La microvasculatura comprende los microvasos ( vénulas y capilares) de la microcirculación , con un diámetro medio máximo de 0,3 milímetros. [1] A medida que los vasos disminuyen de tamaño, aumenta su relación superficie-volumen. Esto permite que las propiedades de la superficie desempeñen un papel importante en la función del vaso.
La difusión se produce a través de las paredes de los vasos debido a un gradiente de concentración, lo que permite el intercambio necesario de iones, moléculas o células sanguíneas. La permeabilidad de una pared capilar está determinada por el tipo de capilar y la superficie de las células endoteliales . Un revestimiento de células endoteliales continuo y estrechamente espaciado solo permite la difusión de moléculas pequeñas. Las moléculas más grandes y las células sanguíneas requieren un espacio adecuado entre las células o agujeros en el revestimiento. La alta resistividad de una membrana celular impide la difusión de iones sin una proteína de transporte de membrana . La hidrofobicidad de la superficie de una célula endotelial determina si el agua o las moléculas lipofílicas se difundirán a través del revestimiento capilar. La barrera hematoencefálica restringe la difusión a pequeñas moléculas hidrófobas, lo que dificulta la difusión de fármacos.
El flujo sanguíneo está directamente influenciado por la termodinámica del cuerpo. Los cambios de temperatura afectan la viscosidad y la tensión superficial de la sangre, alterando el caudal sanguíneo mínimo. A altas temperaturas, el caudal mínimo disminuirá y el capilar se expandirá. Esto permite la transferencia de calor a través de la mayor superficie del revestimiento capilar interno y a través del aumento del flujo sanguíneo. A bajas temperaturas, el caudal mínimo aumentará y el capilar se contraerá. Esto restringe el flujo sanguíneo y disminuye el área de superficie del capilar, reduciendo la transferencia de calor.
La mecánica de fluidos se ve afectada principalmente por la presión, la temperatura, la transferencia de calor y la electrocinética. Un aumento de la presión aumenta la velocidad de flujo dada por la ecuación de Starling. Un aumento de la temperatura aumenta la humectabilidad de la superficie, lo que promueve el flujo de fluido. El calor también disminuye la viscosidad del lumen . La transferencia de calor es monitoreada por termorreceptores que regulan la cantidad de lechos capilares abiertos para la disipación de calor. La química de la superficie del revestimiento de células endoteliales también dicta el flujo de fluido. Una superficie cargada adquirirá una capa de iones difusos estancados que obstaculizan el flujo de iones en el lumen. Esto disminuye la velocidad del lumen y promueve el intercambio de moléculas a través del revestimiento capilar.
La difusión es el movimiento de moléculas debido a un gradiente de concentración. Las moléculas se mueven siguiendo un patrón aleatorio para lograr una solución uniforme.
Las paredes capilares contienen una monocapa de células endoteliales . Hay dos formas en que las moléculas se difunden a través de la monocapa endotelial: a través de los espacios entre las células o directamente a través de las células. Las moléculas se difunden a través de las paredes capilares debido a los gradientes de concentración. La difusión entre las células cambia según el tipo de capilar. Hay tres tipos diferentes de capilares: continuos, fenestrados y sinusoidales, también llamados discontinuos. En los capilares continuos, las células endoteliales están estrechamente espaciadas, lo que permite que solo las moléculas pequeñas, como los iones o el agua, se difundan a través de las hendiduras intercelulares (los espacios entre las células endoteliales). En los capilares fenestrados y sinusoidales hay más espacio entre las células, lo que permite la difusión de macromoléculas y algunas proteínas. Los capilares sinusoidales tienen grandes orificios que permiten el paso de glóbulos rojos y blancos. [2] La difusión de gases y moléculas liposolubles puede ocurrir directamente a través de las células endoteliales, descrita por la primera ley de Fick :
dónde
