제 12장. 심혈관 생리학

[문형철]

잊지 말자

인체 모든 치유의 핵심은  blood supply 임을 !!

blood supply의 장애를 야기하는 모든 조건을 파악하는 것이 생리학 탐구의 목표다. 

혈액내에 좋은 영양분

혈액내에 좋은 세포, 건강한 면역세포 등을 어떻게 온몸 구석구석에 절절한 시기에 공급할 것인가?

확산에 의한 물질의 이동은 농도차이에 의존하므로 세포 몇개 정도의 거리를 통과하는데에도 너무 느려 세포의 대사 요구를 충족시키지 못함. 그러므로 커다란 다세포 생물체에서는 분자들을 체내 세포와 체표면 사이 또는 여러특정 조직이나 기관사이와 같은 서로 멀리 떨어져 있는 거리로 재빠르게 운송하기 위해서는 확산이외에 다른 기전이 필요함. 이 같은 목적은 펌프인 심장, 일련의 연결관인 혈관 또는 혈관계 그리고 관을 채우고 있는 세포들과 세포외액의 혼합물인 혈액을 포함한 순환계에 의해 성취됨. 이와 같은 전신 수송계를 심혈관(cardiovascular system)이라고 함. 

A 절. 순환계의 일반적 양상

1. 순환계의 개요

순환계의 세가지 요소는 "심장, 혈관 그리고 혈액"

혈액은 액체상태인 혈장에 혈액세포와 세포조각으로 이루어진 유형성분(formed element)들이 현탁되어 있음. 

혈장에는 단백질, 영양소, 대사 노폐물및 다른 기관으로 운반중인 분자들이 용해되어 있음. 

혈액세포에는 적혈구, 백혈구 그리고 세포조각인 혈소판이 있음

혈구의 90%이상이 산소를 운반하는 적혈구이고, 백혈구는 감염과 암에 대한 보호작용을 하며, 혈소판은 혈액응고 기능

혈구용적(hematocrit)이란 전체 혈액에서 적혈구가 차지하는 용적을 말함. 

혈액을 원심분리하면 전체 혈액에서 적혈구는 하층에, 혈장은 상층에 그리고 백혈구와 혈소판은 상층과 하층사이에 연막(buffy coat)이라고하는 얇은 막을 형성함. 정상 혈구용적은 남자는 대략 45%, 여자는 42%정도임. 

70킬로그램인 사람의 혈액량은 약 5.5리터임. 여기에 정상 혈구용적 45%를 적용하면 혈구용적은 0.45*5.5리터 = 2.5리터가 됨. 

여기에는 백혈구와 혈소판도 포함되어 있지만 무시할 정도로 소량이기 때문에 혈장의 용적은 혈액용적과 혈구용적의 차이로 말할 수 있음. 70kg인 사람의 경우 혈장 용적 = 5.5리터 - 2.5리터 = 3.0리터임. 

전신을 통한 빠른 혈액의 흐름은 심장의 펌프작용으로 생긴 압력에 의해 이루어짐. 혈액을 구성하는 모든 성분들이 함께 한방향으로 흐르기 때문에 이러한 형태의 흐름을 집단흐름(bulk flow)이라 함. 혈관의 엄청난 규모의 가지치기는 체내의 거의 모든 세포가 가장 작은 가지의 하나인 모세혈관과 최소한의 세포직경의 거리내에 인접해 있도록 함. 영양소와 최종산물은 확산에 의해 모세혈관과 세포간질액 사이를 이동함. 세포간질액과 세포내액 사이의 이동은 확산과 원형질막을 가로지르는 매개수송에 의해 이루어짐.

어떤 주어진 순간에도 모세혈관에는 전신을 순환하는 혈액의 약 5% 정도만 존재함. 그러나 이 5%가 세포의 영양소를 공급하고 대사최종산물과 다른 세포의 분비물을 제거하는 심혈관계의 궁극적인 기능을 수행함. 순환계의 다른 부분들은 모세혈관을 통한 혈액흐름이 원활할 수 있도록 하는 전반적인 기능을 함. 

1962년 윌리엄 하비의 심혈관계 순환고리의 보고

좌심방 -> 좌심실 -> 대동맥 -> 동맥 -> 모세혈관 -> 소정맥 -> 대정맥 -> 우심방 -> 우심실 -> 폐동맥과 간 -> 폐 모세혈관-> 폐정맥 -> 좌심방

소동맥, 모세혈관, 소정맥을 합하여 미세순환(microcirculation)이라고 함. 

아래 그림은 성인의 휴식기시 좌심실에서 뿜어져 나온 혈액의 전형적인 분포를 말함. 

2. 혈압, 혈류 그리고 저항(Pressure, Flow, and Resistance)

심혈관계의 중요한 특색은 혈압, 혈류 그리고 혈류에 대한 저항의 관계임. 이를 혈류역학(hemodynamics)라고 함. 심혈관계의 모든부분에서 혈류는 항상 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이루어짐. 액체에 의해 생성된 압력을 정수압(hydrostatic pressure)이라고 하며, 심혈관계에서 기술할때는 보통 간략히 압력으로 쓰이는데, 혈액에 의해 가해지는 힘을 나타냄.  이 힘은 심장의 수축에 의해서 혈액에 발생하는 것으로 그 크기가 다음절에서 설명되는 이유로 전 체계에 걸쳐 다름. 

혈류량을 결정하는 것은 심혈관계의 어느 지점에서의 절대 압력이 아니라 지점들 간의 압력의 차이에 의함. 아래 그림 .

그러나 두 지점간의 압력차이를 아는 것만으로 혈류량을 말해주지는 않음. 이를 위해서는 흐름에 대한 저항을 알아야만 하는데, 이는 곧 혈액이 주어진 압력차이에서 두지점 사이를 흐르는데 얼마나 어려움이 있는가의 여부임. 저항은 흐름을 방해하는 마찰을 측정하는 것임. ...

저항을 결정하는 한가지 요인은 점성(viscosity)라고 알려진 액체의 성질인데, 이는 흐르는 액체분자들 사이의 마찰의 함수로 마찰이 클수록 점성도 커짐. 저항의 또다른 인자는 액체가 흘러가는 관의 길이와 반지름인데, 왜냐하면 이들 특성은 관 내부의 표면적에 영향을 미치므로 흐르는 액체와 움직이지 않는 관 벽 사이의 접촉의 양을 결정하기 때문임. 

그림 설명 : 관의 반지름이 저항과 흐름에 미치는 영향. a 어떤 주어진 양의 용액은 작은 관에서 더 넓은 내벽의 표면적과 혈류에 대한 더 큰 마찰저항에 놓이게 됨. b. 동일한 압력 경사가 주어졌을때 반경이 반으로 줄면 관을 통한 흐름은 1/16으로 감소함. 

다시말하면 저항은 액체의 점성과 관의 길이에 비례하고 관의 반지름의 4승에 반비례함. 혈액의 점성은 고정된 것이 아니고 혈구용적이 증가할수록 증가함. 그러므로 혈구용적의 변화가 어떤 경우에는 혈액 흐름의 저항에 상당한 영향을 미칠 수 있음. 예를들면심한 탈수항태에서는 체액의 감소로 인해 혈구용적이 증가하고 따라서 혈액의 점성도는 증가하게 됨. 

.. 공부할때 기억해야 할 것은 심혈관계의 궁극적인 기능이란 여러기관에 모세혈관을 통해 적절한 혈액의 흐름이 이루어지도록 하는 것이라는 점임. 아래 표 참조

B절. 심장

1. 심장의 해부학

심장은 심낭(pericardium)이라는 섬유질 주머니에 싸여있는 근육질의 기간으로 가슴내에 위치함. 그림 참조

심낭의 안쪽 층은 심장에 밀착되어 있는데 이를 심장외막이라고 함. 심장벽인 심근(myocardium)은 주로 심장근육세포로 구성됨. 심장의 내부 표면은 혈관내벽과 마찬가지로 내피세포의 얇은 층으로 덮여 있음. 

심근

심장의 몸체는 놀라울 정도의 탄력과 체력을 지닌 특화된 근육세포로 구성됨. 1분에 70회 박동을 하는 심장근육은 평생 30억번 가량을 수축함. 놀랍게도 이런 엄청난 작업량에도 불구하고 심장은 자신의 심장세포를 교체하는데 지극히 제한적임. 최근 연구에 의하면 매년 약 1% 정도의 심근세포만이 교체된다고 제시됨. 

신경감응

심장에는 교감신경과 부교감신경 섬유가 풍부하게 공급되는데 후자는 미주신경에 포함됨 그림 12-9 참조. 교감신경의 절후 신경섬유는 심장전체를 자극하고 주로 노르에피네프린을 방출하는 반면, 부교감신경 섬유는 주로 심방에 있는 세포에서 끝나며 주로 아세틸콜린을 방출함. 심근에 있는 노르에피네프린 수용체는 주로 베타-아드레날린 작동성임. 부신수질에서 만들어지는 에피네프린도 노르에피네프린과 마찬가지로 베타-아드레날린 작동성 수용체에 결합하여 심장에 대해 동일한 작용을 함. 아세틸콜린 수용체는 무스카린 작동성임. 

