世界微循環(huán)研究的回顧與展望

1、世界微循環(huán)研究的回顧與展望    關鍵詞： 微循環(huán)  世界微循環(huán)研究領域的前緣正在向前推進，其范圍也以加速度向外擴展，成為現(xiàn)代科學揭示生命系統(tǒng)分子水平奧秘的尖端學科，是基礎與應用的生物醫(yī)學科學中不可缺少的一部分。使這一特殊領域得以進一步輝煌的重要因素之一是來自基礎與臨床的研究者在自己的研究實踐中認識到了微循環(huán)的重要性并正在積極投身其中，利用分子生物學、細胞生物學、化學、物理和工程學的大量工具和分析手段，由此入手而開始解開在過去被認為非常復雜的難題。微循環(huán)信息獨特而豐富，它是任何動物活體組織不可缺少的組成部分，并且是活體細胞與外部環(huán)境之

2、間獨特的物質(zhì)交流途徑。 世界微循環(huán)領域的起源可以追溯至幾百年前。Malpighi和Leuwenhock用簡易的顯微鏡進行觀察，第一次描述了血液在相對纖細的毛細管中川流不息的情景。這些顯微鏡下看到的血管一開始被形容為類似一種田間灌溉的渠道。事實上，很長一段時間里科學家們還不能肯定它們是血管還是組織間隙。這些具有獨立功能呈樹枝狀分布的血管，其周圍的分枝當時僅被認為是微血管對局部損傷或發(fā)炎作出反應時的產(chǎn)物。 兩種方法學的進展促進了對微循環(huán)血流動力學的了解。本世紀70和80年代應用電子顯微鏡使人們清晰地觀察到這些小血管壁中的細胞（內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞、周細胞）內(nèi)構造和它們的細胞器。近一段時期，細胞培養(yǎng)

3、技術和特殊的免疫學探針的發(fā)展為揭示生物化學和生物物理學與多細胞組織的關系及對生命結構的選擇性自我改建開辟了廣闊前景。人體活體顯微鏡及計算機圖像檢測分析系列用最有力的證據(jù)證明了末梢血管床在大多數(shù)疾病及衰老過程中起著原動或從動的作用。 本世紀50年代首次統(tǒng)一了該領域使用的名詞微循環(huán)（microcirculation）。早在1880年，ClaudeBernard已經(jīng)認識到對于多細胞組織的生理組成，其本質(zhì)的也是首要的問題是保持穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。在這內(nèi)環(huán)境中實質(zhì)細胞得以完成它們的功能性活動，WalterBCannon在人的智慧一書中涉及到了一個最基本的問題，即神經(jīng)系統(tǒng)的自主性，并提出了“內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定”（hom

4、eostasis）一詞，強調(diào)保護組織完整和內(nèi)平衡的絕對必要性。顯然，末梢血管床是完成這一重要功能的基本園地。某些類型的局部反饋是必需的，它不僅能保障穩(wěn)定的組織環(huán)境，而且是在人體代謝活動中重新調(diào)整血液、組織液的機理之所在。 有關血液與組織間液體交換的定性概念首先是由Ludwin于1861年提出，后來又經(jīng)Starling進行了詳細說明。那時，末梢血管床的行為引起病理學家們的興趣，有關組織中血液控制的細節(jié)與選擇性分配大多是推理性的。直到20世紀二三十年代AugustKrough所做的經(jīng)典性貢獻才將人們的注意力集中到組織灌注上來。 被應用相關的基礎學科，如工程學、物理學和化學的原理和工具進行研究之后，

5、微血管研究的方向和重點有過多次改變。然而，在能夠進行動態(tài)測量微血管行為之前，只能根據(jù)疾病的早期現(xiàn)象和這些學科發(fā)生表面的相互聯(lián)系。 毛細血管（capillary）一詞由原意為頭狀的拉丁詞capilla衍生而來，一開始用來表示所有口徑特別細小的血管，這些構成毛細血管網(wǎng)狀組織的狹窄通道樣排列看上去類似一系列灌溉渠道，靠動脈端血流閘門的閉合使之充滿血流。 電子顯微鏡的出現(xiàn)帶來了許多傳統(tǒng)顯微鏡無法得到的高分辨率信息，但它們對微血液動力學研究的意義仍然有限。近幾年分子生物學發(fā)展的選擇性免疫學探針和體外培養(yǎng)技術成為揭示微血管系統(tǒng)中細胞組織功能性活動的極好工具，今天我們綜合來自不同基本學科的豐富信息，將結構與

