Viscosità del sangue e pressione sanguigna: ruolo della temperatura e iperglicemia

Abstract

Abbiamo pianificato uno studio per ricercare le relazioni tra pressione sanguigna (BP), viscosità e temperatura in soggetti sani e tra BP, viscosità e glucosio nei diabetici. Con un metodo di campionamento casuale semplice, sono stati selezionati 53 soggetti sani e 29 soggetti con diabete mellito (DM) di tipo II. I parametri sono stati determinati con il viscosimetro capillare e il glucometro a 22°C, 36,5°C e 39,5°C nei soggetti sani e a 22°C nei pazienti diabetici durante l’OGTT con 75 g di glucosio. Le valutazioni statistiche dei dati sono state fatte con analisi di regressione, test t di Student, correlazione di Spearman e analisi della varianza. Quando la temperatura è diminuita da 36,5°C a 22°C, la viscosità del sangue è aumentata del 26,13%. Questo aumento ha portato a una diminuzione del 20,72% della portata del sangue. Secondo l’equazione di Hagen-Poiseuille, l’aumento di pressione richiesto per compensare l’ischemia tissutale risultante era del 20,72%. Inoltre, è stata osservata una diminuzione del 34,73% della deformabilità degli eritrociti e un aumento del 18,71% della viscosità del plasma. Quando la temperatura è aumentata da 36,5° a 39,5°C, la viscosità del sangue è diminuita del 10,38%. Questo ha causato una diminuzione dell’11,15% della portata del sangue e dell’11,15% della pressione sanguigna, secondo l’equazione. L’aumento della deformabilità degli eritrociti del 9,92% e la diminuzione della viscosità del plasma del 4,99% sono dovuti all’aumento della temperatura. C’è una correlazione tra i dati totali delle temperature e delle viscosità (r = -0,84, P < .001). Quando il valore medio della glicemia è aumentato da 100 a 400 mg/dL, la viscosità è aumentata del 25% (r = 0,59, P = .002). In questo stato, la diminuzione della portata del sangue era del 20% e l’aumento della pressione sanguigna per la compensazione fisiologica era del 25%. Di conseguenza, la temperatura, il glucosio e i livelli di viscosità del sangue sono fattori importanti per la BP. Am J Hypertens 2001;14:433-438 © 2001 American Journal of Hypertension, Ltd.

Lo scopo del nostro studio è di ricercare le relazioni tra temperatura, concentrazione di glucosio e viscosità del sangue e del plasma, e di calcolare i loro effetti sulla pressione sanguigna (BP) secondo l’equazione idrodinamica di Hagen-Poiseuille.

Se il sistema circolatorio umano è considerato come un sistema chiuso, l’equilibrio emodinamico può essere determinato secondo l’equazione di Poiseuille attraverso la pressione, la viscosità, la portata, la velocità del sangue e il diametro del vaso. La viscosità può essere definita come la resistenza dei fluidi contro il flusso. La resistenza per la circolazione del sangue include l’attrito tra gli elementi del sangue e tra il lume del vaso e il sangue. Per far scorrere un fluido, è necessaria l’applicazione di energia. Pertanto, l’energia del sistema circolatorio è spesa in correlazione con il livello di viscosità del sangue. Le forme di energia del sistema circolatorio sono la pressione e la velocità del flusso sanguigno. La velocità (v) e la pressione del flusso sanguigno possono essere determinate con l’equazione di Poiseuille come v = 1/4ηL (F1 – F2) (a2 – r2), e anche il tasso di BP (Q) può essere espresso dall’equazione precedente come Q = πa4/8 ηL (F1 – F2), dove η è la viscosità del fluido, F1 e F2 sono le pressioni trasversali iniziale e finale del sangue, L è la lunghezza, a è il raggio del vaso e r è la distanza dal centro del vaso per una particella che scorre.1,2 Quindi, per mantenere costante l’equilibrio dell’equazione nel sistema circolatorio, la pressione sanguigna aumenterà quando aumenta la viscosità.

