骨骼肌炎癥灶血液流變的變化及低剪切力環境的形成

摘要:

白細胞與內皮細胞的黏附是一個多步驟、序貫性的過程,進程中的生物力學相互作用對血液流變產生重大影響,低剪切力環境的形成在一般炎癥中有著至關重要的意義。

上世紀80年代末,白細胞與血管內皮細胞相互作用的分子機制得以闡明,人們逐漸認識到在炎癥中各種白細胞與血管內皮細胞之間存在著非常復雜的相互作用,白細胞與血管內皮細胞的相互作用對機體各種功能的發揮、各種疾病的發生發展起著至關重要的作用。白細胞與血管內皮細胞相互作用的分子基礎及其臨床意義已成為當前的研究熱點之一。

白細胞的趨邊、粘附及其運動的行為,都是在血液流動過程中進行的,除與生化因素有關外,力學因素也很重要。白細胞在進入組織間隙前,需要靠近血管壁,然后穿過管壁進入組織間隙,這樣似乎白細胞容易在毛細血管內皮層接觸時進入組織間隙,但實際上白細胞卻在毛細血管后靜脈段進入組織間隙。發生這一現象的原因,應在生物流變行為中去尋找。因此,我們認為,白細胞在機體內發揮其生理功能時,與其在血液流動中的流變行為有密切關系。

一、激活的白細胞對炎癥灶毛細血管流變的影響

(1)內皮細胞的激活是白細胞激活和黏附的先導

不同誘因造成的骨骼肌微損傷都可以通過信號轉導途徑激活免疫系統,引起白細胞黏附到內皮細胞上。其中內皮細胞功能的變化是早期的變化,先于內皮細胞-白細胞的相互作用。當損傷組織中分泌的炎性因子擴散到血管周圍,一部分可以透過血管壁釋放入血液中,還有一部分被內皮細胞所感受,內皮細胞因此發生一系列變化并啟動黏附程序:一方面從自身的mRNA改變、細胞骨架的改變等一系列的胞內變化為初始黏附做好準備,另一方面分泌相關因子激活并誘導白細胞發生一系列改變開始初始黏附的進程。

(2)正常狀態下白細胞對微循環的影響

白細胞由于在血中濃度很低,對大血管中血液黏度基本不起作用。但是在毛細血管則不同,血細胞需要單個通過,且與血管內皮十分靠近,甚至發生接觸,紅細胞和白細胞由于體積大,需要變形才能通過毛細血管。白細胞的硬度和胞漿黏度均比紅細胞高數百倍以上,由于有細胞核,不能像紅細胞那樣折疊彎曲。在正常情況下,白細胞進入毛細血管時,血流可有短暫的停頓:白細胞進入毛細血管時,先伸出小舌進入管內,偶而可見到細胞內顆粒流到細胞前端,然后整個白細胞進入腔內。在毛細血管入口處,它由圓形變成長柱形才能適應毛細血管的口徑和形態,通過毛細血管;如果白細胞不能及時變形,白細胞將在入口處暫停;白細胞甚至已經接觸到毛細血管入口處,但不能及時進入管腔,引起毛細血管血流暫停。白細胞對毛細血管血流的這種干擾,是引起毛細血管間歇流的主要原因之一。

白細胞進入毛血管時91%的停頓發生在毛細血管入口處,11%發生在毛細血管內,平均停頓時間0.24s。一個白細胞產生的阻力與多個紅細胞所致的阻力等值,—個白細胞進入微血管中,能使微循環網中的紅細胞發生重新分布,改變對組織氧的運送。在血管分支處,一個白細胞進入了一個分支,則該支血流阻力增加,致使后面來自母血管的紅細胞進入另一分支直到兩側血流阻力相等。經常在毛細血管中的白細胞前面可以看到血漿柱,而在白細胞后面,緊接著有一大串紅細胞堆積形成列車樣流動。但正常情況下不發生白細胞嵌塞至血流完全停止。

