Control local del flujo sanguíneo
El sistema cardiovascular de los mamíferos es una serie de conductos dispuestos en paralelo y en serie. El flujo sanguíneo a través de cada circuito está determinado por la presión de perfusión y el tono vasomotor en el órgano objetivo. En general, el tono vasomotor está regulado por mecanismos locales modulados por mecanismos autonómicos para controlar la presión de perfusión. Este artículo aborda la autorregulación miogénica y metabólica, las respuestas mediadas por el flujo y conducidas, y el papel de los glóbulos rojos en el control local del flujo sanguíneo.
El lugar de la regulación local del flujo sanguíneo es a nivel de las arteriolas y las arterias de alimentación. Como demuestran las mediciones sistemáticas por micropunción en diversos vasos sanguíneos de toda la vasculatura sistémica (12), la mayor caída de presión se produce entre las arterias de conducción y los capilares (Fig. 1). Esto significa que la mayor resistencia al flujo sanguíneo se produce en las arteriolas. El flujo sanguíneo a través de un vaso se rige por fuerzas físicas de acuerdo con la ley de Poiseuille, como sigue: flujo sanguíneo = ΔPπr4/8ηl, donde ΔP es el gradiente de presión a través del vaso, r es el radio del vaso, η es la viscosidad y l es la longitud del vaso. Debido a la cuarta potencia del radio, pequeños cambios en el diámetro vascular pueden tener efectos sustanciales en el flujo sanguíneo. Por ejemplo, un aumento del 50% en el radio produce un aumento del 406% en el flujo sanguíneo y una disminución del 50% en el radio produce una disminución del 94% en el flujo sanguíneo.
Es importante reconocer que múltiples tipos de células de la pared vascular influyen en el tono vasomotor. La capa adventicia externa está formada por los nervios perivasculares y la matriz extracelular, que contiene proteínas que ahora se está descubriendo que desempeñan un papel importante en la función del músculo liso vascular. La capa intermedia contiene células de músculo liso vascular orientadas perpendicularmente a la luz del vaso (Fig. 2), por lo que están situadas de forma que proporcionan una fuerza circunferencial. La lámina elástica interna separa la capa de músculo liso del endotelio. La capa interna del vaso sanguíneo está compuesta por células endoteliales orientadas longitudinalmente para percibir las fuerzas de cizallamiento asociadas al flujo sanguíneo (Fig. 3).
Autorregulación
El control local del flujo sanguíneo se trata en la mayoría de los textos de fisiología bajo el título de autorregulación del flujo sanguíneo. Este término puede utilizarse para describir los mecanismos tanto miogénicos como metabólicos que intentan mantener un flujo sanguíneo constante ante los cambios bruscos de la presión arterial. El diagrama de la Fig. 4 muestra un comportamiento autorregulador (18) en el que los descensos agudos de la presión arterial provocan una disminución inicial del flujo (de acuerdo con la ley de Poiseuille), seguida de una dilatación que devuelve el flujo sanguíneo hacia el flujo de referencia. El retorno del flujo sanguíneo podría ser causado por una acumulación de metabolitos o por mecanismos miogénicos. Del mismo modo, los aumentos agudos de la presión arterial producen un aumento inicial del flujo seguido de una constricción, que podría estar causada por el lavado de metabolitos o por mecanismos miogénicos.
Autorregulación miogénica
En la Fig. 5 se muestra una curva miogénica típica in vitro. En esta arteriola renal, los aumentos graduales de la presión intraluminal de 25 a 150 mmHg provocan disminuciones graduales del diámetro de la luz del vaso (17). Este es un proceso activo, independiente del endotelio y de los nervios perivasculares. Cuando se retira el Ca2+ del baño, la arteriola se distiende pasivamente al ser sometida a los mismos pasos de presión. La vasoconstricción miogénica implica la siguiente secuencia de acontecimientos (13):
1. Aumento de la presión intraluminal
2. Despolarización del músculo liso inducida por el estiramiento
3. Apertura de los canales de Ca2+ activados por voltaje
4. Aumento global de la concentración de Ca2+
5. Fosforilación de la cadena ligera de miosina
El mecanismo de transducción del aumento de la presión intraluminal es un tema de intensa investigación actual. Una posibilidad es la activación de un canal iónico mecanosensible en la membrana del músculo liso. Un ejemplo de esto se muestra en la Fig. 6, que representa una proteína formadora de poros que está unida a la matriz extracelular en el exterior de la célula y al citoesqueleto en el interior de la misma. Cuando se aplican fuerzas mecánicas a la matriz extracelular, el poro se modifica, permitiendo la entrada de Na+ y Ca2+ (10).
