โครงสร้างและการซึมผ่านของหลอดเลือดฝอย

หลอดเลือดฝอยเป็นหลอดเลือดที่บางที่สุด โดยมีผนังประกอบด้วยเซลล์บุผนังหลอดเลือด (endothelial cells) เพียงชั้นเดียวบนเยื่อฐาน (basement membrane) ผนังที่บางมากนี้เมื่อรวมกับพื้นที่ผิวรวมที่กว้างใหญ่ ทำให้หลอดเลือดฝอยเป็นบริเวณที่สารละลาย น้ำ และก๊าซผ่านระหว่างเลือดและเนื้อเยื่อ การที่สารใดๆ จะผ่านได้ง่ายเพียงใดขึ้นอยู่กับชนิดโครงสร้างของหลอดเลือดฝอยและตะแกรงโมเลกุลที่เกิดจากพื้นผิวของเซลล์บุผนังหลอดเลือด

Definition

การซึมผ่านของหลอดเลือดฝอย (Capillary permeability) คือคุณสมบัติของผนังหลอดเลือดฝอยที่กำหนดว่าน้ำและสารละลายผ่านระหว่างพลาสมาในเลือดและของเหลวคั่นระหว่างเซลล์ (interstitial fluid) ได้ง่ายเพียงใด ซึ่งถูกกำหนดโดยโครงสร้างของเซลล์บุผนังหลอดเลือดและชั้นผิวหน้าของมัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกายวิภาคของผนังหลอดเลือดฝอย หลอดเลือดฝอยสามประเภทตามโครงสร้าง (ชนิดต่อเนื่อง, ชนิดมีหน้าต่าง, และชนิดไม่ต่อเนื่อง/ไซนูซอยด์) กลไกที่น้ำและสารละลายผ่านผนัง และแนวคิดเรื่องการซึมผ่าน รวมถึงบทบาทสำคัญของไกลโคคาลิกซ์ของเซลล์บุผนังหลอดเลือด (endothelial glycocalyx) หัวข้อนี้กล่าวถึงแรงกรองของของเหลวเพียงสั้นๆ โดยให้สมดุลของสตาร์ลิง (Starling balance) เป็นหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• โครงสร้างของผนังหลอดเลือดฝอยเป็นอย่างไร และหลอดเลือดฝอยชนิดต่อเนื่อง ชนิดมีหน้าต่าง และชนิดไม่ต่อเนื่องแตกต่างกันอย่างไร?
• น้ำและสารละลายขนาดต่างๆ ผ่านผนังด้วยกลไกใด?
• ไกลโคคาลิกซ์ของเซลล์บุผนังหลอดเลือดคืออะไร และเหตุใดจึงถือเป็นสิ่งกีดขวางการซึมผ่านหลัก?
• การซึมผ่านถูกวัดและสร้างแนวคิดอย่างไร?

Key concepts

• ผนังเซลล์บุผนังหลอดเลือดชั้นเดียวบนเยื่อฐาน
• หลอดเลือดฝอยชนิดต่อเนื่อง ชนิดมีหน้าต่าง และชนิดไม่ต่อเนื่อง (ไซนูซอยด์)
• การขนส่งแบบแพร่ (diffusive) เทียบกับการขนส่งแบบพา (convective) (การกรอง)
• ไกลโคคาลิกซ์ของเซลล์บุผนังหลอดเลือดในฐานะตะแกรงโมเลกุลและสิ่งกีดขวาง
• ช่องว่างระหว่างเซลล์และรอยต่อแน่น (tight junctions)
• ผลคูณของความสามารถในการซึมผ่านและพื้นที่ผิว (Permeability-surface area product)

Key theories

ทฤษฎีรูพรุนของการซึมผ่านของหลอดเลือดฝอย

แปปเพนไฮเมอร์จำลองผนังหลอดเลือดฝอยว่ามีรูพรุนขนาดเล็กจำนวนหนึ่งที่ช่วยให้น้ำและสารละลายขนาดเล็กผ่านได้ในขณะที่จำกัดโมเลกุลขนาดใหญ่ โดยเชื่อมโยงการซึมผ่านกับขนาดรูพรุนที่มีประสิทธิภาพซึ่งประมาณจากข้อมูลการถ่ายโอนสารละลาย

แบบจำลองเส้นใย-เมทริกซ์ (ไกลโคคาลิกซ์)

เคอร์รีและมิเชลเสนอว่าคุณสมบัติการกรองโมเลกุลของผนังหลอดเลือดฝอยอยู่ในเมทริกซ์ของเส้นใยบนพื้นผิวของเซลล์บุผนังหลอดเลือด ซึ่งต่อมาถูกระบุว่าเป็นไกลโคคาลิกซ์ แทนที่จะอยู่ในรูพรุนทรงกระบอกที่แยกจากกัน ซึ่งเป็นการปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับการซึมผ่านแบบเลือกสรร

