血液凝结的生理学概述培训课件

血液凝结的生理学概述血血 管管 破破 损损血凝块或栓塞血小板激活凝血系统启动运行纤溶系统 激活2血液凝结的生理学概述l凝血系统的瀑布机制（凝血系统的瀑布机制（Cascade mechanism）l凝血现代观点凝血现代观点l凝血系统中的抑制因子与凝血调控凝血系统中的抑制因子与凝血调控l血小板在凝血过程中作用血小板在凝血过程中作用l纤维溶解系统的作用纤维溶解系统的作用 血管血管血管血管血小板血小板血小板血小板凝血系统凝血系统凝血系统凝血系统纤溶系统：作用过程纤溶系统：作用过程纤溶系统：作用过程纤溶系统：作用过程 3血液凝结的生理学概述 在生理情况下在生理情况下,血液在血管中能维持液态是血液在血管中能维持液态是由于血管内皮细胞具有抗血栓形成的功能由于血管内皮细胞具有抗血栓形成的功能.血管内血管内皮细胞是机体中除血细胞以外唯一能与血液成分皮细胞是机体中除血细胞以外唯一能与血液成分正常接触的细胞，起着将血细胞与内皮下组织隔正常接触的细胞，起着将血细胞与内皮下组织隔开的作用。一旦血管受损，血小板被凝血酶或胶开的作用。一旦血管受损，血小板被凝血酶或胶原等激动剂刺激，引起形态改变，发生黏附和聚原等激动剂刺激，引起形态改变，发生黏附和聚集；同时，血浆凝血蛋白也暴露在血管内皮下，集；同时，血浆凝血蛋白也暴露在血管内皮下，并在多种细胞的共同参与下，相继发生一系列的并在多种细胞的共同参与下，相继发生一系列的凝血反应，最终形成由纤维蛋白和血小板组成的凝血反应，最终形成由纤维蛋白和血小板组成的凝血块。与此同时，由于内皮细胞受到刺激，表凝血块。与此同时，由于内皮细胞受到刺激，表达出新的表面特性，并与多种抗凝调节蛋白一起达出新的表面特性，并与多种抗凝调节蛋白一起使凝血块局限在损伤部位。随着伤口的愈合，凝使凝血块局限在损伤部位。随着伤口的愈合，凝血块又逐渐被纤维蛋白溶解形态中的各种酶所消血块又逐渐被纤维蛋白溶解形态中的各种酶所消化，使血管恢复畅通。化，使血管恢复畅通。4血液凝结的生理学概述瀑布机制学说与现代观点l 19世纪初，Thackrah和de Blainville已经发现组织损伤会引起血液凝固。l 1982年Schmidt提出，存在凝血活酶（thromboplastin）可以将凝血酶原 转变为凝血酶l 1950年，Morawitz提出凝血的两步理论：凝血活酶将凝血酶原变成凝血酶；男系，凝血酶将纤维蛋白原变成纤维蛋白。l 40年代来，Conley发现血液按接触表面改变可激发血液凝血。l 1964年，MacFarlane和Davie分别同时提出了凝血的瀑布学说，形成凝血理论的传统观点：l血液凝固过程是由内源性途径（intvinsic5血液凝结的生理学概述Pathway，只有血中成分参与）；外源性途径（extrinsic pathway，即有内皮细胞与组织因子参与）和共同途径组成，通过多种酶原被逐级激活而得到加强与放大的连锁反应。其中内源性途径是主要的，外源性途径中起辅助作用。瀑布学说的级连反应图凝血蛋白的分类促凝蛋白的基本特性表6血液凝结的生理学概述以瀑布学说为基础的血液以瀑布学说为基础的血液凝固传统观点凝固传统观点7血液凝结的生理学概述凝血蛋白分类表凝血蛋白分类表8血液凝结的生理学概述9血液凝结的生理学概述凝血理论的现代观点l 以内源途径为主的传统观点不能解释许多现象从而导致现代观点产生:：l (1).凝血主要由组织因子途径(tissue factor pathway,外源性途径)激发；l (2).凝血的维持需要有因子和因子参予；l (3).凝血途径之间和凝血反应之间存在着密切的联系，对凝血过程起反馈性作用；l (4).