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微循环是一个功能独立的实体，包括直径从 5 毫米到 100 毫米不等的小动脉、小静脉和毛细血管。微循环的主要目标是调节血流量以适应实质细胞不断变化的营养需求并去除代谢副产物。尽管微循环的主要目的是促进氧和营养物质输送到组织 ，其内源性血管舒缩活性也影响各级血液灌注的控制。生物体具有局部器官，如大脑、肺、心脏、皮肤等，或复杂的分布式系统，如循环、神经系统和免疫系统。微循环属于后者。微血管系统的血管生成似乎随机分支并最终成为一个网络，其最小的组成部分，毛细血管，具有允许一个血细胞通过的最小内径。循环具有固定的设计和结构，而微循环的生长和变化是由局部组织因素驱动的。微血管结构的主要决定因素之一是耗氧率。优化血管配置以实现最有效的血流分布。这种优化控制血管直径和长度以最大限度地减少心脏能量消耗，以确保最大程度地输送氧并从组织中清除代谢废物。血管生成过程受化学信号控制，如血管内皮生长因子，其与正常内皮细胞表面的受体结合。小动脉和小静脉血管的结构完整性由几层组成。内皮细胞的内层形成了血液、细胞和蛋白质通过的腔。一层薄薄的平滑肌构成了壁的中央部分和结缔组织外层，为血管提供了一个无弹性的外边界。一般结构如图 1 所示。微循环中血管的位置、大小和配置与调节功能有关，超出了简单的流量分布。这个过程以红细胞（RBC）的氧输送为中心，其中氧向组织的释放由RBC内血红蛋白（Hb）的O2亲和力以及RBC和组织之间的局部O2浓度梯度决定。当氧气通过微血管扩散时，它可以向径向扩散到100至200毫米的距离。局部调节的第一个层次是由动脉血管控制的，其中最主要的细胞成分是平滑肌，它通过闩桥机制维持血管张力，这是一种类似于棘轮装置的机制。闩桥机制的发生是肌球蛋白轻链腺苷三磷酸酶被磷酸酶抑制的结果，从而阻止了腺苷三磷酸的水解。动脉血管和静脉保持着部分收缩的动态状态（即血管张力），由构成血管壁大部分的平滑肌细胞（SMCs）调节。SMC分多层排列，嵌入坚韧而有弹性的结缔组织基质中，以低螺距螺旋状环绕血管，因此，当它们缩短时，血管腔的直径会减少。SMCs层被单层的扁平多角形内皮细胞与血液分开。当血液流过内皮细胞衬里时，流动的血液对内皮细胞产生的剪切应力会导致一氧化氮(NO)的释放。一氧化氮具有生肌特性，导致血管扩张。一氧化氮与SMC中的鸟嘌呤 循环酶反应，增加单磷酸鸟苷的浓度 (cGMP)并导致细胞内钙的减少，从而使平滑肌松弛。
图 1. 血流通过小动脉或小静脉。(A) 红细胞流量。(B) 由 Segre-Silberberg 效应与各种生化蛋白质产生的无细胞层。(C) 从机械转导产生 eNOS 的内皮细胞衬里。(D) 包裹整个血管的平滑肌层。eNOS，内皮衍生的一氧化氮合酶；RBC，红细胞。微循环分叉成更小的分支点，直到到达毛细血管网络。然后，毛细血管网络通过小静脉网络汇聚回逐渐变大直径的血管，小静脉网络是将血液返回心脏的静脉系统的起点。小动脉配置为 2 种基本分支模式，二叉树或拱形树。在二叉树中，主分支产生两个子分支，这些子分支逐渐分支，直到达到毛细血管水平。在拱形网络中，分支点可以与同一棵树的其他段连接，形成多边形网络。在肠系膜循环、骨骼肌和体温调节皮肤脉管系统中发现了拱形网络。拱形结构是器官经常发生显著变形的典型特征，这可能导致小动脉闭塞，在这种情况下，拱形网络提供了替代的流动通路，用于维持组织营养流动、调节温度和平衡特定小动脉血管的血压尺寸。氮氧化物产生的一个主要来源是由于内皮细胞的机械传导作用。