Advanced

On cardiovascular responses to hypovolemic circulatory stress. An experimental study in man.

Olsen, Henrik LU (2000)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Gamla människor har ökad känslighet för vätske- och blodförlust vilket indikerar ett generellt försämrat försvar vid tillstånd med nedsatt blodvolym i kärlsystemet (hypovolemi). Det medverkar sannolikt till en ökad kardiovaskulär morbiditet och mortalitet. De första tre artiklarna i föreliggande avhandling studerar de bakomliggande orsakerna, i förhoppning att en ökad förståelsen kan medföra förbättrade möjligheter till förebyggande åtgärder och behandling.



De experimentella metoder som tidigare har använts för att undersöka baroreceptor funktionen är baserade på en minskning av den centrala blodvolymen genom en förflyttning av blod till benen via tippning av försökspersonen... (More)
Popular Abstract in Swedish

Gamla människor har ökad känslighet för vätske- och blodförlust vilket indikerar ett generellt försämrat försvar vid tillstånd med nedsatt blodvolym i kärlsystemet (hypovolemi). Det medverkar sannolikt till en ökad kardiovaskulär morbiditet och mortalitet. De första tre artiklarna i föreliggande avhandling studerar de bakomliggande orsakerna, i förhoppning att en ökad förståelsen kan medföra förbättrade möjligheter till förebyggande åtgärder och behandling.



De experimentella metoder som tidigare har använts för att undersöka baroreceptor funktionen är baserade på en minskning av den centrala blodvolymen genom en förflyttning av blod till benen via tippning av försökspersonen eller etablering av undertryck i en lufttät kammare kring nedre hälften av kroppen på försökspersonen (lower body negative pressure; LBNP). Det medför nedsatt central blodvolym och därmed en avlastning av baroreceptorerna vilket i sin tur medför stimulering av sympatiska nervsystemet. Stimuleringen leder till ökad hjärtfrekvens, kärlsammandragning (perifer resistans) som ger minskat blodflöde i perifera vävnader, samt en förflyttning (inom sekunder) av venblod från perifer vävnad till den centrala cirkulationen. Därigenom prioriteras blodcirkulationen i vitala områden som thorax och hjärna. Något senare (minuter) förflyttas vätska från vävnad, framförallt muskulatur och hud, via hålkärlens (kapillärernas) väggar till blodbanan (transkapillär vätskeförflyttning) för att på så sätt öka den cirkulerande blodvolymen.



Vid denna studie har en minskning av centrala blodvolymen etablerats experimentellt med hjälp av lower body negative pressure (LBNP) och de kompensatoriska försvarsmekanismerna avseende hjärta och kärl är undersökta med volumetrisk teknik.



Delarbete 1 visar att blodmängden som ansamlas i benens vener (kapacitanssvaret) vid LBNP minskar med 25% hos friska män mellan 20 och 65 års ålder. Man har tidigare funnit att de kompensatoriska försvarsmekanismerna avseende hjärta och kärl har varit försämrade vid ökad ålder, vilket har tolkats som att baroreceptor reflexen blir mindre effektiv. Emellertid medför det försämrade kapacitanssvaret i benen en felkälla som ger möjlighet till en alternativ förklaring, nämligen att minskningen i centrala blodvolym reduceras hos äldre individer, vilket kan leda till minskad stimulering av de centrala baroreceptorerna.



Delarbete 2 belyser tänkbara orsakerna till att kapacitanssvaret i benen vid LBNP minskar med ökad ålder. En förklaring kan vara att det applicerade undertrycket kring benen vid LBNP transmitteras sämre in i vävnaden hos gamla. Emellertid finner man att 80-90 % av det negativa trycket transmitteras till benens mjukdelar oberoende av ålder. En alternativ förklaring är en ökad styvhet i venväggen, beroende på förändrad mängd av elastin och kollagen med förhållandevis mer kollagen i väggen samt en ökad väggtjocklek. Studien visar att venväggens elasticitet (compliance) minskar med 45 % mellan 20 och 65 års ålder. En försämrad ven-elasticitet är sålunda förklaringen till det minskade kapacitanssvaret i benen med ökad ålder.



