微小血管の表面化学

微小血管系は、最大平均直径が0.3ミリメートルの微小血管（微小循環の細静脈と毛細血管）で構成されています。 ^[1]血管のサイズが小さくなると、表面積と体積の比率が増加します。これにより、表面特性が血管の機能に重要な役割を果たします。

濃度勾配により血管壁を通して拡散が起こり、イオン、分子、または血球の必要な交換が可能になります。毛細血管壁の透過性は、毛細血管の種類と内皮細胞の表面によって決まります。連続的で密集した内皮細胞の内層は、小さな分子の拡散のみを許可します。より大きな分子や血球には、細胞間または内層の穴の間に十分なスペースが必要です。細胞膜の高抵抗により、膜輸送タンパク質がなければイオンの拡散は防止されます。内皮細胞表面の疎水性により、水分子または親油性分子のどちらが毛細血管内層を通って拡散するかが決まります。血液脳関門により、小さな疎水性分子への拡散が制限されるため、薬剤の拡散が困難になります。

血流は、体の熱力学によって直接影響を受けます。温度の変化は血液の粘度と表面張力に影響し、最小血流速度を変えます。温度が高いと、最小血流速度は低下し、毛細血管は拡張します。これにより、毛細血管の内壁の表面積が増加し、血流が増加することで熱伝達が可能になります。温度が低いと、最小血流速度は増加し、毛細血管は収縮します。これにより血流が制限され、毛細血管の表面積が減少し、熱伝達が減少します。

流体力学は、主に圧力、温度、熱伝達、および電気運動の影響を受けます。圧力が上昇すると、スターリング方程式で示される流量が増加します。温度が上昇すると、表面の濡れ性が高まり、流体の流れが促進されます。熱は内腔の粘性も低下させます。熱伝達は、熱放散のために開いている毛細管床の量を制御する温度受容器によって監視されます。内皮細胞ライニングの表面化学も流体の流れを決定します。帯電した表面は、内腔内のイオンの流れを妨げる停滞した拡散イオンの層を獲得します。これにより、内腔の速度が低下し、毛細管ライニングを介した分子の交換が促進されます。

拡散とは、濃度勾配による分子の動きです。分子は均一な溶液を得るために ランダムウォークパターンで動きます。

毛細血管の壁には、単層の内皮細胞が含まれています。分子が単層の内皮細胞を拡散する方法は 2 つあります。細胞間の隙間を通るか、細胞を直接通り抜けるかです。分子は濃度勾配により毛細血管壁を拡散します。細胞間の拡散は毛細血管の種類によって異なります。毛細血管には、連続毛細血管、窓開き毛細血管、および不連続とも呼ばれる正弦波毛細血管の 3 種類があります。連続毛細血管では、内皮細胞は密集しており、イオンや水などの小さな分子のみが細胞間裂け目 (内皮細胞間の隙間) を通って拡散できます。窓開き毛細血管と正弦波毛細血管では、細胞間のスペースが広く、高分子や一部のタンパク質が拡散できます。正弦波毛細血管には、赤血球と白血球が通過できる大きな穴があります。^[2]ガスや脂溶性分子の拡散は内皮細胞を通して直接起こり、フィックの第一法則によって説明される。

${\displaystyle J=-D{\frac {\partial C}{\partial x}}}$

どこ

• Jはフラックス
• Dは拡散係数
• Cは濃度
• xはバリアの厚さ

拡散点における内皮細胞の表面電荷は、どのタイプの分子が毛細血管壁を透過できるかを決定します。表面が親水性の場合、水と荷電分子が通過できます。疎水性の場合、非荷電分子と親油性分子が透過できます。これらの分子間遮蔽力はファンデルワールス力とも呼ばれ、キーソム、デバイ、ロンドンの分散力によって決まります。内皮細胞膜の脂質二重層は疎水性表面です。非極性脂質は、次式で表される非常に高い電気抵抗をもたらします。

${\displaystyle R_{\text{e}}={\frac {R_{\text{mem}}}{A}}}$

どこ

• R _{e は}膜の抵抗率である
• R _{mem は}比膜抵抗である
• Aは面積である

この高い抵抗により、促進拡散を利用して膜タンパク質なしでイオンが二重層を通過するのを防ぎます。^[3]

薬物は、内因性分子と同じように毛細血管壁を透過して拡散します。その最も重要な例の 1 つは、血液脳関門を介した薬物の拡散です。血液脳関門は、連続した毛細血管の層で構成されています。通常、血液脳関門を透過して拡散できるのは、小さな疎水性分子のみです。^[4]このため、侵襲的に直接脳に投与しない限り、薬物を脳に送り込むことは非常に困難です。考えられる解決策の 1 つは、ナノ粒子の利用です。ナノ粒子は、標的薬物をカプセル化するために合成されます。ナノ粒子の表面は、まだ疎水性でない場合は、電流極性を調整するために表面にポリマーが付着している場合があります。また、リガンドをナノ粒子の表面に付着させて、脳内にある特定の受容体を標的にすることもできます。ナノ粒子が血液脳関門を通過すると、薬物が脳に放出されます。^[5]この解決策の具体的な例は、TAT 結合ナノ粒子による中枢神経系への抗 HIV 薬の送達です。^[6]

体の周囲温度は、微小血管を通る血流に直接影響します。温度の変化は、血液の粘度と表面張力に影響します。表面張力は温度の上昇とともに低下し、最小流量が減少します (表面張力を参照)。温度の上昇によって最小流量が減少すると、より多くの血液が流れ、体全体に熱が放散されます。温度は、血流の直径に影響を与えることで、血流に大きな影響を与えます。温度の低下と上昇は、それぞれ血管収縮と血管拡張を引き起こします。

