах микрососудистого русла. Клеткам эндотелия принадлежит определяющая роль в интеграции локальных стимулирующих сигналов, эта функция реализуется посредством межклеточной коммуникации в микрососудистом эндотелии [126] или трансдукцией сигнала в ответ на локальное напряжение сдвига, обусловленное изменениями микрокровотока [79, 80]. К примеру, если сосудорасширяющий стимул возникает на уровне капиллярной сети, сосудистый эндотелий способствует проведению сигнала к артериолам, снабжающим эти капилляры, вызывая их дилатацию и тем самым увеличивая приток крови к данному региону. Эндотелий, выстилающий артериолы большего диаметра и резистивные артерии, обеспечивает “восходящую” передачу сигнала в ответ на локальное повышение напряжения сдвига с последующей дилатацией этих сосудов и снижением сосудистого сопротивления до возвращения сдвигового напряжения к исходному уровню. В отсутствие такого интегрированного ответа будет происходить “обкрадывание” соседних регионов [46].

Более 50 лет назад впервые было зафиксировано, что уровень кислорода снижается по ходу артериолярного дерева и до 2/3 кислорода, доставляемого в ткани, уже было экстрагировано по мере достижения кровью капиллярного русла [45]. Это было подтверждено другими исследователями на разных органах с использованием различных методических подходов [47, 142]. И хотя пока не совсем понятно, с чем связаны такие прекапиллярные “утечки” кислорода, было продемонстрировано, что часть кислорода, покинувшего артериолы, может реоксигенировать эритроциты в близлежащих капиллярах путем диффузии. Если кислород может перемещаться таким образом из артериол в капилляры, вполне возможно существование кислородного обмена и между капиллярами с различным уровнем кислорода, между артериолами и венулами. Кроме того, количественные оценки микрокровотка продемонстрировали значительную пространственную гетерогенность капиллярной перфузии [46].

Уникальные реологические свойства эритроцитов, циркулирующих в местах ветвления микрососудов (эффект Фареуса и проскальзывание плазмы в точках бифуркации) способствуют проявлению достаточно широкого диапазона распределения гематокрита в капиллярах и скоростей движения эритроцитов. Гетерогенность микрососудистого гематокрита, падение сатурации кислорода в прекапиллярной зоне и диффузионный обмен кислорода между микрососудами означают, что кровоток сам по себе не может быть адекватным индикатором адекватной доставки кислорода в ткани [46]. Это приобретает особое значение в плане регуляции кислородного снабжения, в особенности в условиях патологии и при исследовании доставки кислорода в условиях in vivo.

Обмен нутриентов и метаболитов требует наличия проницаемого эндотелиального барьера, контролирующего пассаж биомолекул и жидкости между кровью и интерстициальным пространством. Что касается транспорта кислорода, три типа клеток внутри сосудистой системы (гладкомышечные клетки сосудистой стенки, эндотелиоциты и эритроциты) выполняют согласованную работу, чтобы обеспечить адекватный транспорт кислорода к месту его потребления [21].

Соответствие потребности в кислороде и его доставки в скелетные мышцы [123] и головной мозг [51] в определенной степени изучено, хотя обсуждение механизмов в основном сосредоточено на регулировании функции кровеносных сосудов, т.е. на клетки, составляющие сосудистую стенку: эндотелиоциты и гладкие миоциты.

В последнее время появляется все больше свидетельств того, что эритроциты наряду с транспортной функцией способны выполнять функции детекции гипоксии и локальной регуляции кровотока в соответствии с метаболическими потребностями тканевого микрокрайона, поскольку их свойства зависят от парциального напряжения кислорода. Например, было показано, что свойства эритроцитов претерпевают существенные изменения в ответ на физические нагрузки, которые сказываются на доступности кислорода и на его потреблении тканями [42].

Гипотеза о том, что эритроциты наряду с эндотелиоцитами и гладкими миоцитами сосудистой стенки выступают в качестве равноправных участников процесса регуляции микрокровотока в соответствии с локальными потребностями тканей выдвинута относительно недавно. Внутриэритроцитарные сигнальные пути регулируют высвобождение кислорода и модифицируют реологические свойства красных клеток крови, а также высвобождение ими вазоактивных соединений в ответ на воздействие специфических лигандов, сигнализирующих о потребности в кислороде посредством активации мембранных рецепторов эритроцитов [21].

ЭРИТРОЦИТЫ В СИСТЕМЕ МИКРОЦИРКУЛЯЦИИ

Интегративная физиология красных клеток крови рассматривает всю их совокупность (как циркулирующих, так и находящихся в костном мозге) как рассредоточенный, но единый орган – эритрон [117].

Продолжительность жизни зрелого эритроцита составляет около 120 дней, большую часть из этого времени эритроциты находятся в системе микроциркуляции, где подвергаются значительным биомеханическим и биохимическим стрессовым воздействиям. Уникальная физиология эритроцитов позволяет ему адаптироваться к этим воздействиям и успешно функционировать в сложных условиях циркуляции [117].

В системной и легочной микроциркуляции эритроциты подвергаются высокоамплитудным деформациям, в результате чего происходят биофизические и биохимические изменения, ведущие к элиминации красных клеток крови из циркуляции ретикулоэндотелиальной системой. Была выдвинута гипотеза о том, что многократные механические воздействия (пассаж через микроканалы с применением методов микрофлюидики) могут моделировать ускоренное старение. Протеомный анализ механически “состаренных” эритроцитов позволил выявить значительные потери эссенциальных белков, задействованных в антиоксидантной защите, транспорте газов и клеточном метаболизме [54].

