心脏--控制血液循环的第二器官（节选第一部分）
翻译 周红群 审校 梅松涛
单位 西南医科大学附属医院重症医学科
摘要
血液循环是一项基本的生理功能，传统上认为是心脏产生压力的作用。然而，在过去的一个世纪里，基于离体心制剂和器官灌流获得的血流动力学数据，August Krogh, Ernst Starling, ArthurGuyton等人对“心脏中心论”的观点提出了质疑。他们的研究提供了实验证据和现象学观察，支持心输出量主要是对组织的新陈代谢需求做出反应的概念。介绍了盖顿静脉回流模型的基本原理，并与他们的批评进行了比较。心血管系统的发育生物学表明，在心脏达到功能完整之前，血液就开始循环，心脏的运动与组织的新陈代谢需求错综复杂地联系在一起。早被发现，但尚未被忽视的是，负间质压力可能在帮助血液回流到心脏方面发挥作用。基于这些现象，有人提出了另一种循环模型，其中心脏的功能类似于液压阀，并在动脉(离心力)和静脉(向心力)之间保持动态平衡，这些力量决定了血液的循环运动。在这篇综述中，介绍了一些支持所提出的循环模型的重要论据。最后，提出的证据表明，运动肌肉血流量受局部代谢控制，在肌肉血管传导性实质性增加的情况下，局部代谢控制维持最佳灌流，从而进一步支持心脏在整体血液循环控制中的允许作用。
关键词 心功能、循环模型、循环控制、运动、血流动力学
1.简介
通常认为，循环的发现者William Harvey(1578-1657)将血液的运动归因于心脏产生压力的作用。然而，Harvey并没有将心脏比作泵，因为在他的开创性著作《心脏与血液运动》出版时，静水压力的概念还不存在。虽然Harvey接受胸部有节奏的呼吸运动是血液通过肺部向前流动的原因，但他将血液的运动和心腔的扩张归因于血液的活力和“天生的热”。在他的专著出版20年后，Harvey对质疑他的发现的著名巴黎解剖学家Jean Riolan做出了以下回应：我不相信心脏是血液的创造者；我也不认为血液作为心脏的礼物具有力量、性质、运动或热量。相反，血液为心脏提供热量，就像它为身体其他部分提供热量一样。因此，我认为天然的或天生的热是每一种功能的共同工具，是脉搏的主要原因。
Harvey还把血液流经动脉比作虹吸管的作用。对于与Harvey同时代的Rene Descartes(1596年−1650年)来说，血液不再是一种有生命的液体，而是一种物质和食物颗粒的混合物，作为心脏燃烧的燃料。Descartes和他的追随者将生命热的概念简化为一个燃烧过程，一个纯粹的物理化学事件，而心脏被简化为一个推动血液的机械泵。随着基础知识的增加和先进实验仪器的出现，Starling首先系统地研究了微血管床的流体动力学，他通过实验证明，组织液交换是由毛细血管壁上流体静水压和胶体渗透压的平衡控制的，毛细血管壁的作用类似于半透膜，前者将液体推出，后者将液体拉向管腔(Starling原理）。尽管心脏作为压力推进泵被认为是血液推进的主要来源，但人们进行了许多尝试来证明其产生吸力的能力，这将有助于它的充盈和增加它的输出。
然而，究竟是心脏循环还是外周循环是全身血流的主要决定因素，这个问题一直是争论的主题。心脏中心论的支持者认为心脏是循环血液的‘马达’，是心输出量(CO)的主要决定因素。相反，Guyton静脉回流模型的拥护者则优先考虑外周循环，并将心脏视为次要或允许的作用。因为在这两个模型中，血液推进的最终来源都被假设为心脏作为压力推进泵，所以这些对立的观点只是在表面上存在分歧，而不是本质上的分歧，几乎没有解决的前景。对循环模型的系统回顾表明，传统的“以心脏为中心”的循环模型和另一种静脉回流循环模型都不能解释许多循环现象。例如，关于无瓣膜胚胎心脏和没有心脏的原始脊椎动物(图1)中血液推进来源的争论仍然悬而未决；机械阻断胸主动脉导致CO矛盾地增加，而不是减少，而Fontan手术，单个减弱的心室被认为通过体循环和肺循环的联合阻力泵送血液，提出了另一个尚未解释的血流动力学悖论。此外，压力-推进模式也无法解释为什么一组不同的疾病--从临床上显著的动静脉瘘到先天性心脏异常，即房间隔和/或室间隔缺陷--如果允许其自然发展，会发展为Eisenmenger综合征。
