Blodviskositet och blodtryck: roll av temperatur och hyperglykemi

Abstract

Vi planerade en studie för att undersöka sambanden mellan blodtryck (BP), viskositet och temperatur hos friska personer och mellan BP, viskositet och glukos hos diabetiker. Med enkel slumpmässig urvalsmetod valdes 53 friska och 29 personer med diabetes mellitus (DM) typ II ut. Parametrarna bestämdes med kapillärviskometer och glukometer vid 22 °C, 36,5 °C och 39,5 °C hos friska försökspersoner och vid 22 °C hos diabetespatienter under OGTT med 75 g glukos. Statistiska utvärderingar av data gjordes med regressionsanalys, Student t-test, Spearmans korrelation och variansanalys. När temperaturen sjönk från 36,5 °C till 22 °C ökade blodets viskositet med 26,13 %. Denna ökning resulterade i en minskning av blodflödet med 20,72 %. Enligt Hagen-Poiseuille-ekvationen var den nödvändiga blodtrycksökningen för att kompensera den resulterande vävnadsischemin 20,72 %. Dessutom sågs en 34,73 % minskning av erytrocyternas deformbarhet och en 18,71 % ökning av plasmaviskositeten. När temperaturen ökade från 36,5° till 39,5°C minskade blodets viskositet med 10,38 %. Detta orsakade 11,15 % minskning av blodflödeshastigheten och 11,15 % minskning av blodtrycket enligt ekvationen. Erytrocyternas deformbarhet ökade med 9,92 % och plasmaviskositeten minskade med 4,99 % till följd av temperaturökningen. Det finns en korrelation mellan de totala uppgifterna för temperaturer och viskositeter (r = -0,84, P < .001). När medelvärdet för blodglukos ökade från 100 till 400 mg/dL ökade viskositeten med 25 % (r = 0,59, P = .002). I detta tillstånd minskade blodflödeshastigheten med 20 % och blodtrycksökningen för fysiologisk kompensation var 25 %. Följaktligen är temperatur, glukos- och viskositetsnivåer i blodet viktiga faktorer för blodtrycket. Am J Hypertens 2001;14:433-438 © 2001 American Journal of Hypertension, Ltd.

Syftet med vår studie är att undersöka sambanden mellan temperatur, glukoskoncentration och blodets och plasmans viskositet och att beräkna deras effekter på blodtrycket (BP) enligt Hagen-Poiseuille hydrodynamiska ekvation.

Om det mänskliga cirkulationssystemet betraktas som ett slutet system kan hemodynamisk jämvikt bestämmas enligt Poiseuille’s ekvation genom tryck, viskositet, flödeshastighet, blodets hastighet och kärldiameter. Viskositet kan definieras som vätskors motstånd mot flödet. Motståndet för blodcirkulationen omfattar friktion mellan blodelementen och mellan kärllumen och blodet. För att få en vätska att strömma krävs tillförsel av energi. Därför används cirkulationssystemets energi i korrelation med blodets viskositetsnivå. Energiformerna i cirkulationssystemet är blodtryck och blodflödeshastighet. Blodflödets hastighet (v) och tryck kan bestämmas med Poiseuilles ekvation som v = 1/4ηL (F1 – F2) (a2 – r2), och även BP-hastigheten (Q) kan uttryckas från ovanstående ekvation som Q = πa4/8 ηL (F1 – F2), där η är vätskans viskositet, F1 och F2 är blodets initiala och slutliga tvärsnittstryck, L är längden, a är kärlets radie och r är avståndet från kärlets centrum för en flödande partikel.1,2 För att hålla jämvikten i ekvationen konstant i cirkulationssystemet kommer således blodtrycket att öka när viskositeten ökar.

