Blodviskositet og blodtryk: temperatur og hyperglykæmi spiller en rolle

Abstract

Vi planlagde en undersøgelse for at undersøge sammenhængen mellem blodtryk (BP), viskositet og temperatur hos raske personer og mellem BP, viskositet og glukose hos diabetikere. Med simpel tilfældig stikprøveudtagningsmetode blev 53 raske og 29 personer med diabetes mellitus (DM) type II udvalgt. Parametrene blev bestemt med kapillærviskosimeter og glukometer ved 22 °C, 36,5 °C og 39,5 °C hos raske personer og ved 22 °C på diabetespatienter under OGTT med 75 g glukose. Statistiske vurderinger af dataene blev foretaget med regressionsanalyse, Student t-test, Spearmans korrelation og variansanalyse. Når temperaturen faldt fra 36,5 °C til 22 °C, steg blodets viskositet med 26,13 %. Denne stigning resulterede i et fald i blodgennemstrømningshastigheden på 20,72 %. I henhold til Hagen-Poiseuille-ligningen var den nødvendige stigning i blodtrykket for at kompensere for den resulterende vævsiskæmi 20,72 %. Der blev også konstateret et fald på 34,73 % i erytrocytternes deformabilitet og en stigning på 18,71 % i plasmaviskositeten. Når temperaturen steg fra 36,5° til 39,5 °C, faldt blodets viskositet med 10,38 %. Dette forårsagede et fald på 11,15 % i blodgennemstrømningshastigheden og et fald på 11,15 % i blodtrykket i henhold til ligningen. En stigning i erytrocytdeformerbarheden på 9,92 % og et fald i plasmaviskositeten på 4,99 % skyldtes temperaturstigningen. Der er en korrelation mellem de samlede data for temperaturer og viskositeter (r = -0,84, P < .001). Da middelværdien af blodglukose steg fra 100 til 400 mg/dL, steg viskositeten med 25 % (r = 0,59, P = .002). I denne tilstand var faldet i blodgennemstrømningshastigheden 20 %, og stigningen i blodtrykket for fysiologisk kompensation var 25 %. Følgelig er temperatur, glukose og blodets viskositetsniveau vigtige faktorer for blodtrykket. Am J Hypertens 2001;14:433-438 © 2001 American Journal of Hypertension, Ltd.

Sigtet med vores undersøgelse er at undersøge sammenhængen mellem temperatur, glukosekoncentration og blodets og plasmas viskositet og at beregne deres virkninger på blodtrykket (BP) i henhold til Hagen-Poiseuille’s hydrodynamiske ligning.

Hvis det menneskelige kredsløbssystem betragtes som et lukket system, kan den hæmodynamiske ligevægt bestemmes i henhold til Poiseuille’s ligning gennem tryk, viskositet, strømningshastighed, blodets hastighed og kardiameter. Viskositet kan defineres som væskers modstand mod strømning. Modstanden for blodcirkulationen omfatter friktion mellem blodelementerne og mellem karlumen og blodet. For at få en væske til at flyde er det nødvendigt at tilføre energi. Derfor bruges cirkulationssystemets energi i korrelation med blodets viskositetsniveau. Cirkulationssystemets energiformer er blodtrykket og blodets strømningshastighed. Blodstrømmens hastighed (v) og tryk kan bestemmes ved hjælp af Poiseuille-ligningen som v = 1/4ηL (F1 – F2) (a2 – r2), og også BP-hastigheden (Q) kan udtrykkes ud fra ovenstående ligning som Q = πa4/8 ηL (F1 – F2), hvor η er væskens viskositet, F1 og F2 er blodets oprindelige og endelige tværsnitstryk, L er længden, a er karradius, og r er afstanden fra karmidten for en strømmende partikel.1,2 For at holde ligningens ligevægt konstant i kredsløbssystemet vil BP således stige, når viskositeten øges.