影響白細胞通過毛細血管的因素包括:白細胞黏附性和變形性、白細胞硬度、白細胞黏度、平均毛細血管口徑(不同臟器毛細血管口徑不同)和狹窄處(如內皮細胞核向管腔隆起部)口徑、臨界壓力(剪切力)、以及是否有紅細胞聚集等。由于白細胞的上述流變特性,使得白細胞的數量僅占血細胞的百分之0.1,但卻是毛細血管灌注中的重要調節因素。

(3)在炎癥中激活后的白細胞對微循環的影響

當白細胞流經炎癥灶的微血管時,可以感受到多種炎性因子的刺激而進入激活狀態,激活程度與炎癥灶炎性因子的強度密切相關;逐漸釋放入血的炎性因子也對血液中的白細胞有一定的激活作用。當炎癥灶雖然面積較小但損傷程度高,或者是損傷輕微但面積比較大,在炎癥出現一段時間后,全身血液循環中激活的白細胞比率就逐漸上升,白細胞數量增加也會隨后增加,進而對毛細血管的血液流變產生重大影響。

激活的白細胞形態出現多樣化,細胞硬度增加,顆粒的無規則運動減少,但細胞有偽足伸出,使其定向變形能力增強。由于炎癥中的白細胞變大變圓、細胞膜的表面積相對減少,因此變形能力降低,此時如有微血管內皮細胞的腫脹、微血管痙攣等附加因素,則白細胞易在毛細血管中發生阻塞,影響相應區域微循環的灌流。在某些病理條件下,隨著毛細血管兩端血壓降的下降使得白細胞流動變形的驅動壓減低,從而可造成微循環中發生白細胞嵌塞。

當末梢微循環血流嚴重阻礙時,白細胞的病理生理意義就更為突出了。不僅僅是因白細胞變形的力不足而難以強行快速地流過毛細血管,更糟的是此時的白細胞很容易造成毛細血管的完全阻塞:在正常時,很少見到圍繞細胞的幾根毛細血管同時被阻塞,白細胞流變對區域性血流的影響未必很大;但在病理情況下,當驅動壓力較低,白細胞粘附于血管壁的傾向性增高時,此時白細胞可以構成毛細血管血流的重要障礙物。

(4)白細胞在毛細血管中的激活

離體實驗證明,白細胞介素8(IL-8)、趨化寡肽(fMLP)、C5a等炎性介質在家兔血管內注射后,與白細胞膜相應受體結合,在0.5~2.0分鐘內,使微絲的肌動蛋白單體(G-肌動蛋白)發生聚合,形成纖維狀F-肌動蛋白,在胞漿膜下形成一個殼狀物,從而使白細胞體積增加,變形能力下降,細胞硬度增大。上述變化可被微絲組裝的抑制劑細胞松弛素B(cytochalasin B)所抑制。

在毛細血管等狹小的血管腔,白細胞膜與血管內皮的密切靠近和接觸已能提供趨化因子、整合素作用的時機。正常流態的毛細血管在正常生理驅動壓下可保證變形的白細胞與內皮細胞之間保留薄層液體空隙,阻止白細胞的粘附。一旦驅動壓梯度減少,或者白細胞變形能力明顯減弱,使其不易在血流沖擊下通過比其自身尺寸小的毛細血管,不僅很容易造成白細胞在毛細血管中的堵塞,血流緩慢或暫停,形成白細胞嵌塞(Leukocyte plugging),而且促使白細胞在炎性因子作用下的充分激活,從而與已經激活的血管內皮細胞發生粘附。白細胞與內皮細胞之間黏著應力(adherence stress,δ)是阻礙白細胞通過毛細血管的重要因素,阻斷了的毛細血管血漿流產生的剪切力更加微弱,無法推動白細胞,于是白細胞就扣留在毛細血管中。黏附于內皮細胞的白細胞可進一步激活并變形遷移進入組織。