혈액공급

심장내의 방으로 주입되는 혈액은 심근세포와 직접적으로 영양소 및 최종대사산물을 교환하지 않음. 따라서 심장도 다른 모든 장기들과 마찬가지로 동맥을 통해 혈액공급을 받음. 심근세포는 대동맥에서 가지를 쳐 나온 동맥을 통해 혈액의 공급을 받음. 심근에공급되는 동맥을 관상동맥이라고 하며, 이를 통한 혈류를 관상혈류라고 함. 

혈액의 전신 순환과정

그림설명 : 심장의 자율신경 경로 : 보여주는 신경은 경로상에 있는 후신경절 뉴런임. 

2. 심장박동의 조정

심장은 좌심과 우심이 각각 따로 그러나 동시에 작동하여 혈액을 체혈관이나 폐혈관으로 내보내기 위해 심방이 먼저 수축하고 연이어 심실이 수축함. 

심장근육 흥분의 순서

동방결절(SA node)은 전체 심장의 정상적인 박동원임. 동방결절의 탈분극은 정상적으로 활동전위를 야기하고 이는 다른 모든 심근세포의 탈분극을 유발하며 따라서 동방결절의 탈분극 속도가 심박률, 즉 1분당 심장의 수축빈도를 결정함. 

SA node -> AV node -> Purkinje fiber

심장의 활동전위와 동방결절의 흥분

심장세포의 세포막을 따라 전파되는 활동전위의 기전은 근본적으로 신경이나 골격근 세포와 같은 흥분성 조직과 유사함. 

그림설명 : 심실 근육세포에서 기록한 막전위. 그림에서 표시한 것은 각 단계에서의 주요 이온들의 움직임. 

심전도(electrocardiogram ECG, EKG)

PQRS파

첫번째 휨은 P파로서 심장의 탈분극 동안의 전류흐름을 말함. 두번째 휨은 약 0.15초 후에 나타나는 QRS파로 심실 탈분극의 결과임. 마지막 휨은 T파로 심실재분극의 결과임. 

전형적인 임상용 심전도는 심장의 여러 다른 장소로부터 가능한 많은 정보를 얻기 위해 다리와 가슴의 여러기록부위에 심전도 유도를 부착하여 만듬. P파, QRS파 및 T파의 모양과 크기는 전극의 위치에 따라 다름 

많은 심근의 장애들은 정상적인 자극의 전파를 변하게 함으로서 파동의 모양과 생성시기를 변화시키기 때문에 심전도는 심장병의 진단에 가장 유용한 도구임. 그러나 심전도는 심장의 전기적 활동에 대한 정보만 제공한다는 것에 주목해야 함. 만약 심장의 기계적 활동에는 문제가 있지만 이 장애가 전기적 활동에 변화를 주지 않는다면 심전도는 좋은 진단의 도구가 될 수 없음. 

흥분-수축 연관

심근세포의 활동전위와 수축을 연결시키는 기전은 근육생리학 단원에서 설명함. 

심장의 불응기

다행히도 골격근과는 달리 심실근육은 수축에 있어서 유의할 정도의 가중은 일어날 수 없음. 심근이 오랫동안 강직성 수축을 한다고 생각해보자. 심실근육이 이완상태일때에만 심실내로 혈액이 채워질 수 있기 때문에 심실의 강직성 수축동안에는 심실내로 혈액이 들어오지 못하게 됨. 만약 심근이 강직성 상태에 놓이게 되면 심장은 펌프로서의 기능을 상실하게 됨. 심장이 강직성 수축을 할수 없는 것은 심근의 절대적 불응기가 길기 때문임. 절대 불응기란 활동전위가 일어나고 있는 동안이나 그 이후 흥분성 막의 재흥분이 불가능한 기간을 말함. 

3. 심장주기의 기계적 사건

심장주기(cardiac cycle) -수축기, 이완기

전형적인 심박률은 72회/분에서, 심장주기는 대략 0.8초/회로, 수축기가 0.3초, 이완기가 0.5초동안 지속됨. 

폐순환에서의 혈압

체순환 동맥의 수축기와 이완기 압력은 각각 120-80mmHg인데 반해, 폐동맥의 압력은 각각 25mmHg와 10mmHg 임. 그러므로 폐순환은 낮은 압력계인데 그 이유는 후에 설명될 것임. 

심음(heart sound)

심잡음(heart murmur)

판막협착증, 판막부전 등...

심장판막 이상으로 인한 혈액의 난류와 잡음. 정상판막은 판막이 열렸을때 혈액이 부드러운 층류로서 앞으로 이동하게 하며, 닫혔을때 혈액의 역류를 막아줌. 어떤 경우에도 소리가 나지 않음. 협착판막에서는 혈액이 급속한 난류로 인해 고음의 휘파람 소리같은잡음이 생김. 판막 폐쇄부전은 판막이 닫혀야 할때 역방향의 난류를 일으켜 저음의 꼴깍거리는 소리같은 잡음이 들림.

4. 심박출량(cardiac output)

예를들어 심박률이 72회/분이고 박동량이 1회당 70mL라면 심박출량은 다음과 같음

72회/분*0.07L=5L/분

심박률의 조절

동방결절에 대해 신경 또는 호르몬이 전혀 이상없을때 심장은 규칙적으로 약 100회/분의 속도로 박동함. 이것은 동방결절의 선천적이며 자율적인 방출속도임. 그러나 정상적으로 동방결절이 신경과 호르몬의 영향을 지속적으로 받고 있기 때문에 실제 심박률은이보다 훨씬 느리거나 빠름. 

수많은 부교감신경과 교감신경들의 절후신경절 섬유가 동방결절에 연결되어 있음. 부교감(미주)신경의 활성화로 심박률이 느려지고 교감신경의 활성화로 심박률이 빨라짐. 안정시에는 교감신경보다 부교감신경이 심장에 대해 더 활성화되어 있음을 알 수 있고, 그로 인해 안정시의 정상 심박률은 70회/분으로 원래의 심박률인 100회/분보다 느림. 

 위 그림은 교감신경과 부교감신경이 동방결절에 어떤 영향을 미치는지 보여줌. 교감신경 자극으로 F형 채널의 투과성이 증가함으로써 박동원 전위의 기울기가 증가함. 이들 채널을 통한 주된 이동은 세포내로 Na+의 유입으로 보다 빠른 탈분극이 일어남. 이로 인해 동방결절 세포가 역치에 더 빨리 도달하게 되고 심장박동이 빨라짐. 부교감신경의 자극은 반대효과를 보이는데 이들 이온의 세포내 유입을 감소시켜 박동원 전위의 기울기가 감소함. 그러므로 역치에 더 천천히 도달하게 되고 심장박동도 느려짐. 또한 부교감신경의 자극은 동방결절 세포의 원형질막의 K+에 대한 막투과성을 증가시켜 과분극을 일으킴. 그러므로 박동원 전위가(K+의 평형전위에 더 가까운) 더욱 낮은 음전위 값에서 출발하게 되어 감소된 기울기를 갖음. 

심장신경 이외의 다른 요인들도 역시 심박률에 영향을 미침. 부신수질에서 분비되는 에피네프린은 신경에서 방출하는 노르에피네프린과 마찬가지로 동방결절의 동일한 베타-아드레날린성 수용체에 작용하여 심장박동을 촉진함. 또한 심박률은 체온, 혈장의 전해질 농도, 에피네프린 이외의 호르몬 및 심근세포에서 생성된 대사산물인 아데노신의 변화에도 민감하게 반응함. 그러나 정상적으로는 이들 요인들은 심장신경에 비해 그다지 중요하지 않음. 아래 그림은 심박률의 주요 결정인자

박동량의 조절

심박출량을 결정하는 두번째 변수는 심실의 수축으로 각 심실에서 분출되어 나가는 혈액의 양인 박동량임. 심실이 수축하는동안 심실내가 완전히 비워지는 것은 아님을 기억. 그러므로 심장이 더 강하게 수축할수록 더 많이 비워지면서 박동량은 증가함. 

박동량 변화의 3가지 변수 1) 이완기말 용적(심실수축 직전의 심실내 혈액량, 전부하 preload)의 변화 2) 심실에 대한 교감신경 자극의 크기에서의 변화 3) 후부하( afterload,  심실의 혈액분출에 대항하는 동맥압)의 변화

심실의 이완기말 용적과 박동량의 관계 - 프랑크 스탈링 기전

교감신경 조절

교감신경은 심근전체에 퍼져 있음. 교감신경에서 분비하는 노르에피네프린은 베타-아드레날린 작동성 수용체와 결합하여 심실 수축성을 증가시키는 작용을 함. 심실 수축성이란 이완기말 용적이 주어진 상태에서의 수축강도를 말함. 혈장 에피네프린도 같은 수용체에 작용하며 심근 수축성을 증가시킴. 이처럼 교감신경 자극이나 에피네프린으로 인한 심근의 수축성과 박동량의 증가는 심실의 이완기말 용적의 변화와는 무관함. 

아래그림은 심근수축성에 대한 교감신경의 조절에 포함된 세포기전을 보여줌. 아드레날린 수용체들이 G단백질-연결 연쇄반응을 활성화하면, cAMP의 생성과 단백질 인산화효소를 활성화함. 흥분-수축 연결에 포함된 수많은 단백질은 인산화효소에 의해 인산화되어 수축성을 증진시킴. 

아래 표는 심장기능에 대한 자율신경의 효과를 요약한 것임. 

후부하(Afterload)

동맥압의 증가는 박동량을 감소시키는 경향이 있음. 

