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血管拡張（血管弛緩とも呼ばれる）は、血管が広がることである。[ 1 ] これは、特に大静脈、大動脈、およびより小さな細動脈の血管壁内の平滑筋細胞の弛緩によって生じる。[ 2 ]血管壁は、血管の内腔を覆う内皮組織と基底膜、内皮組織の上に同心円状の平滑筋層、および平滑筋層を覆う外膜で構成されている。 [ 3 ]平滑筋層の弛緩により、交感神経系の活動によって半収縮状態に保たれている血管が拡張する。[ 2 ]血管拡張は、血管が狭くなる血管収縮とは反対である。
血管が拡張すると、血管抵抗の低下と心拍出量の増加により血流が増加します。血管抵抗とは、循環血液が体組織に血液を灌流させるために克服しなければならない力の量です。血管が狭くなると血管抵抗が大きくなり、血管が拡張すると血管抵抗が小さくなります。血管拡張は、心拍出量の4つの決定要因の1つである後負荷を減少させることにより、心拍出量を増加させる働きをします。[ 4 ]
血管拡張は血液が循環できる領域を広げることで血圧を低下させる。[ 5 ]この反応は内因性（周囲の組織の局所的なプロセスによる）または外因性（ホルモンまたは神経系による）である可能性がある。さらに、この反応は特定の臓器に局限する場合（激しい運動中など、特定の組織の代謝ニーズに応じて）もあれば、全身性（全身循環全体で見られる）の場合もある。[ 2 ]
血管拡張を引き起こす内因性物質や薬剤は血管拡張剤と呼ばれます。これらの物質の多くは、自律神経系の血管周囲神経から放出される神経伝達物質です[ 6 ]。圧受容体は血圧を感知し、血管収縮または血管拡張のメカニズムを介して適応して恒常性を維持します。[ 2 ]
血管拡張の主な機能は、最も必要とする組織への体内の血流を増加させることです。これは多くの場合、局所的な酸素の必要性に応じて起こりますが、問題の組織が十分なグルコース、脂質、またはその他の栄養素を受け取っていない場合にも起こり得ます。局所的および全身的な血管拡張は、免疫応答も促進します。[ 7 ]局所組織は、主にアデノシンなどの血管拡張物質を局所間質液に放出するなど、血流を増加させる複数の方法を持っています。この物質は毛細血管床に拡散し、局所的な血管拡張を引き起こします。 [ 8 ] [ 9 ]一部の生理学者は、酸素不足自体が、その領域の血管の平滑筋の低酸素状態によって毛細血管床の血管拡張を引き起こすと示唆しています。この後者の仮説は、毛細血管床に前毛細血管括約筋が存在することから提唱されています。血管拡張のメカニズムに対するこれらのアプローチは、相互に排他的ではないことがわかっています 。[ 10 ]
血管拡張は免疫系の機能において重要な役割を果たします。血管が広くなると、免疫細胞やタンパク質を含む血液が感染部位に多く到達できるようになります。血管拡張は炎症過程の一部として起こり、炎症は病原体の存在、組織や血管の損傷、免疫複合体など、いくつかの要因によって引き起こされます。[ 7 ]重症の場合、炎症は敗血症や分布性ショックにつながる可能性があります。[ 11 ]血管拡張はアナフィラキシーの主要な要素でもあります。[ 12 ]
炎症は血管拡張だけでなく血管透過性の増加も引き起こし、好中球、補体タンパク質、抗体が感染部位や損傷部位に到達できるようにします。[ 7 ]血管透過性の亢進により、過剰な体液が血管から組織に流れ出し、浮腫を引き起こす可能性があります。血管拡張は、血管内の体積減少に適応するための血管収縮を妨げ、低血圧や敗血症性ショックを引き起こします。[ 11 ]