Delarbete 3 studerar förändringarna i baroreceptorfunktion i relation till det minskade kapacitanssvaret i benen med ökad ålder. Vid en minskning av central blodvolym orsakad av LBNP 60 cm H2O (motsvarande orthostatisk stress vid stående), finner man en åldersrelaterad reduktion av baroreceptor reflex svaret med mindre ökning av hjärtfrekvens och perifer resistans, samt reducerad transkapillär vätskeabsorption från skelettmuskulatur och hud till blod. Det ter sig dock orsakat av ett minskat kapacitanssvar i benen vid LBNP, med mindre reduktion av central blodvolym som följd, snarare än mindre effektiv baroreceptor reflex med ökande ålder. Vid samma kapacitanssvar i benen (LBNP 60 cmH2O versus 80 cm H2O hos unga respektive gamla individer) och därför sannolikt också samma minskning av central blodvolym, finner man inte längre några skillnader i baroreceptor reflex svar i olika åldrar. Studien antyder att den tidigare föreslagna försämrade effektiviteten av baroreceptor reflex svaret, är i stället väl kompenserad vid ökande ålder. Den omedelbara mobiliseringen av venblod från skelettmuskulatur och hud vid minskning av central blodvolym, vilket leder till en ökning av effektiv cirkulerande blodvolym, är däremot sänkt med 50% hos gamla, sannolikt p.g.a. ökad venstyvhet. Det kan leda till försämrad möjlighet att överleva en akut blodförlust.



Patienter med diabetes mellitus har även de en nedsatt tolerans mot hypovolemi. Det kan ha flera möjliga förklaringar; kapacitansfunktionen i venerna kan vara störd, baroreceptor reflexen (inklusive sympatiska nervsystemet) förändrad, mikrocirkulatoriska störningar kan leda till defekt kapillär genomsläpplighet för vatten, samt störd reglering av kapillärtrycket. Ett flertal faktorer kan således påverka de akuta skyddsmekanismerna vid hypovolemi.



Delarbete 4 visar att unga män med typ 1 diabetes utan kliniskt detekterbara mikrovaskulära komplikationer, har en intakt kapacitansfunktion i benen vid LBNP. Baroreceptor reflex svaret är normalt avseende blodtryckssvar, ökning av hjärtfrekvens samt perifer resistans, vilket indikerar avsaknad av signifikant sympatikus denervering till armen. Den transkapillära vätskeabsorptionen från skelettmuskulatur och skinn till blod är emellertid reducerad till 70% av det normala. Den nedsatta vätskeabsorptionen kan bidraga till att försvaret mot akut hypovolemi är nedsatt.



Delarbete 5 belyser tänkbara orsaker till fyndet att den transkapillära vätskeabsorptionen från skelettmuskulatur och hud vid LBNP-inducerad hypovolemi är sänkt hos typ 1 diabetiker utan kliniskt detekterbara mikrovaskulära komplikationer. En möjlig förklaring är sänkt kapillär genomsläpplighet för vatten (CFC) i skelettmuskulatur och hud beroende på nedsatt antal perfunderade kapillärer, ändringar i fiber matrix (fiberstrukturen mellan cellerna) eller nedsatt mängd aqauporin (ett vattentransporterande protein) i endotelcellerna. Studien visar en 30% reduktion av CFC, både i vila och vid LBNP-inducerad sympatikusstimulering. En alternativ förklaring kan vara att den kraften som etableras för förflyttning av vätska över kapillärväggen (sänkning av kapillärtrycket) är reducerad hos diabetiker. Emellertid visar en beräkning av den kraft som etableras att den inte är reducerad hos diabetiker, vilket indikerar bevarad sympatikus reglering av mikrocirculationen. En sänkt CFC förefaller således vara förklaringen till den defekta transkapillära vätskeabsorptionen vid hypovolemi.