È stato dimostrato che tra il 25,32% e il 60,16% di valori di ematocrito, ogni 11% di aumento dell’ematocrito aumenta la viscosità del sangue del 20%. In questo stato, secondo l’equazione di Poiseuille, la portata del sangue diminuisce del 16,67%, il che può portare all’ischemia dei tessuti. Per mantenere il sistema circolatorio in equilibrio (cioè, mantenere la portata sufficiente e prevenire l’ischemia dei tessuti), è necessario un aumento del 20% della pressione o una vasodilatazione del 4,66%.3 Tuttavia, il sistema circolatorio umano non è un sistema chiuso esatto, perché la viscosità del sangue può essere alterata dall’assorbimento di cibo o farmaci.4-8 Inoltre, sono stati riportati gli effetti dei grassi alimentari e di alcuni farmaci sulla viscosità del sangue e sull’emodinamica come la pressione. Poiché i vasi aterosclerotici non possono dilatarsi sufficientemente in risposta ai farmaci vasodilatatori, è stato suggerito che l’aumento della viscosità del sangue può essere compensato solo con un aumento della pressione in tali circostanze.9-12 Inoltre, le relazioni tra la pressione, il mal di testa, la coagulazione, la velocità del flusso sanguigno e la viscosità del sangue sono state descritte attraverso i principi dell’emodinamica.13,14

Lo studio era composto da due gruppi. Per il primo gruppo, il nostro obiettivo era quello di misurare le possibili alterazioni della viscosità del sangue e del plasma e la deformabilità degli eritrociti a causa dei cambiamenti di temperatura su soggetti sani, e anche di determinare i cambiamenti della BP utilizzando i calcoli basati sulla legge dell’emodinamica. Poiché i diametri degli eritrociti sono più grandi di quelli dei capillari, essi possono passare attraverso i capillari solo deformandosi. Tale capacità di alterazione della forma degli eritrociti può essere misurata e definita con il concetto di deformabilità. Il tempo di flusso libero della massa di eritrociti attraverso il viscosimetro è inversamente proporzionale alla deformabilità degli eritrociti.15 Le relazioni tra viscosità del sangue, deformabilità degli eritrociti, temperatura e pressione sanguigna non sono ancora state riportate.

Il secondo gruppo era composto da pazienti con diabete mellito (DM) di tipo II senza complicazioni diabetiche. Il nostro obiettivo era quello di determinare la relazione tra il glucosio nel sangue e la viscosità durante un test di tolleranza al glucosio orale (OGTT), e di calcolare gli effetti di questi fattori sulla BP con la legge dell’idrodinamica. I pazienti diabetici sono stati scelti per ricercare la relazione tra glucosio e viscosità in un’ampia gamma di concentrazioni di glucosio nel sangue. Sebbene sia stata dimostrata la relazione tra il glucosio nel sangue e la viscosità, la relazione tra il glucosio nel sangue e la BP non è ancora stata riportata.16,17

Materiali e metodi

Selezione dei casi

Per il primo gruppo dello studio, un totale di 53 soggetti sani sono stati scelti con un metodo di campionamento casuale semplice. La popolazione dello studio è stata selezionata tra i visitatori dei pazienti della nostra clinica, che non avevano alcun disturbo e non avevano usato alcun farmaco nell’ultima settimana. Il gruppo era composto da 36 uomini e 17 donne con un’età media di 26,5 ± 6,5 anni. Per il secondo gruppo, un totale di 29 soggetti che avevano un DM non complicato e non avevano assunto alcun farmaco sono stati selezionati con un metodo di campionamento casuale semplice da pazienti con nuova diagnosi di DM di tipo II presso l’ambulatorio di diabete mellito del nostro dipartimento. Il consenso informato è stato ottenuto da tutti i soggetti partecipanti allo studio.

Preparazione dei campioni di sangue

Dopo un periodo di digiuno notturno, un campione di sangue di 9,9 mL è stato raccolto dalla vena brachiale di ogni soggetto sopra 0,1 mL (500 UI) di eparina sodica. Ogni campione è stato centrifugato a 3000 rpm per 5 min in una centrifuga con un raggio di 9,5 cm. Il plasma è stato ottenuto come surnatante e il tampone è stato gettato via. Per separare il sedimento eritrocitario rimanente dai leucociti, è stato mescolato con 5 mL di soluzione di NaCl 0,9% e centrifugato due volte con lo stesso metodo.