流动的血液对内皮细胞的机械刺激是激活内皮细胞的一氧化氮合成酶（eNOS）的有效信号，如图1所示。eNOS的激活导致了NO、L-精氨酸的L-瓜氨酸和O2的产生。机械传导对通过局部血管的血流以及血液粘度很敏感。内皮细胞上的剪切应力越大，eNOS的产生就越大。血管中的NO，无论是在微循环还是在大循环中，都是浓度依赖的。当NO刺激这个G蛋白偶联级联的受体时，SMC会变得不敏感；NO受体作为级联的初始化步骤被内吞，所以NO受体的数量会减少，随着浓度的增加，内吞的速度会超过受体在细胞表面重新出现的速度。随着这些受体变得饱和，血管腔内的NO浓度会增加。由于Hb对NO的快速和不可逆的清除，无细胞的Hb可以有效地阻止NO的生物活性，导致血管收缩。Hb也因参与NO脱氧而闻名，当与含氧血红素反应时，将NO转化为硝酸盐（NO3）和甲基（铁）血红素。因此，NO与Hb的反应取决于由O2水平调制的血红素铁的氧化还原状态。然而，当Hb被包含在保护性的RBC膜内时，这些反应会减慢1000倍。如果不加以调节，高浓度的NO是有毒的，因为它开始针对乌头酶和细胞色素氧化酶，这些酶用于细胞呼吸，从而使这个过程成为对高浓度NO的自然防御，但在低浓度时，许多其他副作用变得明显。当氧气通过微循环扩散时，组织中大约 60% 到 70% 的氧供应发生。氧是几种生化过程的主要驱动力。大量的氧运输发生在较大的小动脉中；这是显而易见的，因为之前的研究表明，大动脉和小动脉之间的 Hb 氧饱和度从 69.9% 下降到 56.7%，并且同一血管中的小动脉周围 PO2 从 35 mmHg下降到 20 mmHg。动脉的连续分支减少了动脉血管的大小，并使动脉血管的血氧含量与横截面积的变化成正比。了解组织的氧输送和消耗的方法，微血管PO2和Hb饱和度必须与微血管血流结合起来。传统的 PO2 测量是使用有创的氧敏感极谱微阴极或磷光淬灭显微镜等方法；测定 Hb 饱和度 (SO2) 的另一种方法是分光光度法。无论测量如何，只要氧载体的 Hill 系数已知，SO2 和 PO2 就通过hill 方程相关联。随着微脉管系统从小动脉分叉到毛细血管，血管直径继续减小，最终限制了向单个 RBC 的转运。毛细血管内径可明显小于红细胞直径（~8mm），尤其是脾脏、肝脏等组织，毛细血管直径小至4~5mm，将红细胞的变形能力推向极致。由于血管内皮糖萼的存在，毛细血管的精确水力半径没有明确定义，糖萼是一种糖蛋白层，覆盖血管内皮细胞的腔膜并在毛细血管内占据重要的横截面积。毛细血管的外部结构由单层血管内皮细胞支撑在其基底膜上。毛细血管系统的顺应性在全身是异质的，主要由毛细血管网络供应的器官或组织决定。结缔组织和肌肉组织中的毛细血管是相对刚性的，而肺部毛细血管往往更具顺应性，随着肺容量的变化而变化。毛细血管弹性的差异被认为与毛细血管床周围不同数量的组织有关。例如，肺部毛细血管经常被表示为一个紧密的3维毛细血管网。肺泡周围的毛细血管床被描述为一个停车场，有地板、天花板和中间的富含胶原蛋白的柱子，提供弹性支持。片状模型的想法在图2中说明。相比之下，肌肉组织的毛细血管嵌入致密的肌肉纤维或结缔组织中，需要明显较低的顺应性才能保持通畅。毛细血管的通畅性很重要，因为只有当血液积极地流经组织时，才能满足组织的代谢需要。因此，毛细血管床（网络）根据组织的代谢活动经历了灌注的变化。毛细血管床的适应性行为保留了它们保持灌注的能力，无论周围组织的压缩压力如何。然而，不应忽视动脉血管平滑肌对PO2变化的敏感性。对组织血流的调节取决于毛细血管前括约肌，以限制局部血流并防止组织的过度氧合。图 2. 片材折叠模型。（顶部）平面视图。