Det har visats att mellan värden på 25,32 % och 60,16 % av hematokriten ökar varje ökning av hematokriten med 11 % blodets viskositet med 20 %. I detta tillstånd minskar blodflödet enligt Poiseuilleekvationen med 16,67 %, vilket kan leda till ischemi i vävnaden. För att hålla cirkulationssystemet i jämvikt (dvs. hålla flödeshastigheten tillräcklig och förhindra vävnadsischemi) krävs en ökning av blodtrycket med 20 % eller en vasodilatation på 4,66 %.3 Människans cirkulationssystem är dock inte ett exakt slutet system, eftersom blodets viskositet kan förändras genom absorption av föda eller läkemedel.4-8 Dessutom har man rapporterat om effekterna av kostfetter och vissa läkemedel på blodets viskositet och hemodynamiska faktorer, t.ex. blodtryck. Eftersom aterosklerotiska kärl inte kan utvidga sig tillräckligt som svar på vasodilaterande läkemedel har det föreslagits att ökad blodviskositet endast kan kompenseras med en höjning av blodtrycket under sådana omständigheter.9-12 Dessutom har sambanden mellan blodtryck, huvudvärk, koagulation, blodflödeshastighet och blodviskositet beskrivits via de hemodynamiska principerna.13,14

Studien bestod av två grupper. För den första gruppen var vårt mål att mäta eventuella förändringar i blod- och plasmaviskositet och erytrocyternas deformbarhet på grund av temperaturförändringar hos friska försökspersoner, och även att bestämma förändringarna av blodtrycket med hjälp av beräkningar baserade på hemodynamikens lag. Eftersom erytrocyternas diameter är större än kapillärernas kan de endast passera genom kapillärerna genom att deformeras. Erytrocyternas förmåga att ändra form kan mätas och definieras med hjälp av begreppet deformbarhet. Den fria flödestiden för erytrocytmassan genom viskometern är omvänt proportionell mot erytrocyternas deformbarhet.15 Samband mellan blodets viskositet, erytrocyternas deformbarhet, temperatur och blodtryck har ännu inte rapporterats.

Den andra gruppen bestod av patienter med diabetes mellitus (DM) typ II utan diabeteskomplikationer. Vårt mål var att fastställa förhållandet mellan blodglukos och viskositet under ett oralt glukostoleranstest (OGTT) och att beräkna dessa faktorers effekter på BP med hydrodynamikens lag. Diabetespatienter valdes ut för att undersöka förhållandet mellan glukos och viskositet i ett brett spektrum av blodglukoskoncentrationer. Även om sambandet mellan blodglukos och viskositet har visats har sambandet mellan blodglukos och blodtryck ännu inte rapporterats.16,17

Material och metoder

Fallurval

För studiens första grupp valdes sammanlagt 53 friska försökspersoner ut genom en enkel slumpmässig provtagningsmetod. Studiepopulationen valdes ut bland besökarna av vår kliniks patienter, som inte hade några klagomål och som inte hade använt några mediciner under den senaste veckan. Gruppen bestod av 36 män och 17 kvinnor med en medelålder på 26,5 ± 6,5 år. För den andra gruppen valdes sammanlagt 29 personer som hade okomplicerad DM och som inte hade tagit några mediciner ut genom en enkel slumpmässig urvalsmetod från nydiagnostiserade DM typ II-patienter vid vår avdelnings diabetes mellitus-poliklinik. Informerat samtycke inhämtades från alla individer som deltog i studien.

Förberedelse av blodprover

Efter en fastande period över natten samlades ett blodprov på 9,9 mL från brachialvenen hos varje försöksperson över 0,1 mL (500 IU) heparinnatrium. Varje prov centrifugerades vid 3000 rpm i 5 minuter i en centrifug med en radie på 9,5 cm. Plasman erhölls som supernatant och buffertskiktet kastades bort. För att separera det återstående erytrocytsedimentet från leukocyter blandades det med 5 mL 0,9 % NaCl-lösning och centrifugerades två gånger med samma metod.