Misurazione della viscosità e della deformabilità

Le misurazioni sono state fatte usando il metodo del viscosimetro a tubo capillare semplice che è stato usato nel nostro dipartimento dal 1990.3,11,12,18 Il viscosimetro aveva un serbatoio nella parte superiore con un volume di 2 mL. È stato riempito in posizione verticale con campione fluido fino alla linea superiore del serbatoio, e poi il tempo di flusso libero del campione fino alla linea inferiore del serbatoio è stato misurato in secondi (sec).

Se il tempo di flusso libero dell’acqua distillata è accettato come 1, il valore ottenuto dal confronto con il tempo di flusso libero di un campione può essere definito come “viscosità relativa”.

Il viscosimetro è stato utilizzato alle condizioni di laboratorio costante selezionato nella stessa posizione verticale e senza esposizione alla luce solare diretta o flusso d’aria. Abbiamo usato il tempo di flusso libero invece del valore di viscosità relativa come dati, per rendere le stime statistiche e grafiche più accurate e per evitare l’arrotondamento dei calcoli.

I tempi di flusso libero di sangue, plasma e massa eritrocitaria sono stati determinati a 22°, 36,5° e 39,5°C. Per evitare la precipitazione delle proteine, il viscosimetro è stato utilizzato dopo essere stato lavato con una soluzione di cloruro di sodio allo 0,9%, sciacquato con acqua distillata e asciugato con acetone. Per lo studio a diverse temperature, il viscosimetro è stato collocato in un sistema di bagno trasparente e chiuso in plastica, in cui le due estremità del viscosimetro stavano in verticale e l’acqua controllata dal calore veniva fatta circolare continuamente con una pompa peristaltica ad alta potenza nel sistema del bagno.

La deformabilità degli eritrociti è la capacità di cambiare forma di un eritrocita. Uno dei metodi per misurare la deformabilità è la determinazione del tempo di passaggio degli eritrociti attraverso un filtro con pori di dimensioni standard. A causa della differenza di diametro e volume degli eritrociti tra gli individui, la specificità e la sensibilità di questo metodo possono essere insufficienti.15 Poiché il tempo di flusso libero della massa eritrocitaria pura rappresenta la deformabilità, la fluidità e la viscosità interna degli eritrociti e poiché l’uso del viscosimetro per determinare il tempo di flusso libero degli eritrociti era più economico e più facile, abbiamo preferito questo metodo e i suoi dati per lo studio.

Misurazione della concentrazione di glucosio nel sangue

Le misure della concentrazione di glucosio nel sangue sono state effettuate con un glucometro Accutrend GC (Boehringer Mannheim, Mannheim, Germania). Almeno quattro misurazioni della glicemia e le misurazioni simultanee della viscosità del sangue e del plasma sono state effettuate per tutti i 29 casi a 0, 30, 60 e 120 minuti a 22°C, dopo l’ingestione di 75 g di glucosio.

Valutazione statistica

I risultati del primo gruppo sono stati valutati statisticamente con il test t di Student e il test di correlazione Spearman. La relazione tra la concentrazione di glucosio nel sangue e la viscosità è stata valutata statisticamente usando il test t di Student, l’analisi della varianza e l’analisi di regressione.

Risultati

Relazioni tra temperatura del sangue, viscosità e pressione

Quando la temperatura del sangue è diminuita da 36,5° a 22°C, il tempo medio di flusso libero del sangue è aumentato da 11,62 a 15,55 sec (26,13%). Secondo l’equazione di Poiseuille, la portata del sangue diminuisce del 20,72%, e per la compensazione di questo stato ischemico, è necessario un aumento della BP del 26,13% o una vasodilatazione del 5,9%. Se la viscosità (η nel denominatore dell’equazione) passa da 100 a 126,13 (26,13%), la portata Q diminuisce 100/126,13 = 20,72%. Se la viscosità aumenta del 26,13%, il valore della pressione (F1 – F2) (moltiplicatore nell’equazione) deve essere aumentato della stessa percentuale per mantenere costante l’equazione. Quando la viscosità aumenta del 26,13%, per mantenere costante la portata, il raggio del recipiente (iniziale) a4, deve aumentare del 26,13%. Il calcolo di questo raggio aumentato (finale) è a4final = 1,2613 × a4initial. Da questo calcolo, αfinal = = 1,0597 e quindi, si può stimare una vasodilatazione del 5,97%.