Эксперименты по искусственной ригидификации эритроцитов свидетельствуют о значительном ухудшении перфузии тканей при снижении деформируемости эритроцитов. В реальных условиях кровотока модификация деформируемости эритроцитов менее значима, поскольку они все же сохраняют некоторую (хотя и сниженную) способность к деформации и нарушения микрокровотока имеют место лишь в сосудах самого мелкого калибра, более крупные сосуды такие эритроциты проходят. Поэтому кроме видимых (overtly) реологических нарушений (как например, при серповидноклеточной анемии, когда эритроциты необратимо ригидифицированы), можно говорить и о скрытых (covertly) нарушениях реологии крови, которые не приводят к окклюзии сосудов, но ухудшают перфузию тканей [19].

Деформируемость эритроцитов может изменяться обратимо, либо необратимо, последнее ведет к эриптозу [34]. Высказывается мнение, что некоторые воздействия приводят к обратимым изменениям деформируемости эритроцитов, и таким образом включены в физиологическую регуляцию, в то время как другие влияния вызывают необратимые изменения деформируемости красных клеток крови, что выступает в качестве начального этапа эриптоза, т.е. программируемой гибели эритроцитов. Например, процесс ригидификации эритроцитов при физических нагрузках – это скорее всего обратимый физиологический механизм, а изменения красных клеток крови в условиях патологии (в условиях воспаления, при диабете 2 типа, серповидноклеточной анемии и т.д.) по всей вероятности инициируют процесс эриптоза [33].

Важную роль в обеспечении деформируемости эритроцитов играют и физико-химические свойства среды, окружающей клетку (термические воздействия, рН, осмолярность, белки плазмы крови и оксидативный стресс). Однако на деформируемость эритроцитов и эриптоз способны оказать влияние еще и многие другие факторы. Это позволяет предположить, что определенные гомеостатические регуляторные циклы адаптируют жесткость эритроцитов к физиологическим условиям с целью оптимизации доставки кислорода в ткани в соответствии с их потребностью. Эритроциты отличаются высокой устойчивостью и обладают способностью к восстановлению, если изменяются условия окружения или прекращается действие стрессорных факторов, однако как в любых физиологических или молекулярных сигнальных путях, наступает точка невозврата, после которой восстановление становится невозможным. Результатом воздействий, которые необратимо повреждают красные клетки крови, становится полная их деструкция и удаление из кровотока. Клиренс ригидных эритроцитов в селезенке – это основной регулятор деформационных свойств эритроцитов [34].

В основе процесса транспорта кислорода эритроцитами, движущимися в системе микроциркуляции, лежат два базовых механизма – конвекция транспортирующих кислород эритроцитов и диффузия кислорода из красных клеток крови к митохондриям клеток тканей [61]. Первый компонент кислородного транспорта в ткани определяется потоковыми свойствами эритроцитов в крови (флакс), а диффузионная составляющая может быть охарактеризована плотностью функционирующих капилляров [27].

КИСЛОРОДЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ МИКРОКРОВОТОКА

Кислородзависимый механизм регуляции микрокровотока является составной частью метаболической регуляции, но ввиду важности его иногда рассматривают как самостоятельный механизм. Уровень активности метаболизма ткани и, соответственно, потребления ею кислорода является основным фактором, определяющим диффузию кислорода из крови в ткань.

Действие кислорода как регуляторного фактора может быть как прямым, так и непрямым. Прямое воздействие осуществляется на сосудистую стенку, которая содержит сенсор кислорода, реагирующий на парциальное напряжение кислорода в периартериолярном пространстве. Непрямое действие реализуется через вторичные метаболиты и пусковым сигналом служит тканевой или конечный капиллярный уровень напряжения кислорода. Сенсоры локализуются в тканевых митохондриях, эндотелии капилляров или стенке венул. В качестве уникального мобильного сенсора кислорода, как показано исследованиями последних лет, способны выступать и эритроциты [48, 74]. Поскольку в системе микроциркуляции прямой механизм требует значительного падения периартериолярного напряжения кислорода, в физиологических условиях, по всей видимости, преобладает непрямой механизм регуляции.

Кроме основной функции эритрона (транспорта кислорода от легких к тканям), в настоящее время доказано его активное участие в регуляции сосудистого тонуса (вазорегуляция), что лежит в основе оптимизации регионарного кровотока с целью обеспечения доступности кислорода в легких и его потребления на периферии. В случае недостаточного поступления кислорода регуляция его доставки обеспечивается варьированием кровотока, а не содержанием кислорода, поскольку содержание кислорода относительно фиксированная величина, в то время как показатели кровотока могут изменяться в диапазоне нескольких порядков. Таким образом, объемный кровоток и его распределение – это физиологические параметры, которые наиболее активно регулируются для поддержания соответствия между доставкой кислорода и потребности в нем.

Система обратной связи, ответственная за регуляцию доставки кислорода в тканевые регионы, должна быть способна контролировать и при необходимости регулировать поступление кислорода в ткани на уровне микроциркуляции. Еще три десятилетия назад впервые было продемонстрировано, что в условиях гипоксии и гиперкапнии эритроциты высвобождают АТФ, которая потенциально может выполнять функцию вазодилататора [30]. Было высказано предположение, что эритроциты, проходя через регионы с низким напряжением кислорода, стимулируют локальную вазодилатацию, увеличивая приток крови к этому региону. АТФ, связываясь с P_2y1 и P_2y2 пуринорецепторами эндотелия, вызывает расширение сосудов за счет релаксации гладких миоцитов сосудистой стенки вследствие выработки эндотелиоцитами оксида азота, простациклина или эндотелиального гиперполяризующего фактора [156].