炎症の場合、血管拡張はサイトカインによって引き起こされます。[ 7 ]インターフェロンγ、TNF-α、インターロイキン1β、インターロイキン12は、ナチュラルキラー細胞、B細胞、T細胞、肥満細胞、マクロファージなどの免疫細胞によって産生される炎症性サイトカインの例です。[ 7 ]炎症を調節し、敗血症性ショックなどの負の結果を防ぐのに役立つ抗炎症性サイトカインも、これらの免疫細胞によって産生されます。[ 7 ]血管拡張と血管透過性の増加により、免疫エフェクター細胞は血管から出て、白血球血管外遊出と呼ばれるプロセスを介して化学誘引物質を追って感染部位に移動することも可能になります。[ 13 ]血管拡張により、同じ量の血液がよりゆっくりと流れるようになります。流量方程式Q = Avに従って、Qは流量、Aは断面積、vは速度を表します。[ 14 ]免疫エフェクター細胞は、血流が遅いときに内皮細胞上に発現するセレクチンに容易に付着することができ、これによりこれらの細胞は血管外遊走によって血管から出ることができる。[ 13 ]
アナフィラキシーは、血管透過性の亢進、全身性血管拡張、胃腸機能障害、呼吸機能障害を特徴とする重篤なアレルギー反応です。[ 15 ]アナフィラトキシン、特に補体タンパク質C3aとC5aは、肥満細胞と好塩基球の受容体に結合して脱顆粒を引き起こします。[ 12 ]これらの細胞の顆粒には、ヒスタミン、血小板活性化因子、および危険な低血圧を引き起こす全身性血管拡張を含むアナフィラキシーの臨床症状を引き起こす他の化合物が含まれています。[ 12 ]形質細胞によって産生される抗体である免疫グロブリンEも、肥満細胞と好塩基球の受容体に結合して脱顆粒を引き起こします。[ 12 ]
血管拡張の原因と影響を理解するには、心拍出量、血管抵抗、血圧の基本的な理解が必要です。心拍出量は、1分間に心臓から送り出される血液量として定義され、リットル/分単位で表され、心拍数に一回拍出量を掛けた値に等しくなります。[ 4 ]これは、心拍数、心筋収縮力、前負荷に直接関係し、後負荷とは逆相関の関係にあります。[ 4 ]血管が収縮することによる血管抵抗の上昇は、後負荷、つまり心臓が収縮しなければならない力の増加を引き起こします。[ 4 ]したがって、血管拡張は血管抵抗を低下させ、後負荷を低下させ、心拍出量を増加させ、組織への灌流を可能にします。血圧は、血液が血管壁に及ぼす圧力を測定します。収縮期血圧は、心臓が収縮しているときの圧力を測定し、拡張期血圧は、収縮と収縮の間の圧力を反映します。平均動脈圧（MAP）は収縮期血圧と拡張期血圧の加重平均であり、心周期の期間における灌流のより良い測定値です。[ 16 ]血管拡張は、大動脈および小動脈の中膜層の平滑筋細胞を弛緩させることにより、血管抵抗と血圧を低下させる働きをします。 [ 17 ]血管拡張により収縮期血圧が90 mmHgを下回ると、循環ショックが観察されます。[ 11 ]
血管抵抗は、血管の長さ、血液の粘度（ヘマトクリットで測定）、血管の直径など、いくつかの要因に依存します。[ 18 ]後者は抵抗を決定する上で最も重要な変数であり、血管抵抗は半径の4乗で変化します。[ 2 ]これらの生理学的要素（心拍出量または血管抵抗）のいずれかが増加すると、MAPが上昇します。細動脈は、細静脈や毛細血管とは異なり、非常に狭く、平滑筋の同心円状の層を持つため、あらゆる血管タイプの中で最も高い血管抵抗を生み出します。[ 2 ]