凝血过程受TPPI和其他抗凝蛋白调节。l凝血现代观点图10血液凝结的生理学概述11血液凝结的生理学概述凝血系统中的抑制因子与凝血调控凝血系统中的抑制因子与凝血调控这类蛋白通过其抗凝活性，在凝血过程的不同阶段，对凝这类蛋白通过其抗凝活性，在凝血过程的不同阶段，对凝血发挥调节作用，主要成员如下表：血发挥调节作用，主要成员如下表：12血液凝结的生理学概述血小板在凝血过程中的作用血小板在凝血过程中的作用l 在正常循环血液中，血小板处于静息状态，而在某些生理状态或病理状态下，血小板被激活（activation）：l 变形(圆盘形球形、表面伸展、形成伪促）。l 粘附(粘着在非血小板表面)l 聚集(血小板之间的粘着)l 释放(颗粒内容物释放到细胞周围、对称分泌)。l 生理性激活：血管受到损伤后，血小板被激活，粘附于受损部位于凝血系统相互作用，并与纤维蛋白一起形成止血栓子。l 病理性激活：外源性物质或内源性代谢产物，或内源性介质释放等均可作为刺激物使血小板 l激活，导致血栓生成。13血液凝结的生理学概述l 与凝血系统相互作用：凝血因子激活血小板，血小板提供了P凝血系统中心环节反映赖以进行的磷脂表面。l在血小板磷脂膜上的凝血系统反应图lpg48图14血液凝结的生理学概述纤维溶解系统的作用l当机体损伤时，只要有一小粒凝血块形成，就会有一小部分血浆纤溶酶原同凝血块上的纤维蛋白结合，纤溶过程就会发生，并且足以对后续的生理性纤溶产生影响，从而导致止血机制的破坏。幸而与纤溶系统同时存在的还有抗纤溶系统。这两个系统处于平衡调节之中。15血液凝结的生理学概述16血液凝结的生理学概述凝血过程的模型化研究历史与现状凝血过程的模型化研究历史与现状l 凝血瀑布机制的提出为使用数学方法研究凝血问题提供了良好的生化模型。因此，仅仅在瀑布学说提出两年，Levine就利用酶促动力学，对1964年Davine提出的酶反应模式图建立了线性模型。通过线性微分方程组对凝血机制中各因子的变化作动态描述。进一步结合数学定理分析与计算机数值模拟，对凝血系统的解的局部与全局性态进行研究，并对实验或病理、生理结果进行预测与分析。这一方法已经取得了一系列与实验及临床相符的结论。l线性化模型l非线性模型与动力学分析l计算机模拟工作l关于血小板作用在模型中的考虑17血液凝结的生理学概述线性模型的发展lLevine于1966年提出的酶促动力学用一组微分方程对Davine提出的酶级反应图加以研究，但忽略了反馈的作用，所以此微分方程组为简单的，线性的。l对凝血瀑布机制的第i阶段，设酶原yi的初值yi0被前一阶段活化形式yia以固定的速度yi转化，K i表示活化形式衰减速度，并假设kiKi，记yi为衰减形式的集结物，且假定这一过程在第N阶段终止。反应序列图表示如下：18血液凝结的生理学概述 假设第一个因子y1是在刺激终止后经过时间t=之后被激活，则描述此系统的微分方程如下：19血液凝结的生理学概述l 其中U(t)是单位步长函数，U(t)-U(t-)l 是持续时间的单位脉冲，若考虑到对初值yi0，l 酶原yi保持常量这一线性情形，给出方程组的 l 一般解如下：l 对第P步：l 从中看出速率常数或初始条件的很小的改变即 l 可对整个反应产生相当大的影响。20血液凝结的生理学概述外源性凝血瀑布机制非线性动力学模型的建立外源性凝血瀑布机制非线性动力学模型的建立l 针对凝血模式中存在着正反馈环路，而反应的凝血因子常常是多种因子的联合作用，1989年,Khamin,M.A.和Semenov,V.V.