Diabetes patienter med diabetisk näthinna skada (retinopati) visar förutom en defekt kompensatorisk transkapillär vätskeförflyttning vid hypovolemi även påverkan på vensystemet. Kapacitansfunktionen är nedsatt i benen, vilket medför en förändrad stimulering av baroreceptor reflexen vid hypovolemi. Vidare är mobiliseringen av venblod från skelettmuskulatur och hud till centrala cirkulationen också sänkt sannolikt pga. ökad venstyvhet, vilket innebär en defekt ökning av effektiv cirkulerande blodvolym. Den nedsatta mobilisering av perifert venblod till den centrala cirkulationen i kombination med den defekta transkapillära vätskeförflyttningen vid hypovolemi indikerar att typ 1 diabetes mellitus med kliniskt detekterbara mikrovaskulära komplikationer är speciellt utsatta, med en nedsatt motståndskraft mot hypovolemi som följd.



Delarbete 6 belyser insulin och glukos påverkan på den kardiovaskulära regleringen både i vila och vid LBNP-inducerad hypovolemi hos friska försökspersoner utsatta för insulin- samt glukos-klamp teknik. En ökad koncentration av insulin i blodet ökar hjärtfrekvensen och perifert blodflöde, sannolikt på grund av en kombination av generell sympatikus aktivering, samt lokal kärlvidgning. En ökad koncentration av glukos i blodet visar ej sådana effekter. Det kardiovaskulära svaret vid hypovolemi avseende blodtryck, hjärtfrekvens, samt perifer resistans, påverkas varken av insulin eller glukos. Den transkapillära vätskeabsorptionen från skelettmuskel och skinn till blod ökar däremot med stigande glukos koncentration, sannolikt på grund av en osmotisk effekt, medan insulin ej har någon sådan betydelse. Den förhöjda blodsockernivån i blod, som också uppstår vid en akut blodförlust, bidrar således sannolikt till en kompensatoriska ökningen av blodvolymen via en ökad transkapillär vätskeabsorption. Den förhöjda glukos samt insulin nivån i blodet som föreligger hos diabetes patienter förefaller, åtminstone inte på kort sikt, att förklara deras nedsatta transkapillära vätskeabsorption vid hypovolemi. (Less)
Abstract
Aged subjects have a decreased tolerance to hypovolemia, which could contribute to their increased cardiovascular morbidity. One possible etiological factor might be an age-related reduction in the efficiency of the baroreceptor reflex axis. In this study lower body negative pressure (LBNP) was used as a model for hypovolemic circulatory stress, and volumetric techniques applied for the study of peripheral vascular responses.



Venous capacitance in the legs is reduced by 25 % from 22 to 64 years of age due to decreased venous compliance. This leads to an age-related reduction of blood pooling in the lower body half during LBNP with less reduction in central blood volume and reduced response of the baroreceptor reflex... (More)
Aged subjects have a decreased tolerance to hypovolemia, which could contribute to their increased cardiovascular morbidity. One possible etiological factor might be an age-related reduction in the efficiency of the baroreceptor reflex axis. In this study lower body negative pressure (LBNP) was used as a model for hypovolemic circulatory stress, and volumetric techniques applied for the study of peripheral vascular responses.



Venous capacitance in the legs is reduced by 25 % from 22 to 64 years of age due to decreased venous compliance. This leads to an age-related reduction of blood pooling in the lower body half during LBNP with less reduction in central blood volume and reduced response of the baroreceptor reflex axis. By adjusting the LBNP-stimulus, similar hypovolemic circulatory stress in both young and old may be achieved. The efficiency of the baroreceptor reflex axis is well compensated with age. Thus, the previous finding of a reduced baroreflex response to orthostasis with increasing age seems to be explained by a reduced hypovolemic stimulus. The capacitance response (mobilisation of peripheral blood to the central circulation) in tissue not exposed to an increased hydrostatic pressure load, i.e. the first line of defence during hypovolemic circulatory stress however, is reduced by 50 % in old subjects.