6、功能結合起來，就能把它們組織成一幅栩栩如生的、美麗的畫卷。 心血管系統(tǒng)的末端微血管在顯微鏡下可描述為互不關聯(lián)的有機單元，網(wǎng)絡是各種組織所需營養(yǎng)的送達地點，是抵御外來不良作用的重要陣地，是保持體內(nèi)溫度的關鍵自然因子。它也緊密包含在受創(chuàng)傷組織的再生或重組中，它既是腦、肝、脾、腎和各類腺體處理各自特殊物質(zhì)的環(huán)境，也是循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，通過與局部控制的對抗以達到中心控制的平衡。最后，它還能適應并改建末梢毛細血管的自然結構，體現(xiàn)了人及動物集體應激非常條件和抵御衰老及疾病挑戰(zhàn)的巨大潛在功能。 百事通 如果拿研究者60或70年前 討論的問題與現(xiàn)狀作個對比，不僅我們今天仍面臨同樣的課題，而且許

7、多早先拋棄的概念仍具有挑戰(zhàn)性。 本世紀早些時期，科學家們的思路受AugustKrogh所做工作的支配。這位丹麥生理學家因他在該領域的創(chuàng)先性研究而獲諾貝爾獎。他的研究著重認識到局部控制的重要性，并把他的概念建立在對組織供氧能力的調(diào)節(jié)需要上。他針對骨骼肌建立的Krogh柱面模型以毛細血管空間排列為基礎，使交換物質(zhì)從血液向?qū)嵸|(zhì)組織細胞擴散時呈最佳變化梯度。Krogh闡述的操作機理，在穩(wěn)態(tài)條件下機體能自動地有選擇性地減少開放的毛細血管數(shù)量，而在肌肉運作時根據(jù)需要增加開放的毛細血管。 之后，法國胚胎學家CharlesRouget提出，毛細血管網(wǎng)絡可以被認為是血管系統(tǒng)中尚未完全成熟的一部分，在生命期間有進

8、一步完善的潛力，通過電子顯微鏡掃描已經(jīng)證實在大多數(shù)毛細血管基底膜中有多分支的周細胞存在，這種細胞可使毛細血管內(nèi)腔變形。 Rouget的研究和推論建立了使微循環(huán)結構得到進一步發(fā)展的基本概念，并對大量衰老過程和血管生成的研究產(chǎn)生了影響。目前的研究已經(jīng)表明微循環(huán)網(wǎng)絡不單純以靜態(tài)的結構存在，而且能為保持血管-組織的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定而做一連串的隨機改建，以應激可能出現(xiàn)的破壞性變化的一種極具獨特活力的器官單位。美國那句古老的諺語“你和你的動脈一樣老”也許應改為“你和你的微循環(huán)一樣老”。 活體顯微鏡方法學的不斷更新使科學家們能夠觀察到越來越多的哺乳動物的活體組織，并發(fā)現(xiàn)當骨骼肌增大工作負荷時，充滿血液流動的毛細血

9、管數(shù)量確實增加了近10倍，從而進一步證實了Krough的推理。 綜上所述，過去的研究已經(jīng)證明，微循環(huán)的主要功能之一是能夠為適應組織中實質(zhì)細胞代謝活動的增加而增加血流量，這種調(diào)節(jié)意味著存在一些反饋活動來控制那些在兩種可能性連續(xù)影響下的血管，最接近末梢血管床的輸入枝血管，其功能意義介乎大循環(huán)（系統(tǒng)循環(huán)）與微循環(huán)（局部循環(huán)）之間。這兒要強調(diào)的一點是這一區(qū)域的動脈枝連續(xù)地受到系統(tǒng)和局部控制機制的影響。與大循環(huán)有關的調(diào)節(jié)作用受神經(jīng)系統(tǒng)支配，以保持中心血壓，而對于微循環(huán)系統(tǒng)則通過控制組織灌注來滿足代謝活動的需要。雖然兩種方式的作用匯于一身，其作用方向卻不盡相同，甚至在疾病狀態(tài)下是相互沖突的。 微循環(huán)系指大

10、循環(huán)中的游離血管進入每一器官之后的循環(huán)部分。它由微動脈、前毛細血管、真毛細血管網(wǎng)、后毛細血管及微靜脈組成。在微動脈壁上有較密布的平滑肌細胞，在前、后毛細血管中，平滑肌分布稀疏，呈束狀，環(huán)抱著它們，又稱前、后毛細血管括約肌，起閘門作用，在真毛細血管壁中卻沒有平滑肌細胞，其管壁僅由一層內(nèi)皮細胞構筑。微血管平滑肌的基本特性之一是這些細胞保持在部分緊張或松弛狀態(tài)，這種被部分激發(fā)的狀態(tài)可比喻成是肌肉的緊張度。這是一種變化著的動力，不僅決定著血流的導通或阻隔，而且決定著對其他物理化學刺激的反應強度。神經(jīng)系統(tǒng)強加于供給動脈的緊張性是為了將系統(tǒng)血壓保持在一定范圍。另外，來自局部環(huán)境的因素直接作用于更末梢的小血

