Controle van de weefseldoorbloeding

Hoewel het hart de drijvende kracht is van de circulatie, kan elk weefsel zijn doorbloeding aanpassen aan zijn stofwisselingsnelheid. Naarmate de stofwisselingssnelheid toeneemt, neemt de behoefte aan zuurstof en dus zuurstofrijk bloed toe. Ook de behoefte aan brand- en bouwstoffen, zoals vrije vetzuren, glucose en aminozuren neemt toe naarmate de stofwisselingssnelheid toeneemt. De afvoer van afvalstoffen en metabolieten zoals koolstofdioxide en waterstofionen moet vervolgens ook vlotter verlopen als de stofwisselingssnelheid toeneemt. Verder neemt niet alleen de weefseldoorbloeding toe als de stofwisselingssnelheid toeneemt. Ook neemt bijvoorbeeld de doorbloeding van de huid toe als er meer warmte aan de omgeving moet worden afgegeven en de nieren hebben een forse doorbloeding nodig om adequaat afvalstoffen af te kunnen voeren. In tabel 14.1 wordt de doorbloeding van verschillende organen gegeven.

Tabel 14.1 Doorbloeding van organen en weefsels in rust

Zowel als percentage van het totale hartminuutvolume, het aantal ml per minuut (ml/min) en de doorbloeding in ml per minuut per 100 gram (ml/min/100 g weefsel) weefsel is de hoge doorbloeding van de nieren opvallend. De doorbloeding van de nieren is hoog, om zo een goede nierfunctie te borgen. Ook is opvallend dat de doorbloeding van skeletspieren in rust laag is. Gedurende zeer zware fysieke inspanning kan echter de doorbloeding van skeletspierweefsel met een factor 20 toenemen tot 80 ml per minuut per 100 gram spierweefsel.

De doorbloeding van een weefsel wordt in het algemeen gehandhaafd op een niveau dat tegemoet komt aan hetgeen dat het desbetreffende weefsel aan doorbloeding nodig heeft. Er wordt echter niet meer bloed naar het weefsel getransporteerd, dan dat het weefsel aan bloed nodig heeft.

CONTROLE VAN DOORBLOEDING

De doorbloeding van een weefsel wordt acuut en op lange termijn beïnvloedt. De acute doorbloeding van een weefsel wordt beïnvloed door middel van vasoconstrictie en vasodilatatie de diameter van arteriolen, metarteriolen en precapillaire sfincters te verkleinen, of te vergroten. Wanneer er sprake is van vasoconstrictie neemt de weefseldoorbloeding af. Wanneer er sprake is van vasodilatatie neemt de weefseldoorbloeding toe. Op lange termijn kan de weefseldoorbloeding ook worden beïnvloed. Voordat de weefseldoorbloeding daadwerkelijk is veranderd, kan er een periode van dagen tot maanden verstreken zijn. Waarbij de acute beïnvloeding van weefseldoorbloeding een effect is van vasoconstrictie en vasodilatatie, is de beïnvloeding van weefseldoorbloeding op de lange termijn een gevolg van weefselspecifieke veranderingen; zo neemt het aantal en grootte van capillairen toe, of af.

