第三节　血液循环的流体动力学

血液流体动力学，包括血液流变学和血流动力学，是生物流体力学的两大分支，是应用流体力学理论和方法研究血液在血管中流动的规律。最近国内外学者研究表明，作用于血管壁的血流动力学因素如血压、切应力或周向应力，作为血管壁的一种重要胞外信号，是血管结构与功能变化的一种重要调节因素。血流动力学发生改变，血管内皮细胞通过跨膜蛋白、信号转导和基因表达等将力学信息传递到细胞内，再经过效应分子将转导信号最终作用于相应的血管，从而参与动脉粥样硬化(AS)的形成过程。

一、概述

血流动力学是应用流体力学理论和方法研究血液在血管中流动规律，并探讨血液流动规律与血管生理和病理之间关系的一门边缘性学科。血液流动除了产生血压外，血管还承受切应力和周向应力，AS的形成与这些应力的作用有关。临床可观察到在大动脉分支部、血流分叉口、血流分流处或血管弯曲处，这些部位血流方式不同于血管的其他部位，血管层流被破坏，可表现为非层流状态、湍流、边界层血流分离等各种异常血流方式。这种异常血流方式通过影响内皮细胞的形态和功能、影响白细胞黏附和血管平滑肌细胞的增殖和凋亡，调节细胞外基质的合成及消除等方面，从而影响AS的发生、发展和病程转归。

二、血流动力学因素对动脉粥样硬化形成的影响

血流动力学对血管壁结构的影响已得到广泛的认同。虽然在体血管所处的血流动力学环境极其复杂，但现已知体内血管主要受3种压力即血压(压应力)、切应力和周向应力的作用。适当的应力对维持血管正常功能必不可少，但如果应力变化超出阈值，血管壁发生病变，AS常发生于大血管分支或弯曲处，该处血流动力学复杂及所造成血管壁细胞力学性质的改变可能是AS形成的重要病因。

(一)血压对AS形成的影响

高血压是促进AS发生及发展的最重要因素。高血压时，血管压力可调节内皮细胞合成和分泌一系列细胞因子，如内皮素1、前列环素(PGI2)、纤溶酶原激活物抑制因子1，进而引起血管平滑肌细胞肥大、增生、产生和分泌细胞外基质增多，细胞间胶质沉积增多，导致血管壁增厚，血管壁顺应性下降，管腔狭窄，动脉粥样硬化形成。

(二)切应力对AS形成的影响

切应力，即血流脉冲的主要作用力，是影响血管壁细胞形态、结构和功能的最重要的血流动力学因素之一。切应力可调节内皮细胞黏附分子如单核细胞趋化因子1(MCP1)、细胞间黏附分子1(ICAM1)、血管间黏附分子1(VCAM1)和E选择素(Eselectin)等的表达，在AS发生、发展中起重要作用。血管在低切应力作用下，内皮细胞下脂质增多、血管内膜增厚、血管内膜局部受损、诱导白细胞特定亚群与内皮细胞特异性部位黏附，以及平滑肌细胞游走异常等机制促进AS斑块的形成。

(三)周向应力对AS形成的影响

周向应力(circumferential stress，CS)即在体血管所承受的一个与血管周向方向平行的应力，周向应力大小是流体切应力大小的105量级，它与血管组织成分相关，能在一定程度上反映出血管的顺应性。周向应力通过影响内皮细胞形态、结构和功能，参与AS过程。高周向应力，特别是高血压所致的局部“张应力”集中现象，是AS灶性分布的主要原因，降低周向应力，能显著抑制血管纤维原细胞的增殖，并减少内皮细胞分泌细胞因子IL-6，从而减缓AS的斑块形成。

在体动脉中的血流、血压以及因之产生的流体切应力和周向应力，共同作用于内皮细胞，通过调节内皮细胞相关因子，影响内皮细胞和平滑肌细胞形态、结构和功能，参与AS发生、发展全过程。临床事实表明，高血压患者，通常同时具有低切应力和高周向应力，其AS的发生率比正常人高。

(四)血流动力学影响血管壁的作用途径

血流动力学能影响血管壁细胞的形态和功能，但血管壁细胞如何感受血流动力学因素的变化及将这种机械刺激转化为细胞内的一系列生化信号进而引发AS，已成为近年来国内外研究的热点问题。血管内皮细胞对血流动力学信号转导的机制从概念上可分为截然不同的两种机制:①力的直接作用引起细胞表面结构(glycocalyx)和细胞骨架系统的物理位移而信号转导;②胞外含激动剂(如ATP)的流体对流和扩散改变了细胞表面附近激动剂的局部浓度，流动信号由激动剂受体作用间接转导。血管内皮细胞上存有应力感受器，现研究发现的内皮细胞感应受体包括Ca2+、K+通道，GTP偶联受体，腺苷酸脱氨酶，整合素、多种蛋白偶联受体和caveolae等。它们能感受机械应力的变化，引起细胞内信号调节因子、酶系统水平和特异转录因子的增加，最终引起生物学效应。

综上所述，血流动力学因素如血压、切应力和周向应力可引起血管壁细胞结构和功能的改变，是导致AS的重要因素。血流动力学异常可通过内皮细胞表面受体、G蛋白、细胞内转导信号和基因表达等多环节调节AS的发生和发展。因此针对血流动力学作用的不同环节，有效控制AS将是今后研究的重点，为有效预防和治疗心脑血管疾病提供新的思路。