요약하면, 박동량을 생리적으로 조절하는 중요한 두가지는 이완기말 용적의 변화에 의존하는 프랑크-스탈링 기전과 심장의 교감신경이나 순환하는 혈액의 에피네프린에 의해 영향을 받는 심실 수축성임. 

아래그림은 박동량과 심박률을 결정하는 인자들을 심박출량 조절로 요약하여 통합한 것임. 

C절. 혈관계 

근육으로 된 심장이 혈액흐름에 필요한 모든 추진력을 제공하지만 혈압조절과 여러 조직으로서의 혈류분배에는 혈관계가 중요한 역할을 함. 혈관의 정교한 분지와 혈관벽 구조의 국소적인 특수화가 각각 조직의 대사활성이 크게 변하더라도 그것의 요구에 맞추어 혈류를 효과적으로 일치시킴. 

아래그림은 혈관의 부위에 따라 기능적, 구조적 특징이 다양함을 보여줌. 

심혈관계 전체는 심장에서 모세혈관에 이르기까지 하나의 공통의 구조적 구성요소 즉 모든 혈관의 안쪽 표면은(혈액과 접촉하는 면) 매끄러운 한층의 세포로 된 내피가 덮고 있음. 모세혈관은 오직 내피와 그에 연관된 세포외 기저막으로만 이루어져 있는 반면 다른 모든 혈관들은 결합조직과 민무늬근으로 된 여분의 층이 있음. 

아래표는 내피세포의 기능설명.

# 심장과 혈관에서 혈액세포가 들러붙지 않도록 하는 물리적 안감의 역할을 함

# 혈장과 간질액 간에 영양소, 대사산물, 용액 등의 교환에 있어서 투과성 울타리 역할을 함. 이를 통해 거대분자와 다른 물질들의수송을 조절함.

# 인접한 혈관 평활근 세포에 작용하는 측분비물질을 분비함. 내피세포-유래성 확장인자(EDRF)인 프로사트사이클린과 일산화질소(NO)등의 혈관이완제나 엔도텔린-1(endothelin-1)과 같은 혈관수축제

# 혈관 생생의 중재자 역할(새로운 모세혈관의 생성)

# 신호를 감지하고 혈관벽의 인접한 세포에 작용하는 측분비 물질을 분비하여 혈관을 개조하는데 중심적인 역할

# 세포외 기질의 형성과 유지에 기여함

# 손상에 반응하여 성장인자들을 생산함.

# 혈소판의 응괴와 혈액응고, 항응고 작용 등을 조절하는 물질을 분비함.

# 불활성 상태의 전구체에서 활성형 호르몬을 합성함.

# 호르몬과 기타 매개체를 추출하여 분해함.

# 면역반응 동안 시토카인들을 분비함.

# 동맥경화증에서 혈관의 평활근 증식에 영향을 미침. 

아래 그림은 휴식기에 체순환계와 폐순환계의 나머지 혈관에서 일어나는 압력의 변화를 나타냄. 각각의 혈관에 대해 다루는 본문에서 이러한 압력의 변화 이유들에 대해 설명할 것임. 

1. 동맥

동맥혈압

물로 채워진 풍선과 같은 탄력성을 가지고 있는 저장고안의 압력을 결정짓는 요인은 무엇일까? 풍선안의 압력은 1) 물의 부피 2) 풍선 벽이 얼마나 잘 늘어날 수 있는가에 달려 있음. 

위 그림에서 보는 바와같이 수축기동안 박동량의 1/3에 해당하는 혈액량만 동맥을 떠남. 박동량의 나머지는 수축기 동안 동맥에 남겨져 있어 혈관을 팽창시키고 동맥의 압력을 높임. .. 대동맥압의 유형은 모든 큰 체동맥에서 일어나는 전형적인 압력의 변화임.심실 분출양이 최대일때 도달하는 최고 동맥압을 수축기압(systolic pressure)이라 함. 최저 동맥압은 심실분출이 시작하기 직전에 발생하면 이것을 이완기압(diastolic pressure)라고 함. 동맥압은 일반적으로 수축기압/이완기압으로 기록함. 

수축기압과 이완기압의 차이를 맥압(pulse pressure)라고 함. 맥압은 손목이나 목에 있는 동맥에서 심장박동에 수반하는 맥박으로 감지할 수 있음. 이완기 동안은 아무것도 동맥에서 느껴지지 않지만 다음 수축기에 압력이 급속히 올라가 동맥벽을 밖으로 밈. 

맥압의 크기를 결정하는 가장 중요한 요인은 1) 박동량(stroke volume) 2) 박동량의 분출속도(speed of ejection of the stroke volume) 3) 동맥의 신전성(arterial compliance)임. 

특히 동맥의 신전성이 줄어드는 경우 심실분출에 의한 맥압이 큼. 마지막 현상은 동맥경화증에서 나타나는데, 동맥의 경화는 나이가 들어감에 따라 진행되므로 이것이 노인에서 자주 보이는 맥압 증가의 이유임. 아래 그림. 

체동맥압의 측정

사람의 수축기 혈압과 이완기 혈압은 둘다 혈압계를 사용하여 측정 가능함. 그림같이 가압대와 청진기를 댐. 

가압대의 높은 압력은 팔 조직을 통해 가압대 아래의 동맥에 전해져 동맥을 완벽하게 압박하여 동맥을 통한 혈액의 흐름을 중단시킴. 그 다음 가압대의 공기를 천천히 방출시키면 가압대의 압력과 동맥에 가해지는 압력이 떨어짐. 가압대의 압력이 수축기압 바로아래로 떨어지면 동맥이 조금 열려 수축기 정점에서 짧은 시간동안 혈액이 매우 빠르게 나타남. 이것은 작은 열림과 개구부의 양쪽압력차이가 크기 때문임. 빠른 속도의 혈류는 난류(turbulent flow)가 되고, 이에 따라 코로트코프음(Korotkoff's sound)이라 하는 진동이 만들어지며 이 소리를 청진기를 통해 들을 수 있음. 따라서 가압대 압력이 낮아짐으로써 들리는 첫번째 소리를 수축기 압력이라 정의함. 가압대 압력이 더욱 낮아지면서 각 주기에서 동맥을 통한 혈액의 흐름시간이 더 길어짐. 가압대의 압력이 이완기 혈압에 도달하면 열린 동맥을 통해 흐름이 계속되도 난류가 없어지기 때문에 모든 소리는 사라짐. 따라서 이완기 혈압은 소리가 사라지는 가압대의 압력으로 정해짐. 

2. 소동맥(arterioles)

소동맥은 두가지 역할을 함. 1) 각각의 기관에 있는 소동맥은 주어진 형균동맥압 상태에서 각 기관으로의 상대적인 혈류를 결정하는 역할을 하며, 2) 소동맥은 전체적으로 그 자체가 평균동맥압을 결정하는 중요한 요인임. 

아래 그림은 압축성 있는 일련의 배수관이 열린 액체로 채워진 수조로 된 간단한 모형을 통해 혈류량 분배의 중요한 원리를 설명함. 무엇이 각각의 배수관을 통해 유출물을 결정하는가? 

혈관 확장

혈관 수축

저항은 어떻게 변화할 수 있는가? 

소동맥 평활근은 자발적으로 광범위한 활성을 나타냄. 즉 신경, 호르몬, 측분비 자극없이도 수축함. 이 자발적인 수축 활동을 내인성 긴장(intrinsic tone) 또는 기저성 긴장(basal tone)이라고 함. 이것으로 기저수준의 수축이 유지되는데, 신경전달물질과 같은 외부의 신호에 의해 증가하거나 악화됨. 

국소적 조절

국소적 조절은 신경이나 호르몬의 자극없이 기관과 조직이 자신의 소동맥의 저항을 변화시켜 혈류량을 자가조절하는 기전을 말함.여기에는 자가분비나 측분비성 물질에 의해 야기되는 변화를 포함함. 이 자가조절에는 활동성 충혈, 혈류자동조절, 반응성 충혈, 상처에 의한 국소적 반응 등이 포함됨.

활동성 충혈

대부분의 기관과 조직은 대사활동이 증가할때 혈류량이 증가하는 충혈(hyperemia)를 나타냄. 이것을 활동성 충혈이라고 함. 예를들어 활동중인 골격근으로의 혈류량은 근육활동 증가에 정비례적으로 증가함. 활동성 충혈은 보다 활동적인 기관이나 조직의 소동맥이 이완된 직접적인 결과임. 활동성 충혈에서 소동맥 평활근이 이완하도록 작용하는 요인들은 소동맥 주위의 세포외액의 국소적화학적 변화임. 

수많은 화학적 요인들

1) 이산화탄소, 산화적 대사의 마지막 생산물

2) 수소이온(pH의 감소, 젖산때문)

3) 아데노신, ATP의 분해산물

4) 칼륨이온, 반복적 활동전위 재분극시 축적

5) 에이코노사이드, 세포막 인지질의 분해산물

6) 삼투 활성물질, 고분자량 물질의 분해에서 생성

7) 브라디키닌, 선세포에서 분비되는 효소인 칼리클레인이 혈장단백질인 키니노겐에 작용하여 생성하는 펩티드

8) 일산화질소(NO), 내피세포에서 방출되어 바로 이웃의 혈관 평활근에 작용하는 기체 등

혈류자동조절(flow autoregulation)

활동성 충혈이 일어나는 동안 조직 또는 기관의 대사활동 증가가 국소적 혈관확장을 유발하는 시작점이 됨. 그러나 혈압의 변화로 인해 조직이나 기관으로의 혈액의 공급이 변화될때도 소동맥 저항의 국소적인 변화가 일어날 수 있음. 압력의 변화에도 불구하고 혈류가 거의 일정하게 유지되는 방향으로 저항이 변화되기에 이 변화를 혈류 자동조절이라고 함. 예를들면 기관에 혈액을 공급하는 동맥이 부분적으로 차단되어 어떤 기관의 동맥압이 감소되었을때, 국소적인 조절이 소동맥확장을 일으켜 비교적 일정한 혈류를유지하는 경향이 있음. 