(5)水腫對白細胞流經毛細血管中的影響

病理情況下,內皮細胞可以發生腫脹,甚至突向管腔。在缺血損傷時,組織切片見心、腎、肌肉的毛細血管內皮腫脹。內皮細胞腫脹主要是由于細胞缺氧和缺少能量,使Na+-K+泵功能障礙,細胞內水、鈉增多所致;酸中毒致Na+-H+交換增加也參與其發生。內皮細胞腫脹擠占了血液流動的空間,毛細血管內徑縮小到一定程度使得血細胞無法通過時,相當于流動阻力無限大。內皮細胞腫脹使白細胞嵌塞是休克治療后血壓恢復而毛細血管仍然無復流和功能性毛細血管密度(functional capillary density,FCD)減少的重要原因。

炎癥中由于血管壁通透性增大而造成組織液生成增多,組織間隙的組織液聚積(水腫)擠壓微血管,導致毛細血管管徑變窄,引起血細胞通過時阻力增大,紅細胞通過時間延長,白細胞通過時間延長更為顯著;這就影響到毛細血管內的血液成分流動,出現停滯-再運動的現象,甚至完全停滯在毛細血管中,可造成細靜脈的血液來源減少,流速下降。這一現象更易出現在液體在細胞間隙聚集后不易擴張的組織,如腦、有緊密的筋膜鞘包圍的骨骼肌、腎等組織。

包括直捷通路這些細小的血管,組織水腫壓迫管壁外側引起的管徑狹窄將迅速增大血液流動的阻力,當小動脈入口處的血壓不變時,這些細小血管的流量迅速減小,引起細靜脈的血液來源減少,流速下降。

二、臨近毛細血管的細靜脈中白細胞的趨邊現象

(1)白細胞到達細靜脈的通路之分析

骨骼肌微血管的空間架構和血流控制機構的分布對微循環的流變狀態具有重大的影響。新的研究一般認為骨骼肌微循環的血流控制由基本微血管單元MVUs構成。一個微血管單元由一個微動脈(小的細動脈)、一個毛細血管網絡,一個(或兩個)微靜脈(小的細靜脈)組成,一個微血管單元的毛細血管網絡大約包括10~20個毛細血管。骨骼肌中毛細血管灌注的調節由MVUs的控制實現,微動脈控制血流的流量,而毛細血管前括約肌的開閉調整毛細血管灌流數量,控制進入微循環毛細血管網的血流量使之和物質代謝程度相適應,擔當著基礎的控制和分配元素的功能。

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直捷通路(thoroughfare channel)是微動脈的直接延伸,其管壁平滑肌逐漸稀小以至消失,結構與毛細血管相同,只是管徑略粗。這條通路較直,流速較快,加之直捷通路血管管壁較厚,又承受較大的血流壓力,故經常處于開放狀態。在組織處于靜息狀態時,微循環的血流大部由微動脈直捷通路快速入微靜脈,只有小部分血液流經真毛細血管。當組織處于功能活躍時,毛細血管前括約肌開放,大部分血液流經真毛細血管網,血液與組織之間進行充分的物質交換。

由細動脈主干流入“直捷通路”與“迂回通路”共同的細動脈分支(俗稱“微動脈”)的血細胞,一部分由“迂回通路”流到細靜脈,而沒有流入到“迂回通路”中時,就只有通過“直捷通路”流到細靜脈。經過“直捷通路”流到細靜脈的血細胞有更重要的意義:當“迂回通路”血流不通暢的情況時(如水腫、毛細血管閉塞等),特別是硬度高、不易變形進入“迂回通路”的毛細血管入口的白細胞,“直捷通路”是其通過的主要通道。白細胞穿過血管壁而進入組織是炎癥期間的重要特征,癥狀嚴重時,單位時間穿過血管壁的白細胞數量更多,需要有通路向微靜脈不斷補充白細胞,才能維持炎癥的癥狀。而此刻隨著組織腫脹的加劇,毛細血管更加狹窄,紅細胞亦難以通過,更何況白細胞?因此,毛細血管是難以勝任此刻這個通路的職責的,只有直捷通路輸送白細胞到達微靜脈這一種可能性。

