background image

 

 

Lect. 15 
 
 

 
Blood Flow 

Objectives: 

1.  List the physiological mechanisms that maintain blood flow in different organs 

by adjusting the diameter of their arterioles. 

2.  List  vasoactive  hormones  together  with  the  organs  or  cells  from  which  their 

release is initiated.  

3.  Define  the  term  blood  flow  autoregulation;  name  two  vascular  beds  that 

demonstrate autoregulatory control of blood flow. 

 
A- Regulation of local blood flow to tissues: 

Blood  flow  in  different  organs  is  physiologically  maintained  by  adjusting  the 
diameter  of  their  arterioles.  The  mechanisms  of  regulation  of  regional;  local  blood 
flow can be classified into: Short-term and long term regulation mechanisms. 

Short-term regulation mechanisms: 

These mechanisms adjust the minute-to-minute flow to the organs according to their 
metabolic needs. Four mechanisms are involved: 

a-  Metabolic autoregulation. 
b-  Nervous regulation. 
c-  Humoral regulation. 
d-  Myogenic autoregulation. 


background image

 

 

Metabolic autoregulation: 
Increased  metabolic  activity  dilates  the  blood  vessels.  This  effect  is 
mediated by: 

A- Hypoxia, The increased O

2

 utilization by the tissues produces local 

hypoxia. The degree of vascular dilation is directly proportionate to 
the degree of hypoxia in arteriolar blood. In contrast, an increase in 
O

2

  level  (hyperoxia)  produce  local  vasoconstriction  and  decrease  in 

blood flow.   

B- Vasodilator metabolites, high metabolism with hypoxia produces a 

number of vasodilator metabolites, which include: 

1.  Adenosine;  which  is  the  most  important  vasodilator 

substance  released  from  active  tissues.  An  ischemic  or 
hypoxic  heart  releases  adenosine  which  dilates  the 
coronaries and corrects the ischemia or hypoxia. Adenosine 
is also released by skeletal muscles and other tissues. 

2.  ADP and AMP which are produced by hydrolysis of ATP. 
3.  CO

2

  and  H

ions  which  act  directly  on  the  vascular  smooth 

muscles  and  relax  them.  CO

2

  is  a  very  powerful  dilator  of 

the cerebral blood vessels. 

4.  Lactic acid which is produced by anaerobic glycolysis. It has 

no direct vasodilator effect, but acts through elevation of H

+

 

ion concentration. 

5.  K

+

 released from active cells. It relaxes the vascular smooth 

muscles. 

  

C- The endothelium produces several molecules that promote smooth 

muscle  relaxation  (vasodilators),  including  nitric  oxide  (NO)
bradykinin, and prostacyclin.  

 
 

D- The  Endothelium-Derived  Relaxing  Factor  (EDRF):  This  is  a 

powerful  vasodilator  substance  secreted  by  the  vascular 
endothelium.  This  substance  chemically  was  found  to  be  nitric 
oxide. It is released from the arterial endothelium when stimulated 
by bradykinin, VIP or ACH (acetylcholine), i.e. these vasodilator 
substances act through releasing EDRF and it is the EDRF which 
mediates the vasodilator effect of these substances. In the absence 
of EDRF, bradykinins and VIP are ineffective and ACH produces 
vasoconstriction  not  dilation.  EDRF  is  also  produced  when  the 
blood flow to a tissue is increased as a result of arteriolar dilatation, 
thus further increasing the blood flow to that tissue. 

Nervous regulation: 


background image

 

 

All  blood  vessels  except  the  capillaries  are  innervated.  Regional 
vasodilator  fibers  supply  the  vessels  of  some  organs.  Vasodilation  in 
specific organs occurs by the following mechanisms:  

  Activation of the parasympathetic vasodilator nerves produces 

vasodilation in their specific organs, e.g. the salivary glands. 

  Stimulation  of  the  sympathetic  vasodilator  system  dilates  the 

skeletal muscle vessels and increases the blood flow in the skeletal 
muscles. 

  Stimulation  of  sympathetic  cholinergic  nerve  supply  to  sweat 

glands dilates the gland vessels and increases the local blood flow. 

  Inhibition  of  the  basal  sympathetic  vasoconstrictor  tone  to  the 

vessels. Some organs receive no  vasodilator fibers (e.g. the  skin). 
Constriction or dilation of their vessels occurs by changing the 
sympathetic vasomotor tone. 