首先对外源性凝血的瀑布机制建立了非线性模型，并对该模型进行了定态稳定性分析，得到了与生化理论先相一致的外源性凝血的基本特征：外部刺激强度必须超过一个阈值，凝血瀑布机制才能启动且问顶稳定运行。21血液凝结的生理学概述此模式图与前相比，很重要的一点在于增加了因子II与因子V之间的正反馈环路，对此环路，建立非线性模型如下：22血液凝结的生理学概述l其中K4，K，H4为动力学常数。(H4是凝血酶的消散常数).l 根据同样的假设,描述此外源性途径的微分动力学系统为:l其中Kn是第n步反应速率常数,是第n步反应消散常数,是刺激强度.23血液凝结的生理学概述利用利用TikhonovTikhonov定理定理,此系统可被简化加以讨论此系统可被简化加以讨论.l 令 24血液凝结的生理学概述l则存在一个非零平衡点,此时零平衡点不稳定.只有这时外源凝血系统具有级联放大功能.25血液凝结的生理学概述数学模型计算机对那些过程的模拟l 利用数学模型来模拟实验并利用模型分析和给出预测结果已成为许多生化学家和实验工作者的研究方法。例如：Kenneth C.Jones和KennethG.Mann建立了外源性凝血机制的数学模型来模拟Lawson.J.H等的凝血过程实验,得到的结果与实验相符合,并得到了实验所不能得到的结论.l 模型涉及到的反应如下:26血液凝结的生理学概述27血液凝结的生理学概述 按照酶反应动力学机制,对上面反应建立微分方程组如下:28血液凝结的生理学概述29血液凝结的生理学概述我们的工作基础l孟大志与金有豫的课题组在中国国家自然科学基金l及北京市自然科学基金的支持下开展了凝血过程的模型化研究。通过使用非线性动力系统的方法对凝血系统模型进行分析，取得了一批有意义的结果。主要包括以下几个方法l启动阈值与高凝态病理的预测l序结构分析方法l周期解与凝血的动力学病l血小板与凝血系统相互作用的宏观微观模型l模型化与实验研究的结合30血液凝结的生理学概述凝血模型对启动阈值与高凝态病理的预测l外源性凝血模型的模式图为：l图中正反馈环路Q仍用Semenov的描述方法：31血液凝结的生理学概述l Ki，Hi的意义同上，为外源性刺激强度，l 在临床上对应着高凝态病理，通过对这个系l 统进行动力学分析，得出了以下结论：l )系统的起动需要一个阈值，反馈强度决l 定起动阈值。l )刺激强度有一个允许宽度,此允许宽度l 与反馈Q的功能强度同增同减过强的反l 馈将导致凝血概率增加,反之则出现凝l 血障碍.l )凝血系统有一定的自调节功能.33血液凝结的生理学概述34血液凝结的生理学概述讨论讨论 l1 K(1)K(2)参数空间中凝血因子(包括抑制性因子)的缺因子曲线在坐标上的位置,在正常生理参数值范围内能正常地反应酶促级联反应的顺序.即正确反应酶与产物的关系,且初始刺激强度的改变不改变这种序结构.l 2 K(1)K(2)参数空间中两条缺因子曲线的接近往往反应了这两个因子之间具有相近的反应特征,这在酶促级联反应中说明这两个因子的相互制约或密切合作.在上图中可见缺乏曲线与缺乏曲线接近,事实上这反应了与常常以复合物的方式参与反应.l 3 在TFPI负反馈参与的级联反应中,随着TFPI的增长率提高,上图中反应出与线从正常顺序到两条线接近,重合,进而呈现相反的顺35血液凝结的生理学概述l序,这反应了在负反馈作用中TFPI与复合物对与组织因子复合物的抑制在加强,最终达到比对的激活更强的地位.这一分析与实验当中发现的TFPI的抑制机理吻合.l4 无论蛋白C的增长速率如何改变,对外源性凝血的序结构没有改变,而且上图看出TFPI在V曲线上方,APC线在V曲线下方,这不仅符合抑制剂的序结构.当蛋白C增长速率较小时,APC线与V曲线十分接近,而当蛋白C增长速率较大时APC线更加接近II线.