Роль эритроцитов в этом процессе подтверждена экспериментами Dietrich и соавт., которые показали, что ваодилатационный ответ изолированной церебральной артерии на низкое напряжение кислорода реализуется только в присутствии эритроцитов (если ее перфузируют суспензией эритроцитов), при использовании в качестве перфузата физиологического раствора в отсутствие красных клеток крови реакция отсутствовала [44]. Количественная оценка высвобождения АТФ эритроцитами подтвердила, что этот процесс осуществляется достаточно быстро, чтобы быть физиологически значимым [57].

Впоследствии было доказано, что эритроцит выступает не только в качестве регулятора локального кровотока в соответствии с метаболическими потребностями тканей, но и выполняет роль сенсора гипоксии, поскольку количество высвобождаемого АТФ прямо пропорционально степени деоксигенации гемоглобина и регуляция гликолиза дезоксигемоглобином в эритроцитах выступает в качестве начального этапа сигнального пути высвобождения АТФ [72, 58, 48 ]. Последующие исследования регуляторной функции эритроцитов позволили прийти к выводу, что эти клетки – не просто редуцированные “резервуары”, предназначенные лишь для транспорта кислорода, но идеально приспособлены для контроля и регуляции доставки кислорода в микрососудистой сети [129].

ATФ высвобождается эритроцитами в ответ на снижение парциального давления кислорода [30, 134], на воздействие механического стресса [147], под влиянием фармакологических агентов, таких, как аналог простациклина илопрост [133] и агонист β-адренорецепторов изопротеренол [134]. Сигнальные пути, обеспечивающие высвобождение АТФ из эритроцитов млекопитающих, включают в себя гетеротримерные G белки семейства Gs и Gi [132, 106 ], аденилатциклазу, цАМФ, и протеинкиназы А и С (PKA, РКС) [15].

Эритроциты выполняют функцию сенсора кислорода в тканях, контролируя сосудистое сопротивление благодаря кислород-зависимому высвобождению АТФ [48, 73]. Высвобождение АТФ эритроцитами может быть уменьшено под влиянием NO за счет ингибирования белков Gi [106].

Еще один из механизмов локальной регуляции регионарного кровотока основан на способности эритроцитов захватывать, депонировать и высвобождать оксид азота (в том числе и синтезированный самими эритроцитами) в зависимости от степени оксигенации гемоглобина, которая напрямую взаимосвязана с метаболической активностью ткани и потреблением ею кислорода [129].

Jia L. и соавт. продемонстрировали, что NO связывается с оксигемоглобином, образуя S-нитрозогемоглобин и может высвобождаться при деоксигенации гемоглобина в тканях с низким парциальным давлением кислорода [75]. Кроме того, дезоксигемоглобин может восстанавливать нитриты с образованием NO [74]. Эритроциты человека сами синтезируют NO ферментативным путем, показано наличие у них активной NO-синтазы эндотелиального типа (NOS), которая активируется под действием напряжения сдвига [148], синтезированный эритроцитами NO высвобождается в интравазальное пространство и оказывает влияние на сосудистый тонус [43]. Экспериментально продемонстрировано, что высвобождение оксида азота эритроцитами под действием напряжения сдвига, по величине соответствующего реальным условиям кровотока в системе микроциркуляции, способно вызвать дилатацию изолированных мелких брыжеечных артерий крысы [21, 149].

Известно, что Hb эритроцитов способен депонировать NO [17], это было основанием для контраргументов в дискуссии о возможности высвобождения оксида азота эритроцитами. Сродство гемоглобина к NO уменьшается в деоксигенированном состоянии, поэтому высвобождение NO из эритроцитов облегчается при деоксигенации, способствуя регуляции вазомоторной функции сосудов [135]. Кроме того, было продемонстрировано, что анионный обменник (белок полосы III) на мембране эритроцитов может способствовать экспорту NO синтезированного эритроцитами или высвобождаемого из S-нитрозогемоглобина [107].

Стоит отметить, что от степени оксигенации гемоглобина в эритроцитах зависит внутриклеточная передача сигналов [20], действие гормонов и вазоактивных агентов [145], ионный транспорт [31] и деформируемость [150] эритроцитов.

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРОВИ КАК ИНТРАВАЗАЛЬНЫЙ ФАКТОР РЕГУЛЯЦИИ МИКРОКРОВОТОКА

СВЕРТЫВАНИЕ КРОВИ И РЕОЛОГИЯ

Процессы свертывания крови играют важную роль в поддержании адекватного функционирования системы микроциркуляции, любые нарушения этого сложного каскада реакций могут спровоцировать нарушение сложного баланса свертывающей и противосвертывающей систем крови.

Классическая триада Рудольфа Вирхова, обозначившая ключевые факторы тромбообразования, включает в себя нарушение целостности сосудистой стенки (в первую очередь ее эндотелиального слоя), изменения состава и свойств самой крови и скорости кровотока. Если первые два фактора интенсивно изучались и здесь достигнуты определенные успехи, то исследованию влияния условий течения крови на процесс тромбообразования уделялось недостаточно внимания.

Первые исследования в этой области были предприняты в 70-гг. прошлого столетия, и с тех пор экспериментально было показано, что скорость кровотока оказывает существенное влияние на количественные и качественные характеристики тромбогенеза.