通過以上對微循環血管網結構的分析,我們認識到“直捷通路”是在炎癥期間輸送大量白細胞到達毛細血管后段及臨近的細靜脈的重要途徑。

(2)臨近毛細血管的細靜脈中白細胞的趨邊現象研究

以前的研究一般認為:在白細胞黏附的血管區段所出現的白細胞趨邊現象,是由于血液流速變緩、切變率下降使得軸流現象不能維持的緣故,或是由于紅細胞的聚集把白細胞推向周邊。但仔細分析,認為應用“軸流現象”來解釋此處的“白細胞趨邊現象”實在是很牽強,因為在這個區段的血液流變是很難發生軸流現象;軸流這種亞穩態現象的形成需要一段相對較長的管道,并且與血液的切變率大小密切相關,后微靜脈自毛細血管端開始的流變長度不足和較低的切變率是難以達到這個條件的。而且紅細胞剛剛從毛細血管中被一個一個地序貫釋放出來,或者是由直捷通路序貫而來,不可能迅速地就發生顯著的聚集現象,由于出現顯著的聚集現象需要一定的的碰撞幾率和碰撞空間來實現,這兩個條件在細靜脈靠近毛細血管的區段都不能滿足;否則,一旦紅細胞出現如此強烈的聚集傾向,則在略大的細靜脈中更容易聚集成團而威脅到循環系統的基本功能;由此,用紅細胞的聚集來解釋白細胞的趨邊現象,是不能使用在臨近毛細血管的細靜脈這個區段上的。

發生在毛細血管中的白細胞流變現象是這種情形:白細胞通過毛細血管時會出現停頓、甚至是嵌塞現象,白細胞前面出現血漿柱,后面則跟隨著一串象火車一樣的紅細胞,血液在毛細血管的血壓降主要集中在白細胞上。當白細胞流出狹窄的毛細血管進入到一個管徑較大的區域中時,白細胞與內皮細胞之間的阻力將迅速減小、甚至消失,原來施加在白細胞上的血壓降轉移到后面的紅細胞上,由于紅細胞的變形性很好,可以順利通過毛細血管,于是紅細胞及毛細血管中的血漿被快速推動起來,紅細胞“頂”著前面的白細胞加速,后面的紅細胞又推動前面的紅細胞加速,這樣就使得前端的血細胞不斷地被后面的紅細胞擠離流場中部,出現了白細胞的趨邊現象。

而由直捷通路來的白細胞進入到細靜脈時,管徑突然變得寬闊,流速也變緩慢,其流態與從毛細血管中流出很相似,于是也表現出白細胞的趨邊現象。

三、白細胞的初步激活及在內皮細胞表面的滾動

當白細胞趨邊時,一方面由于組織內通過血管壁釋放到血液中的可溶性炎癥因子和內皮細胞激活后釋放到血液中的可溶性炎癥因子濃度的升高而對白細胞產生更強烈的刺激,另一方面白細胞可以直接與激活的內皮細胞的表面上的炎癥因子發生接觸而感受刺激:內皮細胞表面的糖蛋白中富含(硫酸)肝素糖胺多糖(heparin/heparansulfate glycosaminoglycan,GAG),可與化學激動劑分子結合的位點結合,流經血液中的趨化因子常錨泊于內皮細胞表面,當白細胞接觸到內皮細胞時,錨泊于內皮細胞表面的趨化因子可以就近、更有效的作用于白細胞上的受體可促進趨化因子對白細胞受體的作用;組織中的巨噬細胞或肥大細胞聚集到炎癥部位并釋放IL-1、TNF、組胺和TGF-β等活性物質激活內皮細胞,激活后的內皮細胞可釋放一系列的相關因子激活白細胞;另外,內皮細胞還能通過細胞轉運,將血管外周成纖維細胞、角質細胞等分泌的化學激動劑(如IL-8)轉運到血管內腔表面,這就使得血管外周組織分泌的化學激動劑也能被遞呈于血管內側。這些都有助于加強白細胞的激活。激活后的白細胞還可以通過與內皮細胞的接觸而發生信號轉導,強化內皮細胞的激活。初步激活的白細胞和內皮細胞進入到初始黏附的進程。