La carga superficial de las células endoteliales en los puntos de difusión puede determinar qué tipo de molécula puede difundirse a través de las paredes capilares. Si la superficie es hidrófila, permitirá que el agua y las moléculas cargadas pasen a través de ella. Si es hidrófoba, las moléculas no cargadas y lipofílicas podrán difundirse a través de ella. Estas fuerzas de cribado intermolecular también se conocen como fuerzas de van der Waals , que están determinadas por las fuerzas de dispersión de Keesom , Debye y London . La bicapa lipídica de una membrana de célula endotelial es una superficie hidrófoba. Los lípidos no polares dan lugar a una resistividad eléctrica muy alta, dada por
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Esta alta resistividad evita que los iones crucen la bicapa sin una proteína de membrana integral mediante difusión facilitada. [3]
Los fármacos se difunden a través de las paredes capilares de la misma manera que las moléculas endógenas. Uno de los ejemplos más importantes de esto es la difusión de fármacos a través de la barrera hematoencefálica . La barrera hematoencefálica consiste en un lecho de capilares continuos. Normalmente, solo las moléculas hidrófobas pequeñas pueden difundirse a través de la barrera hematoencefálica. [4] Esto hace que sea muy difícil introducir fármacos en el cerebro sin administrarlos de forma invasiva directamente en el cerebro. Una posible solución es la utilización de nanopartículas . Las nanopartículas se sintetizan para encapsular un fármaco diana. La superficie de la nanopartícula, si no es ya hidrófoba, puede tener polímeros adheridos a la superficie para ajustar la polaridad de la corriente. También se pueden unir ligandos a la superficie de una nanopartícula para dirigirse a determinados receptores ubicados dentro del cerebro. Una vez que la nanopartícula atraviesa la barrera hematoencefálica, libera el fármaco en el cerebro. [5] Un ejemplo específico de esta solución es la administración de fármacos anti-VIH al sistema nervioso central mediante nanopartículas conjugadas con TAT. [6]
La temperatura ambiente del cuerpo afecta directamente el flujo sanguíneo a través de la microvasculatura. Los cambios de temperatura afectan la viscosidad de la sangre y la tensión superficial. La tensión superficial disminuye con el aumento de la temperatura, lo que reduce el caudal mínimo (véase Tensión superficial ). La disminución del caudal mínimo por temperaturas más altas permite que fluya más sangre y se disipe el calor por todo el cuerpo. La temperatura afecta en gran medida el flujo sanguíneo al influir en el diámetro del flujo. Las disminuciones y los aumentos de temperatura desencadenan vasoconstricción y vasodilatación respectivamente.
La vasoconstricción afecta la velocidad de flujo y las propiedades de la superficie de la microvasculatura al contraer las células musculares lisas y disminuir el diámetro del flujo. Las células musculares lisas pueden contraerse tanto por estímulos externos como internos. Este mecanismo puede ser desencadenado por la temperatura ambiente o el sistema nervioso autónomo. [7] Cuando hace frío, el cuerpo intenta capturar el calor de la sangre contrayendo las células musculares lisas alrededor de la microvasculatura. Las células musculares se contraen por un aumento de calcio. La disminución del área transversal para el flujo aumenta la resistencia vascular y reduce el flujo a las extremidades. Este mecanismo permite que el cuerpo concentre el calor alrededor de los órganos vitales para la supervivencia.
La fórmula para calcular la resistencia vascular sistémica es
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Los valores típicos están en el rango de 100 a 300 dinas × s × cm-5. [8]
La vasodilatación es, en esencia, lo opuesto a la vasoconstricción. [9] En la vasodilatación, los vasos sanguíneos se dilatan para permitir un mayor flujo sanguíneo. Las células musculares lisas se relajan para aumentar el diámetro del flujo, disminuyendo la resistencia vascular. Esto es posible debido a la relación directa entre el gasto cardíaco, la presión arterial media y la resistencia vascular. Al igual que la vasoconstricción, la vasodilatación puede ser causada por factores internos y externos. Por ejemplo, el óxido nítrico, que se encuentra en los alimentos, es un vasodilatador muy potente. Se ha descubierto que los nervios de la columna vertebral pueden desencadenar ambos procesos. La vasodilatación también se desencadena por la termorregulación para proporcionar disipación de calor.