Начальным этапом свертывания крови является первичный (тромбоцитарно-сосудистый) гемостаз, который играет важную роль как в физиологических условиях, так и при патологии. Нестимулированные тромбоциты циркулируют в виде гладких дискоидных клеток с незначительной метаболической активностью. Такие тромбоциты не вступают в физиологически значимое взаимодействие с другими форменными элементами периферической крови или монослоем эндотелиальных клеток, выстилающим эндоваскулярное пространство. Физиологическая активация тромбоцитов начинается тогда, когда поврежден сосудистый эндотелий и обнажен субэндотелиальный внеклеточный матрикс. При этом происходит быстрая адгезия тромбоцитов к обнаженному субэндотелиальному экстрацеллюлярному матриксу в целях остановки кровотечения и репарации поврежденных тканей. На следующих этапах первичного гемостаза происходят активация и агрегация тромбоцитов с формированием тромбоцитарной пробки [86].

В условиях in vivo и адгезия, и агрегация тромбоцитов включает переход от движения в потоке к фиксации на поверхности. В случае адгезии поверхность, к которой прикрепляются тромбоциты, это сосудистая стенка либо окружающие ткани, адгезивными субстратами выступает эндогенный матрикс или мембранные протеины и протеогликаны со связанными компонентами плазмы. В случае агрегации поверхностью является мембрана соседних тромбоцитов, которые уже иммобилизованы в месте формирования тромба и предоставляют мебраносвязанные субстраты, перемещенные из внутренних мест хранения в процессе активации или извлеченные из плазмы. Таким образом, и на процесс адгезии, и на процесс агрегации тромбоцитов оказывают влияние условия течения крови, т.е. ее реология [49, 69].

Традиционная модель агрегации тромбоцитов, разработанная на основе оценки этого процесса в агрегометре включает три основных элемента: активирующий стимул (индуктор, как правило растворимый агонист), плазменный белок (фибриноген), и мембранный рецептор тромбоцитов (интегрин αIIbβ3 или GPIIb-IIIa). Агонист-индуцированная активация интегрина необходима для связывания растворенного фибриногена, который благодаря своей структуре “сшивает” мостиками два соседних тромбоцита.

Однако использование агрегатометрии тромбоцитов in vitro не позволяет учитывать влияние кровотока, важной переменной, существенно повышающей сложность процесса агрегации тромбоцитов. В агрегометре тромбоциты объединяются в агрегаты в условиях низкосдвигового не ламинарного течения, такие экспериментальные условия не способны адекватно моделировать когезию тромбоцитов на тромбогенной поверхности в реальных условиях циркуляции.

Влияние различных режимов течения крови на процесс формирования тромба проявляется в таких известных фактах, как образование “белого” тромба (состоящего в основном из тромбоцитов) в артериальном отделе сосудистой системы, где скорость кровотока высокая и красного тромба (с участием эритроцитов и фибрина) в венозном ее отделе, где скорость движения крови относительно низкая [28].

Условия течения крови или ее реологические свойства в месте повреждения сосудистой стенки оказывают существенное влияние на адгезию и агрегацию тромбоцитов. В условиях циркуляции in vivo тромбоциты подвергаются воздействию разных гемодинамических условий: от относительно медленного течения в венулах и крупных венах (средние пристеночные скорости сдвига составляют порядка 500 с^–1) до мелких артериол, где скорости сдвига могут достигать 5000 с^–1. В стенозированных артериях скорости сдвига увеличиваются до 40 000 с^–1 [118].

Тромбоциты обладают уникальной способностью формировать прочные адгезионные контакты при любых сдвиговых условиях течения имеющих место in vivo с последующим формированием тромбоцитарной пробки и в конечном итоге тромба даже при высоких скоростях сдвига [59].

Стойкая адгезия тромбоцитов включает следующие процессы: прикрепление, роллинг, активацию и адгезию. Субэндотелиальный внеклеточный матрикс содержит ряд адгезивных макромолекул таких как коллаген, фактор фон Виллебранда, ламинин, фибронектин и тромбоспондин, которые служат лигандами для различных мембранных рецепторов тромбоцитов [88].

Тромбогенный фибриллярный коллаген типа I и III является самым мощным медиатором адгезии тромбоцитов благодаря выраженной способности активировать тромбоциты и высокой аффинности к фактору фон Виллебранда. Тромбоциты имеют два вида рецепторов, опосредующих их взаимодействие с коллагеном – гликопротеин VI (GPVI) и интегрин α2β1. Рецептор к коллагену α2β1 также известен как GPIa/IIa, VLA-2, или CD49b/CD29. Оба эти рецептора действуют синергично, усиливая активность друг друга в целях оптимальной адгезии и активации на коллагене.

Первоначальное адгезивное взаимодействие тромбоцитов с внеклеточным матриксом существенно зависит от локальных реологических условий. Циркулирующие тромбоциты и сосудистая стенка разделены слоем плазмы и не могут взаимодействовать если расстояние между ними превышает 100 нм. Межмолекулярные связи могут формироваться при снижении дистанции до 10 нм и менее. Минимальное расстояние зависит от длины молекул, участвующих в адгезии, их конформации и положения реакционных центров [69].

Формирование связи между мембранным рецептором и адгезивным лигандом при их сближении на достаточное расстояние возможно в том случае, если скорость формирования связи выше относительной скорости движения этих молекул друг относительно друга. Поэтому количество адгезированных клеток уменьшается при увеличении скорости сдвига.