正常情況下,內皮細胞的選擇素不表達或低表達,而化學介質的激活作用可以誘導其表達或調高表達。如P-選擇素素,正常位于內皮細胞內的Weibel-Palade小體,在組胺、凝血素、血小板激活因子(PAF)等介質的作用下,P-選擇素快速(數分鐘內)分布到細胞表面,利于與白細胞結合。同樣,正常的血管內皮細胞E-選擇素不表達,而炎性介質(如IL-1和TNF)可以誘導其合成和表達,促進內皮細胞與白細胞結合,但此過程需要合成新的蛋白質,并且通常在1~2個h后才開始。L-選擇素在白細胞表面的表達較為固定,不易受其他因素的影響;L-選擇素的配體可在TNF、LPS等炎癥介質作用下,在內皮細胞表面表達增多,從而有利于L-選擇素介導的黏附。

由于選擇素與配體的動力學不同,不同的選擇素在炎癥反應的不同階段起作用。在早期(<20min)主要由P-選擇素介導,L-選擇素只是部分參與,E-選擇素幾乎不起作用,這與P-選擇素從內皮細胞上快速釋放相一致。其后(>20min)滾動主要由L-選擇素介導,P-選擇素的作用降低。E-選擇素在炎癥反應后2~4小時起作用,其表達具有組織部位特異性。各種選擇素在作用時間上的重疊使它們能協同作用提升效率。

在體內L-選擇素參與白細胞的快速(50~150μm/s)滾動,E-選擇素參與慢速(3~10μm/s)滾動,P-選擇素參與中間速率(20~50)m/s)滾動。這種速度差異可以使白細胞在L-選擇素的介導下慢速滾動,L-選擇素介導的滾動使P-或E-選擇素介導的滾動變得容易并增強了后二者的作用。然而好的、穩定的白細胞滾動則需要L-、E-和P-選擇素的協同作用,正是3種選擇素的共同作用,白細胞才能與內皮細胞接觸并滾動。這是白細胞粘附的開始一步,而L-選擇素在白細胞粘附中起“錨”的作用,由于L-選擇素與其配體結合的親和力低,加上白細胞活化后,L-選擇素的細胞外域會在滾動發生的幾秒鐘后隨即脫落(shedding),使白細胞并不與內皮細胞發生牢固黏附。滾動的白細胞流經炎癥部位微靜脈的速度較正常流動的白細胞慢得多,因此有更多的機會與微靜脈內皮細胞緊密接觸,而懸浮的白細胞在各種刺激因子作用下雖然也有激活,但較與內皮細胞接觸后受刺激激活的強度和持續時間上相差很多。這種滾動對白細胞進一步的活化是必要的,使白細胞通過損傷區的速度持續減慢,使白細胞與內皮細胞有時間活化或獲得趨化的信號。

四、白細胞與內皮細胞的初始黏附對血液流變的影響——血液黏度的上升與流速的降低

炎癥發生時,在臨近毛細血管的細靜脈中會出現“血液濃縮、粘滯性增加”的現象,以往對其原因的分析是“由于血管通透性升高,血漿從微靜脈外逸。”恒怡運動團隊經過仔細研究認為:導致血液粘稠的較主要原因可能不是由于血漿從血管內向組織間隙的流失。因為血液逐漸變粘稠是一個持續時間很長的過程,而流入的血液一般具有正常的黏度,如果導致血液變粘稠的丟失血漿全部轉變成了組織液,試想那將是一個多么大的液體總容量,即使能從淋巴管排走一部分,剩下的超量容積能在組織間隙中存留下來嗎?

