Blood viscosity and blood pressure: role of temperature and hyperglycemia

Abstract

我々は、健康人の血圧、粘度、温度と糖尿病患者の血圧、粘度、ブドウ糖の関係について研究を計画しました。 単純無作為抽出法により、健常者53名、II型糖尿病（DM）29名を抽出した。 健常者では22℃，36.5℃，39.5℃で，糖尿病患者では75 gのブドウ糖を用いたOGTTを行い，22℃で毛細管粘度計とグルコメーターでパラメータを測定した． データの統計的評価は，回帰分析，Student t test，Spearman’s correlation，Analysis of varianceで行った． 温度が36.5℃から22℃に低下すると、血液粘度は26.13％上昇した。 この増加により、血液流量は20.72%減少した。 Hagen-Poiseuille式によると、結果として生じる組織の虚血を補償するために必要な血圧の上昇は20.72%であった。 また、赤血球の変形能が34.73%低下し、血漿粘度が18.71%上昇した。 温度が36.5°から39.5°Cに上昇すると、血液粘度は10.38%減少した。 これにより、血液流量は11.15%減少し、式によるとBPは11.15%減少した。 赤血球の変形能が9.92%増加し、血漿粘度が4.99%減少したのは、温度上昇に起因するものである。 体温と粘度の合計データには相関がある（r = -0.84, P < .001）。 血糖値の平均値が100から400mg/dLに上昇すると、粘度は25%上昇した（r = 0.59, P = 0.002）。 この状態では，血流量の減少は20％，生理的代償のための血圧上昇は25％であった． 従って、血液の温度、グルコース、粘性レベルは血圧に重要な因子である。 Am J Hypertens 2001;14:433-438 © 2001 American Journal of Hypertension, Ltd.＜6029＞＜7195＞我々の研究の目的は、温度、グルコース濃度、血液や血漿の粘度の関係を研究し、Hagen-Poiseuilleの流体力学方程式に従って血圧（BP）への影響を算出することである。

人間の循環系を閉鎖系と考えれば、圧力、粘性、流量、血流速度、血管径を経てポアズイユの式により血行動態の平衡が決定される。 粘性は流体の流れに対する抵抗と定義することができる。 血液循環の抵抗には、血液成分間の摩擦と血管内腔と血液の摩擦がある。 流体を流動させるためには、エネルギーを加えることが必要である。 したがって、循環系のエネルギーは、血液の粘性レベルと相関して費やされる。 循環系のエネルギー形態は、血圧と血流速度である。 血流の速度（v）と圧力はPoiseuilleの式でv = 1/4ηL (F1 – F2) (a2 – r2)と求められ、またBPレート（Q）は上式からQ = πa4/8 ηL (F1 – F2)で表わされる。 ここで、ηは流体の粘度、F1およびF2は血液の初期および最終断面積圧力、Lは長さ、aは血管の半径、rは流れる粒子の血管中心からの距離である。1,2 したがって、循環系で式の平衡を一定に保つためには、粘度が上昇すると血圧は上昇する。

ヘマトクリットの値が25.32％から60.16％の間で、ヘマトクリットが11％上昇するごとに血液粘度が20％上昇することが示されている。 この状態では、ポアズイユの式によると、血液流量が16.67%減少し、組織の虚血につながる可能性があります。 しかし、ヒトの循環系は厳密な閉鎖系ではなく、食物や薬物の吸収によって血液粘度が変化することがある4-8。 また、血行動態の原理から、血圧、頭痛、凝固、血流速度、血液粘度の関係も報告されている13,14

本研究は2群から構成されている。 第一のグループは、健常者の温度変化による血液や血漿の粘性、赤血球の変形性の変化の可能性を測定し、また血行力学の法則に基づいた計算により血圧の変化を明らかにすることを目的とした。 赤血球の直径は毛細血管の直径よりも大きいため、変形しなければ毛細血管を通過することができない。 このような赤血球の形状変化能力は、デフォーマビリティという概念で測定・定義することができる。 血液粘度、赤血球変形能、体温、血圧の関係については、まだ報告されていない。 経口ブドウ糖負荷試験（OGTT）中の血糖値と粘度の関係を明らかにし、それらがBPに及ぼす影響を流体力学の法則を用いて計算することを目的とした。 広い範囲の血糖値濃度におけるグルコースと粘度の関係を研究するために、糖尿病患者を選びました。 血糖値と粘度の関係は示されているが、血糖値とBPの関係はまだ報告されていない16,17