图1循环的进化模式：早期脊椎动物、鱼类、两栖动物和哺乳动物的循环系统。(改编自Furst(2020a)，经Springer-Natural许可使用。)
2.循环的发展史和血管压力的作用
心血管系统的比较生物学提供了令人信服的证据，反对由心脏产生的压力梯度是循环的主要驱动力。相反，它指出，血流作为对组织新陈代谢需求的反应是首要的，而动脉系统中压力的发展是脊椎动物进化过程中后来获得的。
无脊椎动物有一个开放的循环，由体腔组成，体腔与没有内皮的血管导管相连。这使得循环液体，即血淋巴，能够直接沐浴器官，从而起到运输介质和组织液的双重作用。没有心脏作为循环的中心器官，呼吸是通过皮肤吸收氧气来进行的。Forouhar及其同事发现，斑马鱼胚胎心脏中的血流速度超过了收缩波的速度，这引发了一场关于脊椎动物胚胎心脏血液推进机制的争论。考虑到胚胎循环仍然缺乏基底膜和内皮细胞，可以想象，由于血淋巴通过多孔的血管壁渗漏，压力驱动系统将是无效的。一些斑马鱼沉默心脏突变体已经被发现具有形态正常的心脏，但是，心脏却无法收缩。同样，墨西哥火蜥蜴的一种变种(Amblyostoma Maxicanum)被描述为具有“心脏致死”基因，其幼虫在心脏停止跳动的情况下存活长达2周。
在两栖动物中，从失重的水环境过渡到陆地，需要发展出原始的肺，通过皮肤补充残余的氧气吸收。心脏上增加了一个新的心房，单个心室现在支持平行放置的体循环和肺循环。考虑到来自体循环的静脉血和含氧血在心室混合，很难解释在没有局部流量控制调节的情况下，心室产生的压力是如何将最适量的含氧血公平地分配到体循环和肺循环的。在两栖动物(以及鱼类和哺乳动物)中，这是通过一种高度保守的过程来实现的，包括肺血管平滑肌的收缩和外周血管的扩张。
哺乳动物的肺循环和体循环是完全分离的，在哺乳动物中，对重力、空气呼吸、运动、内部繁殖和恒温的调整需要比变温动物更高的组织氧气和营养物质输送。哺乳动物血液循环的基本新特征是动脉系统有压力。然而，哺乳动物物种平均动脉压的相似性表明，压力不影响血液推进，但表明环境适应性。
鸟类的心血管系统达到了另一个发展水平。与哺乳动物相比，鸟类具有更高的代谢率，并具有生理性高热(40-42◦C)和高血压。与体重相近的哺乳动物相比，鸟类的肺部氧气摄取效率要高得多--它们有一个单向的支气管旁换气系统，而哺乳动物只有一个汇集的肺泡系统--心脏更大和心搏量更大。例如，在风洞中对鸽子的研究报告了它们的氧气消耗率，从基础的18ml kg−1min−1到310ml kg−1min−1，CO从330ml kg−1min−1到2244ml kg−1min−1。相比之下，一名训练有素的75公斤级运动员在最大运动时消耗约70-80ml kg−1min−1的氧气，达到27-35L min−1或360-466ml kg−1min−1的CO。在突然上升到高海拔和从高海拔下降时，高基线动脉压可能保护了鸟类，这种环境压力是大多数哺乳动物无法承受的。
总之，心血管系统的进化发展表明，血流是主要的，压力是与血液运动速度相关的衍生现象，而血液运动速度又与组织的新陈代谢需求相关。只要心脏存在且功能完备，它就成为心血管系统不可或缺的一部分，如果没有心脏，循环就不能长时间维持。此外，发育模型还表明，动脉压高度是物种特有的，反映了环境适应性。