恒怡運動團隊認為:造成上述現象的原因需要從白細胞與內皮細胞黏附進程中的生物力學相互作用中去探究。選擇素發揮作用后不斷降低著白細胞的前行速度,尤其是L-選擇素的持續“黏著-脫落”產生的制動力就象汽車行進中的“點剎”方式一樣,所形成白細胞前進的阻力可引起白細胞速度的持續下降,因而在相對狹窄的細靜脈中將對血液流態產生影響:血漿中的水分子等小分子由于個體小,與白細胞表面的黏滯阻力低,故對整體血漿所造成的速度損失較小,因而相對快速地向前流走了;紅細胞由于體形巨大而與降速的白細胞發生碰撞等過程后顯著地降低了流動速率,相對地停滯下來。這種模式從整體上可以近似看成是紅細胞和血漿的分流,紅細胞被抑留下來,會造成單位空間中紅細胞數量增加,相當于紅細胞的比容提高。當紅細胞比容上升后,血液的黏度將急劇增加,導致血液流動阻力增加,引起血液流速變緩慢。同樣,血漿中的大分子也存在一定程度的抑留,濃度上升,引起血漿黏度升高,也會導致血液流動阻力增加。

隨著血液流速降低,紅細胞受到的剪切力下降而致使變形能力降低,也是導致血液黏度上升一個因素。

正常時紅細胞懸浮在血漿中,呈均勻狀態,紅細胞間不發生聚集,這是因為每個紅細胞表面均帶負電荷,但是炎癥時由于致炎因子直接作用于紅細胞,使紅細胞表面帶電減少,可促使紅細胞發生一定程度的輕微聚集。當血流速度低時,紅細胞聚集的幾率升高,也是導致血液黏度上升一個因素。

血液在細靜脈黏度的升高造成在本段血管的血壓降的增高及細動脈到本段的血壓降的減低,致使流入本段血管的血液量減少,進一步促進了本段血管中血液流速的降低和黏度的上升。血液黏度的上升與流速的降低的幅度和速度主要與白細胞-內皮細胞的激活程度和選擇素的作用強度密切相關,這個進程一直持續發展到流入的血細胞與流出的血細胞達到基本的動態平衡。

五、血流緩慢對白細胞黏附的影響

血液流速降低后,白細胞在內皮細胞表面滾動的速度減緩,選擇素接觸的機會增多,使白細胞、內皮細胞充分激活。如中性粒細胞在選擇素介導下放慢滾動速度時,它會更有效地與內皮細胞上的趨化物質IL-8、PAF等結合,使β2整合素發生變構效應而激活。在β2整合素的介導下,中性粒細胞與內皮細胞牢固地粘附。同時內皮細胞上的ICAM-1表達上調,有利于整合素介導牢固粘附。

研究證明剪切力誘導內皮細胞IL-8 mRNA表達是時間和剪切力大小依賴性的,高剪切力可抑制IL-8 mRNA表達。血管內皮細胞表達IL-8需要流體剪切力的作用,而且IL-8蛋白質的表達量與剪切力的作用時間和作用強度有關。IL-8蛋白質的分泌量與剪切力強度呈反變關系,低剪切力(2.09dyne/cm2)時,IL-8蛋白質的表達量明顯增加,為高剪切力(18.32dyne/cm2)時IL-8蛋白質的表達量的約6~7倍。IL-8是迄今為止發現的趨化細胞因子中對中性粒細胞作用特異性強的一種,也是中性粒細胞強的刺激劑之一。血流緩慢形成的低剪切力環境有利于增加中性粒細胞的激活程度和黏附數量。

血管壁上的內皮細胞中編碼單核細胞趨化蛋白質(MCP-1)蛋白的基因在沒有剪切力作用時是失活的。血液的層流剪切力會導致內皮細胞的MCP-1及多種增生基因的迅速上調。低剪切力促進了內皮細胞分泌大量的MCP-1趨化單核細胞黏附到內皮細胞上。

LFA-1、Mac-1屬于白細胞β2-整合素。低剪切力可使LFA-1、Mac-1表達明顯增加,而隨著剪切力的增加,LFA-1、Mac-1表達明顯減少,這些結果與內皮細胞IL-8表達隨剪切力強度而變化的規律是相同的。而IL-8可以激活中性粒細胞,上調LFA-1、Mac-1的表達。因此,可以推測血流緩慢時降低剪切力可通過影響內皮細胞分泌IL-8來增強中性粒細胞表面LFA-1、Mac-1的表達,進而加強中性粒細胞-內皮細胞黏附。