（下）从X到X的横截面视图。清晰的矩形空间是非血管柱。条纹区域表示流动通道。片材厚度=t。A和B是柱与内皮表面的接触。循环中的血流，无论是动脉还是静脉末端，都经历了类似的现象。在微循环中，血液和血浆的流动受到血管壁上产生的剪切应力的影响，从而导致部分血流速度曲线变钝。与正常的抛物线曲线不同，该血流曲线变钝，因此缺乏最大流量的峰值，这是由于快速移动的RBC的核心。图3描述了抛物线型和钝化型的对比情况。钝化程度取决于管径 (D) 和颗粒厚度 (d) 之比，D/d。随着流速的增加，随着颗粒上剪切速率的增加，流动剖面继续变得更加抛物线。这可能是由于依赖于剪切的粒子-粒子相互作用，在较高剪切下通过形成圆面包或其他聚集体导致粒度增加。按照同样的思路，这些钝化的轮廓往往更接近正常的抛物线血管直径减小时的轮廓。这些血管内的流动有另一个有趣的特征，在血液柱和内皮膜之间存在薄区，即无细胞层 (CFL)。CFL 偶尔会被 RBC 和白细胞随机侵入，并包含由附着在称为糖萼的内皮膜上的不同糖类制成的凝胶状表面。CFL 类似于机械系统，它是由于动态条件而产生的，因为细胞和其他有形成分由于速度梯度而远离血管壁。CFL 的工作原理类似于运动机械部件的润滑层，作为血液和血管壁之间的粘性介质。因此，CFL 的存在显著降低了血流阻力。由于 Segre-Silberberg 效应，CFL 是可能的，它描述了径向力作用在中性浮力粒子上，在离中心轴的管子半径的大约 60% 处产生平衡。靠近壁的 RBC 受到阻力，驱动沿速度矢量和惯性力的方向移动的单元格产生垂直于速度矢量的横向运动。这种横向运动迫使红细胞远离血管壁，留下一个血浆环，壁附近细胞浓度非常低。图 3. 抛物线型和钝型流动剖面。R是容器半径，r是流动半径，等离子体层表示CFL。CFL，无细胞层。为了更好地理解毛细血管血流动力学，作者将血浆如何流动与红细胞如何流动的分析分开。图4是一个毛细血管中血液流动的例子。不可压缩的牛顿血浆的流动，其剪切应力与剪切速度成比例关系，受斯托克斯流的支配，因为血浆主要是水。由于血浆从发散的动静脉分支进入毛细管，它有一个特征性的非泊肃叶曲线，由于液体的粘性，不能描述整个毛细管的压力下降。考虑到毛细管内的径向速度，径向速度可以达到平均轴向速度的30%。随着血浆向下游流动，流动又恢复到抛物线型，可以被描述为泊肃叶流，其压降可以由流体的粘度来描述（见图2）。这发生在距入口部分0.65倍毛细管直径的距离。
微循环功能障碍
微循环是一个极其复杂和重要的血管网络，专门设计用于维持周围组织。 随着这一研究领域的不断发展和新技术的开发，围绕氧气运输的问题将开始得到清晰的回答。当这些问题得到解答时，工程师可以根据对氧气运输的这些基本理解来创造非特异性血液替代品。此外，微循环研究还促进了对镰状细胞和地中海贫血等血液病理学的进一步研究。总而言之，微循环是人体的基石。- 与以前认为的不同，组织氧合发生在动脉血管末端，而毛细血管灌注与代谢物冲刷相关。
- 微血管血流动力学随血管的类型而变化；动脉和静脉的流动与毛细血管的高剪切应力环境不同。
来源：A Review on MicrovascularHemodynamicsThe Control of Blood Flow Distribution andTissue Oxygenation，Crit Care Clin - (2020) https://doi.org/10.1016/j.ccc.2019.12.011
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