Напряжение сдвига оказывает противоположное влияние на прочность уже образовавшихся адгезивных контактов: при возрастании напряжения сдвига уже сформированные адгезивные контакты могут разрушаться. Различные способы реализации адгезии тромбоцитов при разных условиях течения определяются биомеханическими свойствами разных лиганд-рецепторных пар.

При невысоких скоростях сдвига (менее 1000 c^–1, имеет место в венах) адгезия тромбоцитов происходит посредством связывания с коллагеном, фибронектином и ламинином. При высоких скоростях сдвига (более 1000 c^–1), при течении крови в мелких артериях и в системе микроциркуляции, а также по стенозированным сосудам (при атеросклерозе) основным механизмом становится взаимодействие мембранных рецепторов тромбоцитов с гликопротеином Ibα (GPIbα) и VWF (находящихся либо во внеклеточном матриксе, либо экспонированных на открытом коллагене). Это взаимодействие замедляет быстрое движение тромбоцитов и способствует образованию дополнительных связей, способствующих прикреплению тромбоцитов и последующим процессам первичного гемостаза [32]. При очень высоких скоростях сдвига (более 10 000 c^–1) не активированные тромбоциты могут связываться с иммобилизованным фактором фон Виллебранда, способствуя тромбообразованию в условиях высокосдвигового течения, когда быстрый кровоток затрудняет формирование адгезивных связей и снижает локальную концентрацию агонистов [38].

Финальный этап адгезии тромбоцитов и их прикрепления к внеклеточному матриксу включает активацию тромбоцитов с повышением аффинности β1и β3 интегринов. Наиболее распространенный интегрин тромбоцитов – это αIIbβ3 (GPIIb/IIIa). Прочное связывание тромбоцитов запускает активацию сигнальных путей с участием тирозинкиназ, рецепторов, сопряженных G-белками, что ведет к росту внутриклеточного кальция, реорганизации цитоскелета и активации интегринов. Следующим этапом становится контролируемая реакция высвобождения. Тромбоцитарные гранулы высвобождают свое содержимое (набор биоактивных молекул) в близлежащем от клетки пространстве. Пара- и аутокринная природа сигнала способствует активации соседних тромбоцитов, вызывая вторичную секрецию и многократное усиление процесса активации тромбоцитов. В тромбоцитах различают три типа гранул: альфа-гранулы, плотные (дельта) гранулы и лизосомы (лямбда-гранулы). Альфа-гранулы содержат около 280 различных протеинов (хемокины, факторы роста, про- и антитромботические молекулы). Плотные гранулы секретируют АДФ – основной индуктор агрегации тромбоцитов [32, 88].

За адгезией и активацией тромбоцитов следует их агрегация с формированием богатого фибриногеном тромба в месте повреждения сосуда. Агрегация тромбоцитов представляет собой сложный динамический процесс с вовлечением множества лигандов (таких как фибриноген, фибронектин, фактор Виллебранда), рецепторов (GPIbα и αIIbβ3) и тромбоцитов на разных стадиях их активации.

Экспериментальные исследования агрегации тромбоцитов в потоке позволили установить, что многочисленные лиганды (фактор Виллебранда, фибриноген, фибронектин и др.) регулируют взаимодействие тромбоцитов и каждый лиганд имеет определенную роль в процессе тромбообразования [69].

Исследования процесса агрегации позволили идентифицировать три различных механизма агрегации клеток на первичном слое адгезированных тромбоцитов. При низких скоростях сдвига (менее1000 c^–1), агрегация тромбоцитов опосредуется главным образом взаимодействием αIIbβ3–фибриноген. Симметрия фибриногена позволяет формировать своеобразные мостики между тромбоцитами, таким образом объединяя их в агрегаты. При исследовании этого процесса в агрегометре он не зависит от GPIbα–VWF. В проточных камерах, где тромбоциты взаимодействуют с тромбогенной поверхностью при низких скоростях сдвига, как это имеет место в венулах и крупных венах, основным механизмом агрегации тромбоцитов остается взаимодействие αIIbβ3–фибриноген, этот процесс может происходить без участия фактора фон Виллебранда и фибронектина.

При скоростях сдвига от 1000 до 10 000 c^–1 агрегация реализуется в два этапа: начальная стадия зависит от адгезивной функции GPIbα и αIIbβ3 и на этом этапе агрегация обратимая. На следующей стадии формируются стабильные агрегаты. Она зависит от генерации агонистов тромбоцитов и включает необратимую активацию αIIbβ3 [93]. На начальном этапе агрегации тромбоцитов в данных сдвиговых условиях дискоидные не активированные тромбоциты перемещаются на поверхность тромба и формируют временные адгезионные контакты с другими дискоидными адгезированными тромбоцитами. Взаимодействие между дискоидными клетками в условиях потока возможно за счет формирования мембранных тяжей, возникающих под действием напряжения сдвига. Эти структуры минимизируют силы отталкивания в условиях потока, активация тромбоцитов на данном этапе минимальна и не требует участия АДФ, тромбоксана и тромбина. Формирование обратимых агрегатов способствует активации тромбоцитов с последующим формированием стабильных агрегатов, поскольку тесное пространство между клетками повышает локальную концентрацию растворимых агонистов: АДФ, тромбина и тромбоксана. Агонисты вызывают активацию тромбоцитов, изменение их формы, реакцию высвобождения с последующим формированием стабильных агрегатов [69].

