전주 이진복한의원 노화에 따른 혈관 탄성도의 변화

안녕하세요. 

전주 이진복한의원 이진복원장입니다. 

2021년 마지막 자료 올립니다. 

올해 목표가 매일 하나씩 블로그 글 쓰기였는데 어떻게 꾸역꾸역 써서 성공했네요~~^^

 

윈드케셀 효과(Windkesel effect)는

① 박출량(stroke volume)과

② 대동맥 및 큰 탄력동맥(Windkesel vessel)의 탄성도(compliance), 그리고

③ 더 작은 동맥들과 세동맥의 저항(resistance) 사이의 상호작용 측면에서 동맥압 파형(arterial blood pressure waveform)의 형상을 설명하기 위해 의학에서 사용되는 용어입니다. 대충 번역하자면 독일어 윈드케셀(Windkesel)은 ‘공기로 된 방(air chamber)’을 의미하지만, 일반적으로 탄성 저장고(elastic reservoir)라는 뜻을 내포하고 있는 단어입니다.

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SAGAWA, Kiichi; LIE, Reidar K.; SCHAEFER, Jochen. Translation of Otto frank's paper “Die Grundform des arteriellen Pulses” zeitschrift für biologie 37: 483–526 (1899). Journal of molecular and cellular cardiology, 1990, 22.3: 253-254.

FRANK, Otto. The basic shape of the arterial pulse. First treatise: mathematical analysis. Journal of molecular and cellular cardiology, 1990, 22.3: 255-277.

Ganong MD, William F (2005). Review of Medical Physiology (Twenty-Second ed.). The McGraw-Hill Companies, Inc. p. 587

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큰 탄성 동맥의 벽(예: 대동맥, 총경동맥, 쇄골하동맥, 폐동맥 및 그 큰 가지)은 엘라스틴(elastin)으로 형성된 탄성섬유(elastic fiber)를 함유하고 있습니다. 이 동맥들은 수축기 동안 혈압이 상승할 때 팽창하고, 이완기 동안 혈압이 떨어질 때 쪼그라듭니다. 수축기 동안에는 이러한 탄성 동맥에 유입되는 혈액의 속도가 말초 저항을 이기고 혈액이 떠나가는 속도를 초과하기 때문에 대동맥과 큰 동맥 내 혈액이 저장(net storage)되지만, 이완기 동안에는 이 혈액이 배출(discharge)되게 됩니다. 따라서 대동맥과 큰 탄성 동맥의 탄성도(또는 팽창성(distensibility))는 축전기(capacitor)와 유사한 면이 있습니다.

윈드케셀 효과(Windkesel effect)는 심장 사이클 동안 혈압(맥압)의 요동(fluctiation)을 감쇠시키는 데 도움이 되며, 심장에서의 분출(ejection)이 중단했을 때 이완기 동안 장기 관류(organ perfusion)를 유지하는 데 도움을 줍니다. 비록 스테판 할레스(Stephen Hales, 1677~1671)가 그 개념을 더 명확하게 표현하고 18세기 소방차에 사용된 공기실과 유사하게 그려내긴 했으나, 그 아이디어는 조반니 보렐리(Giovanni Borelli, 1608~1679)에 의해 이미 언급되었던 것입니다. 이후 독일의 생리학자 오토 프랭크(Otto Frank, 1889~1980)는 이 개념을 발전시켜 확고한 수학적 기반을 제공합니다.

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Hales S (1733). Statical Essays: Haemastaticks.

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자세한 원리까지는 몰라도 되겠지만 이 윈드케셀 효과(Windkesel effect)가 지니는 의의에 대해서는 알아둘 필요가 있습니다. 혈관계(arterial tree)는 커다란 탄성 동맥, 근육성 동맥(muscular arteries), 세동맥으로 구성되어 있으며, 가장 중요한 기능은 혈액을 말초 조직에 전달하는 것과, 혈류가 지속적으로 이어지도록 하는 완충작용(buffer)라고 할 수 있습니다. 대동맥과 같은 elastic artery는 혈류와 혈압의 변화에 대한 완충역할을 하여 박동성의 혈류가 말초에 전해질 때 평탄한 혈류(steady flow)로 바뀌는 역할을 하는데 바로 이것이 윈드케셀 효과(WindKessel effect)가 지니는 의의입니다. 윈드케셀 효과(Windkessel effect)로 인해 말단의 조직으로 지속적인 산소공급이 가능해지는 지는 것이죠. 이와 같은 혈관계의 특징은 미세혈관계(microcirculation)를 직접적인 혈압에 의한 손상으로부터 보호하며, 이완기에는 관상동맥에 적절한 혈류를 공급해 줍니다.