혈류 자동조절의 기전은 무엇일까? 

수많은 화학적 요인들(위에서 언급)

반응성 충혈

기관 또는 조직에 혈액공급이 완전히 막히면 폐쇄가 해제되자 마자 혈류가 일시적으로 크게 증가함. 이러한 현상을 반응성 충혈(reactive hyperemia)이라 하며, 혈류자동조절의 극단적인 형태임. 혈류가 차단된 종안 이전에 설명한 국소인자들에 의해 기관이나 조직의 소동맥이 이완함. 그러므로 동맥의 유입 차단이 해제되는 순간 혈류가 이 넓어진 소동맥을 통해 크게 증가함. 

손상에 대한 반응

조직손상은 다양한 물질을 세포로부터 국소적으로 분비시키거나 혈장의 전구물질로부터 생성되도록 함. 이런 물질들은 상처부위의소동맥 평활근을 이완시켜 혈관확장을 일으킴. 이러한 현상을 염증이라고 하는 일반적인 과정의 한 부분으로 이에 관한 것은 18장에서 다룸 

외인성 조절

1) 교감신경

대부분의 소동맥에는 많은 교감신경 절후신경섬유가 분포함. 이 뉴런들은 주로 노르에피네프린을 방출하는데, 이는 혈관 평활근의 알파-아드레날린성 수용체에 결합하여 혈관수축을 일으킴. 이와 대조적으로 전도계를 포함한 심장근의 노르에피네프린 수용체들은주로 베타-아드레날린성 수용체임. 그러므로 베타-아드레날린 수용체 길항제들은 소동맥에는 영향이 없어 심장에 노르에피네프린의 작용을 억제하는 약으로 사용할 수 있음. 이와 반대로 알파-아드레날린성 수용체 길항제 사용도 마찬가지임. 

소동맥에 분포한 교감신경의 조절은 혈관확장의 유발에 사용할 수 있음. 교감신경들의 활성은 좀처럼 완전히 정지하지 않고 기관에 따라 다르지만 어느정도 활성을 나타내기 때문에 그들은 언제나 혈관의 고유장력에 더하여 어느 정도는 긴장성 수축을 유발시킴. 교감신경 흥분발생율을 기본수준이하로 낮춤으로써 혈관확장을 일으킬 수 있음. 

피부는 교감신경의 역할을 보여주는 좋은 예임. 실온에서 피부 소동맥은 이미 적절한 비율의 교감신경 자극의 영향을 받고 있음. 적당한 자극은 이러한 교감신경 흔분을 반사적으로 증진시켜 소동맥을 더욱 수축시킴. 반대로 체온의 상승은 반사적으로 피부의 교감신경을 억제하여 소동맥을 확장시켜 체열을 발산시킴. 활동성 충혈이나 혈류 자동조절과는 대조적으로 교감신경이 혈관에 미치는 기본 기능은 국소적인 대사의 요구와 혈류의 조화가 아니라 전신적인 요구에 부응하는 것임. 이러한 신경들에 의한 가장 일반적인 반사작용은 전신의 소동맥의 저항에 영향을 주어 동맥혈압을 조절함. 

2) 부교감 신경

몇몇의 예외를 제외하고 동맥의 부교감신경 지배는 거의 중요하지 않음. 다시 말하면 혈관의 대부분은 부교감신경이 아닌 교감신경의 지배를 받음. 이것은 대부분의 조직에서의 두종류 자율신겅 지배의 양식과는 대조적임. 

3) 비-콜린성, 비-아드레날린성 자율신경

6장에서 서술했듯이 자율신경 절후신경 중에는 아세틸콜린이나 노르에피네프린을 방출하지 않는 비-콜린성, 비-아드레날린성 신경도 있음. 그 대신 그들은 다른 혈관 활장제인 일산화질소를 특별히 방출함. 이런 뉴런들은 위장관계 혈관 조절에 중요한 역할을 하는 장신경계에 특히 많음(15장). 이런 뉴런들은 다른 부위 예를들어 음경과 음핵의 소동맥에도 분포하여 발기를 중개함. 발기부전치료에 사용하는 시데나필(비아그라)과 타다라필(시아리스)과 같은 약물들은 일산화질소 신호경로를 증진시켜 작동함. 

4) 호르몬

교감신경으로부터 분비되는 노르에피네프린과 같이 에피네프린도 소동맥 평활근의 알파-아드레날린성 수용체에 결합하여 혈관수축을 일으킴. 그러나 이 현상은 다소 복잡함. 그 이유는 많은 소동맥 평활근 세포는 알파-아드레날린성 수용체와 함께 베타2-아드레날린성 수용체 아형을 가지고 있기 때문임. 에피네프린인 베타2-수용체와 결합하면 근세포를 수축하기보다는 이완시킴. 

아래 그림.

대부분의 혈관층에서 혈관 평활근에 베타2-아드레날린성 수용체가 존재하지만, 알파-아드레날린성 수용체가 월등히 많으므로 그 중요성은 미미함. 그러나 골격근의 소동맥은 중요한 예외가 됨. 거기에는 수많은 베타2-아드레날린성 수용체가 있어서 순환하고 있는 에피네프린이 혈관근육에 작용하여 혈관확장을 일으킬 수 있음. 

소동맥 조절에 중요한 또 다른 호르몬은 안지오텐신 2(angiotension 2)로서, 이는 대부분의 소동맥을 수축시킴. 이 펩티드는 레닌-안지오텐신 시스템의 한 부분임. 혈관수축을 유발하는 또 다른 중요한 호르몬은 뇌하수체 후엽에서 혈액으로 분비되는 바소프레신(vasopressin)임. 바소프레신과 안지오텐신 2의 기능은 14장에서 자세히 언급함. 

마지막으로 심장의 심방에서 분비되는 심방 나트륨이뇨성펩티드(atrial natriuretic peptide, ANP)는 강력한 혈관확장제임. 이 호르몬의 효과가 소동맥의 전체적인 생리적 조절에서 얼마나 중요한지는 아직 밝혀져 있지 않음. 어쨌든 심방 나트륨이뇨성 펩티드는 14장에서 설명하는 것처럼 Na+의 균형과 혈액량을 조절하여 혈압에 영향을 줌. 

내피세포와 혈관 평활근

앞절에서 많은 물질들이 혈관 평활근을 수축 또는 이완시킨다는 것을 알았음. 이들 물질중 많은 것이 직접 소동맥 평활근에 작용하지만 어떤 것은 평활근에 인접한 내피세포를 통해 간접적으로 작용하기도 함. 기계적 자극 및 이들 물질에 대한 반응으로 내피세포는 여러종의 측분비 작용인자들을 분비함. 이들 작용인자들은 인접한 혈관 평활근으로 확산되어 이완 또는 수축을 유발하여 그 결과 혈관확장이나 혈관수축이 일어남. 

내피세포에 의해 방출되는 한가지 중요한 측분비 혈관확장제는 일산화질소임. 일산화질소는 내피세포에서 방출되는 것이지만, 앞에서 언급한 바와같이 신경말단에서 방출되는 것이 아님. 일산화질소는 소동맥 내피세포에 의해 상당한 양이 계속적으로 방출되어 기본 상태의 소동맥 혈관확장에 기여함. 더욱이 소동맥의 반사나 국소적 조절에 영향을 미치는 수많은 화학 매개체에 반응하여 이것의 분비는 빠르고 눈에 띄게 증가함. 예를들어 염증시 국소적으로 생산되는 물질인 브라디키닌과 히스타민은 일산화질소 방출을자극함. 

내피세포가 분비하는 다른 혈관확장제는 에이코사노이드인 프로스타글란딘 I2라고도 하는 프로스타사이클린(prostacyclin)임. 일산화질소와는 달리 PGI2의 기본 분비량은 적지만 다양한 자극에 반응하여 현저하게 증가할 수 있음. 혈액을 응고시키는 혈관반응에서의 PGI2의 역할은 뒤의 F절에서 다시 설명함. 

엔도텔린-1은 중요한 혈관수축 측분비 작용인자중의  하나로 기계적 또는 화학적 자극에 반응하여 내피세포가 분비함. ET-1은 엔도텔린 계열의 펩티드 인자들중 하나이며, 뇌, 신장, 폐 등 다양한 조직과 장기의 여러 세포에서 분비됨. ET-1은 측분비 작용뿐 아니라 특정상황에서는 혈액에 고농도로 되어 호르몬으로 작용하여 광범위하게 소동맥 수축을 일으킴. 