Acute beïnvloeding van de doorbloeding

Wanneer de stofwisseling van een skeletspier met een factor 8 toeneemt, neemt de doorbloeding van datzelfde weefsel met een factor 4 toe. De vraag naar zuurstof neemt immers toe, wanneer de stofwisseling van een weefsel toeneemt. Wanneer de beschikbaarheid van zuurstof in een weefsel afneemt, neemt de weefseldoorbloeding toe. Twee theorieën proberen een verklaring te geven voor de veranderingen in weefseldoorbloeding als reactie op veranderingen in de stofwisseling, of beschikbaarheid van zuurstof van het desbetreffende weefsel. Deze verklaringen worden gegeven in de zuurstofsgebrekstheorie en vasodilatatietheorie. De zuurstofsgebrekstheorie ook wel voedingsstofsgebrekstheorie gaat ervan uit dat een gebrek aan zuurstof en voedingsstoffen veranderingen in de doorbloeding veroorzaken. Zowel zuurstof, als voedingsstoffen zijn namelijk nodig voor het gladde spierweefsel in de vaatwanden om te kunnen functioneren. Is er voldoende zuurstof en voedingsstoffen aanwezig, dan kan het glad spierweefsel in de vaatwanden contraheren; er is immers brandstof en zuurstof aanwezig om ATP te produceren. Het ATP gebruikt de gladde spiercel voor een contractie. Wanneer er onvoldoende zuurstof en voedingsstoffen aanwezig zijn, beschikt de spiercel simpelweg uiteindelijk niet over voldoende ATP om te kunnen contraheren en zal de spiercel ontspannen en de bloedvaten dilateren. Wanneer een weefsel dus veel voedingsstoffen en zuurstof gebruikt, zijn er minder voedingsstoffen en zuurstof over voor de gladde spiercellen van de bloedvaten. Als reactie zullen de bloedvaten dilateren. De vasodilatatietheorie gaat ervan uit dat een zuurstofgebrek en gebrek aan voedingsstoffen in een weefsel zorgt voor ophoping van metabolieten. Deze metabolieten veroorzaken vervolgens vasodilatatie. Metabolieten die waarschijnlijk voor vasodilatatie zorgen, zijn adenosine, koolstofdioxide, waterstofionen, Kaliumionen, histamine en adenosinefosfaat. Van adenosine wordt in het bijzonder aangenomen dat het een krachtige vasodilatator is. Een kleine hoeveelheid adenosine in de hartspier zorgt bijvoorbeeld al voor een zeer sterke toename van de doorbloeding van het hart. Ook wanneer de stofwisseling van het hart toeneemt, zorgt dit voor een daling van de zuurstofspanning in het hart en afname van ATP in de hartspiercellen; ATP wordt immers afgebroken tot ADP, AMP en adenosine. Het adenosine wordt door de hartspiercellen afgegeven aan de capillairen waar het voor vasodilatatie zorgt. Naast een ophoping van metabolieten, een tekort aan zuurstof en voedingsstoffen lijkt ook in het bijzonder een tekort aan glucose in weefsels voor vasodilatatie te zorgen. Ook een tekort aan de wateroplosbare B-vitamines thiamine, riboflavine en niacine veroorzaken een toename van de doorbloeding van alle weefsels met een factor 2. Thiamine, riboflavine en niacine zijn belangrijke co-enzymen in ATP-leverende processen in de cel waaronder de gladde spiercel van de vaatwand. Wanneer de ATP-productie stokt in de gladde spiercel treedt er een tekort aan ATP waardoor de spiercel niet meer kan contraheren.

Metabolisme en doorbloeding van een weefsel

Bovengenoemde mechanismen zijn metabole mechanismen teneinde de lokale doorbloeding van een weefsel aan te passen op de stofwisselingssnelheid. Reactieve en actieve hyperemie zijn twee specifieke vormen van metabole mechanismen teneinde de doorbloeding van een weefsel aan te passen. Reactieve hyperemie treedt op als tijdelijk de doorbloeding van een weefsel is gehinderd. Wanneer de doorbloeding weer kan plaatsvinden, neemt deze tijdelijk sterk toe. Een tijdelijke verhindering van de doorbloeding van een weefsel zorgt voor het vrijkomen van vele metabolieten die vasodilatatie stimuleren. Ook het tijdelijke zuurstofgebrek van een weefsel stimuleert de doorbloeding van een weefsel. Bij actieve hyperemie neemt de doorbloeding van een weefsel sterk toe als gevolg van een toename in de stofwisselingssnelheid van het desbetreffende weefsel. Bijvoorbeeld tijdens zware fysieke inspanning neemt de stofwisselingssnelheid van skeletspierweefsel sterk toe. Om voldoende ATP te produceren heeft de skeletspier behoefte aan zuurstof en voedingsstoffen. Omdat de skeletspier meer zuurstof en voedingsstoffen gebruikt neemt de beschikbaarheid van zuurstof en voedingsstoffen voor de gladde spiercellen van de vaatwanden af. Ook hopen zich vele metabolieten in het weefsel op. Het gebrek aan zuurstof en voedingsstoffen en de toename aan metabolieten heeft als gevolg dat er vasodilatatie optreedt.