Det er blevet vist, at mellem 25,32% og 60,16% værdier af hæmatokrit, vil hver 11% stigning i hæmatokrit øge blodets viskositet med 20%. I denne tilstand falder blodgennemstrømningshastigheden i henhold til Poiseuille-ligningen med 16,67 %, hvilket kan føre til vævsiskæmi. For at holde kredsløbssystemet i ligevægt (dvs. holde flowhastigheden tilstrækkelig og forhindre vævsiskæmi) er der behov for en stigning i blodtrykket på 20 % eller en vasodilation på 4,66 %.3 Det menneskelige kredsløbssystem er imidlertid ikke et nøjagtigt lukket system, fordi blodets viskositet kan ændres ved absorption af fødevarer eller lægemidler.4-8 Desuden er der rapporteret om virkningerne af fedt i kosten og af visse lægemidler på blodets viskositet og hæmodynamik, f.eks. blodtrykket. Da aterosklerotiske kar ikke kan udvides tilstrækkeligt som reaktion på vasodilaterende lægemidler, er det blevet foreslået, at øget blodviskositet kun kan kompenseres med en stigning i BP under sådanne omstændigheder.9-12 Desuden er forholdet mellem BP, hovedpine, koagulation, blodstrømningshastighed og blodviskositet blevet beskrevet via de hæmodynamiske principper.13,14

Undersøgelsen bestod af to grupper. For den første gruppe var vores mål at måle de mulige ændringer i blod- og plasmaviskositet og erytrocytdeformabilitet som følge af temperaturændringer på raske personer og også at bestemme ændringerne i BP ved hjælp af beregninger baseret på loven om hæmodynamik. Da erytrocytternes diameter er større end kapillærernes diameter, kan de kun passere gennem kapillærerne ved at deformere sig. En sådan formændringsevne hos erytrocytter kan måles og defineres med begrebet deformérbarhed. Den frie flowtid for erytrocytmassens frie flowtid gennem viskosimetret er omvendt proportional med erytrocytdeformbarheden.15 Forholdet mellem blodets viskositet, erytrocytdeformbarheden, temperaturen og blodtrykket er endnu ikke blevet rapporteret.

Den anden gruppe bestod af patienter med diabetes mellitus (DM) type II uden diabetiske komplikationer. Vores mål var at bestemme forholdet mellem blodglukose og viskositet under en oral glukosetolerancetest (OGTT) og at beregne disse faktorers indvirkning på BP med loven om hydrodynamik. Diabetiske patienter blev udvalgt for at undersøge forholdet mellem glukose og viskositet i et bredt spektrum af blodglukosekoncentrationer. Selv om forholdet mellem blodglukose og viskositet er blevet påvist, er forholdet mellem blodglukose og BP endnu ikke blevet rapporteret.16,17

Materiale og metoder

Materiale og metoder

Til den første gruppe i undersøgelsen blev i alt 53 raske forsøgspersoner udvalgt ved en simpel tilfældig stikprøveudtagningsmetode. Undersøgelsespopulationen blev udvalgt blandt de besøgende patienter fra vores klinik, som ikke havde nogen klager og ikke havde brugt nogen medicin i den sidste uge. Gruppen bestod af 36 mænd og 17 kvinder med en gennemsnitsalder på 26,5 ± 6,5 år. Til den anden gruppe blev i alt 29 personer, der havde ukompliceret DM og ikke havde taget nogen medicin, udvalgt ved en simpel tilfældig stikprøveudtagningsmetode blandt nydiagnosticerede DM type II-patienter på vores afdelings diabetes mellitus-ambulatorium. Der blev indhentet informeret samtykke fra alle personer, der deltog i undersøgelsen.

Forberedelse af blodprøver

Efter en fastende periode natten over blev der indsamlet en 9,9 mL blodprøve fra brachialvenen hos hver person over 0,1 mL (500 IE) heparinnatrium. Hver prøve blev centrifugeret ved 3000 rpm i 5 min i en centrifuge med en radius på 9,5 cm. Plasmaet blev opnået som en supernatant, og buff-coat blev smidt væk. For at adskille det resterende erytrocytsediment fra leukocytter blev det blandet med 5 mL 0,9 % NaCl-opløsning og centrifugeret to gange efter samme metode.

