Veren viskositeetti ja verenpaine: lämpötilan ja hyperglykemian merkitys

Abstract

Suunnittelimme tutkimuksen, jossa tutkittiin verenpaineen (BP), viskositeetin ja lämpötilan välisiä suhteita terveillä koehenkilöillä ja BP:n, viskositeetin ja glukoosin välisiä suhteita diabeetikoilla. Yksinkertaisella satunnaisotantamenetelmällä valittiin 53 tervettä ja 29 diabetes mellituksen (DM) tyypin II koehenkilöä. Parametrit määritettiin kapillaariviskosimetrillä ja glukometrillä 22 °C:n, 36,5 °C:n ja 39,5 °C:n lämpötiloissa terveillä koehenkilöillä ja 22 °C:n lämpötilassa diabeetikoilla 75 g glukoosia sisältävän OGTT:n aikana. Tietoja arvioitiin tilastollisesti regressioanalyysillä, Studentin t-testillä, Spearmanin korrelaatiolla ja varianssianalyysillä. Kun lämpötila laski 36,5 °C:sta 22 °C:een, veren viskositeetti kasvoi 26,13 %. Tämä lisäys johti veren virtausnopeuden vähenemiseen 20,72 prosentilla. Hagen-Poiseuillen yhtälön mukaan tarvittava verenpaineen nousu kudosiskemian kompensoimiseksi oli 20,72 %. Myös erytrosyyttien muodonmuutoskyky väheni 34,73 prosenttia ja plasman viskositeetti kasvoi 18,71 prosenttia. Kun lämpötila nousi 36,5 °C:sta 39,5 °C:een, veren viskositeetti laski 10,38 %. Tämä aiheutti yhtälön mukaan 11,15 %:n laskun veren virtausnopeudessa ja 11,15 %:n laskun verenpaineessa. Erytrosyyttien deformoituvuus lisääntyi 9,92 % ja plasman viskositeetti väheni 4,99 % lämpötilan nousun seurauksena. Lämpötilojen ja viskositeettien kokonaistietojen välillä on korrelaatio (r = -0,84, P < .001). Kun verensokerin keskiarvo nousi 100 mg/dl:sta 400 mg/dl:aan, viskositeetti kasvoi 25 % (r = 0,59, P = .002). Tässä tilassa veren virtausnopeuden lasku oli 20 % ja verenpaineen nousu fysiologisen kompensaation vuoksi 25 %. Näin ollen veren lämpötila, glukoosi- ja viskositeettitasot ovat tärkeitä BP:hen vaikuttavia tekijöitä. Am J Hypertens 2001;14:433-438 © 2001 American Journal of Hypertension, Ltd.

Tutkimuksemme tavoitteena on tutkia lämpötilan, glukoosipitoisuuden sekä veren ja plasman viskositeetin välisiä suhteita ja laskea niiden vaikutukset verenpaineeseen (BP) Hagen-Poiseuillen hydrodynaamisen yhtälön mukaisesti.

Jos ihmisen verenkiertojärjestelmää pidetään suljettuna järjestelmänä, hemodynaaminen tasapaino voidaan määrittää Poiseuillen yhtälön mukaisesti paineen, viskositeetin, virtausnopeuden, veren nopeuden ja verisuonen halkaisijan avulla. Viskositeetti voidaan määritellä nesteen virtausvastukseksi. Verenkierron vastus sisältää kitkan verielementtien välillä sekä verisuonen luumenin ja veren välillä. Jotta neste saataisiin virtaamaan, tarvitaan energiaa. Siksi verenkiertojärjestelmän energia kuluu veren viskositeettitason mukaan. Verenkiertojärjestelmän energiamuotoja ovat verenpaine ja veren virtausnopeus. Verenvirtauksen nopeus (v) ja paine voidaan määrittää Poiseuillen yhtälön avulla seuraavasti: v = 1/4ηL (F1 – F2) (a2 – r2), ja myös BP-nopeus (Q) voidaan ilmaista edellä mainitusta yhtälöstä seuraavasti: Q = πa4/8 ηL (F1 – F2), missä η on nesteen viskositeetti, F1 ja F2 ovat veren alku- ja loppupoikkileikkauspaineet, L on pituus, a on verisuonen säde ja r on etäisyys verisuonen keskipisteestä virtaavalle hiukkaselle.1,2 Jotta yhtälön tasapaino pysyisi vakiona verenkiertojärjestelmässä, verenpaine nousee viskositeetin kasvaessa.