温血動物の表層血管では、周囲環境が高温になると血管拡張が起こります。このプロセスにより、加熱された血液の流れが動物の皮膚に迂回され、そこで熱がより容易に環境に放出されます。反対の生理学的プロセスは血管収縮です。これらのプロセスは、内皮細胞からの局所的なパラクリン因子（例えば、一酸化窒素、ブラジキニン、カリウムイオン、アデノシン）と、ノルアドレナリンやアドレナリンなどのカテコールアミンをそれぞれ分泌する自律神経系および副腎によって自然に調節されます。[ 19 ] [ 20 ]
動脈、細動脈、静脈の壁の中膜は平滑筋で構成されており、血管拡張と血管収縮を引き起こします。[ 3 ]平滑筋細胞の収縮は血管収縮を引き起こし、平滑筋の弛緩は血管拡張を引き起こします。[ 1 ]平滑筋は自律神経系によって神経支配されており、横紋がありません（サルコメアを含みません）。[ 21 ]収縮は、細胞質内のCa2 +濃度に依存しており、筋小胞体からのCa,Mg-ATPaseまたは細胞外マトリックスからの電位依存性カルシウムチャネルを介して起こります。[ 21 ]カルシウムイオンはカルモジュリンと結合し、ミオシン軽鎖キナーゼを活性化してミオシン軽鎖をリン酸化します。 [ 21 ]リン酸化されたミオシン軽鎖はアクチンフィラメントと相互作用して架橋を形成し、筋収縮を引き起こして血管収縮を誘発する。[ 21 ]血管拡張はミオシン軽鎖ホスファターゼによって引き起こされ、これはミオシン軽鎖を脱リン酸化して筋弛緩を引き起こす。 [ 21 ]平滑筋細胞は、ミオシン軽鎖ホスファターゼのミオシン結合サブユニットの作用により、ATPを使用せずに収縮状態を維持できる。Rhoキナーゼによるこのサブユニットのリン酸化は、ミオシン軽鎖への結合と脱リン酸化を阻害し、細胞が収縮状態を維持できるようにする。[ 21 ]
血管拡張は、血管を取り囲む平滑筋の弛緩の結果である。この弛緩は、収縮の刺激を取り除くことに依存しており、これは細胞内カルシウムイオン濃度に依存し、収縮性タンパク質ミオシンの軽鎖のリン酸化と密接に関連している。したがって、血管拡張は主に細胞内カルシウム濃度の低下、またはミオシンの脱リン酸化（実際にはATPがADPに置き換わること）によって機能する。ミオシン軽鎖ホスファターゼによる脱リン酸化と、細胞内区画からカルシウムイオンを排出するカルシウムシンポーターおよびアンチポーターの誘導は、平滑筋細胞の弛緩、ひいては血管拡張に寄与する。これは、交換体を介してイオンが筋小胞体に再取り込みされ、形質膜を介して排出されることによって達成される。[ 22 ]血管拡張を引き起こす可能性のある主な細胞内刺激は3つある。これらの効果をもたらす具体的なメカニズムは、血管拡張薬の種類によって異なる。
PDE5阻害薬とカリウムチャネル開口薬も同様の効果を示す可能性がある。
上記のメカニズムを媒介する化合物は、内因性化合物と外因性化合物に分類できる。
平滑筋生理学の説明で述べたように、血管中膜内の平滑筋は自律神経系によって神経支配されています。自律神経系（ANS）は、身体の基本的な不随意機能を制御し、脳幹または脊髄から出る神経として始まります。ANSには感覚神経と運動神経の両方が含まれています。[ 2 ] ANSの2つの部門、交感神経系（SNS）と副交感神経系（PSNS）は、血管に異なる影響を与えます。[ 2 ]従来、これら2つの部門は互いに拮抗して働き、SNSは「闘争または逃走」を、PSNSは「休息と消化」を引き起こすと考えられていましたが、血管の神経支配の場合、この境界線は曖昧になります。[ 6 ] ANS神経は、筋細胞とのシナプスを介して血管を直接神経支配するのではなく、標的細胞に到達して平滑筋の収縮または弛緩を引き起こす神経伝達物質を放出します。[ 6 ] SNSとPSNSの物理的特性により、SNSは血管に長期的かつ全身的な影響を及ぼすのに対し、PSNSは短期間で局所的な変化を引き起こします。[ 2 ] SNS刺激は、しばしば基礎神経緊張と呼ばれる血管収縮の基礎レベルを引き起こし、血圧を維持します。[ 2 ]多くの場合、血管拡張は、直接血管拡張を引き起こす化合物が存在しないにもかかわらず、基礎神経緊張を維持するのに十分な神経伝達物質がない結果にすぎません。[ 2 ]
