Vascular Physiology PDF Lecture Notes

สรีรวิทยาระบบหลอดเลือด (Vascular Physiology) ดร.ศิรินารถ เพ็งเนตร สาขาวิชาสรีรวิทยา คณะวิทยาศาสตร์การแพทย์ มหาวิทยาลัยพะเยา [email protected] Room CE01101  objectives 1. อธิบายลักษณะทั่วไป และหน้าที่ของระบบหลอดเลื...

สรีรวิทยาระบบหลอดเลือด (Vascular Physiology) ดร.ศิรินารถ เพ็งเนตร สาขาวิชาสรีรวิทยา คณะวิทยาศาสตร์การแพทย์ มหาวิทยาลัยพะเยา [email protected] Room CE01101  objectives 1. อธิบายลักษณะทั่วไป และหน้าที่ของระบบหลอดเลือด 2. เปรียบเทียบการไหลของเลือด และการเปลี่ยนแปลงของความดันในระบบ หลอดเลือดแดง หลอดเลือดดา และหลอดเลือดฝอย 3. อธิบายกลไกการควบคุมและปัจจัยต่างๆ ที่มผี ลต่อความดันโลหิตและระบบ ไหลเวียน  Blood vessels Mulroney S and Myers A, Netter’s essential physiology, 2008.  ระบบไหลเวียนเลือดในร่างกายมี 2 ระบบ 1. Pulmonary circulation: ระบบไหลเวียนเลือดในปอด 2. Systemic circulation: ระบบไหลเวียนเลือดที่ไปเลี้ยงส่วนต่างๆ ของร่างกาย Tortora GJ and Derrickson B, Principles of anatomy &physiology wiley (15th) , 2017. Comparison of pulmonary and systemic circulation Systemic Circ. Pulmonary Circ. Arterial Blood Pressure 100 >> 15 (mm Hg) Venous Blood Pressure 2 ≈ 5 (mm Hg) Vascular resistance 100-2/6=16.3 > 15-5/5.9=1.7 (∆P/flow) Vascular compliance (∆V/∆P) Csystemic Q R = resistance R --> Q  จลนศาสตร์การไหลของเลือด (Hemodynamics) Resistance ความต้านทานรวมใน systemic circulation เรียกว่า total peripheral resistance (TPR) หรือ peripheral vascular resistance (PVR) Resistance is the opposition to blood flow Resistance in a tube is determined by: R = resistance  = viscosity of blood R = 8l l = length of blood vessel r4 r = radius of blood vessel  จลนศาสตร์การไหลของเลือด (Hemodynamics) เมื่อเปรียบเทียบค่าต่าง ๆ ในระบบไหลเวียนของมนุษย์ CO Q= P MAP-Rt. Atrial pressure/CVP R TPR P คือ ความแตกต่างของความดัน (P = P1 – P2) P1 คือ ความดันเฉลี่ยในของ Aorta หรือ Mean arterial pressure (MAP) P2 คือ ความดันใน Large vein หรือ Central venous pressure (CVP) = 0 mmHg Q คือ อัตราการไหลของเลือดออกจากหัวใจ (Cardiac output, CO) MAP=CO x TPR  จลนศาสตร์การไหลของเลือด (Hemodynamics) Velocity of blood flow Velocity = ความเร็วการไหล V = Q/A V = velocity (cm/time) Q = blood flow (ml/min) A = cross-section area (cm2) Mulroney S and Myers A, Netter’s essential physiology, 2008 V ขึ้นกับ cross-sectional area (A) หลอดเลือดหดตัว รัศมีท่อน้อย --> TPR มาก --> MAP มาก (vasoconstriction) TPR มาก --> Blood flow น้อย Arterial circulation  Arterial circulation 1. เป็นทางนาเลือดแดงจากหัวใจไปยังอวัยวะต่างๆ ทั่วร่างกาย 2. ช่วยให้เลือดแดงไหลไปด้วยความเร็วสม่าเสมอ ทั้งนี้อาศัย คุณสมบัติ elasticity ของผนังหลอดเลือดแดงขนาดใหญ่ 3. ช่วยให้ความดันไม่เพิ่มสูงขึ้นหรือลดลงอย่างรวดเร็วในขณะที่ หัวใจหดตัวหรือคลายตัว 4. ควบคุมการกระจายของเลือดให้เข้าสู่อวัยวะต่างๆ ในปริมาณที่ เพียงพอและสม่าเสมอตลอดเวลา (arteriole)  Arterial blood pressure (ความดันในหลอดเลือดแดง) Systolic blood pressure (Ps, SBP) Diastolic blood pressure (Pd, DBP) ความดันเลือดสูงสุดที่วัดได้ใน