지금까지 소동맥에만 초점을 맞춰 살펴봄. 그러나 동맥의 내피세포도 또한 다양한 측분비 작용인자를 분비해 동맥평활근에 영향을줌으로써 동맥지름과 혈류에 대한 저항에 영향을 줌으로써 동맥지름과 혈류에 대한 저항에 영향을 줌. 흐르는 혈액이 동맥벽의 내부표면(내피세포)에 가하는 힘을 전단응력(shear stress)이라 함. 이 힘은 혈관을 흐르는 혈류증가에 의해 증가함. 전단응력의 증가에 반응하여 동맥의 내피는 PGI2와 더 많은 양의 일산화 질소를 분비하고, ET-1 분비는 감소함. 이 모든 변화는 동맥 평활근의 이완을 초래하여 동맥이 확장하도록 함. 이 혈류-유도성 동맥혈관확장(flow-induced arterial vasodilation)은 어떠한 상황에서는 동맥의 구조 조정 및 조직으로 혈액공급을 적절하게 유지하는데 중요한 것 같음. 

특정 기관내의 소동맥조절

아래 그림은 소동맥 반지름을 결정하는 요인들을 요약한 것임. 

국소적이며 반사적인 소동맥 조절의 중요성은 기관에 따라 다양함. 표 12-5는 참고로 특정기관내의 소동맥 조절의 주요특징을 나열한 것임. 

표 12-5. 특정기관의 소동맥조절의 요약

심장 

높은 내인성 기장, 휴식시에도 산소추출이 매우 높음. 그러므로 산소소비가 증가할때 산소공급을 유지하려면 혈류량이 증가해야 함. 국소적 대사인자들 특히 아데노신과 혈류량 자동조절에 의해 조절됨. 교감신경의 직접적인 영향은 미약하고 정상적으로는 국소적 요인이 우세함. 수축기 동안 대동맥 반월판이 관상동맥으로의 흐름을 차단하고 근육벽 내의 혈관은 압축되기 때문에 관상혈류는 주로 이완기 동안 발생함. 

골격근 

운동중에는 국소적 대사요인들에 의해 조절됨. 교감신경은 대동맥 압력의 감소에 반응하여 알파-아드레날린성 수용체를 매개로 혈관수축을 함. 에피네프린은 저농도일때는 베타-아드레날린성 수용체를 매개로 혈관을 이완시키고 고농도일때는 알파-아드레날린성 수용체를 매개로 혈관을 수축시킴. 

위장관, 비장, 췌장, 간(내장기관) 

부분적으로 두개의 모세혈관망이 직렬로 배열됨. 위장관, 비장, 췌장의 모세혈관으로부터 혈액은 간문맥을 통해 간으로 흐름. 간은 별도로 동맥혈액도 공급받음. 스트레스나 동맥압의 감소에 의한 반사반응으로 교감신경은 알파-아드레날린성 수용체를 매개로 혈관수축함. 그에 더하여 정맥수축은 간으로부터 다량의 혈액이 흉부의 정맥으로 가도록 함. 섭식후에는 혈류량이 증가하는데 국소적 대사요인, 신경, 위장관에 의해 분비되는 호르몬에 의해 매개됨.

신장

혈류자동조절이 주요인임. 스트레스나 동맥압의 감소에 대한 반사반응으로 교감신경은 알파-아드레날린성 수용체를 매개로 혈관수축을 일으킴. 안지오텐신 2 또한 주요 혈관수축제로, 이 반사는 나트륨과 수분의 보존을 도움.

뇌

혈류 자동조절이 뛰어남. 뇌안에서 혈액분포는 국소적 대사인자에 의해 조절됨. 동맥혈에 이산화탄소 농도가 증가하면 그에 반응하여 혈관이완이 일어남. 자율신경계에 의해서는 영향을 비교적 적게 받음.

피부

교감신경이 알파-아드레날린성 수용체를 매개로 하여 주로 조절함. 동맥압의 감소나 추위에 반응하여 반사적으로 혈관이 수축하고열에 반응하여 혈관이 이완됨. 땀샘으로부터 분비된 물질과 비-콜린성, 비-아드레날린성 신경이 혈관을 이완시킴. 정맥총은 많은 양의 혈액을 함유하고 있어 피부색에 기여함

폐

체순환과 비교하여 저항이 매우 적음. 주로 중력과 폐안에서의 수동적인 물리적 힘에 의해 조절됨. 낮은 산소농도에 반응하여 국소적 인자를 매개로 혈관 수축이 일어나는데, 이는 체순환에서 일어나는 것과 반대임.

3. 모세혈관

A절에서 언급했듯이, 어떤 순간에도 순환중인 혈액의 5% 정도가 모세혈관을 흐름. 이 5%가 심혈관계 전체의 궁극적인 기능들인 영양물과 대사최종산물 및 세포분비물의 교환을 수행함. 어떤 교환은 모세혈관의 연장으로 볼 수도 있는 소정맥에서 일어남. 모세혈관은 인체의 거의 모든 조직에 뻗어있음. 대부분의 세포들이 모세혈관으로부터 0.1mm(단지 세포 몇의 너비)이내에 있기 때문에확산거리는 매우 짧고 교환은 매우 효율적임. 

성인은 모세혈관이 4만킬로 정도되는데, 각 모세혈관의 길이는 약 1mm이고, 내경은 정결구가 간신히 지나갈 정도인 8um 임(사람의 머리카락 지름은 약 100um). 조직기능에서 모세혈관의 필수적인 역할은 모세혈관이 어떻게 발달되고 성장하는지(angiogenesis)에 관한 많은 질문을 유발함. 예를들면 상처가 치유되는 동안 무엇이 혈관형성을 촉진하는지 그리고 암은 어떻게 암증식에 요구되는 새로운 모세혈관의 생성을 자극하는가 등임. 

혈관내피세포가 세포이동과 세포분열에 의해 새로운 모세혈관망을 구축하는데 중추적 역할을 한다는 것은 잘 알려진 사실임. 섬유아세포와 같은 여러조직세포들과 내피세포 자체가 국소적으로 분비하는 여러 혈관생성인자들(angiogenetic factor, 혈관내피성장인자, VEGF)이 내피세포를 자극하여 혈관형성을 하게 함. 암세포도 혈관형성인자들을 분비함. 이 인자들의 분비와 작용을 방해하는약물의 개발은 항암요법의 유망한 연구분야임. 예를들면 안지오스타틴은 혈관증식을 억제하는 펩티드로서 쥐에서 종양의 크기를 줄이는 것으로 밝혀짐. 혈관형성억제제는 최근 암환자를 대상으로 연구가 진행중임. 

모세혈관망 해부

모세혈관 구조는 각 기관에 따라 매우 다양함. 그러나 전형적인 모세혈관(아래 그림)은 기저막에 받쳐 있는 한 층의 내피세포로 이루어진 얇은 관으로 어떤 평활근 또는 탄성조직으로도 둘러싸여 있지 않음. 몇몇 기관들(예를들어 뇌)에 있는 모세혈관은 기저막을 둘러싸고 있는 2차 세포층을 가지고 있어 물질들의 모세혈관 벽 통과에 영향을 미침. 모세혈관 내피 벽을 이루는 편편한 세포들은 서로 단단히 붙어있지 않고 세포간 틈(intercellular cleft)이라 불리는 좁은 함수틈새에의해 분리되어 있음. 내피세포에는 일반적으로 다량의 내포낭(endocytotic vesicle)과 외포낭(exocytotic vesicle)을 갖고 있으며, 종종 이들은 융합하여 세포를 가로지르는 융합-소포채널(fused-vesicle channel)을 형성함. 

모세혈관을 통한 혈류는 미세순환을 구성하는 다른 혈관들의 상태에 크게 의존함. 예를들어 모세혈관에 혈액을 공급하는 소동맥의 혈관확장은 모세혈관 혈류량을 증가시키는 반면, 소동맥 혈관수축은 모세혈관  혈류량을 감소시킴. 덧붙여서 일부조직과 기관에서는 혈액이 소동맥으로부터 모세혈관으로 직접 들어가지 않고 소동맥과 소정맥을 연결하는 후소동맥(metarteriole)으로부터 흘러들어감. 소동맥처럼 후소동맥에는 평활근세포들이 흩어져 있음. 평활근으로 둥글게 둘러싸여 있는 후소동맥으로부터 모세혈관이 나오는 부위는 환상의 평활근인 모세혈관전 괄약근(precapillary spincter)이 둘러싸여 있음. 이 괄약근은 국소적 대사인자들에 반응하여 수축하거나 이완함. 수축됐을때, 모세혈관전 괄약근은 모세혈관으로의 유입을 완전히 차단함. 어느 순간에도 조직이 활동적일수록 더 많은 모세혈관전 괄약근은 열려 혈관망의 더 많은 모세혈관으로 혈액이 흐름. 모세혈관전 괄약근은 소동맥에서 나오는 모세혈관 출구에 존재하기도 함. 

모세혈관에서 혈류속도

아래 그림은 좁은 관으로 갈라진 하나의 굵은 관으로 지름이 1cm인 공들을 밀어 넣고 있는 것과 같은 일련의 단순 모형임. 각 지관은 주관보다 적은 횡단면을 가짐에도 불구하고 지관 횡단면의 합은 넓은 관보다 3배 더 넓음. 

넓은 관에서 각 공은 3cm/분의 속력으로 움직인다고 가정해보자. 공의 지름이 1cm라하고 2개씩 나란히 움직인다고 하면 분당 6개의 공들이 넓은 관을 빠져 나가 좁은관으로 들어가고 분단 6개의 공이 좁은 관을 빠져나감. 좁은 관속을 움직이는 각 공의 속도는 얼마인가? 답은 1cm/분임. 