Mätning av viskositet och deformbarhet

Mätningarna gjordes med hjälp av den enkla kapillärrörsviskometermetoden som har använts på vår avdelning sedan 1990.3,11,12,18 Viskometern hade en behållare i den övre delen med en volym på 2 mL. Den fylldes i vertikalt läge med vätskeprov till behållarens övre linje och sedan mättes provets fria flödestid till behållarens nedre linje i sekunder (sek).

Om det destillerade vattnets fria flödestid accepteras som 1 kan det värde som uppnås genom jämförelse med provets fria flödestid benämnas ”relativ viskositet”.

Viskosimetern användes vid de utvalda konstanta laboratorieförhållandena i samma vertikala läge och utan att utsättas för direkt solljus eller luftflöde. Vi använde friflödestid i stället för värde för relativ viskositet som data, för att göra de statistiska och grafiska uppskattningarna mer exakta och för att förhindra avrundning av beräkningarna.

Friflödestiderna för blod, plasma och erytrocytmassa bestämdes vid 22°, 36,5° och 39,5° C. För att förhindra proteinutfällning användes viskometern efter att den tvättats med 0,9 % natriumkloridlösning, sköljts med destillerat vatten och torkats med aceton. För undersökning vid olika temperaturer placerades viskometern i ett genomskinligt, plastkapslat badsystem, där viskometerns två ändar stod vertikalt och värmekontrollerat vatten cirkulerade kontinuerligt med en peristaltisk pump med hög effekt i badsystemet.

Erythrocytdeformationsförmåga är en erytrocyts formförändrande förmåga. En av metoderna för att mäta deformbarhet är bestämning av erytrocytens passagetid genom ett filter som har porer av standardstorlek. På grund av skillnaden i erytrocytdiameter och -volym mellan individer kan denna metods specificitet och känslighet vara otillräcklig.15 Eftersom fri flödestid för ren erytrocytmassa representerar erytrocytens deformbarhet, fluiditet och inre viskositet, och eftersom det var billigare och enklare att använda viskometern för att bestämma erytrocytens fria flödestid, föredrog vi denna metod och dess data för studien.

Mätning av blodglukoskoncentration

Blodglukoskoncentrationsmätningarna utfördes med en Accutrend GC-glukometer (Boehringer Mannheim, Mannheim, Tyskland). Minst fyra mätningar av blodglukos och samtidiga mätningar av blod- och plasmaviskositet gjordes för alla 29 fall vid 0, 30, 60 och 120 minuter vid 22 °C efter intag av 75 g glukos.

Statistisk utvärdering

Resultaten för den första gruppen utvärderades statistiskt med Student t-testet och Spearman korrelationstest. Förhållandet mellan blodglukoskoncentration och viskositet utvärderades statistiskt med hjälp av Student t-testet, variansanalys och regressionsanalys.

Resultat

Samband mellan blodtemperatur, viskositet och tryck

När blodtemperaturen sjönk från 36,5° till 22°C ökade den genomsnittliga tiden för blodets fria flödestid från 11,62 till 15,55 sek (26,13 %). Enligt Poiseuiles ekvation minskar blodflödeshastigheten med 20,72 %, och för att kompensera detta ischemiska tillstånd krävs en ökning av blodtrycket med 26,13 % eller en vasodilatation med 5,9 %. Om viskositeten (η i ekvationens nämnare) ändras från 100 till 126,13 (26,13 %) skulle flödeshastigheten Q minska med 100/126,13 = 20,72 %. Om viskositeten ökar med 26,13 % måste tryckvärdet (F1 – F2) (multiplikatorn i ekvationen) ökas med samma procentsats för att hålla ekvationen konstant. När viskositeten ökar med 26,13 % måste kärlets radie (ursprunglig) a4 öka med 26,13 % för att hålla flödeshastigheten konstant. Beräkningen av denna ökade radie (slutlig) är a4final = 1,2613 × a4initial. Utifrån denna beräkning är αfinal = = 1,0597 och därmed kan 5,97 % vasodilatation uppskattas.