La ecuación de Starling describe el flujo de un disolvente a través de un lecho capilar. La ecuación se puede ver a continuación
Una descripción de las constantes, así como algunos de los valores promedio se pueden ver en la siguiente tabla.
El coeficiente de filtración está determinado por la conductividad hidráulica , que es una medida de la facilidad con la que el agua se desplaza a través de una zona tortuosa. En la microvasculatura, esto está controlado por la porosidad de un capilar y si es continuo, fenestrado o sinusoidal. El coeficiente de reflexión actúa como un factor de corrección y está determinado por la diferencia en el tamaño de las partículas y la relación de poros. Se considera como la probabilidad de que la partícula se desplace hacia un poro dentro de las paredes del capilar antes de viajar hacia el líquido intersticial. Si la partícula es un ion, se experimentará un efecto a partir de la carga de los revestimientos endoteliales que puede aumentar o disminuir el coeficiente de reflexión.
En fluidos con viscosidad relativamente baja existe una relación casi lineal e inversa entre la temperatura y la tensión superficial. [13] La disminución de la tensión superficial aumenta la mojabilidad de las paredes capilares, facilitando el flujo del fluido a través del capilar.
El calor también afecta la viscosidad de un fluido dentro de un capilar. Un aumento de calor disminuye la viscosidad del fluido luminal. Un buen ejemplo de esta acción se puede observar en el cuerpo humano durante el ejercicio. Cuando una persona hace ejercicio, hay un aumento en la tasa metabólica dentro de los músculos, lo que crea un aumento en la producción de calor. El aumento de calor es detectado por termorreceptores, un tipo de receptor sensorial ubicado en varios puntos del cuerpo. Estos receptores envían una señal al cerebro que le dice al cuerpo que dilate los vasos sanguíneos, incluidos los capilares. Esto crea un cambio visible en el número de vasos en la piel. Esto permite que se produzca la transferencia de calor por convección.
Los vasos sanguíneos transfieren calor por convección . La convección está dominada por el movimiento browniano y la advección . Con la convección, el calor en el sistema se mueve desde un punto de alta concentración de calor a uno de baja concentración de calor, un concepto similar a la difusión. La cantidad de flujo de calor depende de la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura interna, que es detectada por los termorreceptores. Si la temperatura ambiente es más alta que la temperatura en los capilares, el cuerpo abrirá el esfínter precapilar para aumentar el número de lechos capilares. Esto aumenta la superficie capilar general, lo que permite una mayor transferencia de calor a través de la convección. [14]
Las cargas superficiales en las paredes de los vasos afectan el flujo de iones a través de los capilares y la mecánica de fluidos en la microvasculatura. Un revestimiento endotelial cargado crea una capa ligada de iones donde se produce la difusión entre las paredes celulares y el lumen, también conocida como capa de popa . Esto crea una capa difusa, un gradiente de carga donde los iones se mueven hacia la superficie cargada, en el revestimiento endotelial de los capilares. Los efectos de las células endoteliales cargadas decaen exponencialmente a lo largo de una distancia medida, que se conoce como longitud de Debye . Los iones en la capa difusa inciden en el movimiento de otros iones en el lumen, lo que ralentiza la solución circundante para permitir que se produzca una mayor difusión. El perfil de velocidad se puede determinar mediante la ecuación de Helmholtz-Smoluchowski [13] :
El campo eléctrico creado por las células endoteliales cargadas se puede modelar conceptualmente mediante un cilindro hueco. La superficie cargada aplica un campo eléctrico resultante que actúa sobre una partícula dentro del centro de un cilindro en una dirección perpendicular a la sección transversal del cilindro observado.
Cuando hay una mayor concentración de sal en el lumen del capilar, la longitud de Debye disminuye, lo que a su vez disminuye la magnitud de la velocidad descrita por la ecuación de Helmholtz-Smoluchowski.
![{\displaystyle J_{v}=K_{f}\left[(P_{c}-P_{i})-\sigma (\pi _{c}-\pi _{i})\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/358f8255668c3317a684874db5011fb59f6f70ed)
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