При скоростях сдвига выше 10000 c^–1 агрегация тромбоцитов реализуется исключительно посредством взаимодействия фактор Виллебранда (VWF)–GPIbα и может происходить в отсутствии активации αIIbβ3 и даже без активации тромбоцитов. Таким образом, при определенных условиях агрегация тромбоцитов может происходить независимо от их активации и вовлеченности интегрина αIIbβ3.

Таким образом, фактор Виллебранда играет основную роль в инициации агрегации при высокосдвиговом течении, а роль фибриногена (и фибрина) вторична – он стабилизирует эти агрегаты.

В норме процесс формирования тромба в месте повреждения артериальной стенки не уменьшает просвет сосуда, распространяясь в экстравазальное пространство. При атеросклерозе, наоборот, рост тромба направлен в люминальное пространство сосуда и может приводить к его окклюзии [114].

В этом случае гемореологические нарушения играют ключевую роль. Чтобы сохранить объемную скорость кровотока (объем крови, проходящий за единицу времени) в стенозированном сосуде, скорость кровотока должна увеличиться, что ведет к росту напряжения и скорости сдвига. Этим обусловлено, к примеру, увеличение скорости сдвига до 20 000–40 000 с^–1 при тяжелом атеросклеротическом стенозе коронарной артерии человека [127].

Максимальное повышение скорости сдвига наблюдается на вершине атеросклеротической бляшки, за которой кровоток становится вихревым, вызывая обратный ток крови в постстенотической зоне. При высоких скоростях сдвига усиливается агрегация тромбоцитов и традиционные антитромботические средства в данном случае оказываются не эффективными из-за специфики высокосдвиговой агрегации тромбоцитов.

Формирующийся тромбоцитарный тромб еще больше усиливает стеноз сосуда, это ведет к ограничению кровотока в нижележащей области, а, следовательно, способствует коагуляции крови (формированию красного тромба с участием эритроцитов и сети фибрина). Тромбообразование меняет гемодинамические условия, ограничивая просвет сосуда, по которому движется кровь [114].

По этой же причине скорость сдвига на мембране тромбоцита, прикрепленного к поверхности артериального тромба и контактирующего с потоком крови, повышается по мере увеличения размеров тромба в просвете сосуда. Таким образом, ограничения гидродинамики, влияющие на адгезию единичных тромбоцитов к сосудистой стенке, также затрагивают и вовлечение циркулирующих тромбоцитов в формирующийся тромб, о чем свидетельствует необходимость участия GP Ibα и VWF-A1в агрегации.

ДИСФУНКЦИЯ МИКРОЦИРКУЛЯЦИИ И РЕОЛОГИЯ КРОВИ ПРИ ТЯЖЕЛОМ ТЕЧЕНИИ COVID-19

С самого начала пандемии новой коронавирусной инфекция COVID-19, вызванной вирусом SARS-CoV-2, у пациентов с тяжелым течением заболевания были зафиксированы выраженные нарушения в функционировании системы микроциркуляции, обусловленные по большей части дисфункцией эндотелия [10, 157]. Установлено, что вирус SARS-CoV-2 способен проникать в эндотелиоциты, провоцируя развитие системной дисфункции эндотелия, приводящей к нарушению баланса сосудистого русла в сторону сужения сосудов с последующей ишемией, воспалением и специфическим протромботическим изменениями системы гемостаза. По мере связывания SARS-CoV-2 с рецептором AПФ2 эндотелиальных клеток, запускается процесс высвобождения тканевого фактора, связывающего FVII и активирующего внешний путь коагуляции. Взаимосвязь тяжелой формы COVID-19 с вирусной коагулопатией, проявляющейся в легочной эмболии, венозном, артериальном и микрососудистом тромбозе, обусловленных повреждением легочного эндотелия, и тромботическими осложнениями, ведущими к развитию острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС) зафиксирована в ряде клинических исследований [39, 83, 130].

При COVID-19 поражается не только дыхательная система (легкие) с развитием респираторного дистресс-синдрома, но проявляется целый ряд симптомов, затрагивающих практически все системы организма: такие как острая почечная недостаточность, острая сердечная недостаточность, коагулопатия, тромбоэмболические осложнения (инсульт и легочная эмболия), циркуляторный шок [119]. Легочная недостаточность развивается вследствие тромбоза на уровне микроциркуляции в легких с последующей обструкцией мелких сосудов [120, 83, 98], системный характер дисфункции микроциркуляции проявляется множественным тромбозом микрососудов и системными нарушениям, ведущими к полиорганной недостаточности, характерной для тяжелого течения COVID-19 [11]. На фоне полиорганной недостаточности отмечено воспаление эндотелия во всех пораженных органах, начиная от легких и заканчивая кишечником. В дополнение к специфическим повреждениям органа эндотелиальная дисфункция может провоцировать системное прокоагулянтное состояние [66].

Все три ключевых элемента триады Вирхова (повреждение эндотелия, повышенная свертываемость крови и замедление кровотока) как предполагается, играют основную роль в развитии тромботических осложнений, полиорганной недостаточности и гибели пациентов с COVID-19 [96].

Среди множества исследований, посвященных оценке эндотелиальной функции и процессам коагуляции у пациентов с COVID-19, появились и работы, содержащие данные оценки реологических свойств крови и состояния микрокровотока у пациентов с тяжелым течением COVID-19 [16]. Способность вирусных инфекций интенсифицировать процесс свертывания крови хорошо известна, однако у пациентов, инфицированных SARS-CoV-2, отмечен беспрецедентный уровень тромботических (а иногда и геморрагических) осложнений [18, 37, 94, 104, 138]. Возможно поэтому авторы нередко пытаются сравнить изменения гемодинамики на уровне микрокровотока, эндотелиальной функции и свойств крови при COVID-19 с уже известными критическими состояниями, пытаясь провести аналогию с наблюдаемыми при новой коронавирусной инфекции нарушениями.