Materials and Methods

Case Selection

研究の第一グループには、単純無作為抽出法により合計53人の健常者が選ばれました。 調査対象者は、当クリニックの患者さんの来院者の中から、過去1週間、不定愁訴がなく、薬も使用していない人を選びました。 男性36名、女性17名で構成され、平均年齢は26.5±6.5歳であった。 第2群は、当科の糖尿病外来で新たにDMⅡ型と診断された患者から単純無作為抽出法により、合併症のないDMで薬を服用していない計29名の被験者を抽出した。 6029>

血液サンプルの準備

一晩の絶食後、すべての被験者の上腕静脈から9.9 mLの血液サンプルを採取し、0.1 mL (500 IU) のヘパリンナトリウムを塗布した。 各サンプルは半径9.5 cmの遠心分離機により3000 rpmで5分間遠心分離された。 上澄みとして血漿を得、バフコートを捨てた。 残った赤血球沈降物と白血球を分離するため、0.9%NaCl溶液5mLと混合し、同様の方法で2回遠心分離した。

粘度・変形性の測定

測定は1990年から当科で使用している簡易毛細管粘度計法で行った。3,11,12,18粘度計は上部が容量2mLで貯水池になっているものであった。 蒸留水の流動時間を1とすると、試料の流動時間との比較で得られる値は相対粘度と呼ぶことができる。 データとして相対粘度値の代わりにフリーフロー時間を用いたのは、統計的・図形的な推定をより正確にし、計算の丸みを防ぐためである

血液、血漿、赤血球塊のフリーフロー時間は、22°、36.5°、39.5°で測定されました。 タンパク質の沈殿を防ぐため、粘度計は0.9%塩化ナトリウム溶液で洗浄後、蒸留水でリンスし、アセトンで乾燥させてから使用した。 粘度計の両端を垂直に立て、高出力の蠕動ポンプで加熱制御した水を循環させながら、透明なプラスチック製の密閉型バスシステムで、異なる温度での研究を行った。 赤血球の変形能を測定する方法の一つとして、標準的な大きさの孔を持つフィルターを赤血球が通過する時間を測定する方法がある。 赤血球の直径や体積には個人差があるため、この方法では特異度や感度が十分でない場合がある15。 純粋な赤血球塊の自由流動時間は赤血球の変形性、流動性、内部粘性を表し、赤血球の自由流動時間の測定に粘度計を使用することがより安価で簡単であるため、本研究ではこの方法とそのデータを優先した。

血糖濃度測定

血糖濃度測定にはグルコメーター Accutrend GC（Boehringer Mannheim, Mannheim, Germany） を使用した。 血糖値の測定と血液粘度・血漿粘度の同時測定は、75gのブドウ糖を摂取後、22℃で0、30、60、120分に29例すべてについて少なくとも4回行った。

統計評価

第1群の結果をStudent t testとSpearman correlation testで統計的に評価した。 血糖値と粘度の関係はStudent t test、分散分析、回帰分析により統計的に評価した。

結果

血温、粘度、血圧の関係

血液温度が36.5°から22℃に低下すると平均血液自由流動時間は11.62から15.55秒（26.13％）増加することが判明した。 ポアズイユの式によれば、血流量は20.72%減少し、この虚血状態を補正するためには、26.13%の血圧上昇、あるいは5.9%の血管拡張が必要であることがわかる。 粘度（式の分母のη）が 100 から 126.13（26.13% ）に変化すると、流量 Q は 100/126.13 = 20.72% 減少することになる。 粘度が 26.13%増加した場合、式を一定に保つためには圧力（F1 – F2）の値（式中の倍率）を同じ割合で増加させる必要があります。 粘度が 26.13%増加したとき、流量を一定に保つためには、容器の半径（初期）a4 を 26.13%増加させなければならない。 この増加した半径（final）の計算は、a4final = 1.2613 × a4initial となる。 この計算から、αfinal = = 1.0597となり、5.97%の血管拡張が推定できる。