Quando la temperatura è aumentata da 36,5° a 39,5°C, il tempo di flusso libero del sangue è diminuito da 11,59 a 10,58 sec (10,38%). In questo stato, la portata del sangue è aumentata dell’11,15%; secondo l’equazione di Poiseuille, una diminuzione del 10,38% della BP o una vasocostrizione del 2,71% era necessaria per mantenere costante l’equilibrio emodinamico.

La correlazione tra temperatura e viscosità del sangue è r = -0,84, P < .001 quando tutte le differenze alle tre temperature sono valutate insieme (Fig. 1). Quando tutti i dati del tempo di flusso libero del sangue per le tre temperature sono stati valutati insieme secondo l’età, c’era una correlazione negativa (r = -0,1381 e P < .05); quando i dati sono stati valutati secondo il sesso, è stato trovato che il tempo medio di flusso libero del sangue nelle donne era 12,97% meno di quello negli uomini (r = 0,3408, P < .001).

Effetto della temperatura sulla viscosità del sangue. Quando la temperatura del sangue diminuisce da 36,5° a 22°C, la viscosità del sangue aumenta del 26,13%. Se la temperatura aumenta da 36,5° a 39,5°C, la viscosità del sangue diminuisce del 10,38%. Per fare una presentazione più accurata nella rappresentazione grafica e nelle statistiche, invece del valore della “viscosità relativa”, il tempo di flusso libero del sangue in secondi (s) è stato usato come dato. Quando tutte le differenze alle tre temperature sono valutate insieme, si vede una correlazione negativa tra la temperatura del sangue e la viscosità (r = -0,84, P < .001).

Quando la temperatura è diminuita da 36,5° a 22°C, il tempo di flusso libero del plasma è aumentato da 4,81 a 5,71 sec (18,71%); con un aumento della temperatura da 36,5° a 39,5°C, è diminuito da 4,78 a 4,57 sec (4,99%). Una correlazione negativa è stata vista (r = -0,9342, P < .001) quando i tempi di flusso del plasma alle tre temperature sono stati valutati insieme. Con una diminuzione della temperatura da 36,5° a 22°C, il tempo di flusso libero degli eritrociti è aumentato da 27,03 a 36,42 sec (34,73%). Quando la temperatura è aumentata da 36,5° a 39,5°C, il tempo di flusso libero degli eritrociti è diminuito da 27,02 a 24,35 sec (9,92%). C’era una correlazione negativa tra la temperatura e il tempo di flusso libero degli eritrociti (r = -0,62, P < .001). Tutte le differenze di deformabilità del sangue, della viscosità del plasma e degli eritrociti dovute alla temperatura erano statisticamente significative (P < .001).

Relazioni tra glicemia, viscosità e pressione

Il coefficiente di correlazione della glicemia con il tempo di flusso libero del sangue e il tempo di flusso libero del plasma variava da 0,59 a 0,49 e da 0,55 a 0,53, rispettivamente. Le linee di regressione sono state tracciate per il tempo di flusso libero del sangue e del plasma rispetto alle concentrazioni di glucosio nel sangue, e le loro pendenze non hanno mostrato alcuna differenza significativa. Così, le formule seguenti sono state derivate dall’equazione y = ax + b: tempo di flusso libero del sangue = (0,011)(glucosio nel sangue) + 12,10; tempo di flusso libero del plasma = (0,008)(glucosio nel sangue) + 5,4.