Autoregulatie van de doorbloeding

Wanneer de arteriële druk in een weefsel toeneemt, zorgt dit tijdelijk voor een sterke toename van de doorbloeding van dat zelfde weefsel. Echter binnen een korte tijd keert de weefseldoorbloeding middels autoregulatie bij benadering terug naar het oude niveau, ondanks de hogere arteriële druk. Vanuit de eerder besproken metabole controle van de doorbloeding van een weefsel is het eenvoudig te begrijpen waarom de doorbloeding van een weefsel ondanks een hoge arteriële druk terugkeert naar het oude niveau. De hogere arteriële druk veroorzaakt namelijk een grotere beschikbaarheid van zuurstof en voedingsstoffen aan de gladde spiercellen van de vaatwanden die een specifiek weefsel van bloed voorzien. Wanneer de gladde spiercellen meer zuurstof en voedingsstoffen tot hun beschikking hebben, kunnen zij krachtiger contraheren. Naast de metabole controle bestaat er nog een alternatieve theorie die de doorbloeding van een weefsel tracht te verklaren; de myogene theorie. De myogene theorie gaat ervan uit dat bloedvaten die plots sterk worden gerekt, reageren met vasoconstrictie. Een toename van de arteriële druk veroorzaakt rek van de bloedvatwand. Dit veroorzaakt vervolgens vasoconstrictie in hetzelfde bloedvat. Wanneer de arteriële druk afneemt, ontspannen de gladde spieren in de bloedvatwanden en treedt dus vasodilatatie op. Ook in afwezigheid van hormonale en neurale invloed kunnen de gladde spieren van de bloedvatwand contraheren, danwel ontspannen. Deze zogenaamde myogene controle is met name sterk aanwezig in de arteriolen. De contractie van de gladde spiercellen van de bloedvaten wordt veroorzaakt depolarisatie van de gladde spiercellen. Deze depolarisatie wordt veroorzaakt door rek op de gladde spiercellen. De depolarisatie veroorzaakt de instroom van Calciumionen vanuit de extracellulaire ruimte in de spiercel. De myogene controle van de doorbloeding van een weefsel voorkomt overmatige rek op een bloedvat dat daardoor zou kunnen scheuren. Wanneer er echter een tekort aan zuurstof in een weefsel optreedt en metabolieten in het weefsel zich ophopen, overrulen deze de myogene controle van weefseldoorbloeding en zal de weefseldoorbloeding toenemen.

Doorbloeding van de nieren, huid en hersenen

Bovenstaande paragraaf beschrijft de doorbloeding van weefsels in het algemeen. In de meeste weefsels wordt de doorbloeding afgestemd op de behoeften van dat weefsel. Echter een aantal weefsels en organen vervullen specifieke functies in het lichaam en reguleren ook onafhankelijk van hun fysiologische behoeften hun doorbloeding om deze specifieke functies te kunnen blijven vervullen. Deze weefsels en organen moeten namelijk de homeostase van het lichaam moeten handhaven. De doorbloeding van de nieren wordt bijvoorbeeld gereguleerd door tubuloglomerulaire feedbacksystemen. In de macula densa; een structuur in het begin van de distale tubulus van het nefron wordt de samenstelling van de voorurine beoordeeld. De macula densa ligt nabij het punt waar de distale tubulus dicht bij het afferente en efferente arteriool van het juxtaglomerulaire apparaat ligt. Wanneer er te veel voorurine vanuit de glomerulus in de tubulus komt, veroorzaakt het feedbacksysteem in de macula densa vasoconstrictie van de afferente arteriolen. Hierdoor neemt de doorbloeding van de nier en glomerulaire filtratie af. In de hersenen is de doorbloeding niet alleen afhankelijk van de zuurstofconcentratie. Ook de koolstofdioxideconcentratie en pH beïnvloeden de doorbloeding van de hersenen aanzienlijk. Wanneer of de zuurstofconcentratie daalt, of de koolstofdioxideconcentratie stijgt, of de pH daalt, dilateren de bloedvaten in de hersenen en neemt de doorbloeding toe. De doorbloeding van de huid is sterk afhankelijk van de lichaamstemperatuur. Wanneer de lichaamstemperatuur toeneemt, neemt ook de doorbloeding van de huid en subcutane weefsels toe. Op deze wijze wordt warmte vanuit de lichaamskern naar de huid en subcutane weefsels getransporteerd waar de warmte wordt afgegeven aan de omgeving. De doorbloeding van de huid wordt gereguleerd door het sympatische zenuwstelsel. Bij een zeer hoge omgevingstemperatuur kan de doorbloeding van de gehele huid toenemen tot 7,5 L/min.