Måling af viskositet og deformerbarhed

Målingerne blev foretaget ved hjælp af den simple kapillarrørviskositetsmetode, som har været anvendt på vores afdeling siden 1990.3,11,12,18 Viskositetsmåleren havde et reservoir i den øverste del med et volumen på 2 mL. Det blev fyldt i lodret stilling med væskeprøve til den øverste linje i reservoiret, og derefter blev prøvens frie flowtid til den nederste linje i reservoiret målt i sekunder (sek).

Hvis den frie flowtid for destilleret vand accepteres som 1, kan den værdi, der opnås ved sammenligning med den frie flowtid for en prøve, betegnes som “relativ viskositet”.

Viskosimetret blev anvendt under de valgte konstante laboratorieforhold i den samme lodrette stilling og uden udsættelse for direkte sollys eller luftstrøm. Vi brugte fri flowtid i stedet for den relative viskositetsværdi som data for at gøre de statistiske og grafiske skøn mere nøjagtige og for at undgå afrunding af beregningerne.

Den frie flowtid for blod, plasma og erytrocytmasse blev bestemt ved 22°, 36,5° og 39,5°C. For at forhindre proteinudfældning blev viskosimetret anvendt, efter at det var blevet vasket med 0,9 % natriumkloridopløsning, skyllet med destilleret vand og tørret med acetone. Til undersøgelse ved forskellige temperaturer blev viskometret anbragt i et gennemsigtigt, lukket badesystem af plast, hvor viskometrets to ender stod lodret, og varmekontrolleret vand blev cirkuleret kontinuerligt med en peristaltisk pumpe med høj ydelse i badesystemet.

Erythrocytdeformabilitet er en erythrocyts formændringsevne. En af metoderne til måling af deformerbarhed er bestemmelse af erytrocytens passagetid gennem et filter, der har porer af standardstørrelse. På grund af forskellen i erytrocytdiameter og -volumen mellem individer kan denne metodes specificitet og følsomhed være utilstrækkelig15 . Da den frie flowtid for ren erytrocytmasse repræsenterer erytrocytens deformerbarhed, fluiditet og indre viskositet, og da det var billigere og nemmere at bruge viskosimetret til at bestemme erytrocytens frie flowtid, foretrak vi denne metode og dens data til undersøgelsen.

Måling af blodglukosekoncentration

Blodglukosekoncentrationsmålingerne blev foretaget med et Accutrend GC-glukometer (Boehringer Mannheim, Mannheim, Tyskland). Der blev foretaget mindst fire målinger af blodglukose og samtidige målinger af blod- og plasmaviskositet for alle 29 tilfælde ved 0, 30, 60 og 120 min. ved 22 °C efter indtagelse af 75 g glukose.

Statistisk evaluering

Resultaterne for den første gruppe blev evalueret statistisk med Student t-test og Spearman-korrelationstest. Forholdet mellem blodglukosekoncentration og viskositet blev evalueret statistisk ved hjælp af Student t-test, variansanalyse og regressionsanalyse.

Resultater

Sammenhæng mellem blodtemperatur, viskositet og tryk

Når blodtemperaturen faldt fra 36,5° til 22°C, steg den gennemsnitlige frie flowtid for blodet fra 11,62 til 15,55 sek (26,13%). Ifølge Poiseuille-ligningen falder blodgennemstrømningshastigheden med 20,72 %, og for at kompensere for denne iskæmiske tilstand er der behov for en 26,13 % stigning i blodtrykket eller 5,9 % vasodilatation. Hvis viskositeten (η i ligningens nævner) ændres fra 100 til 126,13 (26,13 %), vil flowhastigheden Q falde 100/126,13 = 20,72 %. Hvis viskositeten stiger med 26,13 %, skal trykværdien (F1 – F2) (multiplikator i ligningen) øges med den samme procentdel for at holde ligningen konstant. Når viskositeten stiger med 26,13 % for at holde strømningshastigheden konstant, skal beholderens radius (oprindelig) a4 øges med 26,13 % for at holde strømningshastigheden konstant. Beregningen af denne øgede radius (endelig) er a4final = 1,2613 × a4initial. Ud fra denne beregning er αfinal = = 1,0597, og der kan således estimeres en vasodilatation på 5,97%.