On osoitettu, että 25,32 %:n ja 60,16 %:n hematokriittiarvojen välillä jokainen 11 %:n hematokriitin nousu lisää veren viskositeettia 20 %. Tässä tilassa Poiseuillen yhtälön mukaan veren virtausnopeus laskee 16,67 %, mikä voi johtaa kudosiskemiaan. Jotta verenkiertojärjestelmä pysyisi tasapainossa (eli virtausnopeus pysyisi riittävänä ja kudosiskemia estyisi), tarvitaan 20 %:n verenpaineen nousu tai 4,66 %:n vasodilataatio.3 Ihmisen verenkiertojärjestelmä ei kuitenkaan ole täsmälleen suljettu systeemi, koska veren viskositeetti voi muuttua ruoan tai lääkkeiden imeytymisen myötä.4-8 Lisäksi on raportoitu ravintorasvan ja joidenkin lääkkeiden vaikutuksista veren viskositeettiin ja hemodynamiikkaan, kuten verenpaineeseen. Koska ateroskleroottiset verisuonet eivät voi laajentua riittävästi vastauksena verisuonia laajentaviin lääkkeisiin, on esitetty, että veren lisääntynyttä viskositeettia voidaan näissä olosuhteissa kompensoida vain verenpaineen nousulla.9-12 Myös verenpaineen, päänsäryn, hyytymisen, veren virtausnopeuden ja veren viskositeetin välisiä suhteita on kuvattu hemodynamiikan periaatteiden kautta.13,14

Tutkimuksessa oli kaksi ryhmää. Ensimmäisen ryhmän osalta tavoitteenamme oli mitata veren ja plasman viskositeetin ja erytrosyyttien deformoituvuuden mahdollisia muutoksia, jotka johtuvat lämpötilan muutoksista terveillä koehenkilöillä, ja määrittää myös verenpaineen muutokset hemodynamiikan lakiin perustuvien laskelmien avulla. Koska erytrosyyttien halkaisijat ovat suurempia kuin kapillaarien halkaisijat, ne voivat kulkea kapillaarien läpi vain deformoitumalla. Tällaista erytrosyyttien muodonmuutoskykyä voidaan mitata ja määritellä deformoituvuuden käsitteellä. Erytrosyyttien massan vapaa virtausaika viskosimetrin läpi on kääntäen verrannollinen erytrosyyttien muodonmuutoskykyyn.15 Veren viskositeetin, erytrosyyttien muodonmuutoskyvyn, lämpötilan ja verenpaineen välisiä suhteita ei ole vielä raportoitu.

Toinen ryhmä koostui diabetes mellituksen (DM) tyypin II potilaista, joilla ei ollut diabeettisia komplikaatioita. Tavoitteenamme oli määrittää veren glukoosin ja viskositeetin välinen suhde oraalisen glukoosin sietokokeen (OGTT) aikana ja laskea näiden tekijöiden vaikutus verenpaineeseen hydrodynamiikan lain avulla. Diabeetikkopotilaat valittiin tutkimaan glukoosin ja viskositeetin välistä suhdetta laajalla veren glukoosipitoisuusalueella. Vaikka verensokerin ja viskositeetin välinen yhteys on osoitettu, verensokerin ja verenpaineen välistä yhteyttä ei ole vielä raportoitu.16,17