Aorta ขณะ ความดันเลือดต่าสุดที่วัดได้ใน Aorta ขณะ หัวใจบีบตัว หัวใจคลายตัว 120 mmHg (ปกติช่วง 90-120 mmHg) 80 mmHg (ปกติช่วง 60-80 mmHg) Koeppen BM and Stanton BA, Berne & Levy physiology (7th edition) , 2017 Pulse pressure (Pp) = Ps – Pd คือ ความแตกต่างระหว่าง Ps และ Pd ค่าปกติ 30-40 mmHg Arterial blood pressure (ความดันในหลอดเลือดแดง) Mean arterial pressure (MAP, MABP) MAP = Pd + 1/3 (Ps – Pd) Mulroney S and Myers A, Netter’s essential physiology, 2008 ความดันเลือดแดง Mulroney S and Myers A, Netter’s essential physiology, 2008  ปัจจัยที่มีผลต่อความดันเลือด ปัจจัย (สาคัญสุด) ที่มีผลต่อ Ps คือ ปัจจัย (สาคัญสุด) ที่มีผลต่อ Pd คือ Stroke Volume (SV) Total Peripheral Resistance (TPR) MAP = CO x TPR คาถาม: อะไรเป็นตัวกาหนด CO?  CO = HR x SV HR Inotropic = Affecting the contraction of muscle, especially heart muscle  ปัจจัยที่มีผลต่อความดันเลือด 1. Cardiac output (CO)  CO -->  BP 2. Total Peripheral resistance (TPR)  TPR -->  BP 3. Blood volume (BV) ภาวะเสียเลือด (Hemorrhage) Venous ท้องร่วงอย่างรุนแรง BV -->  --> CO -->BP return 4. ความหนืดของเลือด (Blood viscosity) เกิดจากจานวน เม็ดเลือดแดง และโปรตีนใน plasma เลือดจะมีความหนืดมาก หัวใจต้องใช้แรงสูบฉีดเลือดมาก ทาให้ BP สูงขึ้น 5. Elasticity ของผนังหลอดเลือดแดง ถ้าผนังหลอดเลือดแข็ง --> Elastic recoil -->  After load -->  BP  รูปแบบการไหลของเลือด เป็ นระเบียบ ไม่เป็ นระเบียบ Laminar flow Turbulent flow - ไหลเงียบ ไม่ทาให้เกิดเสียง - ทาให้เกิดเสียง - เลือดที่ไหลห่างผนังจะไหลเร็ว - เลือดที่ไหลเร็ว ผ่านรูแคบ - เลือดที่ไหลชิดผนังจะไหลช้า - ประโยชน์ใน... เพราะมีความฝืดจากการเสียดสีผนัง การวัดความดันโลหิตโดยการฟัง , การฟังเสียงหัวใจที่ผดิ ปกติ (murmur) Mulroney S and Myers A, Netter’s essential physiology, 2008  การวัดความดันโลหิต Direct method การวัดความดันโดยสอดสายเข้าไปในเลือดหลอดเลือดแดง Indirect method มี 2 แบบ ได้แก่ 1. Palpation method การวัดโดยคลาชีพจรตรงข้อมือ วัดได้เฉพาะ Ps เท่านั้น 2. Auscultatory method การวัดโดยการฟังเสียง ใช้ Stethoscope วัดได้ทั้ง Ps และ Pd  Auscultatory method sphygmomanometer No flow Turbulent flow Laminar flow Auscultatory method  ชีพจร (Pulse) ชีพจรที่คลาได้ เกิดจากคลื่นความดัน (Pressure wave) ที่เดินทาง ไปตามผนังหลอดเลือดแดง ระบบหลอดเลื ระบบหลอดเลืออดดดดาา (Venous (Venous system) system)  ระบบหลอดเลือดดา (Venous system) ✓ เป็นทางนาเลือดจากอวัยวะต่าง ๆ กลับสู่หัวใจ ✓ เป็นแหล่งเก็บเลือด (Blood reservoir) 60-70% ของ blood volume ✓ ความดันในหลอดเลือดดา (venule 12-18 mmHg) ต่ากว่า ในหลอดเลือดแดง PVP (Peripheral venous pressure) Venous return = ปริมาณการไหล - affected by gravity กลับของเลือดดาสู่หัวใจ CVP ( Central venous pressure ) ~ Cardiac Output - the pressure in great vein, Rt. Atrium --> 0-2 mmHg **CVP ~ RAP**  ระบบหลอดเลือดดา (Venous system) ✓ เพิ่ม blood volume ทาให้เลือดดาไหลเข้าสู่ ✓ การหายใจเข้าลึกๆ (Respiratory pump) หัวใจได้มากและเร็วขึ้น ✓ หลอดเลือดดาหดตัว (venoconstriction) ( venous return) ✓ การหดตัวกล้ามเนื้อลาย (skeletal