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Jani B, Rajkumar C. Ageing and vascular ageing. Postgrad Med J. 2006;82:357-362

Tomiyama H, Yamashina A. Non-invasive vascular function tests:Their pathophysiological background and clinical application. Circ J.74:24-33

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문제는 혈관계가 노화에 따라 이러한 탄력성을 잃어간다는 것입니다. 노화와 함께 혈관 벽의 구조가 변화하는데, 먼저 커다란 탄성 동맥에서는 엘라스틴(elastin)은 감소하고 콜라겐(collagen)이 증가하며, 콜라겐 사이의 cross linking이 증가하며, 석회화가 증가됩니다. 또 혈관내피세포에서는 산화질소(nitric oxide) 생성이 감소하고, 엔도텔린(endothelin)이 증가하는데, 이에 따라 혈관 평활근 세포(vascular smooth muscle cell) 성장이 촉진됩니다. 즉 연령이 증가함에 따라 혈관 벽의 두께가 두꺼워 지는 것이죠. 그리고 이런 변화는 궁극적으로 혈관벽의 경화도를 증가시키게 됩니다.

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Jani B, Rajkumar C. Ageing and vascular ageing. Postgrad Med J. 2006;82:357-362

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최근에는 평활근 세포에 의한 혈관벽 비후 과정에서 염증반응의 역할이 강조되고 있는데요, 혈관의 염증 과정은 고혈압이나 당뇨와 같은 혈관위험인자가 존재하는 경우 더 심해지는 경향이 있습니다.

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Laurent S, Boutouyrie P. Recent advances in arterial stiffness and wave reflection in human hypertension. Hypertension. 2007;49:1202-1206

McVeigh GE, Allen PB, Morgan DR, Hanratty CG, Silke B. Nitric oxide modulation of blood vessel tone identified by arterial waveform analysis. Clin Sci (Lond). 2001;100:387-393

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사후부검연구에서도 연령이 증가함에 따라 대동맥의 두께가 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 연령에 따라 20대보다 90대에서 경동맥 내막-중막 두께(carotid intimal-medial thickness)가 세배까지 차이를 보였습니다.

 

Virmani R, Avolio AP, Mergner WJ, Robinowitz M, Herderick EE, Cornhill JF, Guo SY, Liu TH, Ou DY, O'Rourke M. Effect of aging on aortic morphology in populations with high and low prevalence of hypertension and atherosclerosis. Comparison between occidental and chinese communities. Am J Pathol. 1991;139:1119-1129

 

구조적인 변화에 따라 혈관의 기능적 변화 역시 동반될 수밖에 없는데, 혈관의 물리적 경직과 함께 ‘압력 변화에 따른 용적의 변화’로 정의되는 혈관의 ‘탄성도’ 역시 함께 떨어지게 됩니다. 그리고 전체 혈관계 탄성도의 상당 부분은 근위부 혈관에 의해 결정됩니다.

 

심장에 의해 생성되는 맥파(pulse wave)는 일정한 속도(맥파 속도[Pulse Wave Velocity, PWV])로 혈관계(arterial tree)를 따라 이동하는데, 혈관의 분지점(branch points)에서 반사되어 뒤로 이동합니다. 혈관 속을 진행하는 혈류의 압력파(pressure wave)는 혈관의 분지점 혹은 내경이 가늘어지는 부위에서 반향(reflection) 되는데, 반향파는 진행하는 압력파와 비슷한 속도로 되돌아가서 결국 대동맥과 반향이 일어나는 분지 사이의 특정지점에서 합쳐집니다. 그리고 맥파 속도는 동맥벽의 팽창성에 따라 달라집니다. 즉 다른 말로 하자면 팽창성이 좋은 부드러운 혈관은 충격을 흡수해서 혈류 속도를 완만하게 하지만 딱딱하게 굳은 혈관은 압력 파를 더 빠른 속도로 튕겨낸다는 것이죠.

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정상적인 상황에서는 심장 사이클의 이완기에 혈류 방향의 압력파와 반향파가 합쳐지게 되기 때문에, 이것이 이완기의 관상동맥관류를 개선시키고, 맥압(pulse pressure)의 에너지에 의한 말초 미세순환의 손상을 줄여주는 효과도 발휘하지요. 반면에 중심 동맥계에서 동맥경화가 진행되면, 정상적인 impedance mismatch의 감소가 나타나고 심지어 반향파가 이완기가 아닌 수축기에 나타나서 이완기 관상동맥 관류를 저하시키고, 맥압에 의한 에너지를 말초순환에 전가시키는 효과가 나타날 수 있습니다. 더 나아가 혈류의 말초 진행을 방해하는 경우도 나타나지요.

 

Hamilton PK, Lockhart CJ, Quinn CE, McVeigh GE. Arterial stiffness: Clinical relevance, measurement and treatment. Clin Sci (Lond). 2007;113:157-170

Safar ME, Levy BI, Struijker-Boudier H. Current perspectives on arterial stiffness and pulse pressure in hypertension and cardiovascular diseases. Circulation. 2003;107:2864-2869

Hamilton PK, Lockhart CJ, Quinn CE, McVeigh GE. Arterial stiffness: Clinical relevance, measurement and treatment. Clin Sci (Lond). 2007;113:157-170

Quick CM, Berger DS, Noordergraaf A. Constructive and destructive addition of forward and reflected arterial pulse waves. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2001;280:H1519-1527

 

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선조들이 말한 ‘大爲病進脈之賊(대맥은 병이 진행되는 것으로 맥의 적이다)’라는 표현은 바로 이와 관련되어 있다고 생각할 수 있겠습니다.

 

전주 이진복한의원 이진복원장(한의학 박사, 침구의학과 전문의)