Materiaalit ja menetelmät

Tapausten valinta

Tutkimuksen ensimmäiseen ryhmään valittiin yksinkertaisella satunnaisotantamenetelmällä kaikkiaan 53 tervettä koehenkilöä. Tutkimusjoukko valittiin klinikkamme potilaskävijöistä, joilla ei ollut valituksia ja jotka eivät olleet käyttäneet lääkkeitä viimeisen viikon aikana. Ryhmään kuului 36 miestä ja 17 naista, joiden keski-ikä oli 26,5 ± 6,5 vuotta. Toiseen ryhmään valittiin yksinkertaisella satunnaisotantamenetelmällä osastomme diabetespoliklinikan hiljattain diagnosoiduista tyypin II DM-potilaista yhteensä 29 koehenkilöä, joilla ei ollut komplisoitunutta DM:ää ja jotka eivät olleet käyttäneet mitään lääkkeitä. Kaikilta tutkimukseen osallistuneilta henkilöiltä saatiin tietoinen suostumus.

Verinäytteiden valmistelu

Yön yli kestäneen paaston jälkeen jokaiselta koehenkilöltä otettiin 9,9 ml:n verinäyte rintalaskimosta 0,1 ml:n (500 IU) hepariininatriumilla. Jokainen näyte sentrifugoitiin 3000 rpm:n kierrosnopeudella 5 minuutin ajan sentrifugilla, jonka säde oli 9,5 cm. Plasma saatiin supernatanttina ja puskurikerros heitettiin pois. Jäljelle jääneen erytrosyyttisakan erottamiseksi leukosyyteistä se sekoitettiin 5 ml:aan 0,9-prosenttista NaCl-liuosta ja sentrifugoitiin kahdesti samalla menetelmällä.

Viskositeetin ja muodonmuutoskyvyn mittaaminen

Mittaukset tehtiin yksinkertaisella kapillaariputkiviskosimetri-menetelmällä, jota on käytetty osastollamme vuodesta 1990 lähtien.3,11,12,18 Viskosimetrissä oli yläosassa säiliö, jossa oli tilavuudeltaan 2 ml. Se täytettiin pystyasennossa nestemäisellä näytteellä säiliön yläreunaan asti, minkä jälkeen näytteen vapaa virtausaika säiliön alareunaan mitattiin sekunteina (sek).

Jos tislatun veden vapaa virtausaika hyväksytään arvoksi 1, näytteen vapaaseen virtausaikaan verrattaessa saatua arvoa voidaan kutsua ”suhteelliseksi viskositeetiksi”.

Viskosimetriä käytettiin valituissa vakioiduissa laboratorio-olosuhteissa samassa pystysuuntaisessa asennossa ilman, että se oli alttiina suoralle auringonpaisteelle tai ilmavirralle. Käytimme datana vapaan virtauksen aikaa suhteellisen viskositeetin arvon sijasta, jotta tilastolliset ja graafiset arviot olisivat tarkempia ja jotta vältyttäisiin laskelmien pyöristämiseltä.

Veren, plasman ja erytrosyyttien massan vapaan virtauksen ajat määritettiin 22°, 36,5° ja 39,5 °C:ssa. Proteiinien saostumisen estämiseksi viskosimetriä käytettiin sen jälkeen, kun se oli pesty 0,9-prosenttisella natriumkloridiliuoksella, huuhdeltu tislatulla vedellä ja kuivattu asetonilla. Eri lämpötiloissa tapahtuvaa tutkimusta varten viskosimetri asetettiin läpinäkyvään, muoviin koteloituun kylpyjärjestelmään, jossa viskosimetrin kaksi päätä seisoivat pystysuorassa ja lämpöohjattua vettä kierrätettiin jatkuvasti kylpyjärjestelmässä suuritehoisella peristalttisella pumpulla.