De invloed van endotheelfactoren op de doorbloeding van weefsels

De endotheelcellen van de bloedvaten produceren factoren die vasoconstrictie en vasodilatatie kunnen veroorzaken. Zo veroorzaakt stikstofmonoxide (NO), een lipofiel gas dat geproduceerd wordt door de endotheelcellen vasodilatatie. Stikstofmonoxide-enzymen (Nitric Oxide Synthase; NOS) die door de endoltheelcellen worden geproduceerd, maken NO uit het aminozuur arginine. Ook kan NO gemaakt worden uit nitraat. NO heeft een halfwaardetijd van ongeveer 5 seconden en veroorzaakt lokale vasodilatatie. Bloed dat door de bloedvaten stroomt, veroorzaakt wrijving op de endotheelcellen. De wrijving veroorzaakt vervorming van endotheelcellen. De vervorming van de endotheelcellen veroorzaakt vervolgens NO-productie door diezelfde endotheelcellen. Als reactie op NO zal de bloedvatwand ontspannen. Logischerwijs zorgt een sterkere vervorming van de endotheelcellen voor meer NO-productie en grotere vasodilatatie. De productie van NO wordt ook gestimuleerd door de sterke vasoconstrictor angiotensine II. Een te sterke vasoconstrictie remt namelijk de doorbloeding van een weefsel te sterk, waardoor het weefsel verstoken blijft van zuurstof en voedingsstoffen en uiteindelijk weefselschade kan optreden. NO kan de sterke vasoconstrictie deels opheffen. Schade aan endotheelcellen van bloedvaten bijvoorbeeld veroorzaakt door arteriosclerose en/of hypertensie remt de NO-productie en zorgt zo voor verdere toename van hypertensie. Ook neemt de doorbloeding van weefsels nog verder af, wanneer bloedvaten onvoldoende dilateren. Hierdoor krijgen weefsels geen, of onvoldoende zuurstof en/of voedingsstoffen en kan er weefselschade ontstaan. Nitroglycerine en nitraatderivaten zijn medicijnen die bijvoorbeeld aan mensen met angina pectoris worden verstrekt. Deze medicijnen zorgen voor vasodilatatie van de coronairvaten waardoor de doorbloeding van de hartspier normaliseert. Sildenafil is een medicijn dat de werking van cGMP-specifiek-fosfodiesterase-5 (PDE-5) remt. PDE-5 breekt cyclisch guanosinemonofosfaat (cGMP) af. NO stimuleert de productie van cGMP. cGMP zorgt voor de uiteindelijke vasodilatatie. Door dus de afbraak van cGMP te remmen, kunnen de effecten van NO langer aanhouden. Sildenafil en andere PDE-5-remmers worden gebruikt bij erectieproblemen. Erecties worden gestimuleerd door toename van parasympatische activiteit middels toename van impulsen via zenuwen naar de penis. De toename van de parasympatische activiteit zorgt voor het vrijkomen van de neurotransmitters acetylcholine en NO in de bloedvaten van de penis. De bloedvaten in de penis ontspannen, waardoor deze vollopen met bloed. Door PDE-5-remmers houdt een erectie langer aan. Endotheelcellen van bloedvaten produceren niet alleen de vasodilatator NO, maar ook de vasoconstrictor endotheline. Endotheline is een uit peptide dat uit 21 aminozuren bestaat. Endotheline wordt met name geproduceerd door beschadigde bloedvaten. Zoals beschreven, veroorzaakt endotheline vasoconstrictie. Weefselschade zorgt voor bloedverlies. Productie van endotheline zorgt voor vasoconstrictie waardoor bloedverlies beperkt krijgt. Endotheline wordt echter ook geproduceerd door endotheelcellen die beschadigd raken door hypertensie en verergert daarmee de hypertensie nog verder.