Так, например, известно, что дисфункция эндотелия может рассматриваться в качестве основного клеточного события, ответственного за гемодинамический коллапс, имеющий место при шоке, и ответственного за неэффективность рутинных реанимационных мероприятий [60]. Показано, что выраженные изменения в системе микроциркуляции, которые опосредуются рядом механизмов, включая эндотелиальную дисфункцию, деградацию гликокаликса, нарушения реологии крови (снижение деформируемости эритроцитов), и дисбаланс между уровнем вазодилататоров и вазоконстрикторов характерны для сепсиса [68]. Однако несмотря на сходный характер изменений микрокровотока при критических состояниях и при тяжелой форме COVID-19, ряд исследователей отмечает, что степень выраженности нарушений при коронавирусной инфекции “зашкаливает” в сравнении с известными патологиями.

С учетом того, что вирус SARS-CoV-2 связывается с АПФ и инфицирует непосредственно эндотелиальные клетки, COVID-19 можно считать сосудистым заболеванием и нарушения проницаемости, адгезивности и регуляторной функции сосудистого эндотелия могут играть ключевую роль в патогенезе острого респираторного дистресс-синдрома и полиорганной недостаточности [105, 109].

По результатам многоцентрового проспективного исследования, проведенного с мая по июнь 2020 г. в 4 клиниках г. Мюнстера (Германия), в котором у пациентов с тяжелым и средней тяжести течением COVID-19 с ОРДС оценивалось состояние сублингвальной микроциркуляции (методом видеобиомироскопии) и уровень циркулирующих маркеров дисфункции эндотелия и воспаления, были выявлены серьезные нарушения сублингвального микрокровотока (разрежение капилляров) и показателей состояния гликокаликса. Некоторые из маркеров дисфункции эндотелия (толщина слоя гликокаликса, уровень циркулирующих ADAMTS13 и VEGF-A), но не маркеры воспаления тесно коррелировали с тяжестью течения заболевания и развитием ОРДС. Эти данные указывают на то, что тяжелая форма COVID-19 сопровождается дисфункцией эндотелия, повреждением гликокаликса и значительным ухудшением капиллярного кровотока [119].

Существенные нарушения реологии крови как элемент дисфункции микрокровотока являются важным звеном патогенеза геморрагического, септического шока и, как показывают исследования последних лет, сопряжены и с тяжелым течением COVID-19 [90, 77, 103, 116]. Анализ опубликованных данных позволяет заключить, что при тяжелой форме COVID-19 имеют место выраженные комплексные нарушения реологических свойств крови, затрагивающие и ее плазменный компонент, и клеточные элементы.

Значительный рост вязкости плазмы у пациентов с тяжелой формой COVID-19 (у 95% обследованных), зафиксирован в исследовании Maier и соавт., показатели вязкости плазмы тесно коррелировали со значениями индикаторов тяжести течения заболевания и показателями оценки полиорганной недостаточности [90].

В нашем исследовании [12], у пациентов с тяжелым течением COVID-19, госпитализированных в июне–июле 2020 года, также продемонстрирована повышенная вязкость плазмы на фоне значительного роста уровня фибриногена, что, по всей видимости, можно считать основной причиной снижения ее текучести.

По результатам исследования реологических показателей 172 пациентов, госпитализированных с диагнозом COVID-19 в г. Лион (Франция) с января по май 2021 года, зафиксирован существенный рост вязкости крови в сравнении с нормой за счет повышенной вязкости плазмы и гиперагрегации эритроцитов, несмотря на сниженный по сравнению со здоровым контролем показатель гематокрита. При этом агрегация эритроцитов была более высокой у пациентов с поражением легких и/или находившихся ИВЛ. Авторы подчеркивают, что термин “гиперагрегация” применен намеренно, поскольку и степень агрегации, и особенно, устойчивость образующихся агрегатов эритроцитов у пациентов кратно (от 1.2 до 2.6 раза) превышала значения этих показателей (более высоких, чем в норме!) при таких патологиях как сепсис и серповидноклеточная анемия [103]. По результатам наших исследований у пациентов с тяжелым течением COVID-19 устойчивость агрегатов эритроцитов к сдвигу в 2.54 раза (p < 0.001) превышала норму, а скорость формирования агрегатов была на 31% (p < 0.01) выше, поэтому применение термина “гиперагрегация” эритроцитов в данном контексте действительно представляется уместным. Вполне обосновано и суждение Nader и соавт. [103] о взаимосвязи гиперагрегации эритроцитов с повышенным уровнем фибриногена у пациентов (поскольку при замене плазмы на стандартные растворы на основе декстрана как степень агрегации, так и прочность агрегатов эритроцитов значительно снижались), ту же тенденцию отмечают и другие исследователи [66, 98].

Выявленные прямые корреляции показателей агрегации эритроцитов не только с уровнем фибриногена в плазме, но и с параметрами свертывания крови, и продолжительностью госпитализации (косвенным показателем тяжести течения заболевания) свидетельствуют о том, что измененные свойства эритроцитов являются важным звеном в патогенезе тромботических осложнений при COVID-19 [103].