Da queste formule, il tempo di flusso libero del sangue calcolato per una concentrazione di 100 mg/dL di glucosio nel sangue era 13,2 sec, e il tempo di flusso libero del plasma era 6,2 sec. Per ogni aumento di 100 mg/dL della concentrazione di glucosio nel sangue, c’era un 1.1 sec. di aumento del tempo di flusso libero del sangue e 0,8 sec. di aumento del tempo di flusso libero del plasma. A 400 mg/dL di concentrazione di glucosio nel sangue, il tempo di flusso libero nel sangue è aumentato da 13,2 a 16,5 sec (25%).

Nell’analisi di regressione, sono stati calcolati i seguenti valori: F = 11,59, P = .002 (P < .05) per il tempo di flusso libero del sangue e F = 14,6, P = .0007 (P < .05) per il tempo di flusso libero del plasma. Il valore quadratico del coefficiente di correlazione multipla (R2) era 0,35, il che significa che c’era un effetto del 35% della glicemia sul tempo di flusso libero nel sangue.

Il rapporto tra i valori di viscosità del sangue e del plasma rispetto alle concentrazioni di glucosio sono rappresentati in diagrammi di dispersione con linee di regressione nella Fig. 2. Sono stati osservati aumenti significativi della concentrazione di glucosio e dei valori di viscosità (tempo di flusso libero) del sangue e del plasma (P < .05). Secondo l’equazione di Poiseuille, un aumento del 25% della viscosità si traduce in una diminuzione del 20% della portata del sangue. Per la compensazione fisiologica di questo stato ischemico, era necessario un aumento del 25% della BP o una vasodilatazione del 5,7%.

Rappresentazione del ruolo della glicemia sulla viscosità del sangue sul diagramma di dispersione con linee di regressione. Le variazioni dei valori del tempo di flusso libero del sangue e del tempo di flusso libero del plasma sono stati misurati con il viscosimetro capillare in secondi e utilizzati come dati rispetto alle concentrazioni di glucosio nel sangue del test di tolleranza al glucosio orale (in mg/dL). Il coefficiente di correlazione del glucosio nel sangue rispetto ai livelli di viscosità del sangue e del plasma variava da 0,59 a 0,49 (P = .002) e da 0,55 a 0,53 (P = .0007), rispettivamente.

Discussione

L’effetto della temperatura sulla pressione sanguigna

L’aumento osservato della BP del 26,13% legato alla diminuzione della temperatura e all’aumento della viscosità deve essere clinicamente importante. Poiché l’obiettivo principale del sistema di controllo della circolazione sanguigna è mantenere il volume del flusso sanguigno a una velocità costante e sufficiente, parte dell’alta pressione misurata nei pazienti può essere dovuta alla compensazione fisiologica della diminuzione della velocità del flusso sanguigno.

La temperatura delle estremità inferiori in condizioni normali è di circa 25°C,19 e le temperature delle estremità, del viso, dei polmoni e di altre parti del corpo possono diminuire quando fa freddo. Questa situazione può portare ad una diminuzione della portata del sangue a causa dell’aumento della viscosità del sangue, e può spiegare l’angina coronarica e la difficoltà di sforzo osservate in un ambiente freddo. Uno stato simile è l’ibernazione medica, in cui la temperatura del sangue scende a 22°C. Poiché i vasi aterosclerotici non possono dilatarsi e rispondere sufficientemente ai farmaci vasodilatatori, l’aumento della pressione può essere il principale meccanismo di prevenzione dell’ischemia in alcuni pazienti.20-24 Il rischio di ischemia può essere aumentato in un ambiente freddo se i pazienti sono ipertesi e non hanno una capacità di riserva di aumento della pressione per compensare il carico circolatorio. In questi pazienti, diminuire la viscosità utilizzando farmaci appropriati dovrebbe acquisire importanza.11,12

La diminuzione della pressione del 10,38% dovuta a un aumento della temperatura a 39,5°C deve essere clinicamente importante. Questa informazione può spiegare alcune situazioni cliniche come gli attacchi di ipotensione osservati in ambienti caldi e la tachicardia legata alla febbre, che è il primo riflesso fisiologico di compensazione per la diminuzione della pressione sanguigna.19 Inoltre, mantenere la temperatura corporea a circa 39,5°C durante una maratona può portare un vantaggio circolatorio a un atleta aumentando la velocità del flusso sanguigno attraverso la diminuzione della viscosità. L’aumento di potenza degli atleti prima della gara grazie agli esercizi di riscaldamento può essere considerato un esempio a sostegno di questo punto. Poiché la diminuzione della viscosità del sangue ha un effetto simile alla diminuzione della resistenza periferica della circolazione, la temperatura del sangue diventa un fattore importante per la resistenza periferica e la BP. Il diagramma di flusso in Fig. 3 mostra le relazioni tra BP, viscosità e temperatura.