Mechanisms

ผนังหลอดเลือดฝอยเป็นชั้นเซลล์บุผนังหลอดเลือดเพียงชั้นเดียวซึ่งมีคุณสมบัติแตกต่างกันไปตามเนื้อเยื่อ: เซลล์บุผนังหลอดเลือดชนิดต่อเนื่อง (continuous endothelium) (เช่นในกล้ามเนื้อและระบบประสาทส่วนกลาง) มีรอยต่อระหว่างเซลล์ที่แน่นหนาและมีการซึมผ่านต่ำ; เซลล์บุผนังหลอดเลือดชนิดมีหน้าต่าง (fenestrated endothelium) (เช่นในไตและลำไส้) มีรูพรุนที่เพิ่มการซึมผ่านของน้ำและสารละลายขนาดเล็ก; และเซลล์บุผนังหลอดเลือดชนิดไม่ต่อเนื่องหรือไซนูซอยด์ (discontinuous or sinusoidal endothelium) (เช่นในตับและม้าม) มีช่องว่างขนาดใหญ่ที่ช่วยให้เซลล์และโมเลกุลขนาดใหญ่ผ่านได้ ก๊าซที่ละลายในไขมัน เช่น ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์แพร่ผ่านเซลล์โดยตรง ในขณะที่สารละลายที่ละลายน้ำได้จะเคลื่อนที่ผ่านช่องว่างระหว่างเซลล์ (intercellular clefts) แปปเพนไฮเมอร์ (Pappenheimer) ตีความข้อมูลเหล่านี้ในแง่ของระบบรูพรุน และต่อมาแบบจำลองเส้นใย-เมทริกซ์ (fibre-matrix models) ได้ให้เหตุผลว่าการกรองโมเลกุลเกิดจากไกลโคคาลิกซ์ของเซลล์บุผนังหลอดเลือด ซึ่งเป็นชั้นผิวหน้าของโปรตีโอไกลแคนและไกลโคโปรตีนที่ทั้งจำกัดการผ่านของโมเลกุลขนาดใหญ่และรับรู้การไหลเวียน

Clinical relevance

ชนิดโครงสร้างของหลอดเลือดฝอยและความสมบูรณ์ของไกลโคคาลิกซ์มีอิทธิพลต่อการที่เนื้อเยื่อเก็บกักหรือสูญเสียของเหลวและโปรตีน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจการอักเสบ การรั่วของหลอดเลือดฝอย และอาการบวมน้ำ (oedema) นี่คือสรีรวิทยาอ้างอิงและไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นแนวทางในการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

ความเข้าใจในที่นี้ได้มาจากบทความทบทวนทางสรีรวิทยาและการศึกษาโครงสร้างมากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก; การวิเคราะห์รูพรุนของแปปเพนไฮเมอร์ และบทความทบทวนการซึมผ่านของมิเชลและเคอร์รี (Michel and Curry) เป็นพื้นฐาน และวรรณกรรมเกี่ยวกับไกลโคคาลิกซ์ (Reitsma และคณะ; Curry and Adamson) สะท้อนมุมมองปัจจุบันของสิ่งกีดขวางนี้

History

งานในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ถือว่าผนังหลอดเลือดฝอยเป็นเยื่อที่มีรูพรุน และการวิเคราะห์ของแปปเพนไฮเมอร์ในปี 1953 ได้วางแนวคิดเรื่องรูพรุนบนพื้นฐานเชิงปริมาณ แบบจำลองเส้นใย-เมทริกซ์ของเคอร์รีและมิเชลในปี 1980 ได้ปรับกรอบพื้นฐานโมเลกุลของการกรอง และการแสดงภาพไกลโคคาลิกซ์ของเซลล์บุผนังหลอดเลือดในภายหลัง (ทบทวนโดย Reitsma และโดย Curry and Adamson) ได้ระบุว่าชั้นผิวหน้าเป็นสิ่งกีดขวางการซึมผ่านหลักและเป็นตัวรับรู้เชิงกล (mechanosensor)

Debates

รูพรุนเทียบกับไกลโคคาลิกซ์ในฐานะแหล่งกำเนิดของการซึมผ่าน

การที่การซึมผ่านแบบเลือกสรรถูกอธิบายได้ดีที่สุดด้วยรูพรุนที่แยกจากกันหรือด้วยโครงสร้างเส้นใย-เมทริกซ์ของไกลโคคาลิกซ์ของเซลล์บุผนังหลอดเลือดได้กำหนดสรีรวิทยาของหลอดเลือดขนาดเล็ก; ปัจจุบันแบบจำลองไกลโคคาลิกซ์เป็นที่นิยมมากกว่า แต่กรอบแนวคิดเรื่องรูพรุนยังคงเป็นการอธิบายเชิงปริมาณที่มีประโยชน์

Key figures

• John Pappenheimer
• C. Charles Michel
• Fitz-Roy Curry
• Hans Vink

Seminal works

• pappenheimer-1953
• michel-1999
• curry-1980

Frequently asked questions

หลอดเลือดฝอยมีโครงสร้างหลักกี่ชนิด?

หลอดเลือดฝอยชนิดต่อเนื่อง (continuous capillaries) ที่มีรอยต่อแน่นและมีการซึมผ่านต่ำ, หลอดเลือดฝอยชนิดมีหน้าต่าง (fenestrated capillaries) ที่มีรูพรุนในเซลล์บุผนังหลอดเลือด, และหลอดเลือดฝอยชนิดไม่ต่อเนื่อง (discontinuous/sinusoidal capillaries) ที่มีช่องว่างขนาดใหญ่ซึ่งช่วยให้เซลล์และโมเลกุลขนาดใหญ่ผ่านได้

ไกลโคคาลิกซ์ของเซลล์บุผนังหลอดเลือดคืออะไร?

เป็นชั้นคล้ายเจลของโปรตีโอไกลแคนและไกลโคโปรตีนที่บุพื้นผิวภายในของเซลล์บุผนังหลอดเลือด; ทำหน้าที่เป็นตะแกรงโมเลกุลหลักที่จำกัดการผ่านของโมเลกุลขนาดใหญ่และเป็นตัวรับรู้การไหลเวียนของเลือด