神経伝達物質は、平滑筋細胞に直接結合するか、神経伝達物質の効果を媒介する内皮細胞に結合することによって作用します。[ 6 ]以下は、血管系の調節に関与する主要な神経伝達物質をまとめた表です。
血管拡張の神経制御について議論する際に言及する価値があるのは、レニン・アンジオテンシン・アルドステロン系（RAAS）である。[ 2 ]腎臓はナトリウムイオンを再吸収することで水分を保持し、ナトリウムイオンを排出することで水分を排出する。[ 28 ]交感神経系の活動、血液量の減少、または動脈圧の低下は、特定の腎臓細胞のβアドレナリン受容体を刺激し[ 2 ] 、レニンを放出する。レニンは基質であるアンジオテンシンからアンジオテンシンIIの生成を促進する。[ 28 ]アンジオテンシンIIは副腎を刺激して強力な血管収縮剤であるアルドステロンを分泌させる。[ 28 ]
エピネフリンは、外因性または内因性に関わらず、ストレスに反応して副腎から放出される別の血管収縮物質です。[ 28 ]エピネフリンはノルエピネフリンと同様にαおよびβアドレナリン受容体に結合し、体のさまざまな部位で血管拡張と血管収縮を引き起こし、重要な領域への循環を再分配します。[ 2 ]
寒冷誘発性血管拡張（CIVD）は、寒冷にさらされた後に起こる現象で、おそらく怪我のリスクを軽減するためと考えられています。人体の様々な部位で起こり得ますが、最も頻繁に観察されるのは四肢です。特に指は寒冷にさらされることが多いため、よく見られます。
指が寒さにさらされると、まず血管収縮が起こり、熱損失が抑えられ、指が強く冷えます。手が寒さにさらされ始めてから約5～10分後、指先の血管が急激に拡張します。これはおそらく、局所的な寒さによって、動静脈吻合部の筋層への交感神経からの神経伝達物質の放出が急激に減少するためと考えられます。この血管拡張により血流が増加し、指の温度が上昇します。この状態は痛みを伴うことがあり、「熱痛」と呼ばれることもあります。場合によっては、嘔吐を引き起こすほどの痛みになることもあります。
血管拡張の後には新たな血管収縮期が続き、その後このプロセスが繰り返される。これはハンティング反応と呼ばれる。実験では、指を冷水に浸した場合の血管反応として、他に3つのパターンが考えられることが示されている。すなわち、持続的な血管収縮状態、ゆっくりとした一定の持続的な再加温、そして最初の血管収縮期の後、血管径が一定に保たれる比例制御型である。しかし、反応の大部分はハンティング反応に分類される。[ 29 ]
これらの薬は血管を開いた状態に保つか、血管が狭くなるのを防ぐのに役立つ。[ 47 ]
脳内のα2A受容体を活性化することで交感神経系の活動を低下させる作用があると思われる薬剤。[ 48 ] [ 47 ]
血管壁（特に細動脈）の筋肉を直接弛緩させ、血管を拡張（広げる）させる。[ 47 ]
血管拡張薬は、高血圧（患者の血圧が異常に高い状態）や狭心症、うっ血性心不全、勃起不全などの症状の治療に使用され、血圧を低く保つことで他の心臓疾患を発症するリスクを軽減します。[ 17 ]紅潮は血管拡張薬に対する生理的反応である可能性があります。シルデナフィル、バルデナフィル、タダラフィルなどの一部のホスホジエステラーゼ阻害薬は、血管拡張によって陰茎の血流を増加させる働きをします。これらは肺動脈性高血圧症（PAH）の治療にも使用されることがあります。