Presentazione in un diagramma di flusso delle relazioni stechiometriche dei cambiamenti della viscosità del sangue, della portata, della pressione e del diametro dei vasi con la variazione della temperatura del sangue.

I calcoli e le interpretazioni di cui sopra possono essere fatti per le relazioni osservate tra la temperatura, la viscosità del plasma e la deformabilità degli eritrociti.

L’effetto del glucosio sulla pressione sanguigna

Abbiamo dimostrato che la pressione deve aumentare del 25% per compensare la diminuzione della portata del sangue dovuta all’iperviscosità vista con iperglicemia a 400 mg/dl, e questo risultato deve essere clinicamente importante.

Dopo che uno stato insulino-resistente era stato dimostrato nell’ipertensione essenziale,25 Resnick et al hanno riferito che in pazienti normali e ipertesi, l’aumento delle concentrazioni di glucosio aumentava le concentrazioni intracellulari di ioni calcio negli eritrociti.26 Poi, Barbagallo et al hanno dimostrato che l’iperglicemia può essere alla base della predisposizione all’ipertensione e alle malattie vascolari nei soggetti diabetici aumentando le concentrazioni di calcio libero intracellulare nelle cellule muscolari lisce vascolari.27

Poiché le complicazioni vascolari e l’aterosclerosi sono più comuni nel DM, questi risultati possono essere applicati in alcune situazioni cliniche.28,29 Per i diabetici e per i diabetici con aterosclerosi, l’aumento della BP può essere l’unico meccanismo di compensazione possibile o dominante della diminuzione della portata del sangue dovuta all’iperviscosità iperglicemica, a causa dell’insufficiente vasodilatazione portata dall’aumento della concentrazione di calcio intracellulare e dell’aterosclerosi. L’alta pressione in un paziente ammesso al servizio di emergenza con coma iperglicemico può infatti essere una risposta fisiologica per compensare l’ischemia. Una diminuzione rapida e incontrollata della BP in un tale paziente prima del trattamento dell’iperglicemia può portare a una caduta improvvisa della portata del sangue, il che significa ischemia tissutale acuta. L’iperviscosità iperglicemica può essere una spiegazione della difficoltà di sforzo postprandiale. Per la regolazione dei farmaci antipertensivi, le misurazioni della pressione in condizioni normoglicemiche non dovrebbero essere ignorate.

Queste relazioni tra la portata del sangue, il glucosio, la viscosità, la pressione e le capacità di vasodilatazione sono mostrate come un’analisi del sistema su un diagramma di flusso nella Fig. 4.

Secondo la legge dell’idrodinamica di Hagen-Poiseuille e i risultati del nostro studio, le relazioni stechiometriche tra BP, viscosità, glucosio, portata e diametro dei vasi possono essere mostrate come un’analisi del sistema biologico in un diagramma di flusso.

Conclusione

In questo studio, abbiamo dimostrato stechiometricamente che la temperatura e l’iperglicemia hanno un effetto importante sulla viscosità del sangue e la pressione. In base a queste informazioni, il meccanismo dell’angina da freddo, della resistenza periferica, della tachicardia e dell’ipotensione da caldo, della difficoltà da sforzo postprandiale e del guadagno fisiologico con esercizi di riscaldamento e con l’aumento della temperatura può essere spiegato su una nuova base. Le informazioni del nostro studio aumentano il numero di parametri emodinamici e dovrebbero essere considerati nel trattamento e nel follow-up dei pazienti con ipertensione e nell’analisi del sistema circolatorio.