这说明当抑制增长时,APC由II的激活作用在负反馈环路中占据更主要的作用36血液凝结的生理学概述l生理振荡乃至生理节律对于生命是至关重要的从60年代Reimann和Richter系统地讨论了人类疾病的振荡现象至今，在生命系统的各个层次中均发现了振荡现象以至周期性的节律。生物体中各种振荡现象不仅已经被人们理解为生命过程的必然与本质，而且已经被用于疾病的诊断与治疗，动力学病（dynamical diseases）的已经就是一个典型事例。在血液学领域中，最早用模型化方法研究振荡现象的当属70年代Macke，Class白细胞生成控制的研究l 周期解与凝血动力学病的预测,首次发现在凝血系统中的振荡现象,并且利用非线性动力学模型化方法的数值模拟,发现存在周期性的稳态解.其中一种高维动力系统极限环的存在性已经得到数学证明.37血液凝结的生理学概述1 1 蛋白蛋白C C抑制所产生的生理节律抑制所产生的生理节律l存在蛋白C抑制负反馈的凝血中心环节,可以用如下微分方程组表示l初始刺激与APC的增长速率常数K5的不同参数值,动态分解为吸引子,周期解类形如下表38血液凝结的生理学概述其中周期解如图2 组织因子抑制剂所产生的生理节律组织因子抑制剂所产生的生理节律 组织因子途径抑制剂(TFPI)对于外源凝血系统的作用,可用如下微分方程组表示:39血液凝结的生理学概述40血液凝结的生理学概述通过数值模拟通过数值模拟,系统系统(2)(2)的动态解与初始刺激的动态解与初始刺激与与TFPITFPI的增长参数的增长参数K4K4之间关系由下表表示之间关系由下表表示3 3 讨论讨论 (1)对于蛋白C与TFPI参与的外源途径凝血动力系统,随时间 发展均以振荡方式趋于系统稳定的终态。从而可以看出，振荡是凝血过程的基本的与本质的特征。41血液凝结的生理学概述l （2）在生理状态的较宽的参数范围内，无论是有蛋白c的抑制作用，还是有TFPI的抑制l作用，动态解均存在稳定的周期解委其终态。l从而提示，人体的凝血系统生理上呈周期振荡，这将对诊断与治疗提供新思想。l （3）由于在未加入抑制时，外源性凝血系统的数值模拟未呈振荡态，因此可以认为振荡解与周期节律的存在是由于抑制负反馈与凝血的中心正反馈相互作用的结果。42血液凝结的生理学概述l 微观宏观模型初步l 由于血小板与凝血系统的相互作用表现在两个方面l 1.因子-C+激活X以及-C+激活均需在血小板的磷脂膜表面上进行.l 2.活性的激活血小板,使血小板释放、黏附与聚集与纤维蛋白缠裹形成血栓。l 这是一个正反馈过程：激活血小板使单位积极的溶液中磷脂表面增多，进而促进了的产生l完成了-在磷脂膜上的计算机模拟，使用分子的布朗运动模型。将模拟的结果的生成速率代入宏观凝血动力系统模型中，发现有周期性解43血液凝结的生理学概述44血液凝结的生理学概述l进一步研究的方向与课题l1.“高凝态”预测的临床可测试指标。l2.凝血反应速率的预测性测试方法。l3.凝血动力系统完善的内外源模型的建立与分析。l4.凝血动力系统的周期解与混沌解的存在性的全l 面总结。l5.最少维数的正、负反馈偶合模型的建立与研究。l6.凝血过程的生物节律与动力学病的模型化研究。l7.血小板凝血系统相互作用的宏观微观模型l 的建立与分析多重的反应扩散问题。l8.实验研究：动力学数据的采集与分析，周期性解l 的试验证实方法，混沌解的实验方法45血液凝结的生理学概述血液凝结的动力学研究血液凝结的动力学研究l一、血液凝结的生理学概述l二、凝血过程的模型化研究历史 l 与现况l三、我们的工作基础l四、进一步研究的方向与课题46血液凝结的生理学概述