温度が36.5°から39.5°に上昇すると、血液自由流時間は11.59から10.58秒（10.38％）へと減少することが判明した。 この状態で血流量は11.15%増加した。ポアズイユの式によると、血行動態の平衡を一定に保つためには、10.38%の血圧低下または2.71%の血管収縮が必要となる。

温度と血液粘度の相関は、3温度での差をすべて合わせて評価するとr = -0.84, P < .001となった(Fig. 1)。 年齢別に3つの温度での血液自由流動時間のデータをすべてまとめて評価すると負の相関があり（r = -0.1381, P < .05）、性別で評価すると、女性の平均血液自由流動時間は男性のそれよりも12.97%少ないことがわかった（r = 0.3408, P < .001）＜6029＞＜5385＞温度が血液粘性に及ぼす効果について。 血液温度が36.5°から22°Cに低下すると、血液粘度は26.13%増加する。 温度が36.5°から39.5°Cに上昇すると、血液粘度は10.38%減少する。 グラフや統計でより正確に表現するために、「相対粘度」値の代わりに、血液の自由流動時間（秒）をデータとして使用しました。 3つの温度での差をすべて合わせて評価すると、血液温度と粘度の間には負の相関が見られる（r = -0.84, P < .001）。

36.5°から22°に温度が下がると、血漿自由流動時間は4.81から5.71秒（18.71%）へと上昇。36.5°から39.5℃へと温度が上昇した場合は4.78から4.57秒（4.99%）へと減少しました。 3つの温度での血流時間を合わせて評価したところ、負の相関が見られた（r = -0.9342, P < .001）。 36.5°から22°Cへの温度低下に伴い、赤血球フリーフロー時間は27.03秒から36.42秒（34.73％）へと増加した。 36.5°から39.5°Cへの温度上昇で、赤血球フリーフロー時間は27.02秒から24.35秒（9.92%）に短縮した。 温度と赤血球フリーフロー時間には負の相関があった（r = -0.62, P < .001）。 温度による血液、血漿粘度、赤血球変形能の差はすべて統計的に有意であった（P < .001）。

血糖値、粘度、血圧の関係

血糖値と血液自由流動時間、血漿自由流動時間の相関係数はそれぞれ0.59から0.49、0.55から0.53の範囲であった。 血糖値に対する血液および血漿の自由流動時間について回帰直線を引いたが、その傾きは有意な差を示さなかった。 そこで、y＝ax＋bの式から、血液自由時間＝（0.011）（血糖値）＋12.10、血漿自由時間＝（0.008）（血糖値）＋5.4という計算式が得られた。

これらの式から、血糖値100 mg/dL における血液自由時間は13.2 sec、血漿自由時間は 6.2 secとなった。 血糖値が100mg/dL上昇するごとに、1.血液フリーフロー時間が1秒増加し、血漿フリーフロー時間が0.8秒増加した。 血糖値400mg/dLでは、血液自由流動時間が13.2秒から16.5秒（25％）増加した。

回帰分析では、以下の値を算出した。 血液フリーフロー時間についてはF = 11.59, P = .002 (P < .05)、血漿フリーフロー時間についてはF = 14.6, P = .0007 (P < .05)であった。 血糖値の二乗重相関係数（R2）は0.35であり、血糖値が血流時間に対して35%の影響を及ぼしていることがわかった＜6029＞＜7195＞図2にグルコース濃度に対する血液および血漿粘度の関係を回帰直線付きの散布図で表した。 グルコース濃度と血液および血漿の粘性値（フリーフロー時間）の有意な増加が観察された（P < .05）。 Poiseuilleの式によると、粘度が25％上昇すると、血液流量が20％減少する。 この虚血状態を生理的に補償するためには，血圧の25％上昇または5.7％の血管拡張が必要であった。

血糖が血液粘度に及ぼす役割を回帰直線で散布図に表現したもの。 毛細管粘度計で血液フリーフロー時間と血漿フリーフロー時間の値の変化を秒単位で測定し、経口ブドウ糖負荷試験の血糖値（mg/dL）に対するデータとして使用した。 血糖値と血液粘度、血漿粘度レベルの相関係数はそれぞれ0.59から0.49（P = .002）、0.55から0.53（P = .0007）であった。