血管収縮は、平滑筋細胞を収縮させて血流の直径を減少させることで、微小血管の流量と表面特性に影響を与えます。平滑筋細胞は、外部刺激と内部刺激の両方によって収縮することができます。このメカニズムは、周囲温度または自律神経系によって引き起こされる可能性があります。^[7] 寒いとき、体は微小血管の周りの平滑筋細胞を収縮させることで血液中の熱を捕らえようとします。筋細胞はカルシウムの増加によって収縮します。血流の断面積が減少すると血管抵抗が増加し、四肢への血流が低下します。このメカニズムにより、体は生き残るために重要な臓器の周りに熱を集中させることができます。

全身血管抵抗を計算する式は

${\displaystyle SVR=80\times {\frac {MAP-MRAP}{CO}}}$

どこ

• 全身血管抵抗としてのSVR
• MAPは平均動脈圧として、
• MRAPは平均右心房圧として、
• CO は心拍出量（ミリリットル/分）を表します。

典型的な値は100～300ダイン×秒×cm-5の範囲です。^[8]

血管拡張は、本質的には血管収縮の反対です。^[9]血管拡張では、血管が拡張してより多くの血流を可能にします。平滑筋細胞は弛緩して血流の直径を増やし、血管抵抗を減らします。これは、心拍出量、平均動脈圧、血管抵抗の間の直接的な関係により可能になります。血管収縮と同様に、血管拡張は内部要因と外部要因によって引き起こされる可能性があります。たとえば、食品に含まれる一酸化窒素は非常に強力な血管拡張剤です。脊柱の神経が両方のプロセスを誘発できることがわかっています。血管拡張は、熱を放散するための体温調節のためにも誘発されます。

スターリング方程式は、毛細管層を通る溶媒の流れを記述する。方程式は以下の通りである。

${\displaystyle J_{v}=K_{f}\left[(P_{c}-P_{i})-\sigma (\pi _{c}-\pi _{i})\right]}$

定数の説明と平均値の一部は次の表で確認できます。

濾過係数は、水が曲がりくねった領域をどれだけ容易に通過できるかを示す指標である透水係数によって決まります。微小血管系では、これは毛細血管の多孔度と、それが連続的か、窓開きか、正弦波状かによって決まります。反射係数は補正係数として機能し、粒子サイズと細孔比の差によって決まります。これは、粒子が間質液に入る前に毛細血管壁内の細孔に入る確率であると考えられます。粒子がイオンの場合、内皮層の電荷の影響を受け、反射係数が増減する可能性があります。

比較的粘度の低い流体では、温度と表面張力の間にはほぼ直線的な逆相関関係があります。^[13]表面張力の低下により毛細管壁の濡れ性が高まり、流体が毛細管を通過しやすくなります。

熱は毛細血管内の液体の粘度にも影響します。熱が増加すると、内腔液の粘度が低下します。この作用の良い例は、運動中の人体で観察できます。人間が運動すると、筋肉内の代謝率が上昇し、熱産生が増加します。熱の増加は、体のさまざまな場所にある感覚受容器の一種である温度受容器によって検出されます。これらの受容器は、毛細血管を含む血管を拡張するように体に指示する信号を脳に送信します。これにより、皮膚上の血管の数に目に見える変化が生じます。これにより、対流による熱伝達が発生します。

血管は対流によって熱を伝達します。対流はブラウン運動と移流によって支配されます。対流により、システム内の熱は高熱集中点から低熱集中点へと移動します。これは拡散に似た概念です。熱流量は周囲温度と内部温度の差に依存し、これは温度受容器によって感知されます。周囲温度が毛細血管内の温度よりも高い場合、体は毛細血管前括約筋を開いて毛細血管床の数を増やします。これにより毛細血管全体の表面積が増加し、対流による熱伝達が増加します。^[14]

血管壁の表面電荷は、毛細血管を通るイオンの流れと微小血管内の流体力学に影響を及ぼします。荷電した内皮細胞は、細胞壁と内腔の間で拡散が起こるイオンの結合層（スターン層とも呼ばれる）を形成します。これにより、毛細血管の内皮細胞内に拡散層（荷電表面に向かってイオンが移動する電荷勾配）が形成されます。荷電した内皮細胞の影響は、デバイ長と呼ばれる測定距離にわたって指数関数的に減少します。拡散層のイオンは内腔内の他のイオンの動きに衝突し、周囲の溶液を遅くして拡散をさらに起こさせます。速度プロファイルは、ヘルムホルツ–スモルホフスキー^[13]方程式によって決定できます。

${\displaystyle {\vec {v}}=-{\frac {\varepsilon _{o}\varepsilon _{r}\zeta {\vec {E}}}{\mu }}}$

• 速度はどこにありますか${\displaystyle {\vec {v}}}$
• ε _{o は}自由空間の誘電率である
• ε _{r は}誘電率であり、
• ζはゼータ電位である
• μは流体の粘度である
• 内皮細胞の帯電表面層から生成される電界です。${\displaystyle {\vec {E}}}$

帯電した内皮細胞によって生成される電界は、概念的には中空の円筒でモデル化できます。帯電した表面は、観測対象の円筒の断面に垂直な方向で円筒の中心にある粒子に作用する電界を発生させます。

毛細管の内腔内の塩分濃度が増加すると、デバイ長が減少します。これにより、ヘルムホルツ・スモルホフスキー方程式で記述される速度の大きさが減少します。