Hay que destacar dos aspectos importantes de la respuesta miogénica. El primero es el curso temporal de la respuesta. Como se muestra en los datos de una arteriola del músculo esquelético en la Fig. 7, después de un aumento agudo de la presión, hubo un aumento del diámetro inducido mecánicamente. Pasó casi 1 minuto antes de que el diámetro volviera al nivel de referencia y varios minutos antes de que el diámetro se estabilizara en su nuevo diámetro más pequeño (30). El segundo aspecto es que la magnitud de la respuesta difiere entre las arteriolas de diferentes órganos (9). La figura 8 muestra una comparación de las respuestas miogénicas cerebrales y del músculo esquelético. Es especialmente notable la dramática diferencia en la relación entre el potencial de membrana y el grado de tono miogénico en estos dos tipos de vasos (20).
Autorregulación metabólica
Durante más de un siglo, se han utilizado dos retos diferentes para estudiar la autorregulación metabólica: la hiperemia reactiva y la hiperemia activa. La hiperemia reactiva es la respuesta del flujo sanguíneo a la oclusión del flujo sanguíneo, mientras que la hiperemia activa es la respuesta del flujo sanguíneo al aumento de la actividad metabólica de los tejidos. En la Fig. 9 se muestra un ejemplo de hiperemia reactiva. Se infló un manguito de presión arterial alrededor del bíceps hasta niveles suprasistólicos durante varios períodos de tiempo. Tras la liberación de la presión del manguito, se midió la respuesta del flujo sanguíneo de la arteria braquial mediante técnicas de ultrasonido Doppler. Como se muestra en la Fig. 9, el aumento máximo del flujo sanguíneo estaba relacionado con la duración de la oclusión (8). Esta observación es coherente con la producción y acumulación de metabolitos por parte del tejido isquémico, aunque la identidad del metabolito o metabolitos clave sigue siendo desconocida. No obstante, hay que señalar que la dilatación no puede atribuirse únicamente a factores metabólicos, ya que puede producirse en vasos aislados en ausencia de tejido parenquimatoso. Koller y Bagi (19) observaron que la oclusión de arteriolas aisladas del músculo gracilis podía provocar cambios de diámetro que imitaban el comportamiento hiperémico reactivo (Fig. 10). Se ha sugerido que los mecanismos de control miogénico desempeñan un papel dominante en la hiperemia reactiva para oclusiones de hasta 30 s (4).
La hiperemia activa puede observarse en cualquier tejido en respuesta al aumento de la actividad metabólica. Es la característica más prominente del músculo esquelético, donde los cambios en la actividad metabólica pueden ser dramáticos. Como se muestra en la Fig. 11, los aumentos progresivos de la actividad contráctil producidos por incrementos en la velocidad de carrera dan lugar a elevaciones escalonadas del flujo sanguíneo (21). Las mediciones del flujo sanguíneo con microesferas permiten determinar las variaciones del flujo sanguíneo entre los diferentes músculos, pero lo que no se puede apreciar a partir de las mediciones del flujo sanguíneo con microesferas es lo rápido que aumenta el flujo sanguíneo del músculo esquelético al inicio del ejercicio. Como se muestra en la Fig. 12, el flujo sanguíneo puede aumentar en el primer segundo después de una sola contracción (6). Al menos una parte de este aumento puede atribuirse a la compresión mecánica de la pared vascular, que se produce debido al aumento de la presión intramuscular durante la contracción (7) (Fig. 13). Por lo tanto, los factores que inician el aumento del flujo sanguíneo durante el ejercicio pueden ser diferentes de los factores que mantienen el aumento del flujo sanguíneo. Aunque es bien sabido que existe una relación lineal entre el flujo sanguíneo y el consumo de O2 (5) (Fig. 14), la relación entre los cambios en el consumo de O2 y los cambios en el flujo sanguíneo sigue siendo un enigma. Existen al menos cuatro requisitos que deben cumplirse para que un vasodilatador sea reconocido como responsable de la vasodilatación metabólica:
1. La sustancia debe ser producida por el tejido parenquimatoso y ser accesible a los vasos de resistencia.
2. La aplicación tópica de la sustancia debe provocar una rápida vasodilatación.
3. La concentración intersticial de la sustancia debe ser proporcional al aumento del flujo sanguíneo.
4. La inhibición de la producción de la sustancia o de su interacción con la pared del vaso debería reducir el flujo sanguíneo.
