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世界微循环研究的回顾与展望 |
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来源： 作者： 发布时间：2007-03-11
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关键词： 微循环
世界微循环研究领域的前缘正在向前推进，其范围也以加速度向外扩展，成为现代科学揭示生命系统分子水平奥秘的尖端学科，是基础与应用的生物医学科学中不可缺少的一部分。使这一特殊领域得以进一步辉煌的重要因素之一是来自基础与临床的研究者在自己的研究实践中认识到了微循环的重要性并正在积极投身其中，利用分子生物学、细胞生物学、化学、物理和工程学的大量工具和分析手段，由此入手而开始解开在过去被认为非常复杂的难题。微循环信息独特而丰富，它是任何动物活体组织不可缺少的组成部分，并且是活体细胞与外部环境之间独特的物质交流途径。
世界微循环领域的起源可以追溯至几百年前。Malpighi和Leuwenhock用简易的显微镜进行观察，第一次描述了血液在相对纤细的毛细管中川流不息的情景。这些显微镜下看到的血管一开始被形容为类似一种田间灌溉的渠道。事实上，很长一段时间里科学家们还不能肯定它们是血管还是组织间隙。这些具有独立功能呈树枝状分布的血管，其周围的分枝当时仅被认为是微血管对局部损伤或发炎作出反应时的产物。
两种方法学的进展促进了对微循环血流动力学的了解。本世纪70和80年代应用电子显微镜使人们清晰地观察到这些小血管壁中的细胞（内皮细胞、平滑肌细胞、周细胞）内构造和它们的细胞器。近一段时期，细胞培养技术和特殊的免疫学探针的发展为揭示生物化学和生物物理学与多细胞组织的关系及对生命结构的选择性自我改建开辟了广阔前景。人体活体显微镜及计算机图像检测分析系列用最有力的证据证明了末梢血管床在大多数疾病及衰老过程中起着原动或从动的作用。
本世纪50年代首次统一了该领域使用的名词??微循环（microcirculation）。早在1880年，Claude Bernard已经认识到对于多细胞组织的生理组成，其本质的也是首要的问题是保持稳定的内环境。在这内环境中实质细胞得以完成它们的功能性活动，Walter B．Cannon在《人的智慧》一书中涉及到了一个最基本的问题，即神经系统的自主性，并提出了“内环境稳定”（homeostasis）一词，强调保护组织完整和内平衡的绝对必要性。显然，末梢血管床是完成这一重要功能的基本园地。某些类型的局部反馈是必需的，它不仅能保障稳定的组织环境，而且是在人体代谢活动中重新调整血液、组织液的机理之所在。
有关血液与组织间液体交换的定性概念首先是由Ludwin于1861年提出，后来又经Starling进行了详细说明。那时，末梢血管床的行为引起病理学家们的兴趣，有关组织中血液控制的细节与选择性分配大多是推理性的。直到20世纪二三十年代August Krough所做的经典性贡献才将人们的注意力集中到组织灌注上来。
被应用相关的基础学科，如工程学、物理学和化学的原理和工具进行研究之后，微血管研究的方向和重点有过多次改变。然而，在能够进行动态测量微血管行为之前，只能根据疾病的早期现象和这些学科发生表面的相互联系。
毛细血管（capillary）一词由原意为头状的拉丁词capilla衍生而来，一开始用来表示所有口径特别细小的血管，这些构成毛细血管网状组织的狭窄通道样排列看上去类似一系列灌溉渠道，靠动脉端血流闸门的闭合使之充满血流。
电子显微镜的出现带来了许多传统显微镜无法得到的高分辨率信息，但它们对微血液动力学研究的意义仍然有限。近几年分子生物学发展的选择性免疫学探针和体外培养技术成为揭示微血管系统中细胞组织功能性活动的极好工具，今天我们综合来自不同基本学科的丰富信息，将结构与功能结合起来，就能把它们组织成一幅栩栩如生的、美丽的画卷。