Eryytrosyyttien deformoituvuus on erytrosyytin muodonmuutoskyky. Yksi muodonmuutoskyvyn mittausmenetelmistä on määrittää erytrosyytin kulkuaika suodattimen läpi, jossa on vakiokokoiset huokoset. Koska erytrosyyttien halkaisija ja tilavuus vaihtelevat yksilöiden välillä, tämän menetelmän spesifisyys ja herkkyys voivat olla riittämättömät.15 Koska puhtaan erytrosyyttimassan vapaa läpivirtausaika edustaa erytrosyyttien muodonmuutoskykyä, juoksevuutta ja sisäistä viskositeettia ja koska viskosimetrin käyttäminen erytrosyyttien vapaan läpivirtauksen määrittämiseen oli edullisempaa ja helpompaa, suosimme tätä menetelmää ja sen tietoja tutkimuksessa.

Verensokeripitoisuuden mittaaminen

Verensokeripitoisuusmittaukset suoritettiin Accutrend GC -glukosimittarilla (Boehringer Mannheim, Mannheimin kaupunki, Saksa). Kaikista 29 tapauksesta tehtiin vähintään neljä verensokerimittausta ja samanaikaiset veren ja plasman viskositeetin mittaukset 0, 30, 60 ja 120 minuutin kohdalla 22 °C:n lämpötilassa 75 g glukoosin nauttimisen jälkeen.

Statistinen arviointi

Ensimmäisen ryhmän tulokset arvioitiin tilastollisesti Studentin t-testillä ja Spearmanin korrelaatiotestillä. Veren glukoosipitoisuuden ja viskositeetin välistä suhdetta arvioitiin tilastollisesti Studentin t-testillä, varianssianalyysillä ja regressioanalyysillä.

Tulokset

Veren lämpötilan, viskositeetin ja paineen suhde

Kun veren lämpötila laski 36,5°:sta 22° C:een, veren keskimääräinen vapaan virtauksen aika nousi 11,62 sekunnista 15,55 sekuntiin (26,13 %). Poiseuillen yhtälön mukaan veren virtausnopeus laskee 20,72 %, ja tämän iskeemisen tilan kompensoimiseksi tarvitaan 26,13 %:n verenpaineen nousu tai 5,9 %:n vasodilataatio. Jos viskositeetti (η yhtälön nimittäjässä) muuttuu 100:sta 126,13:een (26,13 %), virtausnopeus Q pienenee 100/126,13 = 20,72 %. Jos viskositeetti kasvaa 26,13 %, paineen (F1 – F2) arvoa (kerroin yhtälössä) on nostettava samalla prosentilla, jotta yhtälö pysyy vakiona. Kun viskositeetti kasvaa 26,13 %, jotta virtausnopeus pysyisi vakiona, astian (alkuperäisen) säteen a4 on kasvettava 26,13 %. Tämän suurentuneen säteen (lopullinen) laskeminen on a4final = 1,2613 × a4initial. Tästä laskelmasta saadaan αfinal = = 1,0597, joten voidaan arvioida, että verisuonten laajeneminen on 5,97 %.

Kun lämpötila nousi 36,5 °C:sta 39,5 °C:een, veren vapaan virtauksen aika lyheni 11,59 sekunnista 10,58 sekuntiin (10,38 %). Tässä tilassa veren virtausnopeus kasvoi 11,15 %; Poiseuillen yhtälön mukaan tarvittiin 10,38 %:n verenpaineen lasku tai 2,71 %:n verisuonten supistuminen, jotta hemodynaaminen tasapaino pysyisi vakiona.

Lämpötilan ja veren viskositeetin välinen korrelaatio on r = -0,84, P < 0,001, kun kaikkia eroja arvioitiin kolmessa lämpötilassa yhdessä (kuva 1). Kun kaikki veren vapaan virtausajan tiedot kolmesta lämpötilasta arvioitiin yhdessä iän mukaan, havaittiin negatiivinen korrelaatio (r = -0,1381 ja P < .05); kun tiedot arvioitiin sukupuolen mukaan, havaittiin, että veren vapaan virtausajan keskiarvo naisilla oli 12,97 % pienempi kuin miehillä (r = 0,3408, P < .001).