이 예는 다음의 중요한 원리를 설명하고 있음. 병렬로 배열된 일련의 관을 통해 지속적인 흐름이 이어지면 관의 총 횡단면이 증가할수록 유속은 감소함. 이것은 정확히 심혈관계에서의 경우임. 혈류속도는 대동맥에서 매우 빠르고, 동맥과 소동맥에서 점차 느려지며 광대한 횡단면적의 모세혈관을 통과할때는 그 속도가 급격히 느려짐. 모세혈관을 통한 느린 혈액흐름은 혈액과 간질액 사이의 물질의 교환에 필요한 시간을 최대화함. 소정맥과 정맥에서는 횡단면이 줄어들기 때문에 혈류속도는 점차 빨라짐. 다시한번 강조하지만, 혈류속도는 심장과의 근접정도에 의존하기보다는 혈관의 종류의 총 횡단면적에 의존함. 

모세혈관의 횡단면적은 모세혈관의 또 하나의 중요한 특징을 말해줌. 각 모세혈관은 매우 좁기 때문에 혈류에 많은저항을 줌. 그러나 모세혈관은 그 수가 대단히 많아 총 횡단면적이 엄청나게 커서 모든 모세혈관의 총 저항은 소동맥보다 훨씬 낮음. 

모세혈관 벽을 통한 확산 : 영양소와 대사산물의 교환

모세혈관을 통한 극도의 느린 혈류는 모세혈관 벽을 관통하는 물질의 교환에 최대시간을 제공함. 물질이 세포간질액과 혈장사이를이동하는 세가지 기본 기전은 확산, 소포수송, 그리고 집단흐름임. 매개성 수송은 뇌의 모세혈관에서 4번째의 기전임. 확산과 소포수송에 대한 것은 여기서 설명하고 집단흐름은 다음절에서 설명함. 

뇌의 모세혈관을 제외한 모든 모세혈관에서 확산은 영양소, 산소, 대사산물이 모세혈관 벽을 관통하는 가장 중요한 수단임. 다음 절에서 설명하겠지만 집단흐름에서도 물질이 이동하나 아주 적은 양임.  확산속도를 결정하는 요인들은 4장에서 설명함. 산소와 이산화탄소를 포함한 지용성물질은 모세혈관 내피세포의 원형질막을 지나 쉽게 확산됨. 반면에 이온이나 극성분자들은 지질 용해성이 낮아 이들은 내피세포의 작은 함수-채널(water-filled channel)을 통과해야 함. 모세혈관 벽에는 함수-채널이 있어 이온들과 이온화한 분자들의 투과율을 상당히 상승시킴. 그럼에도 지용성 물질의 투과율에는 크게 떨어짐. 이 채널이 있는 하나의 위치는 세포간 틈임. 세포간 틈은 인접한 세포사이의 좁은 함수공간임. 내피세포를 관통하는 융합소포채널은 다른 형태의 함수-채널을 제공함.

이 함수-채널은아주 적은양의 단백질 확산만을 허용함. 호르몬과 같은 특정단백질은 아주 작은 양이 소포수송을 통해서도 내피세포를 통과할 수 있음. 내강 점막면의 세포내 섭취와 간질액 면에서 내포낭의 세포외유출을 통해 가능함. 함수-채널 크기는 다양하기때문에 모세혈관의 삼출성은 기관에 따라 다름. 뇌의 모세혈관은 극단적인 예로 "밀착연접"으로만 되어 있고, 세포간 틈이 없음. 따라서 수용성 물질들은 분자가 적은 것일지라도 운반체-매개성 수송에 의해서만 혈액-뇌 장벽을 통과하여 뇌 안팎으로 이동할 수있음. 

모세혈관의 극단적인 다른 예는 간의 모세혈관으로 내피세포를 관통하는 커다란 융합소포채널과 함께 커다란 세포간틈도 있어서 단백질 분자도 쉽게 통과할 수 있음. 간의 중요한 2가지 기능이 혈장단백질 합성과 혈장단백질과 결합하는 물질들의 대사이기 때문에 이것은 중요함. 대부분의 기관과 조직의 모세혈관 삼출성은 이 극단의 뇌와 간사이에 놓여 있음. 

모세혈관의 혈액과 세포사이에 영양소와 대사산물의 이동은 어떤 순서로 일어나는가? 영양소가 먼저 혈장에서 모세혈관벽을 통과하여 간질액으로 이동한 다음 세포로 들어감. 반대로  조직의 대사산물은 세포막의 원형질막을 지나 간질액으로 이동한 다음 모세혈관 내피를 가로질러 혈장으로 확산함. 세포가 산소와 영양소를 소모함으로써 모세혈관을 가로질러 이들 물질의 확산 기울기가 형성됨. 대사산물의 농도기울기는 이들 물질의 세포생산에 의해 생성됨. 근육의 포도당, 산소, 이산화탄소 등 세가지 예를 살펴보자. 아래 그림. 

포도당은 운반체-매개성 수송에 의해 간질액으로부터 근육세포로 꾸준히 운반되고, 산소도 동일 방향으로 확산에 의해 이동함. 간질액으로부터 포도당과 산소가 제거되어 간질액의 포도당 농도가 모세혈관 확장의 포도당 농도보다 낮게 내려가고, 이로 인해 모세혈관으로부터 간질액으로 확산이 일어나도록 기울기가 형성됨. 동시에 근육세포로부터 꾸준히 만들어지는 이산화탄소는 간질액으로 확산됨. 이로 인해 간질액의 이산화탄소 농도가 모세혈관 확장보다 더 높게되어 이산화탄소가 간질액에서 모세혈관으로 확산되도록 기울기가 생성됨. 두가지 경우 모두 물질의 이용 혹은 생산이라는 물질대사가 궁극적으로 모세혈관 내외의 확산 기울기를유발한다는 것을 명심하라. 

만약 조직의 대사율이 증가하려면, 혈액으로부터 더 많은 영양소를 얻어야 하고, 더 많은 대사산물을 제거해야만 함. 이 목적을 달성하는 하나의 기전이 활동성 충혈임. 두번째 중요한 기전은 혈장과 조직사이의 확산 기울기가 커지는 것임. 세포의 산소와 영양소의 소비증가는 그들의 조직의 농도를 낮게 하는 반면에 이산화탄소와 다른 최종 생산물은 조직농도를 증가시킴. 두 경우 물질의 모세혈관 내외의 농도차이가 증가하면 확산율도 증가함. 

모세혈관 벽을 통한 집단 흐름 : 세포외액의 분포

모세혈관에서 영양소, 산소, 대사산물의 확산 교환은 동시에 일어남. 별개의 완전히 다른 과정인 혈장(단백질은 제외)의 집단흐름이 모세혈관을 통해서 일어남. 이 과정의 기능은 영양소와 대사산물의 교환보다는 세포외액의 분포와 관련되어 있음. 아래 그림. 

세포외액은 혈장과 간질액으로 구성됨. 일반적으로 간질액이 혈장보다 약 4배정도 많음. 예를들어 체중 70킬로인 사람에서 11L 대 3L. 이러한 분포는 고정된 것이 아니고 간질액은 혈장에 체액을 공급할 수도 있고, 혈장으로부터 체액을 받을 수 있는 저장고와같은 역할을 함. 앞에서 설명하였던 것처럼 대부분의 모세혈관벽은 물과 혈장단백질을 제외한 거의 모든 혈장용질들에게 높은 투과성을 나타냄. 따라서 모세혈관 벽 내외에 정수압차이가 있으면 모세혈관 벽은 다공성 여과기처럼 작용하여 함수-채널을 통해 모세혈관 혈장으로부터 간질액으로 단백질을 제외한 혈장이 집단흐름에 의해 이동함. 기술적으로 초여과라고 하지만, 여기서는 간단히 여과라고 함. 여과액의 단백질을 제외한 모든 혈장 용질의 농도는 사실상 혈장의 농도와 같음. 

집단흐름의 크기는 일정부분 모세혈관의 혈압과 간질액의 정수압의 차이에 의해 결정됨. 일반적으로 전자가 후자보다 큼. 그러므로 정수압의 차이가 여과와 반대로 작용하는 삼투압에 의해 상쇄되기 때문임. 이것을 이해하기 위해서는 삼투압의 원리를 이해해야 함. 

제 4장에서 물이 어떻게 반투막을 통과하여 용매의 농도가 높은 용액으로부터 용매의 농도가 낮은 용액으로 이동하는지 즉 막에 불투과성인 용질의 농도가 낮은 부이에서 용질의 농도가 높은 곳으로 물이 흐르는지 알아봄. 게다가 이 물의 삼투흐름은 막을 지날수 있는 용질들과 함께 끌고 이동함. 그러므로 막의 양쪽의 불투과성 용질의 농도차이에 부수적인 물의 농도차이로 물과 투과성 용질이 포함된 용액이 정수압의 차이에 의해 일어나는 집단흐름과 유사한 방법으로 이동함. 정수압의 차이에 의한 흐름과 마찬가지로 막을 가로지르는 삼투흐름을 나타내는데에도 압력단위를 사용함.