心血管系统的末端微血管在显微镜下可描述为互不关联的有机单元，网络是各种组织所需营养的送达地点，是抵御外来不良作用的重要阵地，是保持体内温度的关键自然因子。它也紧密包含在受创伤组织的再生或重组中，它既是脑、肝、脾、肾和各类腺体处理各自特殊物质的环境，也是循环系统的重要组成部分，通过与局部控制的对抗以达到中心控制的平衡。最后，它还能适应并改建末梢毛细血管的自然结构，体现了人及动物集体应激非常条件和抵御衰老及疾病挑战的巨大潜在功能。
如果拿研究者60或70年前 讨论的问题与现状作个对比，不仅我们今天仍面临同样的课题，而且许多早先抛弃的概念仍具有挑战性。
本世纪早些时期，科学家们的思路受August Krogh所做工作的支配。这位丹麦生理学家因他在该领域的创先性研究而获诺贝尔奖。他的研究着重认识到局部控制的重要性，并把他的概念建立在对组织供氧能力的调节需要上。他针对骨骼肌建立的Krogh柱面模型以毛细血管空间排列为基础，使交换物质从血液向实质组织细胞扩散时呈最佳变化梯度。Krogh阐述的操作机理，在稳态条件下机体能自动地有选择性地减少开放的毛细血管数量，而在肌肉运作时根据需要增加开放的毛细血管。
之后，法国胚胎学家Charles Rouget提出，毛细血管网络可以被认为是血管系统中尚未完全成熟的一部分，在生命期间有进一步完善的潜力，通过电子显微镜扫描已经证实在大多数毛细血管基底膜中有多分支的周细胞存在，这种细胞可使毛细血管内腔变形。
Rouget的研究和推论建立了使微循环结构得到进一步发展的基本概念，并对大量衰老过程和血管生成的研究产生了影响。目前的研究已经表明微循环网络不单纯以静态的结构存在，而且能为保持血管-组织的内环境稳定而做一连串的随机改建，以应激可能出现的破坏性变化的一种极具独特活力的器官单位。美国那句古老的谚语“你和你的动脉一样老”也许应改为“你和你的微循环一样老”。
活体显微镜方法学的不断更新使科学家们能够观察到越来越多的哺乳动物的活体组织，并发现当骨骼肌增大工作负荷时，充满血液流动的毛细血管数量确实增加了近10倍，从而进一步证实了Krough的推理。
综上所述，过去的研究已经证明，微循环的主要功能之一是能够为适应组织中实质细胞代谢活动的增加而增加血流量，这种调节意味着存在一些反馈活动来控制那些在两种可能性连续影响下的血管，最接近末梢血管床的输入枝血管，其功能意义介乎大循环（系统循环）与微循环（局部循环）之间。这儿要强调的一点是这一区域的动脉枝连续地受到系统和局部控制机制的影响。与大循环有关的调节作用受神经系统支配，以保持中心血压，而对于微循环系统则通过控制组织灌注来满足代谢活动的需要。虽然两种方式的作用汇于一身，其作用方向却不尽相同，甚至在疾病状态下是相互冲突的。
微循环系指大循环中的游离血管进入每一器官之后的循环部分。它由微动脉、前毛细血管、真毛细血管网、后毛细血管及微静脉组成。在微动脉壁上有较密布的平滑肌细胞，在前、后毛细血管中，平滑肌分布稀疏，呈束状，环抱着它们，又称前、后毛细血管括约肌，起闸门作用，在真毛细血管壁中却没有平滑肌细胞，其管壁仅由一层内皮细胞构筑。微血管平滑肌的基本特性之一是这些细胞保持在部分紧张或松弛状态，这种被部分激发的状态可比喻成是肌肉的紧张度。这是一种变化着的动力，不仅决定着血流的导通或阻隔，而且决定着对其他物理化学刺激的反应强度。神经系统强加于供给动脉的紧张性是为了将系统血压保持在一定范围。另外，来自局部环境的因素直接作用于更末梢的小血管，或增强或减弱平滑肌细胞的反应状态，这种一分为二的作用对调节效应细胞反应状态的部分性介入甚至可以压倒中枢刺激。
血液运载物质与组织间隙的物质交换假设是一种被动过程，其中微血管壁内皮屏障的作用像一个滤过器，使选择性的交换物质通过假设的众多的“孔”或水性通道。这种功能反映内皮细胞与其他细胞肯定有重要不同，或者存在其他特殊的结构。