Hay una verdadera lista de sustancias que se han investigado (6). La que cuenta con la mayor evidencia es el K+. Durante la contracción muscular, el K+ se difunde rápidamente desde la fibra muscular a través de los canales de K+ dependientes de voltaje, lo que da lugar a una concentración elevada de K+ en el líquido intersticial que rodea la vasculatura (Fig. 15) (14). El rápido aumento de la concentración de K+ hace que este ion sea el único vasodilatador derivado del músculo estudiado hasta la fecha que podría explicar la respuesta inicial del flujo sanguíneo a las contracciones. Las arteriolas del músculo esquelético demuestran una dilatación relacionada con la dosis en el rango fisiológico de concentraciones de K+ observado en el intersticio muscular (Fig. 16) (23). Y lo que es más importante, pruebas recientes han demostrado que la inhibición de la liberación de K+ del músculo esquelético atenúa la dilatación observada al principio del período de contracción (Fig. 17) (1).
Respuestas mediadas por el flujo
Ya en 1933 se demostró que una infusión de vasodilatadores podía producir vasodilatación en la porción ascendente del vaso sanguíneo que no estaba expuesta al vasodilatador (24). Estudios posteriores demostraron que el aumento de la tensión de cizallamiento causado por el aumento del flujo sanguíneo es percibido por las células endoteliales, que producen vasodilatación mediante la liberación de mediadores solubles a las células musculares lisas adyacentes (Fig. 18). La magnitud de la dilatación mediada por el flujo varía entre los vasos de diferentes órganos y vasos de diferentes tamaños. La figura 19 muestra la mayor dilatación en las arteriolas 1A del músculo gastrocnemio que en las arteriolas 1A del músculo sóleo (27). Se desconoce si la diferencia observada en la magnitud de la dilatación mediada por el flujo se debe a los diferentes perfiles metabólicos de los dos grupos musculares. También se muestra en la Fig. 19 el curso temporal de la dilatación provocada por el aumento del flujo. La respuesta lenta es especialmente prominente en las arteriolas del sóleo, donde se observó una dilatación mínima 30 s después del inicio del flujo elevado. El curso temporal lento de la respuesta también se observa fácilmente en las arterias de conducto de los seres humanos (Fig. 20) (22). Tras la liberación de la oclusión del antebrazo (aguas abajo), la tensión de cizallamiento (principalmente una función de la velocidad de la sangre) alcanza un pico temprano con un pico de diámetro de evolución más lenta, que se retrasa en ∼40 s. También cabe destacar que la magnitud de la dilatación es ∼6% en comparación con el 30-60% en las arteriolas del músculo esquelético (Fig. 19), lo que pone de manifiesto la influencia del tamaño del vaso en la magnitud de la dilatación mediada por el flujo.
Respuestas conducidas
Las respuestas vasomotoras conducidas (también conocidas como respuestas propagadas) coordinan la distribución del flujo sanguíneo dentro de las redes vasculares. Aunque la propagación electrotónica de las señales a través de las uniones en hendidura parece ser el modo principal de señalización a lo largo de la pared del vaso, puede no ser el único. Experimentalmente, este principio se demuestra mediante la microinyección o microiontoforesis de una sustancia química en pequeñas cantidades en un punto discreto de la pared del vaso y la observación del diámetro del vaso en otro sitio en dirección ascendente (25). Tanto la vasodilatación como la vasoconstricción pueden llevarse a cabo a lo largo de la pared del vaso. La figura 21 muestra que la aplicación de acetilcolina en la pared del vaso inició la hiperpolarización tanto de las células endoteliales como de las células musculares lisas, lo que condujo a la dilatación local. Además de la dilatación en el sitio conducido a 530 μm de distancia, se observó hiperpolarización tanto en las células endoteliales como en las células musculares lisas. La aplicación de norepinefrina en la pared del vaso (fig. 22) inició la despolarización del músculo liso sin que se produjera ningún cambio en el potencial de membrana de las células endoteliales en los sitios local y conducido. Por lo tanto, estos experimentos indican que la señal para las respuestas conducidas puede ser conducida a lo largo de las células endoteliales, a lo largo de las células del músculo liso, o ambas (29).