이 분석을 모세혈관을 가로질러 야기되는 삼투흐름에 의한 흐름에도 적용할 수 있음. 모세혈관내의 혈장과 그 바깥쪽의 간질액은 Na+, Cl-, K+ 등 모세혈관 세공을 지나 쉽게 이동할수 있는 저분자 용질(결정질, Crystalloid)들을 다량 포함하고 있음. 이 용질들은 모세혈관벽을 쉽게 투과하기 때문에 두 용액에서 이들의 농도는 본질적으로 동일함. 따라서 결정질의 존재는 물 농도의 유의적인 차이를 유발하지 않음. 대조적으로 모세혈관 구멍을 통과하지 못하는 혈장단백질(colloid, 교질)들은 간질액에서 농도가 매우 낮음. 혈장과 간질액간의 단백질 농도의 차이는 혈장의 물의 농도가 간질액보다 약간(약 0.5%정도) 낮다는 것을 의미하며, 이는 간질액으로부터 모세혈관내로 물의 삼투흐름을 일으킴. 간질액의 결정질은 정수압의 차이에 의한 흐름처럼 물의 삼투흐름과 함께 이동하기 때문에 혈장이나 간질액의 결정질의 농도는 바뀌지 않음. 

이 마지막 문장의 주요용어는 농도임. 두 부위의 물의 양(부피)과 결정질의 양이 변함. 그러므로 결정질의 농도가 변하지 않는다 할지라도, 혈장에서 간질액으로 체액의 여과가 증가하면 간질액의 양은 증가하고 혈장의 양은 감소함. 

요약하면 아래그림. 서로 반대되는 힘들이 체액의 모세혈관 벽 통과에 작용함. 1) 모세혈관 혈액수압과 간질액의 수압 사이의 차이는 모세혈관 밖으로의 여과를 촉진함. 2) 단백질 농도의 차이로 인한 혈장과 간질액 사이의 수분농도차이는 간질액으로 모세혈관으로의 흡수를 촉진함. 그러므로 순 여과압(net filtration pressure)은 직접적으로 네가지 변수의 합에 의존함. 모세혈관 수압(모세혈관 밖으로 채액의 운반을 촉진), 간질의 정수압(모세혈관 밖으로 이동촉진), 혈장단백질의 농도에 의한 삼투압(모세혈관으로 체액이동 촉진), 간질액 단백질 농도에 의한 삼투압(모세혈관 외부로 체액 이동촉진)임. 따라서 임으로 모세혈관 박으로 향하는 힘을 양수로 하고 안으로 향하는 힘을 음수로 표시함. 순 여과압을 결정하는 네가지 요인들을 스탈링 힘(starling force)이라 함. 

이제 체순환에서 이러한 이동을 정량적으로 살펴볼 수 있음. 동맥압의 대부분은 혈액이 소동맥을 통해 흐르면서 이미 소진되어 전형적인 모세혈관에서 동맥 말단부에서 체액을 밖으로 밀어내는 수단은 단지 35 mmHg정도임. 모세혈관의 이쪽 말단부에서 간질액 단백질 농도는 3mmHg의 정수압에 해당하는 크기로 모세혈관 밖으로 체액의 흐름을 유발함. 간질액의 정수압은 실질적으로 0이므로 이 모세혈관 말단부의 유일한 내향성 압력은 혈장단백질에 의한 삼투압으로 28mmHg임. 그러므로 모세혈관의 동맥쪽 말단부의 총유출압이 유입보다 10mmHg정도 크므로 모세혈관 밖으로 집단여과( bulk filtration)이 일어남.

모세혈관의 정맥말단부에서의 스탈링 힘에서의 단 하나 분명한 차이는 혈액이 모세혈관을 흐르면서 혈관벽의 저항 때문에 혈액 정수압이 35mmHg 에서 15mmHg로 감소한다는 것임. 그 외에 힘들은 동맥 말단부와 거의 동일하므로 총유입압이 유출압보다 대략 10mmHg만큼 크므로 모세혈관으로 체액의 집단흡수(bulk absorption)가 일어남. 따라서 모세혈관의 동맥 말단부에서의 혈장으로부터 간질액으로 체액의 순이동은 정맥말단부에서의 반대방향으로의 체액의 흐름과 비슷하게 균형을 이룸. 실제는 신체의 모든 모세혈관을 전부 계산하면 총 유출압이 유입압보다 약간 크기때문에 대략 4리터/일의 순 여과가 일어남. 이 체액의 운명에 대한 것은 림프계 절에서 설명할 것임. 

예시에서 전형적인 모세혈관 정수압이 35mmHg에서 15mmHg까지 감소하는 것으로 가정함. 실제는 모세혈관 정수압은 신체의 부위에 따라 변하고, 후반부에 설명하겠지만. 사람이 누워있는지 앉아있는지, 서있는지에 따라 크게 영향을 받음. 더욱이 특정 부위의 모세혈관의 저항의 변화에 의해 매개됨. 아래 그림에서 보는 바와같이 특정 조직의 소동맥의 확장은 동맥과 모세혈관 사이의 저항을 줄여 압력손실이 감소하기 때문에 그 부위의 모세혈관 정수압을 높임. 모세혈관 정수압의 증가때문에 여과가 증가하고 단백질이 없는 액체가 더 많이 간질액으로 이동함. 반대로 소동맥의 수축은 모세혈관 정수압을 감소시켜 간질액의 혈관내로의 순이동이 일어남. 일단의 모세혈관에 의해 혈액을 공급하는 소동맥의 확장 또는 수축에 따라 모세혈관 전 길이를 걸쳐 각기 단지 여과만 또는 흡수만 일어날 수도 있음. 

앞에서 모세혈관 여과를 전적으로 스탈링 힘만으로만 설명하였지만, 다른 하나의 요소인 모세혈관 여과계수(capillary filtration coefficient)가 관여함. 이것은 순 여과압 mmHg당 얼마나 많은 체액이 여과되는지의 척도임. 대부분의 모세혈관에서 이 요소는 생리적으로 조절되지 않기에 이전 설명에서 이 요소는 무시됨. 그러나 신장의 모세혈관 여과계수는 매우 크고 생리학적으로 변화될 수 있기 때문에 때로 신장 모세혈관은 다량의 비단백질 체액을 여과함. 

중요한 요점을 다시 정리하면, 모세혈관의 여과와 흡수는 모세혈관과 조직사이의 영양소와 대사산물이 교환에는 작은 역할만 함. 그 이유는 포도당과 이산화탄소 등의 물질이 모세혈관 안팎으로 순 집단흐름의 결과로 이동되는 총량이 순확산에 의해 이동되는 양과 비교할때 매우 적기때문임. 최종적으로 이와같은 모세혈관 유체역학의 분석은 단지 체순환만을 고려함. 폐순환의 모세혈관에서도 동일한 스탈링 힘이 가해지지만 4가지 요인의 상대 수치가 다름. 특히 폐순환은 저-저항, 저-압력 순환이므로 체액이 폐 모세혈관 밖 간질로 이동하게 하는 중요 힘인 폐 모세혈관 정수압은 평상시 평균하여 단지 7mmHg정도에 불과함. 폐 간질액에는 다른 조직과 달리 단백질이 다량 축적되어 이 힘을 보충함. 종합하면 폐의 스탈링 힘은 다른 조직이나 마찬가지로 약간의 여과를 일으키나 강력하고 활발한 림프계의 배액이 세포간극과 기도에 세포외액이 축적되는 것을 방지함.

어떤 병리상황에서는 스탈링의 힘의 불균형이 세포간극에 체액이 비정상적으로 축적되는 부종을 일으킴. 심부전은 정맥압의 증가로 모세혈관에 혈액이 증가하고, 정수압이 증가하여 과량의 여과가 일어나고 간질액이 축적되는 상태임. 유발되는 부종은 체순환 또는 폐순환 조직에서 일어날 수 있음. 보다 일상의 경험은 발목을 삔 경우처럼 손상을 입었을때 붓는 것임. 손상에 반응하여 분비된 히스타민 또는 다른 화학인자들이 소동맥을 확장하여 모세혈관압과 여과를 증가시킴. 더불어 손상된 조직에 분비된 화학물질들은 내피세포를 변형시켜 세포간 틈을 넓혀 혈장단백질이 혈류로부터 보다 쉽게 빠져나오도록 함. 이러한 증가는 간질액의 단백질 삼투압을 증가시켜 여과와 부종이 발생할 경향성을 증가시킴. 혈장 단백질 농도는 간질환(혈장 단백질생산 감소)이나 신장질환(요단백 유실)에 의해서 감소되기도 함. 간 질환과 함께 단백질 영양실조는 혈장단백질 생산을 어렵게 함. 유발되는 부종은 특히 복강의 세포간극에 발생하여 단백질 섭취가 부족한 사람에게 흔히 관찰되는 배불뚝이 형상을 나타냄. 