Da temperaturen steg fra 36,5° til 39,5°C, faldt blodets frie flowtid fra 11,59 til 10,58 sek. (10,38%). I denne tilstand steg blodgennemstrømningshastigheden 11,15 %; i henhold til Poiseuille’s ligning var et fald i BP på 10,38 % eller en vasokonstriktion på 2,71 % nødvendig for at holde den hæmodynamiske ligevægt konstant.

Korrelationen mellem temperatur og blodviskositet er r = -0,84, P < .001, når alle forskelle ved de tre temperaturer vurderes samlet (Fig. 1). Da alle data for blodets frie flowtid for de tre temperaturer blev vurderet sammen efter alder, var der en negativ korrelation (r = -0,1381 og P < .05); da dataene blev vurderet efter køn, viste det sig, at den gennemsnitlige frie flowtid for blodet hos kvinder var 12,97 % mindre end hos mænd (r = 0,3408, P < .001).

Virkning af temperatur på blodets viskositet. Når blodtemperaturen falder fra 36,5° til 22°C, stiger blodets viskositet med 26,13%. Hvis temperaturen stiger fra 36,5° til 39,5°C, falder blodets viskositet 10,38%. For at opnå en mere nøjagtig præsentation i den grafiske fremstilling og statistik blev der i stedet for værdien for “relativ viskositet” anvendt blodets frie flowtid i sekunder (s) som data. Når alle forskellene ved tre temperaturer vurderes samlet, ses en negativ korrelation mellem blodtemperatur og viskositet (r = -0,84, P < .001).

Når temperaturen faldt fra 36,5° til 22°C, steg plasmaets frie flowtid fra 4,81 til 5,71 sek (18,71%); ved en temperaturstigning fra 36,5° til 39,5°C faldt den fra 4,78 til 4,57 sek (4,99%). Der blev set en negativ korrelation (r = -0,9342, P < .001), da plasmaflowtiderne ved de tre temperaturer blev vurderet sammen. Ved et temperaturfald fra 36,5° til 22 °C steg erytrocytens frie flowtid fra 27,03 til 36,42 sek (34,73 %). Når temperaturen steg fra 36,5° til 39,5° C, faldt erytrocytens frie flowtid fra 27,02 til 24,35 sek (9,92 %). Der var en negativ korrelation mellem temperatur og erytrocytfri flowtid (r = -0,62, P < .001). Alle forskellene i blod, plasmaviskositet og erytrocytdeformerbarhed som følge af temperatur var statistisk signifikante (P < .001).

Sammenhæng mellem blodglukose, viskositet og tryk

Korrelationskoefficienten for blodglukose i forhold til blodets frie strømningstid og plasmaets frie strømningstid varierede fra henholdsvis 0,59 til 0,49 og fra 0,55 til 0,53. Der blev tegnet regressionslinjer for blodets og plasmaets frie flowtid i forhold til blodglukosekoncentrationerne, og deres hældninger viste ikke nogen signifikant forskel. Således blev nedenstående formler udledt af ligningen y = ax + b: blodets frie flowtid = (0,011)(blodglukose) + 12,10; plasmaets frie flowtid = (0,008)(blodglukose) + 5,4.