3.静脉回流模型
在20世纪50年代至70年代之间，Arthur Guyton推广了静脉回流模型，该模型逐渐被基础科学家和临床医生广泛接受，并出现在几乎每一本生理学教科书中。他们观察到，心肌受自主调节，即每搏输出量和收缩力的增加与心室充盈的增加相适应。心肌的这一基本性质，即Frank-Starling关系，可以用右房压(PRA)与CO相关的图表表示(红线，图2)。
图2右房压力(PRA)对静脉回流和心输出量(CO)的影响。正常、降低和升高时的平均系统充盈压(MSFP)静脉回流曲线(分别为连续线、虚线和虚线)。如曲线的水平部分(蓝色)所示，PRA的负值允许静脉回流和CO通畅无阻。随着PRA值的增加，静脉血流减少，当PRA等于MSFP时，静脉血流停止。正常静脉回流曲线与心功能(Frank-Starling)曲线(红色)的交点表示静脉回流等于CO(蓝色箭头)的平衡点。
一些现象使Guyton认识到外周循环在CO整体控制中的重要性，例如，心脏电起搏可以使心率增加一倍以上，而CO几乎没有变化。麻醉犬的上下腔静脉插管，在血液回流到心脏之前通过灌注泵，即使在泵压逐渐地负增加下也不能增加静脉回流。同样，外周阻力的显著变化--通过制造动静脉瘘或通过注射微球阻塞微血管床--在一段时间的调整后对CO的影响相对较小。相反，通过增加输血以增加循环血容量会导致CO的突然变化。基于这些现象，并得到大量实验数据的证实，Guyton及其同事得出结论：外周循环在CO的控制中起主导作用。
鉴于大约70%的血容量包含在静脉系统，Guyton提出返回心脏的静脉流量(VF)是决定心脏输出量的主要因素。平均系统充盈压(MSFP)的概念，被定义为心脏停搏后在无血流状态下整个循环系统的压力，作为全身血管容量的替代。MSFP的大小主要取决于血容量和静脉顺应性，即交感神经张力。这一理论在开胸麻醉的狗身上进行了测试，在这些狗身上，返回到右心房的血液通过一个可调节的阻力进入旁路泵，然后返回到肺动脉。PRA和VF呈反向关系，并用静脉回流曲线表示(蓝线，图2)。在模型的数学公式中，Guyton用MSFP和PRA之差来表示静脉回流的驱动力：
MSFP − PRA= VF× Rv （1）
其中RV为阻力，(MSFP−PRA)为静脉回流的梯度。
当Vf等于CO时，它遵循流体的欧姆定律：
CO = VF= (MSFP − PRA) ∕Rv （2）
因此，静脉回流的梯度被认为是控制CO的主要决定因素；从心脏的角度来看，PRA控制心脏的充盈程度并根据上述Frank-Starling关系调节心脏的输出量；从外周循环的角度来看，较高的PRA施加反向压力并阻碍静脉回流。
由于在稳定状态下静脉回流必须等于CO，Guyton以图形方式将静脉回流曲线叠加在心功能曲线上，以显示心脏和静脉功能之间的相互作用(图2)。心脏和循环功能的这种表示显示了静脉回流的优先顺序，并证实了心脏的允许作用。尽管Guyton的模型最初是为稳态制定的，但自那以后，它已被用于解释使用循环辅助设备治疗心力衰竭患者的静脉回流(VF)和CO的动态变化。因为血流量，即体外膜氧合(ECMO)中的CO，与静脉回流的压力梯度成正比(参见公式2)，该模型可用于PRA和肺血流的独立控制，允许合理应用容量扩张和血管收缩药。此外，静脉回流的生理学及其与右心功能的关系为理解包括败血症、心源性和低血容量性休克在内的危重疾病的代偿机制和治疗干预提供了有价值的框架。
4.静脉回流模型评析