¿Son las respuestas conducidas una mera curiosidad de laboratorio? La evaluación de la importancia funcional de este mecanismo requiere una demostración de que la abolición de las respuestas conducidas perjudica la respuesta normal del flujo sanguíneo a algún desafío fisiológico. Los experimentos de dos laboratorios han indicado que las respuestas conducidas son esenciales para la plena expresión de la hiperemia activa. El bloqueo de las respuestas conducidas por medio de sacarosa de alta osmolaridad (2) o el daño de las células endoteliales por medio de un colorante ligero (26) (Fig. 23) prácticamente abolió los cambios de diámetro a la contracción muscular. Estos resultados demuestran la importancia funcional de la vasodilatación conducida.
Células rojas
Una hipótesis intrigante avanzada en los últimos años es que los glóbulos rojos, en virtud de la liberación de una sustancia vasodilatadora durante la desoxigenación, podrían regular su propia distribución. En teoría, esto modularía la perfusión microvascular en respuesta a los cambios temporales de la demanda metabólica. Una sustancia cuya liberación se correlaciona con la desaturación de la hemoglobina es el ATP. Bergfeld y Forrester (3) demostraron por primera vez que los eritrocitos humanos liberaban ATP en respuesta a una breve exposición a la hipoxia. El hecho de que el aumento de ATP estuviera más estrechamente correlacionado con el porcentaje de hemoglobina reducida que con la Po2 sugirió que la liberación de ATP podría estar relacionada con la molécula de hemoglobina (Fig. 24) (15). El modelo descrito por Ellsworth et al. (11) se muestra gráficamente en la Fig. 25. La desoxigenación provoca la liberación de ATP del glóbulo rojo a través de un proceso vinculado a las proteínas G, la adenil ciclasa y el CFTR. El ATP actúa en los receptores P2Y del endotelio, que liberan un segundo mensajero para provocar la relajación del músculo liso. Un paradigma análogo ha sido promulgado para el óxido nítrico (NO) por Stamler y asociados (28). El NO unido a la hemoglobina como nitrosohemoglobina se libera durante la desoxigenación. Esto produce una vasodilatación por la activación directa de la guanilato ciclasa en las células musculares lisas. Así pues, el control local del flujo sanguíneo podría implicar sustancias (ATP o NO) liberadas por los glóbulos rojos. Aunque no se han aportado pruebas definitivas, este mecanismo podría contribuir a la autorregulación metabólica.
Todos estos mecanismos de control local se integran para proporcionar un flujo sanguíneo adecuado que satisfaga las necesidades de los tejidos. Como destacan Jasperse y Laughlin (16), la importancia relativa de cada uno varía a lo largo del árbol vascular. Este principio se muestra de forma esquemática en la Fig. 26. Por ejemplo, las respuestas miogénicas y metabólicas son mayores en las arteriolas más pequeñas, mientras que la dilatación mediada por el flujo es más importante en las arteriolas más grandes que en las más pequeñas. Como se indicó anteriormente, también debe tenerse en cuenta que estos mecanismos de control local varían con respecto al curso temporal y entre los tejidos.
Resumen
El diámetro arteriolar local influye en el flujo sanguíneo del órgano y en la presión arterial sistémica. Todos los tipos de células de la pared del vaso sanguíneo pueden afectar al diámetro del vaso. La influencia de los mecanismos de control local (incluidas las respuestas miogénicas, metabólicas, mediadas por el flujo y conducidas) varía con el tiempo, de un tejido a otro y entre generaciones de vasos.
Los autores no declaran ningún conflicto de intereses, financiero o de otro tipo.
AGRADECIMIENTOS
El autor agradece al Dr. Jeffrey Jasperse el haberle introducido en el mundo de la microcirculación y al Dr. Michael Hill y al Dr. Michael Davis la continua instrucción y los valiosos debates sobre el tema.
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