Fra disse formler var den beregnede frie flowtid i blodet for en blodglukosekoncentration på 100 mg/dL 13,2 sek. og plasmaets frie flowtid 6,2 sek. For hver 100 mg/dL stigning i blodglukosekoncentrationen var der en 1.1 sek. stigning i den frie strømningstid for blod og 0,8 sek. stigning i den frie strømningstid for plasma. Ved en blodglukosekoncentration på 400 mg/dL steg blodets frie flowtid fra 13,2 til 16,5 sek. (25 %).

I regressionsanalysen blev følgende værdier beregnet: F = 11,59, P = .002 (P < .05) for blodfri strømningstid og F = 14,6, P = .0007 (P < .05) for plasmafri strømningstid. Den kvadrerede multiple korrelationskoefficient (R2)-værdi var 0,35, hvilket betyder, at der var en 35 % effekt af blodglukose på blodets frie flowtid.

Sammenhængen mellem blod- og plasmaviskositetsværdierne versus glukosekoncentrationer er repræsenteret på scatterplots med regressionslinjer i fig. 2. Der blev observeret signifikante stigninger i glukosekoncentrationen og viskositetsværdierne (fri flowtid) i blod og plasma (P < .05). I henhold til Poiseuille-ligningen resulterer en stigning på 25 % i viskositeten i et fald på 20 % i blodgennemstrømningshastigheden. Til den fysiologiske kompensation af denne iskæmiske tilstand var der behov for en 25 % stigning i BP eller en vasodilatation på 5,7 %.

Repræsentation af blodglukosets betydning for blodets viskositet på et spredningsdiagram med regressionslinjer. Ændringer i værdierne for blodets frie flowtid og plasmaets frie flowtid blev målt med kapillærviskosimeteret i sekunder og anvendt som data mod blodglukosekoncentrationer fra oral glukosetolerancetest (i mg/dL). Korrelationskoefficienten for blodglukose i forhold til blodviskositets- og plasmaviskositetsniveauerne varierede fra henholdsvis 0,59 til 0,49 (P = 0,002) og fra 0,55 til 0,53 (P = 0,0007).

Diskussion

Den effekt af temperatur på blodtrykket

Den observerede BP-stigning på 26,13% relateret til nedsat temperatur og øget viskositet må være klinisk vigtig. Da hovedmålet med blodcirkulationens kontrolsystem er at holde blodgennemstrømningsmængden på en konstant og tilstrækkelig hastighed, kan en del af det høje BP, der er målt hos patienterne, skyldes fysiologisk kompensation for nedsat blodgennemstrømningshastighed.

Temperaturen i de nedre ekstremiteter under normale forhold er ca. 25 °C,19 og temperaturen i ekstremiteterne, ansigtet, lungerne og andre dele af kroppen kan falde i koldt vejr. Denne situation kan føre til nedsat blodgennemstrømningshastighed på grund af øget blodviskositet og kan forklare den koronar angina og anstrengelsesbesvær, der observeres i et koldt miljø. En lignende tilstand er medicinsk vinterdvale, hvor blodtemperaturen falder til 22 °C. Da aterosklerotiske kar ikke kan udvide sig og reagere tilstrækkeligt på vasodilaterende lægemidler, kan blodtryksstigning være den vigtigste mekanisme til forebyggelse af iskæmi hos nogle patienter.20-24 Risikoen for iskæmi kan øges i et koldt miljø, hvis patienterne er hypertensive og ikke har nogen reservekapacitet til at øge blodtrykket for at kompensere for den cirkulatoriske belastning. Hos disse patienter bør en nedsættelse af viskositeten ved hjælp af passende lægemidler få betydning.11,12

Det trykfald på 10,38 % som følge af en temperaturstigning til 39,5 °C må være klinisk vigtigt. Denne information kan forklare nogle kliniske situationer såsom hypotensionsanfald observeret i varme omgivelser og feberrelateret takykardi, som er den tidlige fysiologiske kompensationsrefleks for nedsat BP.19 Desuden kan det at holde kropstemperaturen på ca. 39,5 °C under et maratonløb give en cirkulatorisk fordel for en atlet ved at øge blodgennemstrømningshastigheden via nedsat viskositet. Atleters kraftforøgelse før konkurrence ved opvarmningsøvelser kan betragtes som et eksempel, der understøtter dette punkt. Da en nedsættelse af blodets viskositet har en virkning, der svarer til en nedsættelse af den perifere cirkulationsmodstand, bliver blodtemperaturen en vigtig faktor for den perifere modstand og blodtrykket. Flowdiagrammet i fig. 3 viser sammenhængen mellem BP, viskositet og temperatur.