4. 정맥

혈액은 모세혈관에서 소정맥으로 흐르고 다시 정맥으로 들어감. 약간의 물질교환이 모세혈관처럼 간질액과 소정맥사이에 발생함. 실제로 거대분자의 투과성이 종종 모세혈관보다 더 큰데 특히 손상된 부분에서 그러함. 정맥은 혈액이 심장으로 환류할때 흐르는 마지막 관임. 체순환에 있어서 정맥의 환류를 이끄는 힘은 말초정맥과 우심방의 혈압차이임. 말초정맥의 첫번째 부분의 압력은 대체적으로 매우 낮아 단지 10-15mmHg임. 왜냐하면 심장에 의한 혈액에 가해지는 압력의 대부분이 소동맥, 모세혈관 그리고 소정맥을 통과해 흐르면서 저항때문에 소진되었기 때문임. 우심방의 압력은 일반적으로 0mmHg에 근접함. 그러므로 말초정맥에서 우심방으로 흐르게 하는 총 추진압은 평균하여 단지 10-15mmHg임. 지름이 커다란 정맥은 혈액의 흐름에 저항이 낮아 이 작은 압력의 차이로도 충분함. 그래서 정맥의 주요한 기능은 저-저항의 도관으로 역할하여 혈액이 조직에서 심장으로 흐르게 하는 것임. 팔과 다리의 말초정맥은 판막이 있어서 심장쪽으로만 흐르게 함. 

낮은 저항의 도관으로서의 기능외에 정맥은 두번째 중요한 기능을 수행함. 정맥이 지름은 혈류량의 변화에 반응하여 반사적으로 변하여 말초 정맥압을 유지하고 심장으로 혈액이 돌아가도록 함. 앞절에서 심장으로의 정맥환류율은 심실 이완기말 용적과 그에 따른 심박동량의 중요한 결정요인임을 강조했지만, 이제 말초 정맥압이 박동량의 중요한 결정적 요인임을 알았음. 

정맥압의 결정 요인들

모든 탄성관의 압력을 결정하는 요인들은 그 안의 액체의 양과 그 벽의 신전성임. 혈액의 대부분은 정맥에 들어있기에 혈액총량은 정맥압을 결정하는 중요한 요인의 하나임. 또한 정맥의 벽은 동맥의 벽보다 얇고 신전성이 큼. 그래서 정맥은 많은 양의 혈액을 수용하면서도 내부압력은 상대적으로 조금 증가함. 혈액 총량의 약 60%는 체순환계 정맥에 들어있으나(아래 그림) 정맥의 압력은 평균 10mmHg 내외임(대조적으로 체순환계 동맥에는 15% 미만의 혈액이 들어있으며, 거의 100mmHg의 혈압). 

정맥의 벽에는 교감신경지배를 받는 평활근이 있음. 이 신경의 자극은 노르에피네프린을 방출하여 정맥의 평활근을 수축시켜 혈관의 지름과 신전성을 감소시키고, 압력은 증가시킴. 정맥압의 증가는 보다 많은 혈액을 정맥에서 우심장으로 보냄. 정맥수축과 소동맥 수축의 효과가 다름을 기억해야. 소동맥이 수축하면 체순환을 통한 전방 흐름이 감소하는 반면, 정맥의 수축은 전방흐름을 증가시킴. 비록 교감신경이 중요자극이긴 하지만 정맥의 평활근도 소동맥의 평활근과 마찬가지로 호르몬과 측분비 혈관확장인자들과 혈관 수축인자들에 반응함. 

정맥의 평활근의 수축과 함께 다른 두가지의 기전이 정맥압을 증가시키고 정맥환류를 촉진할 수 있음. 이 기전은 골격근 펌프와 호흡펌프임. 골격근의 수축동안 근육 사이를 지나는 정맥은 어느정도 압박되어 정맥의 지름을 줄이고 더 많은 혈액을 심장으로 보냄.이제 말초 정맥판막의 중요한 기능을 설명함. 골격근 펌프가 국소적으로 정맥압을 높일때 판막은 혈액이 심장쪽으로 흐르게 하고, 조직쪽으로 역류하는 것을 막아줌. 

호흡펌프는 직시하기에 다소 어려움. 제 13장에서 설명한 것처럼 흉강의 기부에는 횡격막이라는 커다른 근육이 있어 흉강과 복강을 나눔. 흡기동안 횡격막이 내려와서 복부를 눌러 복압을 높이게 됨. 이 압력의 증가는 수동적으로 복부 내의 정맥으로 전달됨. 동시에 흉압이 감소하기 때문에 흉강내 정맥과 우심방의 압력도 감소함. 복부와 흉부의 압력변화의 순 영향으로 말초정맥과 심장사이의 압력차가 증가함. 그러므로 흡기일때 정맥환류가 증가함. (정맥판막이 없다면 흡기는 이와 반대의 효과를 나타낼 것임). 흡기가 클수록 효과도 큼. 그러므로 운동시와 같이 깊거나 빠른 호흡은 심장쪽으로 혈류의 흐름을 도와줌. 

이런 설명으로부터 정맥환류와 심박출량은 독립적인 사항이라는 느낌을 받았을 수 있음. 그러나 정맥환류량의 어떤 변화도 주로 프랑크-스탈링 기전의 작용을 통해 거의 즉각적으로 심박출량에 동등한 변화를 초래함. 정맥환류량과 심박출량은 매우 짧은 순간을  제외하고는 동일 해야 함. 요약하면(아래 그림) 정맥 평활근이 수축, 골격근 펌프, 호흡펌프 모두가 정맥환류량을 증가시켜 심박출량의 동량 증가시킴. 

5. 림프계

림프계는 작은 기관들(림프절)과 간질액에서 유래한 액체인 림프가 흐르는 관(lymphatic vessel)들로 이루어진 망상 구조물임. 림프계는 기술적으로는 심혈관계의 일부는 아니지만 림프관은 심혈관계로 간질액이 이동하는 채널이 되므로 이 장에서 설명함. 아래그림. 모세혈관과 뚜렷이 구별되는 수많은 림프모세관(lymphatic capillary)은 사실상 거의 모든 기관과 조직에 존재함. 모세혈관 처럼 림프모세관도 기저막 위에 놓인 단 한층의 내피세포로 이루어진 관임. 그러나 림프 모세관들은 단백질을 비롯한 모든 간질액 성분이 투과할 수 있는 커다란 함수-채널을 갖고 있음. 림프모세관은 모세혈관과는 달리 림프관이 시작되는 첫부위이므로 림프 모세관으로 흐르는 관은 없다. 

소량의 간질액이 림프모세관으로 집단흐름에 의해 계속 들어감. (이 흐름을 조절하는 정확한 기전은 불명). 이제 림프라고 하는 액체가 림프모세관에서 다음 단계의 림프관으로 흐르고, 다시 점점 더 큰 림프관으로 합류함. 신체의 여러부위 특히 목, 겨드랑이, 서혜부, 장주위에서 림프는 림프절을 통과해 흐름. 그 기능은 제 18장에서 설명함. 결국 모든 망은 2개의 큰 림프관으로 합류되어 흉부 위쪽에 있는 목정맥과 쇄골하 정맥이 합류되는 부위의 정맥으로 연결됨. 이 연접부에 있는 판막은 림프관에서 정맥으로 오로지 한방향으로만 흐르도록 함. 이렇게 하여 림프관은 간질액을 심혈관계로 운반됨. 

림프계에서 심혈관계로의 간질액의 이동은 매우 중요함. 그 이유는 이미 언급한 것처럼 모세혈관 밖으로 여과되는 혈장량이 흡수되는 양보다 대략 매일 4리터정도 많기 때문임. 이 4리터가 림프계를 통해 회수됨. 이 과정에서 모세혈관에서 삼출되어 간질액으로 나간 소량의 단백질 또한 심혈관계로 되돌아 감. 

코끼리 피부형 상피병(elephantiasis)과 같은 감염성 생물체 등에 의한 폐색과 같은 림프계의 이상은 간질액을 과량 쌓이게 함. 그 결과가 감염된 부위의 큰 부종임. 유방암 수술 중 림프절과 림프관의 외과적 제거가 유사하게 주위조직에 간질액을 축적되게 함. 림프계는 과량의 간질액을 배액하는 기능에 더하여 소화관에서 흡수한 지방이 혈액으로 들어가는 채널이 됨. 림프계는 불행하게도가끔은 암 세포가 발병지로부터 신체 다른 부위로 확산하는 채널이 되기도 함. 이때문에 암치료때 종종 림프절을 제거하기도 함. 

림프 흐름의 기전

림프모세관이 합류한 림프관은 스스로의 수축에 의해 림프를 밀어냄. 림프관 벽의 평활근은 고유의 율동적 수축작용으로 펌프작용을 함. 림프관에는 정맥처럼 판막이 있어서 이 수축으로 림프는 한방향으로만 흘러 심혈관계로 유입됨. 림프관의 평활근은 신축에 반응성이 있으므로 간질액이 축적되지 않을 경우 림프관 내로 림프의 유입이 없어 평활근은 활성을 띠지 않음. 모세혈관 밖으로 체액의 여과가 증가되어 림프생성이 증가하면 림프관으로 유입되는 간질액이 증가하여 림프관 벽을 신장시킴으로써 평활근의 율동적 수축을 촉발함. 이러한 되먹임 기전에 의해 림프생성에 맞추어 림프흐름이 조정되기에 부종이 예방됨. 더욱이 림프관의 평활근에는 교감신경 뉴런이 분포하는데, 운동과 같이 다양한 생리적 상태에서 교감신경의 자극은 림프흐름을 증가시킴. 림프관에 대한 외부의 힘에 의해서도 림프흐름이 증가함. 이러한 힘은 앞의 정맥항에서 설명한 동일한 힘, 즉 골격근 펌프와 호흡펌프를 포함함. 

[정혜]

고맙습니다

[윤윤이]

감사합니다