11、管，或增強或減弱平滑肌細胞的反應狀態(tài)，這種一分為二的作用對調(diào)節(jié)效應細胞反應狀態(tài)的部分性介入甚至可以壓倒中樞刺激。 血液運載物質(zhì)與組織間隙的物質(zhì)交換假設是一種被動過程，其中微血管壁內(nèi)皮屏障的作用像一個濾過器，使選擇性的交換物質(zhì)通過假設的眾多的“孔”或水性通道。這種功能反映內(nèi)皮細胞與其他細胞肯定有重要不同，或者存在其他特殊的結構。 對隔開組織間隙與血流的屏障進行詳細的超微結構分析，揭示出幾種自然通道的存在，應該加以區(qū)別對待。形成稱為內(nèi)皮膜的內(nèi)皮細胞鑲嵌體，排列在由一層糖蛋白組成的內(nèi)表面和由一層無定形的基底膜組成的外表面中，盡管已經(jīng)進一步論證存在一些自然通道使物質(zhì)穿過內(nèi)皮細胞移動，內(nèi)皮交換的復雜性仍

12、在隨著人們的目光變敏銳而增加。 百事通 早期對上皮膜可透性的大體研究提出了物質(zhì)從這些細胞鄰近的表面之間敏捷地移動穿過多細胞屏障的可能性。最近幾年通過電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，表面上溶在一起的鄰近的內(nèi)皮細胞之間保持著50100埃區(qū)域的間隔，足夠保證物質(zhì)分子的傳遞。 內(nèi)皮細胞的狀態(tài)是關鍵因素。毛細血管內(nèi)層和基底膜被內(nèi)皮細胞結合起來，相鄰內(nèi)皮細胞之間的接觸或緊或松，很大程度上由這些細胞的調(diào)節(jié)來規(guī)定。有充分證據(jù)證明局部區(qū)域因素能以一種指定方式影響細胞間關系，并以此改變內(nèi)皮傳輸屏障的交換，這種反饋承擔著對機體受到嚴重干擾時的局部適應任務。 最近對保持鄰近細胞表面胞間制約作用力的研究表明，這一特征可通過決定細胞

13、形狀的F-肌纖蛋白的內(nèi)部細胞骨架的動因來改變。這一外觀與交換之間的相關性是由20年代Landis提出的，他研究了穿過單支毛細血管的液體移動，首次對血管壁液體通透性進行了定量估算，并證實了Starling在1890年提出的關于在膠體滲透壓與靜水壓之間保持著一種平衡的假說。后來的研究者們則采用更精巧的途徑包括對整個附加物的連續(xù)稱重來測量液體的得與失，以及藉此了解流體靜水壓與膠體滲透壓的相互作用。 通過電子顯微鏡得到的數(shù)據(jù)還揭示，大量內(nèi)皮小泡是物質(zhì)傳遞潛在的交通工具，并已有研究證明經(jīng)這一結構類型可完成大分子移動。然而，大量胞質(zhì)交通工具的分布使一些研究者提出這些90埃的鏈泡能排列成一個相當大的毛孔系統(tǒng)

14、，對其傳遞的動態(tài)過程正在研究中。 沿著微循環(huán)發(fā)展史，我們把注意力轉(zhuǎn)向人體。大多數(shù)從動物實驗得到的信息能用于探索人體的問題。與動物相比，人體微循環(huán)測量的障礙之一是能作為詳細研究的部位有限。 活體微循環(huán)顯微鏡作為研究人體微循環(huán)動態(tài)變化的實用工具在國外開始于30年代。皮膚、眼球結膜、手指的甲皺區(qū)域較薄且相對較透明是特別適合的觀察位置。在這些部位可以長時間觀察和記錄大量的真毛細血管回路和血流狀態(tài)。但在早期、微循環(huán)作為臨床工具的主要不利之處是受到技術上的限制，其各指標在本質(zhì)上只是描述性的。David是這一研究的先驅(qū)，他最先描述了高血壓患者甲皺微循環(huán)的變化特征。 我國最早的微循環(huán)研究開始于臨床，陸道培等于

15、1961年首次報道了應用毛細血管鏡對40例正常人及20例再生障礙性貧血患者甲皺微循環(huán)的研究，描述了毛細血管襻的輪廓、長短、密疏及形狀。陳文杰等1962年在對再生障礙性貧血出血機制的研究中，除對甲皺毛細血管襻進行了形態(tài)的描述外，還對其機能（脆性、通透性）進行了檢測。1964年，李志山，陳文杰首次系統(tǒng)地介紹了甲皺皮膚微循環(huán)的檢查方法，同時介紹了13項檢查指標及其相對正常值。13項指標是：  管襻一般外觀； 管襻數(shù)目； 管襻長度； 管襻畸型； 管襻直徑； 襻頂寬度； 管襻周圍滲出點； 毛細血管壓及指側(cè)小動脈壓；