Præsentation i et flowdiagram af de støkiometriske relationer mellem ændringerne i blodets viskositet, flowhastighed, tryk og kardiameter med ændringen af blodtemperaturen.

Overstående beregninger og fortolkninger kan foretages for de observerede sammenhænge mellem temperatur, plasmaviskositet og erytrocytdeformerbarhed.

Glukoseeffekten på blodtrykket

Vi viste, at BP skal stige 25 % for at kompensere for den nedsatte blodgennemstrømningshastighed på grund af hyperviskositet, der ses ved hyperglykæmi ved 400 mg/dL, og dette fund må være klinisk vigtigt.

Efter at en insulinresistent tilstand var blevet påvist i essentiel hypertension25 , rapporterede Resnick et al, at hos normale og hypertensive patienter øgede stigende glukosekoncentrationer de intracellulære calciumionkoncentrationer i erytrocytter.26 Derefter viste Barbagallo et al, at hyperglykæmi kan ligge til grund for prædisponeringen for hypertension og vaskulære sygdomme hos diabetikere ved at øge de intracellulære frie calciumkoncentrationer i vaskulære glatte muskelceller.27

Da vaskulære komplikationer og åreforkalkning er mere almindelige ved DM, kan disse resultater anvendes i nogle kliniske situationer.28,29 For diabetikere og for diabetikere med åreforkalkning kan BP-stigning være den eneste mulige eller dominerende kompensationsmekanisme for nedsat blodgennemstrømningshastighed som følge af hyperglykæmisk hyperviskositet, på grund af utilstrækkelig vasodilatation forårsaget af øget intracellulær calciumkoncentration og åreforkalkning. Et højt blodtryk hos en patient, der indlægges på skadestuen med hyperglykæmisk koma, kan faktisk være en fysiologisk reaktion for at kompensere for iskæmi. Et hurtigt og ukontrolleret fald i BP hos en sådan patient før behandling af hyperglykæmi kan føre til et pludseligt fald i blodgennemstrømningshastigheden, hvilket betyder akut vævsiskæmi. Hyperglykæmisk hyperviskositet kan være en forklaring på den postprandiale anstrengelsesbesvær. Ved justering af antihypertensive lægemidler bør man ikke se bort fra BP-målinger under normoglykæmiske forhold.

Disse relationer mellem blodgennemstrømningshastighed, glukose, viskositet, tryk og vasodilatationskapaciteter er vist som en systemanalyse på et flowdiagram i fig. 4.

I henhold til Hagen-Poiseuille Hydrodynamiklov og vores undersøgelsesresultater kan de stoikiometriske relationer mellem BP, viskositet, glukose, flowhastighed og kardiameter vises som en biologisk systemanalyse i et flowdiagram.

Slutning

I denne undersøgelse viste vi stoichiometrisk, at temperatur og hyperglykæmi har en vigtig virkning på blodets viskositet og BP. Ifølge disse oplysninger kan mekanismen bag angina i koldt vejr, perifer modstand, takykardi og hypotension i varmt vejr, postprandial anstrengelsesbesvær og fysiologisk gevinst ved opvarmningsøvelser og ved temperaturstigning forklares på et nyt grundlag. Oplysningerne i vores undersøgelse øger antallet af hæmodynamiske parametre og bør tages i betragtning ved behandling og opfølgning af patienter med hypertension og analyse af kredsløbssystemet.