muscle pump) ที่แขน ขา Tortora GJ and Derrickson B, Principles of antamy &physiology wiley (15th edition) , 2017  ระบบหลอดเลื Microcirculationอ ดฝอย (Microcirculation)  ระบบหลอดเลือดฝอย (Microcirculation) Composition Vessel Diameter < 100 m 1. Arterioles 2. Terminal arterioles (metarterioles) มี smooth muscle จึงควบคุมปริมาณ เลือดที่เนื้อเยื่อได้รับ 3. Precapillary sphincters หูรูด หด- คลายตัว ควบคุมเลือดที่เข้าสู่ capillary 4. Thoroughfare channels เป็นทางผ่านของ เลือดจาก ลล. แดง เข้าสู่ ลล. ดา 5. True capillaries มี endothelium ชั้น เดียว เพื่อแลกเปลี่ยนแก๊ส สารอาหาร 6. Venules ขณะออกกาลังกาย precapillary sphincter คลาย (เปิดเพิ่ม) เพิ่มจานวน ลล.ฝอย ที่มี เลือดไหลผ่าน เพิ่มปริมาณเลือดไปยัง กล้ามเนื้อลาย Sphincters ปิด การขนส่งสารผ่านหลอดเลือดฝอย Mulroney S and Myers A, Netter’s essential physiology, 2008  การขนส่ งสารผ่านหลอดเลื Fluid exchange อดฝอย across capillaries Capillary hydrostatic pressure (PC) ISF hydrostatic pressure (Pi) Hydrostatic pressure Capillary hydrostatic pressure (PC) ==> แรงดันของน้า (เลือด) ใน capillary ทิศทาง ดันของเหลวออกจาก capillary ISF hydrostatic pressure (Pi) ==> แรงดันของน้าใน interstitial space ทิศทาง ดันของเหลวเข้าสู่ capillary Net hydrostatic pressure = PC - Pi  การขนส่ งสารผ่านหลอดเลื Fluid exchange acrossอดฝอย capillaries Capillary hydrostatic pressure (Pc) ; increase in Pc favor filtration out of the capillary Pc is determined by arterial pressure and resistance ปัจจัยเหล่านี้ มีผลต่อ Pc อย่างไร ??? ISF hydrostatic pressure (Pi) ทาให้เกิด absorption ในภาวะปกติ Pc แนวโน้มมากหรือน้อยกว่า Pi ???  การขนส่ งสารผ่านหลอดเลื Fluid exchange อดฝอย across capillaries capillary osmotic pressure (C) ISF osmotic pressure (i) Osmotic pressure (Oncotic pressure) Capillary osmotic pressure (C ) ==> แรงดึงน้า จาก ISF เข้าสู่ Plasma ที่เกิดจาก Plasma protein การเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีนในเลือด ทาให้ C เพิ่มขึ้น ISF osmotic pressure (i ) ==> แรงดึงน้า จาก Plasma เข้าสู่ ISF ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของโปรตีนใน ISF Net osmotic pressure =  C -  i  การขนส่ Fluid งสารผ่าacross exchange นหลอดเลื อดฝอย capillaries capillary osmotic pressure (C) ISF osmotic pressure (i) Osmotic pressure (Oncotic pressure) ข้อดี ที่ภายใน capillary มี Plasma protein สูงกว่า ISF ทาให้ Osmotic pressure ดึงของเหลวไว้ใน capillary ป้องกันการ สูญเสียของเหลว การอักเสบของ capillary มีผลอย่างไรต่อ C และ  i ???  การขนส่ งสารผ่านหลอดเลื Fluid exchange อดฝอย across capillaries Net pressure movement (Np) ตามสูตร หรือ Net filtration pressure = (PC-Pi) – (C- i) Capillary hydrostatic capillary osmotic pressure (PC) pressure (C) ISF hydrostatic ISF osmotic pressure (Pi) pressure (i) NP is positive ; Filtration NP is negative ; Absorption ถ้า NP มีค่าเป็นบวก ถ้า NP มีค่าเป็นลบ แสดงว่า มีการเคลื่อนที่ของน้า แสดงว่า มีการเคลื่อนที่ของน้า ออกจากหลอดเลือดฝอย ไหลกลับเข้าสู่หลอดเลือดฝอย เป็นการ Filtration เป็นการ Reabsorption  การแพร่ของสาร ผ่านหลอดเลือดฝอย Arterial end Venous end PC= 35 C = 28 PC= 15 C = 28 P i= 0 i = 3 P i= 0 i = 3 Net filtration pressure Net filtration pressure = (35-0)-(28-3) = 10 mmHg = (15-0)-(28-3) = -10 mmHg (แสดงว่าเป็นการ filtration) (แสดงว่าเป็นการ absorption) การแพร่ของสาร ผ่านหลอดเลือดฝอย Linda S. Costanzo, Physiology, 2018  ภาวะบวมน้า (edema) Np = (PC-Pi) – ( C-  i) เกิดขึ้นในกรณี filtration > absorption P  1) หลอดเลือดแดงคลายตัว Vasodilation (P, filtration) 2) การรั่วของโปรตีนเพิ่มขึ้น จาก capillaries เสียหาย (i,  ) 3) ภาวะขาดสารอาหาร Starvation ( plasma protein,  C ,  ) 4) การเพิ่มความดันเลือดแดง (P, filtration) 5) หัวใจวาย Congestive heart failure, venous accumulation (P) Cardiovascular Control  Mechanisms of regulation of vascular system Regulation of vascular system Systemic control Local control Hormonal control ควบคุมเฉพาะที่ ควบคุมโดยสารเคมี (Autoregulation) Neural control ควบคุมโดยระบบประสาท Myogenic theory (กลไกผ่าน Stretch receptor) Sympathetic Parasympathetic Metabolic theory (กลไกผ่านการหลั่งสาร Metabolites) I. Systemic control --> Neural control Vascular regulation a. Sympathetic adrenergic (1-adrenergic receptor) - tonic discharge b. Sympathetic cholinergic (skeletal m.) - no tonic discharge c. Parasympathetic cholinergic - saliva, brain, heart, genitalia Sympathetic control > Parasympathetic control I. Systemic control --> Neural control (Sympathetic) NE หลั่งปริมาณหนึ่งตลอดเวลา --> หลอดเลือดหดตัวน้อยๆ ณ ระดับหนึ่ง เรียกว่า Tone sympathetic neuron NE + 1 receptor Electrical signals from neuron Tonic activity (Vasomotor tone) Change in signal rate  NE release onto receptors  NE release vasodilatation vasoconstriction  NE release หรือ ยับยั้ง Sym Epi > NE + β2-receptor vasodilatation ที่ vascular smooth muscle cell ที่ไปเลี้ยง กล้ามเนื้อลาย, coronary artery II. Local control - -> Autoregulation Vascular regulation ▪ เพื่อควบคุม blood flow และ ปริมาณเลือด Myogenic hypothesis ที่จะไหลไปเลี้ยงยังเนื้อเยื่อ (กลไกผ่าน Stretch receptor) ▪ บทบาทสาคัญในอวัยวะที่ต้องการเลือดไป เลี้ยงอย่างเพียงพอ เช่น สมอง หัวใจ ไต Metabolic hypothesis และกล้ามเนื้อลาย (กลไกผ่านการหลั่งสาร Metabolites) ▪ ความดันเลือด 60-180 mmHg blood flow 60 180 BP II. Local control --> Myogenic hypothesis (1) Increased BP & BF (4) BF is suddenly increased by vessel reacts by constricting & increased BP decreases the amount of blood flow to the vascular bed & (2) Stretch of vessel reduces tension in the vessel Basal BP & BF vessel is stretched by increased BP, wall thins and Restores tension in wall is increased (3) Activate stretch receptor ที่ vessel Vasoconstriction This stretch stimulates Na+ & Ca2+ channel open--> Na+ & Ca2+ influx the vessel wall smooth muscle to contract Depolarization by activating stretch sensitive receptors Ca2+ influx in the wall Voltage-activated Ca2+ channels open II. Local control --> Metabolic hypothesis ▪ กลไกการควบคุม BF ผ่านการหลั่งสาร Metabolites ▪ เรียกว่า Metabolic hyperemia ▪ เพิ่ม BF ไปยังหัวใจและกล้ามเนื้อลาย ในขณะออกกาลังกาย ขณะออกกาลังกาย หรือ Increased Tissue activity Increased adenosine, CO2, lactate, K+, H+ Vasodilation  BF II. Local control --> Metabolic hypothesis III. Hormonal control Vasoconstrictor agents : - Catecholamine (NE, Epi) - Vasopressin (ADH) - Angiotensin II Vasodilator agents : - Acetylcholine - Histamine - Arachidonic acid - Bradykinin - nitric oxide (NO) - Atrial Natriuretic Peptide (ANP) III. Hormonal control Mulroney S and Myers A, Netter’s essential physiology, 2008 Koeppen BM and Stanton BA, Berne & Levy physiology (7th edition) , 2017 Cardiovascular Control  ระบบควบคุมความดันโลหิต ระบบที่ตอบสนองเร็ว Short Term BP Regulation ระบบที่ตอบสนองช้า Long Term BP Regulation  Short-term regulation Intrinsic reflex - มี receptor อยู่ในระบบไหลเวียนเลือด เช่น baroreceptor reflex, chemoreceptor reflex Extrinsic reflex - เป็น reflex ที่เกิดจากการกระตุ้น receptor นอกระบบไหลเวียนเลือด เช่น pain, cold ส่งสัญญาณประสาทมาตาม somatic afferent pathway มากระตุ้น cardiovascular center  Short-term regulation (Baroreceptor reflex) 2. Afferent nerve fiber: carotid sinus nerves (glossopharyngeal nerve) : aortic sinus nerves (vagus nerve) 3. Reflex center: medulla Cardioinhibitory center (C-I center, nucleus ambiguus) - Parasym. (heart) Cardioaccelerator center - Symp. (heart) Vasomotor center (VMC) - Symp. (vessels) 1.Receptor: aortic arch and carotid sinus 4. Efferent nerve fibers: (stretch receptor or vagus nerve & sympathetic nerve mechanoreceptor) 5. Effector: heart, venules and arterioles Short-term regulation (Baroreceptor reflex) Linda S. Costanzo, Physiology, 2018  What happen with increase MAP ? Stimulus MAP Arterial baroreceptors Neuronal Parasympathetic activity Sympathetic activity response Effects on cardiovascular HR SV TPR Venomotor system tone  What happen with decrease MAP ? Stimulus MAP Arterial baroreceptors Neuronal Parasympathetic activity Sympathetic activity response Effects on cardiovascular HR SV TPR Venomotor system tone Short-term regulation (Chemoreceptor reflex) Short-term regulation (Chemoreceptor reflex) BP - Decrease O2 Blood flow - Decrease pH PaO2, PaCO2, pH - Increase CO2 (+) chemoreceptor medulla Sympathetic outflow Short-term regulation (Chemoreceptor reflex)  Long-term regulation ▪ Renin-Angiotensin-Aldosterone System (RAAS) ▪ Vasopressin (Anti-Diuretic Hormone; ADH) ▪ Atrial Natriuretic peptide (ANP or ANF) Renin-Angiotensin-Aldosterone System (RAAS) Low BP High sympathetic activity Liver Angiotensinogen Kidney Renin Angiotensin I juxtaglomerular Angiotensin cells Converting Lungs Enzyme Angiotensin II Angiotensin II Increases Blood Pressure Increase Blood Pressure Vasopressin (Anti-Diuretic Hormone; ADH) Atrial Natriuretic peptide (ANP or ANF) References