对隔开组织间隙与血流的屏障进行详细的超微结构分析，揭示出几种自然通道的存在，应该加以区别对待。形成称为内皮膜的内皮细胞镶嵌体，排列在由一层糖蛋白组成的内表面和由一层无定形的基底膜组成的外表面中，尽管已经进一步论证存在一些自然通道使物质穿过内皮细胞移动，内皮交换的复杂性仍在随着人们的目光变敏锐而增加。
早期对上皮膜可透性的大体研究提出了物质从这些细胞邻近的表面之间敏捷地移动穿过多细胞屏障的可能性。最近几年通过电子显微镜观察发现，表面上溶在一起的邻近的内皮细胞之间保持着50～100埃区域的间隔，足够保证物质分子的传递。
内皮细胞的状态是关键因素。毛细血管内层和基底膜被内皮细胞结合起来，相邻内皮细胞之间的接触或紧或松，很大程度上由这些细胞的调节来规定。有充分证据证明局部区域因素能以一种指定方式影响细胞间关系，并以此改变内皮传输屏障的交换，这种反馈承担着对机体受到严重干扰时的局部适应任务。
最近对保持邻近细胞表面胞间制约作用力的研究表明，这一特征可通过决定细胞形状的F-肌纤蛋白的内部细胞骨架的动因来改变。这一外观与交换之间的相关性是由20年代Landis提出的，他研究了穿过单支毛细血管的液体移动，首次对血管壁液体通透性进行了定量估算，并证实了Starling在1890年提出的关于在胶体渗透压与静水压之间保持着一种平衡的假说。后来的研究者们则采用更精巧的途径包括对整个附加物的连续称重来测量液体的得与失，以及藉此了解流体静水压与胶体渗透压的相互作用。
通过电子显微镜得到的数据还揭示，大量内皮小泡是物质传递潜在的交通工具，并已有研究证明经这一结构类型可完成大分子移动。然而，大量胞质交通工具的分布使一些研究者提出这些90埃的链泡能排列成一个相当大的毛孔系统，对其传递的动态过程正在研究中。
沿着微循环发展史，我们把注意力转向人体。大多数从动物实验得到的信息能用于探索人体的问题。与动物相比，人体微循环测量的障碍之一是能作为详细研究的部位有限。
活体微循环显微镜作为研究人体微循环动态变化的实用工具在国外开始于30年代。皮肤、眼球结膜、手指的甲皱区域较薄且相对较透明是特别适合的观察位置。在这些部位可以长时间观察和记录大量的真毛细血管回路和血流状态。但在早期、微循环作为临床工具的主要不利之处是受到技术上的限制，其各指标在本质上只是描述性的。David是这一研究的先驱，他最先描述了高血压患者甲皱微循环的变化特征。
我国最早的微循环研究开始于临床，陆道培等于1961年首次报道了应用毛细血管镜对40例正常人及20例再生障碍性贫血患者甲皱微循环的研究，描述了毛细血管襻的轮廓、长短、密疏及形状。陈文杰等1962年在对再生障碍性贫血出血机制的研究中，除对甲皱毛细血管襻进行了形态的描述外，还对其机能（脆性、通透性）进行了检测。1964年，李志山，陈文杰首次系统地介绍了甲皱皮肤微循环的检查方法，同时介绍了13项检查指标及其相对正常值。13项指标是： ① 管襻一般外观；② 管襻数目；③ 管襻长度；④ 管襻畸型；⑤ 管襻直径；⑥ 襻顶宽度；⑦ 管襻周围渗出点；⑧ 毛细血管压及指侧小动脉压；⑨ 管襻内血流速度；⑩血流状态；管襻对针刺的反应；对束臂刺激反应；二次出血检查。以上工作为我国临床微循环的研究起了奠基作用。
1965年，在祝寿河、华光与阎田玉领导的抢救流脑患儿的合作项目中，修瑞娟应用甲皱微循环研究方法日夜连续检测了58例流行性脑脊髓膜炎患儿的甲皱微循环各指标的动态变化，自患儿入院追踪至患儿痊愈或死亡，同时由陈祥银等测定这些患儿体内生物胺的变化。发现患儿甲皱微循环的变化与生物胺的变化密切相关，还发现不同临床类型（普通型、脑型、皮肤型、肺型）患儿的甲皱微循环表现及变化也不同。该研究首次在世界上发现了微循环自律运动的激活对改善人体各器官及组织急性缺血的重要作用并应用微循环指标协助临床治疗，取得了显著的疗效。