六、白細胞在內皮細胞表面的滾動中的再次激活

當緩慢滾動的白細胞暴露在內皮細胞快速表達的PAF、白三烯等因子的環境下,可提高L-selectin的脫落水平。L-選擇素與配體的結合在白細胞起始黏附過程中的作用不僅表現為它們作為錨定分子將白細胞捕獲到活化的內皮細胞上,同時,L-選擇素作為信號受體還可向白細胞內傳遞信號,參與白細胞的活化。隨著L-selectin的脫落,白細胞表面β2-整合素的表達和活化也相應增加。受激表達的CD11/CD18結合內皮細胞表面上的ICAM-1,而β2-整合素/ICAM-1的粘附作用在數分鐘內促使白細胞牢固粘附并游行到炎癥組織中。

觸發是白細胞整合蛋白的激活,只有活化的整合蛋白才能促進強烈的粘附,從而使滾動的白細胞停止下來,使一過性的滾動轉變為緊密黏附,發展到牢固黏附。白細胞和內皮細胞固定黏著后,觸發了一系列信號事件:活化的白細胞在內皮表面變得扁平,微管重新組裝,在偽足部充填了肌動蛋白,用微吸管技術證明偽足比細胞體有更高的硬度;而且白細胞變得扁平,增加整合蛋白介導的連接的接觸面積,降低血流的牽引力;黏附以后也激發了血管內皮細胞之間信號傳遞,如白細胞CD11/CD18黏附蛋白與內皮細胞相應配基(ICAM-1)結合后,引起內皮細胞的細胞骨架重建(remodeling),增加了內皮細胞的黏度。內皮細胞和白細胞在促炎細胞因子和炎癥介質的作用下被進一步激活,細胞粘附分子表達增多,如內皮細胞激活后其表面的ICAM-1可增加30倍,而E-選擇素可增加100倍。白細胞被激活后,不僅膜表面的整合素家族黏附分子LFA-1和VLA-4增多,整合素構象也發生變化,使其與配體結合的親和力增高。激活的白細胞與內皮細胞依賴于表面黏附分子對的結合(如α1β2-ICAM-1,2,3、α4β1-VCAM-1)發生牢固黏附。

七、牢固黏附形成對血液流變的影響:

當牢固黏附出現后,這種粘附力可達0.004N/cm2(400dyn/cm2),在低血流狀態時,不可能有足夠大的剪切力驅開牢固粘附的白細胞。白細胞粘附到血管的管壁上,猶如河床底部鋪上了許多石頭塊一樣,嚴重時貼壁粘附的白細胞沿微血管壁“成隊排列”,臨床上可觀察到炎癥引起的微循環紊亂往往有一層相當厚的中性粒細胞位于靜脈壁處。而且已黏附于內皮細胞的白細胞可以像活化的內皮細胞一樣支持白細胞的滾動。

由于白細胞粘附于管壁,使得該處的有效管腔明顯減小,尤其在細靜脈分叉處,粘附的白細胞使管腔變窄。平時這些血管段的流動阻力較低,但此時也表現出較高的阻力。毛細血管后的細靜脈的血流阻力將顯著增加,據Eriksson計算可增高200多倍。毛細血管前段與后段的阻力比值的偏移可引起毛細血管內壓力的自動升高,隨后又造成向組織間隙滲濾的增加。這些情況也可導致前已述及的局部血液濃縮現象,這是解釋燒傷后細靜脈淤血和水腫發生的一種新的機制,也是促成毛細血管淤血的原因之一。當末梢微循環血流嚴重阻礙時,白細胞的病理生理意義就更為突出了:不僅僅是使細胞變形的剪切力不足以強迫白細胞快速地流過毛細血管,更糟的是此時的白細胞很容易造成毛細血管的完全阻塞,從而促進微循環血流淤滯的發生,造成細胞和組織的缺氧性損傷。而血流緩慢,引起血液的剪切力下降,進一步促進了白細胞黏附數量的增多,后期可使血流停滯。微循環明顯紊亂使局部組織營養障礙,這些現象如果發生在心、腦、肺等重要臟器,則可以作為致死原因之一。