När temperaturen ökade från 36,5° till 39,5°C minskade blodets fria flödestid från 11,59 till 10,58 sek (10,38 %). I detta tillstånd ökade blodflödeshastigheten med 11,15 %; enligt Poiseuiles ekvation krävdes en 10,38 % minskning av blodtrycket eller 2,71 % vasokonstriktion för att hålla den hemodynamiska jämvikten konstant.

Korrelationen mellan temperatur och blodets viskositet är r = -0,84, P < .001 när alla skillnader vid de tre temperaturerna utvärderas tillsammans (fig. 1). När alla uppgifter om blodets fria flödestid för de tre temperaturerna utvärderades tillsammans enligt ålder fanns det en negativ korrelation (r = -0,1381 och P < .05); när uppgifterna utvärderades enligt kön visade det sig att den genomsnittliga fria flödestiden för blodet hos kvinnor var 12,97 % kortare än hos män (r = 0,3408, P < .001).

Temperaturens effekt på blodets viskositet. När blodtemperaturen sjunker från 36,5° till 22°C ökar blodets viskositet med 26,13 %. Om temperaturen ökar från 36,5° till 39,5° C minskar blodets viskositet med 10,38 %. För att få en mer korrekt presentation i den grafiska framställningen och statistiken användes i stället för värdet för ”relativ viskositet” blodets fria flödestid i sekunder (s) som data. När alla skillnader vid tre temperaturer utvärderas tillsammans ses en negativ korrelation mellan blodtemperatur och viskositet (r = -0,84, P < .001).

Ovanstående beräkningar och tolkningar kan göras för de observerade sambanden mellan temperatur, plasmaviskositet och erytrocytdeformbarhet.

Glukosens effekt på blodtrycket

Vi visade att blodtrycket måste öka med 25 % för att kompensera den minskade blodflödeshastigheten på grund av hyperviskositet som ses med hyperglykemi vid 400 mg/dL, och detta fynd måste vara kliniskt viktigt.

Efter att ett insulinresistent tillstånd hade påvisats vid essentiell hypertoni,25 rapporterade Resnick et al att hos normala och hypertoniska patienter höjde ökande glukoskoncentrationer de intracellulära kalciumjonkoncentrationerna i erytrocyter.26 Därefter visade Barbagallo et al att hyperglykemi kan ligga till grund för predispositionen för hypertoni och kärlsjukdomar hos diabetiker genom att öka de intracellulära fria kalciumkoncentrationerna i vaskulära glatta muskelceller.27

Då vaskulära komplikationer och ateroskleros är vanligare vid DM, kan dessa resultat tillämpas i vissa kliniska situationer.28,29 För diabetiker och för diabetiker med ateroskleros kan blodtrycksökning vara den enda möjliga eller dominerande kompensationsmekanismen för minskad blodflödeshastighet på grund av hyperglykemisk hyperviskositet, på grund av otillräcklig vasodilatation som leds av ökad intracellulär kalciumkoncentration och ateroskleros. Högt blodtryck hos en patient som läggs in på akutmottagningen med hyperglykemisk koma kan i själva verket vara ett fysiologiskt svar för att kompensera ischemi. En snabb och okontrollerad sänkning av blodtrycket hos en sådan patient före behandling av hyperglykemin kan leda till ett plötsligt fall i blodflödeshastigheten, vilket innebär akut vävnadsischemi. Hyperglykemisk hyperviskositet kan vara en förklaring till den postprandiella ansträngningsbesvären. Vid justering av blodtryckssänkande läkemedel bör man inte bortse från blodtrycksmätningar under normoglykemiska förhållanden.

Dessa samband mellan blodflödeshastighet, glukos, viskositet, tryck och vasodilateringskapacitet visas som en systemanalys på ett flödesschema i fig. 4.

Enligt Hagen-Poiseuille Hydrodynamiklag och våra studieresultat kan stökiometriska relationer mellan BP, viskositet, glukos, flödeshastighet och kärldiameter visas som en biologisk systemanalys i ett flödesschema.