16、 管襻內(nèi)血流速度；血流狀態(tài)；管襻對針刺的反應；對束臂刺激反應；二次出血檢查。以上工作為我國臨床微循環(huán)的研究起了奠基作用。 1965年，在祝壽河、華光與閻田玉領導的搶救流腦患兒的合作項目中，修瑞娟應用甲皺微循環(huán)研究方法日夜連續(xù)檢測了58例流行性腦脊髓膜炎患兒的甲皺微循環(huán)各指標的動態(tài)變化，自患兒入院追蹤至患兒痊愈或死亡，同時由陳祥銀等測定這些患兒體內(nèi)生物胺的變化。發(fā)現(xiàn)患兒甲皺微循環(huán)的變化與生物胺的變化密切相關，還發(fā)現(xiàn)不同臨床類型（普通型、腦型、皮膚型、肺型）患兒的甲皺微循環(huán)表現(xiàn)及變化也不同。該研究首次在世界上發(fā)現(xiàn)了微循環(huán)自律運動的激活對改善人體各器官及組織急性缺血的重要作用并應用微循環(huán)指

17、標協(xié)助臨床治療，取得了顯著的療效。1971年，修瑞娟在肺心病微循環(huán)障礙動物模型實驗研究之先又將甲皺微循環(huán)的觀測指標應用到肺心病患者，在臨床觀測中設正常對照組和哮喘病、慢性支氣管炎、風心病、冠心病對照組，發(fā)現(xiàn)肺心病患者微循環(huán)變化的特點是血流緩慢及管襻痙攣，對寒冷刺激特別敏感。這一階段對甲皺微循環(huán)的深入研究，一方面證明該指標在不同疾病或同一疾病的不同階段具有不同的表現(xiàn)特點，在判定病情、指導臨床治療和判斷預后方面具有重要的臨床價值。通過急性腦膜炎患兒甲皺微循環(huán)晝夜連續(xù)檢測、發(fā)現(xiàn)微血管自律運動在病情轉(zhuǎn)化中的動態(tài)表現(xiàn)及其重要性。與此同時，也發(fā)現(xiàn)甲皺微循環(huán)各項指標的變化沒有嚴格的特異性，管徑的收縮和擴張、

18、流速的降低或血流淤滯、管襻形態(tài)的異常以及微栓子的形成等等，在許多疾病中都可以有類似的表現(xiàn)，即使在正常人中甲皺微循環(huán)的各項指標間也存在較大差異。在疾病的發(fā)病過程中以及疾病治療的前后進行自身對照較異體對照更為有價值。從本質(zhì)上看，甲皺管襻只是微循環(huán)的真毛細血管網(wǎng)部分，而不是皮膚微循環(huán)的全部，也不是體內(nèi)其他器官功能的唯一代表。因此絕對不能單純依據(jù)某人某時刻的甲皺微循環(huán)檢測對其健康狀態(tài)下結論，甲皺微循環(huán)檢測只是一項輔助指標。1980年至1982年，修瑞娟將上述臨床及實驗研究在美國及歐洲進行了報告，并發(fā)表在國際學術雜志上，首次將我國的臨床微循環(huán)研究介紹給了西方國家。 百事通 隨著宇航高科技的出現(xiàn)和發(fā)展，加

19、州理工學院的Wayland等接觸了醫(yī)學的理工學者們決定將他們精細的專業(yè)知識應用于探索人體功能。于是，微循環(huán)系統(tǒng)的研究被選為突破口。70年代初期電子細胞計數(shù)器、微血流流速測量儀、微血管管徑圖像剪切測量儀、微血管自律運動的頻譜分析技術相繼出現(xiàn)。時代性的技術革新將微循環(huán)的研究推向蓬勃發(fā)展的新階段。我國廣大微循環(huán)研究工作者應用微血液動力學、生物流變學和臨床血液流變學、活體微循環(huán)和大循環(huán)顯微電視同步檢測技術、計算機數(shù)據(jù)及圖像處理技術、無創(chuàng)傷臨床研究和檢測系統(tǒng)等一系列方法，對微血管的正常功能及其障礙從臨床到實驗室做了大量的研究，對休克、糖尿病、腦卒中、冠心病、高血壓、腫瘤等疾病發(fā)病機理和防治作了進一步闡明。這些成績使我國的微循環(huán)研究在國際上獨樹一幟。 當前，細胞生物學及分子生物學技術的應用使微血管功能的研究向縱深開拓。如從組織培養(yǎng)角度來研究大鼠主動脈環(huán)的新生末梢微血管在無血清培養(yǎng)基中的生長；應用肝素、FGF和VEGF等生長因