Lämpötilan vaikutus veren viskositeettiin. Kun veren lämpötila laskee 36,5 °C:sta 22 °C:een, veren viskositeetti kasvaa 26,13 %. Jos lämpötila nousee 36,5°:sta 39,5° C:een, veren viskositeetti laskee 10,38 %. Jotta graafinen esitys ja tilastot olisivat tarkempia, ”suhteellisen viskositeetin” arvon sijasta käytettiin datana veren vapaan virtauksen aikaa sekunteina (s). Kun kaikki erot kolmessa lämpötilassa arvioidaan yhdessä, havaitaan negatiivinen korrelaatio veren lämpötilan ja viskositeetin välillä (r = -0,84, P < .001).

Keskustelu

Lämpötilan vaikutus verenpaineeseen

Havaitun lämpötilan alenemiseen ja plasman lisääntyneeseen viskositeettipitoisuuden kasvuun liittyvän verenpaineen kohoamisen 26,13 %:lla on täytynyt olla kliinisesti tärkeää. Koska verenkierron ohjausjärjestelmän päätavoitteena on pitää veren virtausmäärä vakiona ja riittävänä, osa potilaista mitatusta korkeasta verenpaineesta voi johtua veren virtausnopeuden alenemisen fysiologisesta kompensaatiosta.

Alaraajojen lämpötila normaalioloissa on noin 25 °C,19 ja raajojen, kasvojen, keuhkojen ja muiden kehon osien lämpötilat voivat laskea kylmällä säällä. Tämä tilanne voi johtaa veren virtausnopeuden alenemiseen veren lisääntyneen viskositeetin vuoksi, ja se voi selittää kylmässä ympäristössä havaitun sepelvaltimotautikohtauksen ja rasitusvaikeuden. Vastaava tila on lääketieteellinen horros, jossa veren lämpötila laskee 22 °C:een. Koska ateroskleroottiset verisuonet eivät voi laajentua ja reagoida riittävästi verisuonia laajentaviin lääkkeisiin, verenpaineen nousu voi olla joillakin potilailla tärkein mekanismi iskemian ehkäisemiseksi.20-24 Iskemian riski voi lisääntyä kylmässä ympäristössä, jos potilaat ovat verenpainetaudissa eikä heillä ole varakapasiteettia verenpaineen nousuun verenkierron kuormituksen kompensoimiseksi. Näillä potilailla viskositeetin alentamisella sopivilla lääkkeillä pitäisi olla suurempi merkitys.11,12

Lämpötilan noususta 39,5 °C:een johtuvan 10,38 %:n paineen alenemisen on oltava kliinisesti tärkeää. Tämä tieto voi selittää joitakin kliinisiä tilanteita, kuten kuumassa ympäristössä havaitut hypotensiokohtaukset ja kuumeeseen liittyvän takykardian, joka on varhainen fysiologinen kompensaatiorefleksi alentuneelle verenpaineelle.19 Lisäksi kehon lämpötilan pitäminen noin 39,5 °C:ssa maratonjuoksun aikana voi tuoda urheilijalle verenkiertoetua lisäämällä veren virtausnopeutta pienentyneen viskositeetin kautta. Esimerkkinä tästä voidaan pitää urheilijoiden ennen kilpailua saavuttamaa tehonlisäystä lämmittelyharjoitusten avulla. Koska veren viskositeetin vähenemisellä on samanlainen vaikutus kuin verenkierron perifeerisen vastuksen vähenemisellä, veren lämpötilasta tulee tärkeä tekijä perifeerisen vastuksen ja verenpaineen kannalta. Kuvassa 3 olevassa vuokaaviossa esitetään BP:n, viskositeetin ja lämpötilan väliset suhteet.

Vuokaaviossa esitetään veren viskositeetin, virtausnopeuden, paineen ja verisuonen halkaisijan muutosten stoikiometriset suhteet veren lämpötilan muuttuessa.