Diabetic patients also have a reduced tolerance to hypovolemia. The capacitance response in the legs during LBNP in type 1 diabetic patients without microvascular complications is unaffected. Transcapillary fluid absorption from tissue to blood during hypovolemia is, however, reduced indicating impaired plasma volume regulation. The explanation seems to be a reduction in capillary water permeability (CFC) in diabetic patients. The expected increase in CFC as well as the calculated driving force for transcapillary fluid absorption during hypovolemic circulatory stress seems, on the contrary, to be intact indicating preserved sympathetic microcirculatory regulation. Diabetic patients with microangiopathy (retinopathy) are further affected by a reduced capacitance function with a decreased mobilisation of peripheral venous blood to the central circulation during hypovolemic circulatory stress, which increases their susceptibility to hypovolemia even more. In experiments applying the clamp technique to healthy young individuals, hyperglycaemia, but not hyperinsulinemia is found to increase transcapillary fluid absorption during hypovolemic circulatory stress, probably due to its osmotic action. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Fagrell, Bengt, Karolinska Institute, Karolinska Hospital, 171 76 Stockholm, Sweden
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
diabetology, secreting systems, Endocrinology, vein., type 1 diabetes, skeletal muscle, LBNP, compliance, CFC, Ageing, baroreceptor, Endokrinologi, sekretion, diabetologi, Cardiovascular system, Kardiovaskulära systemet
pages
59 pages
publisher
Department of Endocrinology, Wallenberg laboratory, Malmö University Hospital
defense location
Medicinklinikens Aula Malmö University Hospital, Malmö
defense date
2000-02-11 13:00
external identifiers
  • other:ISRN: LUMEDW/MEEK-1010-SE
language
English
LU publication?
yes
id
c49c25ae-12fc-4c86-be1d-635b580e84b7 (old id 40206)
date added to LUP
2007-07-31 09:05:45
date last changed
2016-09-19 08:45:08
@phdthesis{c49c25ae-12fc-4c86-be1d-635b580e84b7,
  abstract     = {Aged subjects have a decreased tolerance to hypovolemia, which could contribute to their increased cardiovascular morbidity. One possible etiological factor might be an age-related reduction in the efficiency of the baroreceptor reflex axis. In this study lower body negative pressure (LBNP) was used as a model for hypovolemic circulatory stress, and volumetric techniques applied for the study of peripheral vascular responses.<br/><br>
<br/><br>
Venous capacitance in the legs is reduced by 25 % from 22 to 64 years of age due to decreased venous compliance. This leads to an age-related reduction of blood pooling in the lower body half during LBNP with less reduction in central blood volume and reduced response of the baroreceptor reflex axis. By adjusting the LBNP-stimulus, similar hypovolemic circulatory stress in both young and old may be achieved. The efficiency of the baroreceptor reflex axis is well compensated with age. Thus, the previous finding of a reduced baroreflex response to orthostasis with increasing age seems to be explained by a reduced hypovolemic stimulus. The capacitance response (mobilisation of peripheral blood to the central circulation) in tissue not exposed to an increased hydrostatic pressure load, i.e. the first line of defence during hypovolemic circulatory stress however, is reduced by 50 % in old subjects.<br/><br>
<br/><br>
Diabetic patients also have a reduced tolerance to hypovolemia. The capacitance response in the legs during LBNP in type 1 diabetic patients without microvascular complications is unaffected. Transcapillary fluid absorption from tissue to blood during hypovolemia is, however, reduced indicating impaired plasma volume regulation. The explanation seems to be a reduction in capillary water permeability (CFC) in diabetic patients. The expected increase in CFC as well as the calculated driving force for transcapillary fluid absorption during hypovolemic circulatory stress seems, on the contrary, to be intact indicating preserved sympathetic microcirculatory regulation. Diabetic patients with microangiopathy (retinopathy) are further affected by a reduced capacitance function with a decreased mobilisation of peripheral venous blood to the central circulation during hypovolemic circulatory stress, which increases their susceptibility to hypovolemia even more. In experiments applying the clamp technique to healthy young individuals, hyperglycaemia, but not hyperinsulinemia is found to increase transcapillary fluid absorption during hypovolemic circulatory stress, probably due to its osmotic action.},
  author       = {Olsen, Henrik},
  keyword      = {diabetology,secreting systems,Endocrinology,vein.,type 1 diabetes,skeletal muscle,LBNP,compliance,CFC,Ageing,baroreceptor,Endokrinologi,sekretion,diabetologi,Cardiovascular system,Kardiovaskulära systemet},
  language     = {eng},
  pages        = {59},
  publisher    = {Department of Endocrinology, Wallenberg laboratory, Malmö University Hospital},
  school       = {Lund University},
  title        = {On cardiovascular responses to hypovolemic circulatory stress. An experimental study in man.},
  year         = {2000},
}