多年来，针对静脉回流模型提出了一些批评意见。Levy重复了Guyton的上述实验(没有右心房和旁路泵之间的阻力元件)，发现PRA与泵流量之间存在反向关系，即随着泵流量的增加，PRA降低。Levy坚持认为，在实验条件下，静脉回流显然是因变量，并指出在Guyton的分析中自由使用了因变量(静脉回流和CO)和自变量(PRA)(图2)。Levy坚持认为，Guyton认为模型的组件代表心血管系统的实际对应组件的想法给人的印象是，控制CO的是PRA，而不是旁路泵。根据Levy的说法，这种循环推理相当于因果关系的颠倒。与动脉系统不同的是，动脉血压下降，由压力感受器整合，提供了一个明确的负反馈错误信号，因为它代表了心脏供应的血液和组织对血液的需求之间的不匹配，静脉回流的概念是不精确的，缺乏明确的错误信号，应该放弃。为了试图“挽救”静脉回流模型，Brengelmann认为(MSFP−PRA)/RV概念(方程式1)给人一种错误的印象，即MSFP是血液推进的来源，而不是心脏，并坚持认为盖顿随意地选择PRA来表示依赖于血流的扩张压力，而不是动脉压。最后，Tyberg指出，Guyton和Levy的解释都是基于模型的，而且在内部是一致的，“很难或可能不能以牺牲另一种为代价来‘证明’其中一种”。
5.心脏的作用
鉴于心脏是心血管系统不可分割的一部分，其力学-能量特性一直很难评估。已经提出了几个心肌性能指标，如射血分数、最大收缩速度、最大等容压(dP/dtmax)和每搏功指数等，但这些指标都与心脏在给定（主动脉）压力下的射血量没有直接关系。为了量化心室的泵功能，Elzinga和Westhof将一种离体猫心脏制剂与一个接近模拟动脉树行为的水力模型进行了测试。心脏以固定的速度受到刺激，并保持恒定的舒张期充盈和收缩能力，同时通过改变模型动脉树的阻力和顺应性来抵抗可变的主动脉负荷。结果表明，在增加负荷（即主动脉压力）下射血时，离体心产生较小的每搏输出量，直到血流在最大压力(等容状态)时停止，而随着主动脉压力的逐渐降低，流量增加。因此，心脏产生的外部能量，即压力和流量的乘积，在两个极端情况下都可以忽略不计，而在流量(CO)的某个中间值时达到最大值。这是心脏在正常生理动脉负荷时的射血值，被称为“工作点”。值得注意的是，在每个选定的流量和压力下，心肌以最大的能量和效率射出(以外部能量和耗氧量的比值表示)。在稳定状态下，心脏以最大能量工作的事实也在麻醉猫和人身上得到了证明，但心脏‘选择’以最佳外部能量工作的潜在生理原理仍然是一个悬而未决的问题。
在能量学方面，心肌的基础(非搏动)代谢率明显高于骨骼肌。人体心脏跳动产生的代谢热大约是静息肌肉的10倍(5 mW g−1比0.5 mW g−1)。与骨骼肌相比，心肌代谢率高反映了心肌细胞中线粒体含量较高(小型动物为30-40%，大型动物为15-20%)。据估计，心脏将其高能量消耗中的50%左右用于基础代谢和跨桥激活，只有15%-20%的消耗用于收缩，即外部做功。这意味着大约80%的心肌耗氧量用于产生热量。有人提出，心脏这种看似“浪费”的高基础热量可以被转移到支持更高工作负荷的需要上，比如在有氧运动期间。骨骼肌在运动中的机械效率接近心脏。然而，与为收缩强度而“构建”的骨骼肌不同，心肌只产生一小部分收缩力。对心肌结构的详细研究表明，心肌细胞嵌入在由胶原和弹性纤维组成的致密网络中。因此，被纤维性心包包裹的心肌具有独特的抗拉伸性，并防止在各种高输出状态下过度充盈和/或过度扩张。这在薄壁右心室的情况下尤其重要，但这种情况也会影响远不那么柔顺的左心室，例如，在takotsubo心肌病中。综上所述，上述现象表明心脏在肺循环和体循环之间起着中介作用。它不是血液推进的动力源，而是在肺的供氧和外周的耗氧之间承担着一种自主的、综合的功能。尽管如此，心脏有节奏的充盈和射血清楚地表明了一种类似泵的作用。
那么什么样的机械泵最能体现心脏的工作原理？(见下节）