1971年，修瑞娟在肺心病微循环障碍动物模型实验研究之先又将甲皱微循环的观测指标应用到肺心病患者，在临床观测中设正常对照组和哮喘病、慢性支气管炎、风心病、冠心病对照组，发现肺心病患者微循环变化的特点是血流缓慢及管襻痉挛，对寒冷刺激特别敏感。这一阶段对甲皱微循环的深入研究，一方面证明该指标在不同疾病或同一疾病的不同阶段具有不同的表现特点，在判定病情、指导临床治疗和判断预后方面具有重要的临床价值。通过急性脑膜炎患儿甲皱微循环昼夜连续检测、发现微血管自律运动在病情转化中的动态表现及其重要性。与此同时，也发现甲皱微循环各项指标的变化没有严格的特异性，管径的收缩和扩张、流速的降低或血流淤滞、管襻形态的异常以及微栓子的形成等等，在许多疾病中都可以有类似的表现，即使在正常人中甲皱微循环的各项指标间也存在较大差异。在疾病的发病过程中以及疾病治疗的前后进行自身对照较异体对照更为有价值。从本质上看，甲皱管襻只是微循环的真毛细血管网部分，而不是皮肤微循环的全部，也不是体内其他器官功能的唯一代表。因此绝对不能单纯依据某人某时刻的甲皱微循环检测对其健康状态下结论，甲皱微循环检测只是一项辅助指标。1980年至1982年，修瑞娟将上述临床及实验研究在美国及欧洲进行了报告，并发表在国际学术杂志上，首次将我国的临床微循环研究介绍给了西方国家。
随着宇航高科技的出现和发展，加州理工学院的Wayland等接触了医学的理工学者们决定将他们精细的专业知识应用于探索人体功能。于是，微循环系统的研究被选为突破口。70年代初期电子细胞计数器、微血流流速测量仪、微血管管径图像剪切测量仪、微血管自律运动的频谱分析技术相继出现。时代性的技术革新将微循环的研究推向蓬勃发展的新阶段。我国广大微循环研究工作者应用微血液动力学、生物流变学和临床血液流变学、活体微循环和大循环显微电视同步检测技术、计算机数据及图像处理技术、无创伤临床研究和检测系统等一系列方法，对微血管的正常功能及其障碍从临床到实验室做了大量的研究，对休克、糖尿病、脑卒中、冠心病、高血压、肿瘤等疾病发病机理和防治作了进一步阐明。这些成绩使我国的微循环研究在国际上独树一帜。
当前，细胞生物学及分子生物学技术的应用使微血管功能的研究向纵深开拓。如从组织培养角度来研究大鼠主动脉环的新生末梢微血管在无血清培养基中的生长；应用肝素、FGF和VEGF等生长因子来研究其对心脏侧支微血管血液循环状况的改善作用；从血管生理学角度，研究微血管内皮源性的EDHF（内皮源性超极化因子）作用于微血管平滑肌细胞产生超极化作用，促进血管舒张、以减弱血管壁对一些缩血管活性物质的反应性；应用显微缩时录像等技术从宏观和微观研究微血管的自律运动的机制和微血管壁内皮细胞的有丝分裂的动态过程。动脉粥样硬化、冠心病患者体内循环内皮细胞及其凋亡机制也正在深入阐明。
随着DNA体外重组技术（基因工程技术）的出现，微血管功能相关蛋白（生长因子）或基因（受体基因、生长因子基因）的结构、转录和表达异常及其与孕育着微血管源性疾病的内在发病机制之间的关系正在研究中。有报道外源目的基因导入机体的靶细胞后，通过该外源基因的表达来补充缺失或不足的蛋白质或抑制体内某些基因的过度表达，达到治疗微血管源性疾病目的的体细胞基因治疗正从实验室向临床过渡，有一些已获得了成功。有报道将载有FGF5基因的腺病毒重组体导入猪的心肌缺血组织，使心肌传导区出现了新的微血管增生、局部心肌的收缩功能增强和血流状况改善。另有实验将含有人类VEGF cDNA的裸露重组质粒DNA转入患者的膝后窝动脉后，发现该区域的侧支微血管数目增加、局部血流状况好转。总之，从微循环功能改善的角度评价各种心脑血管疾病的基因治疗的效果是目前生命科学研究的热点，大量的实验工作正为微血管源性疾病基因治疗的基础和临床应用做着坚实的铺路石子。
微循环医学作为一门新兴边缘学科在21世纪的医学生物学的拓展中将居关键地位。
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