Doorbloeding van weefsels op de lange termijn

Naast korte termijnaanpassingen van de weefseldoorbloeding zijn er ook aanpassingen in de weefseldoorbloeding die op de lange termijn optreden. Korte termijn aanpassingen treden doorgaans binnen een aantal minuten op, maar veroorzaken niet de volledige benodigde aanpassingen om tegemoet te komen aan de gewenste doorbloeding van een weefsel. Lange termijnaanpassingen zorgen er uiteindelijk voor dat de doorbloeding van het weefsel tegemoet komt aan hetgeen het weefsel nodig heeft. Lange termijnaanpassingen van de doorbloeding van een weefsel zijn met name relevant in weefsels waarvan de stofwisselingssnelheid wijzigt. In skeletspierweefsel dat bijvoorbeeld veelvuldig contraheert en sterk afhankelijk is van aeroob geproduceerd ATP neemt de doorbloeding op lange termijn toe, omdat het aantal en de grootte van de capillairen toeneemt. Een belangrijke lange termijnaanpassing is zoals in bovenstaand voorbeeld een verandering van de vascularisatie van een weefsel. Een toename van de stofwisselingssnelheid van een weefsel veroorzaakt een betere vascularisatie. Het proces dat zorgt voor een toename van de vascularisatie heet angiogenese. Een afname van de stofwisselingssnelheid van een weefsel veroorzaakt een afname van de vascularisatie. Zuurstof speelt niet alleen een belangrijke rol in korte termijnaanpassingen, maar ook in lange termijnaanpassingen van de weefseldoorbloeding. Bij mensen die bijvoorbeeld op grote hoogte wonen en waar dus de zuurstofdruk lager is, is de vascularisatiegraad van weefsels groter, dan bij mensen die op zeeniveau wonen. De grotere vascularisatiegraad bij mensen die op grote hoogte wonen, compenseert voor de lagere zuurstofspanning.

Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF), angiostatine en endostatine

VEGF, angiogenine en fibroblast growth factor (FGF), zijn drie zogenaamde angiogene factoren die de vascularisatie van een weefsel stimuleren. De angiogene factoren stimuleren op vergelijkbare wijze de vascularisatie van een weefsel. De angiogene factoren stimuleren de aanmaak van nieuwe bloedvaten uit reeds bestaande bloedvaten. Om deze aanmaak mogelijk te maken, wordt op het punt waar nieuwe bloedvaten zullen uitgroeien het basaal membraan van het reeds bestaande bloedvat afgebroken. Op hetzelfde punt groeien nieuwe endotheelcellen uit om een nieuw bloedvat te vormen. Bloedvaten worden gevormd in de richting waar een weefsel angiogene factoren produceert. Uiteindelijk komen de nieuw gevormde bloedvaten samen om een gesloten systeem van capillairen te vormen. Naast angiogene factoren; factoren die groei van bloedvaten stimuleren, zijn er factoren die juist de groei van bloedvaten remmen. Angiostatine en endostatine zijn bijvoorbeeld factoren die de groei van bloedvaten remmen. Deze factoren worden anti-angiogene factoren genoemd. De groei van maligne tumoren is sterk afhankelijk van een goede doorbloeding. Het is daarom interessant om te bestuderen wat het effect van anti-angiogene factoren in tumorgroei is.

Vascularisatiegraad

De vascularisatiegraad van een weefsel wordt niet bepaald door de gemiddelde doorbloeding van dat weefsel, maar door de maximale weefseldoorbloeding die nodig is. De gemiddelde doorbloeding van skeletspierweefsel is bijvoorbeeld niet bijzonder hoog. Echter tijdens maximale aerobe inspanning heeft de skeletspier behoefte aan veel zuurstof en dus zuurstofrijk bloed. Is de doorbloeding van de skeletspier afgestemd op de gemiddelde doorbloeding, dan schiet te doorbloeding van de skeletspier tijdens maximale aerobe inspanning te kort om in de zuurstofbehoefte van deze skeletspier te voorzien.