До недавнего времени принято было считать, что эритроциты играют исключительно пассивную и относительно минорную роль в процессах гемостаза и тромбоза. Однако становится все более очевидным, что эритроциты способны оказывать существенное влияние на разные этапы свертывания крови и их вклад в процессы гемостаза и тромбоза могут стать клинически значимыми [155]. Структура и проницаемость сгустка крови в значительной степени зависит от присутствующих в нем эритроцитов и их реологических свойств, а это во многом влияет на эффективность антикоагулянтной терапии и тромболизиса [55, 35].

Экспериментально доказано, что ригидификация (снижение деформируемости) эритроцитов препятствует нормальной ретракции сгустка, поскольку при этом в нитях фибрина задерживается больше эритроцитов, что нарушает структуру сгустка и влияет на его свойства [67, 144]. In vivo интенсификация агрегации эритроцитов повышает вязкость крови, способствуя стазу кровотока, увеличивая риск тромбоза [26, 56].

SARS-CoV-2 связывается не только с эндотелиоцитами, поражая целый ряд органов-мишеней: легкие, миокард, нервную систему, печень и желудочно-кишечный тракт, предположительно вирус может захватываться эритроцитами [121], что ведет к их морфологическим и функциональным изменениям. Показано, что в эритроцитах пациентов с COVID-19 на фоне нарушенного липидного гомеостаза мембраны N-концевой цитозольный домен мембранного белка полосы 3 интенсифицирует окисление структурных белков с внутренней стороны мембраны, нарушается энергетический метаболизм клетки [140].

Высказано предположение [121], что белок полосы 3 эритроцитов может выступать в качестве специфического рецептора, обеспечивающего транспорт SARS-CoV-2 с циркуляцией крови. Отмечается, что при COVID-19 имеют место морфологические нарушения красных клеток крови (стоматоцитоз, эхиноцитоз) и снижение их деформируемости [82], возрастает ширина распределения эритроцитов RDW [53], которая обратно коррелирует со средним объемом эритроцита и по мнению авторов отражает отсроченный клиренс старых эритроцитов. Уменьшение клеточного объема в течение жизни эритроцита характерно для старых клеток, поскольку их доля возрастает (согласно увеличению RDW), увеличивается и риск нарушений микрокровотока, поскольку старые эритроциты отличаются сниженной деформируемостью.

Другие авторы приводят обратные данные о том, что деформируемость эритроцитов у пациентов с COVID-19 не отличается от нормы [103], однако сниженный гематокрит и повышенный процент ретикулоцитов вкупе с опубликованными данными по ремоделированию липидного состава мембран красных клеток крови [140], позволяют предположить, что некоторый процент эритроцитов с поврежденной структурой мембраны и нарушенной деформируемостью подвергается секвестрации в ретикулоэндотелиальной системе. Такие разноречивые данные по всей видимости обусловлены разными методическими подходами к оценке деформируемости и комплексным характером этого свойства клеток крови, о чем упоминалось ранее.

В экспериментах ex vivo продемонстрированы нарушения отдачи кислорода в тканях и присоединения кислорода в капиллярах легких из-за измененных мембранных свойств эритроцитов в условиях COVID-19. В ходе ретроспективного исследования с участием 3518 пациентов с тяжелым течением COVID-19, находившихся на ИВЛ в реанимационном отделении клиники Св. Томаса (Лондон, Великобритания), было показано, что структурные дефекты эритроцитов сочетаются с повышенной аффинностью гемоглобина к кислороду и сдвигом кривой диссоциации оксигемоглобина влево в сравнении с нормой [153]. В условиях снижения рН и повышения напряжения CО₂ (ацидоз и гиперкапния) можно было ожидать сдвига кривой вправо, однако у всех пациентов отмечен противоположный сдвиг.

Таким образом, очевидно, что в условиях COVID-19 претерпевают серьезные изменения практически все составляющие микроциркуляторно-тканевых систем – начиная от поражения сосудистой стенки (повреждение гликокаликса, эндотелиоцитов), внутрисосудистых факторов – активации коагуляционного потенциала крови, изменения реологических свойств крови, морфологических и структурных нарушений в мембранах эритроцитов и их кислородсвязывающей функции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе жизнедеятельности потребности органов и тканей в снабжении кислородом и питательными веществами постоянно изменяются, что требует регуляции поступления и оттока крови и адекватного транскапиллярного обмена.

Кислородное снабжение тканей в соответствии с их метаболическими потребностями является фундаментальным (базовым) физиологическим процессом. Традиционно в качестве основного объекта регуляции кровотока рассматривается диаметр резистивных сосудов, поскольку гидродинамическое сопротивление кровотоку обратно пропорционально радиусу сосуда в четвертой степени, и в физиологических условиях даже небольшое изменение просвета сосуда вызывает более выраженный эффект, чем изменение давления. На уровне микроциркуляции такие базовые параметры, отражающие функциональное состояние сердечно-сосудистой системы, как сердечный выброс, доставка и потребление кислорода теряют свою значимость и на первый план выходят реологические свойства крови, особенно для микрососудов, не имеющих сократительных элементов, а, следовательно, лишенных возможности регуляции их просвета.

Реологические свойства крови и микрореологические свойства эритроцитов выполняют роль интравазальных факторов регуляции микрокровотока и оказывают существенное влияние на функционирование системы гемостаза. Эритроциты наряду со своей базовой функцией доставки кислорода являются активными регуляторами микрокровотока в соответствии с локальными метаболическими потребностями тканей, выполняя роль сенсора гипоксии и регулятора сосудистого тонуса на уровне резистивных элементов микроциркуляторной сети.