八、低剪切力環境的形成與炎癥的發展和持續:

從細胞流變學角度分析,白細胞貼壁黏附受兩種力的影響,一為血液流動在管壁引起的剪切力,它阻礙白細胞貼壁;另一為白細胞和內皮細胞之間的黏附力,它促進白細胞貼壁。白細胞與內皮細胞黏附能力的變化是引起白細胞在血管內膜黏附的因素,其主要途經是依賴于白細胞表面的CD11/CD18復合體抗原體系所形成的牢固黏附。當機體出現嚴重損傷時,如燒傷、典型的缺血-再灌注損傷等病理中,內皮細胞、白細胞感受到高濃度炎性因子的刺激而激活程度高,造成黏附能力迅速增強,可以在毛細血管后的細靜脈內的流速尚未明顯下降、剪切力尚未明顯降低的短時間內就出現大量的白細胞黏附在內皮細胞上。然而,常見的病理大多是輕微的損傷,如運動造成的骨骼肌微損傷、非典型性缺血-再灌注損傷等,損傷部位產生的炎性因子濃度不高,內皮細胞、白細胞激活程度有限,黏附力的增強并未形成克服剪切力的優勢,往往需要通過剪切力的降低來輔助完成黏附和游出的進程。這就是在一般炎癥過程中可以觀測到的低剪切力環境的形成和炎癥的發展。

白細胞與內皮細胞的黏附是一個多步驟、序貫性的過程,上一步驟完成后需要具備一定的條件才能進展到下一步驟,白細胞和內皮細胞的相應激活是這些一定條件中的關鍵因素。白細胞、內皮細胞的激活也是一個多步驟的過程,并不是一次就完成了“激活”,而是分步驟、有條件的激活。需要特別引起關注的是:白細胞和內皮細胞在激活中具有相互促進和相互依賴的特征,尤其是白細胞和內皮細胞靠近時和充分接觸時,相互的影響更為顯著。

從白細胞黏附到內皮細胞的過程來看,低剪切力環境的形成有著至關重要的意義。一方面,白細胞和內皮細胞內部的分子機制具備了促成低剪切力環境的形成的能力;另一方面,低剪切力環境的形成促進了白細胞黏附到內皮細胞的過程。這個促進表現在以下方面:

(1)在白細胞的起始黏附進程中,低剪切力環境使白細胞趨邊并與內皮細胞靠近的幾率大大增加,促進了白細胞的初步激活,提高了白細胞黏附的數量;低剪切力環境使白細胞滾動緩慢,可與內皮細胞充分接觸以加強激活程度,加快了白細胞黏附的進程;低剪切力環境減少了在起始黏附進程中的白細胞被沖走的比率,促成了更多的白細胞進入到牢固黏附的步驟中。

(2)內皮細胞在低剪切力環境可以成倍地增加IL-8、MCP-1等炎性因子的分泌總量,促進了白細胞的激活,促使白細胞盡快地進展到牢固黏附中。

通過上述分析,我們可以知道:在一般炎癥中,低剪切力環境的形成是大量白細胞黏附和游出的前提條件,是炎癥得以發展和持續的關鍵因素。單個的白細胞要經歷初始黏附到牢固黏附并在后期游出血管,而隨著炎癥的進展,初始黏附和牢固黏附表現為并發的事件,共同促進低剪切力環境的形成和維持。當血液流速下降、剪切力降低時,初始黏附發生的幾率更高、進程加快,牢固黏附的進程也加速,因此,炎癥灶血液流變的變化和低剪切力環境的形成無疑是促進炎癥發展和持續的重要因素。尤其是對于骨骼肌微損傷、骨骼肌勞損等輕微損傷誘因引起的輕微炎性反應,低剪切力環境是控制炎癥強度的杠桿性要素。這種指導性認識的突破是調控炎癥研究上一個飛躍,從而可以將生物力學因素作為調節炎癥的一種手段來發揮抗炎作用,并將在未來獲得更加廣泛和更加深入的應用。

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