Collaterale circulatie

Wanneer de doorbloeding van weefsel is verhinderd, ontstaan er nieuwe zogenaamde collaterale bloedvaten rondom de plek waar de doorbloeding is verhinderd. Op de plek waar de doorbloeding is verhinderd dilateren op korte termijn in de eerste plaats verbindende bloedvaten rondom de plek van de blokkade. Op lange termijn ontstaan er vele kleine collaterale bloedvaten rondom de plek van de blokkade. De collaterale bloedvaten kunnen de doorbloeding van een weefsel onder normale omstandigheden goed op peil houden. Echter wanneer de stofwisselingssnelheid van een weefsel te veel toeneemt, schieten de collaterale vaten tekort om het weefsel van voldoende bloed te voorzien. Collaterale vaten ontstaan bijvoorbeeld nadat een atherosclerotische thrombus een coronairvat steeds verder heeft afgesloten. Wanneer de afsluiting van het coronair geleidelijk is ontstaan, is er vaak genoeg tijd om collaterale vaten te vormen.

HORMONEN EN LOKAAL GEPRODUCEERDE STOFFEN DIE DE DOORBLOEDING BEÏNVLOEDEN

Vele hormonen en door de weefsels geproduceerde stoffen hebben invloed op de doorbloeding van de weefsels. Noradrenaline en adrenaline zijn bijvoorbeeld een door het zenuwstelsel geproduceerde neurotransmitter en bijnier geproduceerde hormonen die sterke en uiteenlopende effecten hebben op de doorbloeding van een weefsel. Zo zorgen noradrenaline en adrenaline voor vasoconstrictie in het spijsverteringsstelsel, maar juist voor vasodilatatie in actieve skeletspieren. Antidiuretisch Hormoon (ADH, ook wel vasopressine genoemd) wordt geproduceerd door de hypothalamus wanneer het lichaam te veel vocht dreigt te verliezen en de tensie te veel daalt. ADH veroorzaakt vasoconstrictie en veroorzaakt waterreabsorptie in de nieren. Angiotensine II veroorzaakt eveneens vasoconstrictie. Angiotensine II veroorzaakt vasoconstrictie van de kleine arteriolen, waardoor de doorbloeding van een weefsel sterk afneemt. Wanneer de tensie te veel dreigt te dalen, veroorzaakt angiotensine II vasoconstrictie van vele arteriolen, waardoor de totale perifere weerstand en dus de bloeddruk toeneemt. Calciumionen veroorzaken vasoconstrictie. Een verhoogde Calciumionconcentratie zorgt ervoor dat de gladde spiercellen van de bloedvaten gaan contraheren en dit veroorzaakt vasoconstrictie. Histamine is een sterke vasodilatator die wordt geproduceerd door basofielen en mestcellen in weefsels als reactie op een weefselbeschadiging en/of allergische reactie. Naast vasodilatatie zorgt histamine er ook voor dat de capillairen lekken. Hierdoor lekt er plasma met plasma-eiwitten vanuit de capillairen een weefsel in; dit kan uiteindelijk leiden tot oedeem. Bradykinine is een andere lokaal geproduceerde kort werkende vasodilatator. Daarnaast zorgt bradykinine net zoals histamine ervoor dat plasma en plasma-eiwitten uit de capillairen de weefsels in lekt. Koolstofdioxide heeft wisselende effecten op de doorbloeding van een weefsel. Lokaal zorgt een verhoogde koolstofdioxideconcentratie voor vasodilatatie. Een verhoogde koolstofdioxideconcentratie van het bloed zorgt echter voor vasodilatatie in het brein, maar vasoconstrictie van andere weefsels. Een verhoogde Acetaat-, Citraat-, Kaliumion-, Magnesiumion- en Waterstofionconcentratie veroorzaken vasodilatatie.

LITERATUURLIJST

Hall, J.E. (2015). Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. (12th ed.). USA: Saunders Elsevier.