Discussion

The Effect of Temperature on Blood Pressure

気温低下と粘性増加による血圧上昇の観測値は臨床的に重要であろうと思われた。 血液循環の制御システムの主な目標は、血流量を一定かつ十分な速度に保つことであるため、患者で測定された高血圧の一部は、血流量の減少の生理的補償によるものと考えられる。

通常の状態での下肢の温度は約25℃であり19、寒冷時には四肢、顔、肺などの温度が低下することがあります。 このような状況は、血液粘度の上昇により血流量の減少を招き、寒冷環境で観察される冠攣縮性狭心症や労作困難の説明が可能である。 同様の状態に、血液温度が22℃まで低下する医学的な冬眠がある。 20-24 高血圧で、循環負荷を補う血圧上昇の予備能がない場合、寒冷環境では虚血のリスクが高まる可能性がある。 11,12

39.5℃への昇温による圧力低下10.38%は臨床的に重要であろう。 この情報は、暑い環境で見られる低血圧発作や、血圧低下に対する初期の生理的代償反射である発熱による頻脈などの臨床状況を説明することができる19。さらに、マラソンラン中に体温を39.5℃程度に保つことは、粘性低下により血流量を増加させ、アスリートに循環系の利点をもたらす可能性がある。 競技前のアスリートがウォームアップ運動によってパワーを得ることは、この点を裏付ける例として考えることができる。 血液粘度の低下は末梢循環抵抗を低下させるのと同様の効果があるため、血液温度は末梢抵抗と血圧の重要な因子となる。 図3のフローチャートは、BP、粘度、温度の関係を示している。

血液温度の変化による血液粘度、流量、圧力、血管径の変化の化学量論的関係をフローチャートで示したものである。

観察された温度、血漿粘度、赤血球変形性の関係に対して上記の計算と解釈ができる。

グルコースの血圧への影響

400mg/dLの高血糖で見られる高粘度による血流量の低下を補償するためには血圧が25%上昇しなければならず、この発見は臨床的に重要であろうということを示した。

本態性高血圧でインスリン抵抗性状態が示された後25 、Resnickらは正常および高血圧患者で、グルコース濃度の増加により赤血球の細胞内カルシウムイオン濃度が上昇することを報告した26。 また、Barbagalloらは、高血糖が血管平滑筋細胞の細胞内遊離カルシウム濃度を上昇させることにより、糖尿病患者の高血圧および血管疾患の素因となることを示した27

血管合併症や動脈硬化はDMに多いため、これらの結果はいくつかの臨床場面で応用できる28,29。 糖尿病患者や動脈硬化のある糖尿病患者にとって、高血糖による血流量の低下、細胞内カルシウム濃度の上昇による血管拡張の不十分さ、動脈硬化の補償機構として、血圧上昇が唯一可能、あるいは支配的であると思われる。 高血糖性昏睡で救急搬送された患者の高血圧は、実は虚血を補うための生理的反応である可能性がある。 このような患者において、高血糖の治療前に血圧を急激に無秩序に低下させると、血流量の急激な低下、すなわち急性組織虚血につながる。 高血糖による高粘性は、食後の労作困難の一つの説明となりうる。 降圧薬の調整には、正常血糖状態での血圧測定が無視できない。

これらの血流量、グルコース、粘度、圧力、血管拡張能の関係をシステム解析としてフローチャートに示したのが図である。 4.

ハーゲン・ポアズイユ流体力学の法則と我々の研究結果から、BP、粘性、グルコース、流量、血管径の化学量論的関係を生体システム分析としてフローチャートに示すことができる。

結論

本研究では、温度と高血糖が血液粘度と血圧に重要な影響を与えることを、化学量論的に示した。 この情報によれば、寒冷時の狭心症、暑熱時の末梢抵抗、頻脈、低血圧、食後の労作困難、温熱運動や体温上昇に伴う生理的利得などのメカニズムを新たな根拠で説明することが可能である。 本研究の情報は血行動態のパラメーターを増加させ、高血圧患者の治療やフォローアップ、循環器系の分析に考慮されるべきである。

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