 
Humoral regulation:
 
This is regulation by vasoactive substances released from the tissues into 
the blood and tissue fluids, examples: 
Serotonin:  This  is  a  vasoconstrictor  substance  released  from  platelets 
during  the  platelet  release  reaction.  It  helps  to  stop  bleeding  from  wounds. 
Serotonin is also found in chromaffin cells in the intestine.  
Histamine: This is a strong vasodilator substance which is released from 
mast  cells  and  basophiles  in  damaged  or  inflamed  tissues.  It  is  also 
released  during  allergic  reactions.  In  small  doses,  histamine  dilates  the 
arterioles, but in large doses, it dilates all the vessels. 
Prostaglandins (PG): These are hormone-like substances, some of them 
(PG F) are constrictors, but most of them (PG A and PG E) are dilators.  
Bradykinins:  These  are  strong  vasodilator  substances  formed  in  tissues 
during  inflammations  or  increased  activity.  The  tissues  release  an  activator 
substance  to  activate  prekallikrein  in  tissue  fluids  into  active  kallikrein. 
Kallikrein acts on  

α

 2

 -globulin in tissue fluids to produce kallidin. Kallidin is 

then  converted  by  tissue  enzymes  into  bradykinin.  Bradykinin  is  now 
believed  to  be  the  mediator  of  vasodilation  in  sweat  and  digestive  glands 
when  they  are  activated.  Prekallikrein,  kallikrein  and 

α

2

-globulin  are  also 

found in plasma. 
Myogenic autoregulation: 
This  is  done  by  constriction  when  pressure  increases  and  dilation  when 
pressure decreases. This phenomenon is found in the vascular beds of certain 
organs like the kidney, brain, skeletal muscles, mesentery and the liver. 
The  mechanism  of  myogenic  autoregulation  is  that  when  the  blood 
pressure  increases  →  distention  of  the  arteriole  and  stretch  of  its  wall   


background image

 

 

intrinsic  myogenic  contraction  response  →  vasoconstriction    decrease  in 
blood flow back towards normal. 
The opposite reaction occurs when the blood pressure falls. This enables  an 
organ like the kidney to maintain an almost constant blood flow in arterial 
blood pressure range of 80-160 mmHg.  In  the  brain,  changes  in  systemic 
arterial  pressure  are  compensated  by  the  appropriate  responses  of 
vascular smooth muscle.  
A  decrease  in  arterial  pressure  causes  cerebral  vessels  to  dilate,  so  that 
adequate  rates  of  blood  low  can  be  maintained  despite  the  decreased 
pressure. While, high blood pressure causes cerebral vessels to constrict, 
so that finer vessels downstream are protected from the elevated pressure. 
These responses are myogenic; they are direct responses by the vascular 
smooth muscle to changes in pressure. 

Long-term regulation mechanisms: 

These mechanisms adjust the basal blood flow over long periods of time. 
They take few hours up to few weeks to be fully effective.  They correct 
any  change  in  basal  flow  at  blood  pressure  range  of  50-250  mmHg. 
Three mechanisms are involved: 

 a- Opening of closed collaterals. 

     b- Formation of new vessels. 
     c- Narrowing or closure of some vessels. 
Opening of closed collaterals: 
When an artery or a vein is blocked, new vascular channels, which bypass 
the blocked segment, opens within one to two minutes. Such alternative 
vascular channels are normally found, but they are closed, Hypoxia  and 
the metabolic vasodilators of the ischemic segment lead to their opening. 
Formation of new vessels (angiogenesis): 
Hypoxic  tissues  (either  due  to  lack  of  O

2

  supply  or  high  metabolic  rate) 

produce  angiogenic  substances  called  angiogenins.  These  substances 
stimulate  the  sprouting  of  new  vessels  from  the  wall  of  venules  and 
capillaries.  Some  of  these  vessels  may  grow  up  to  form  arterioles  or  even 
small  arteries.  The  ability  of  young  tissues  to  form  new  blood  vessels  in 
response to hypoxia is very high. 
Narrowing or closure of vessels: 
Increased  blood  flow  (e.g.  by  increase  in  arterial  blood  pressure)  or 
breathing  air  with  high  O

2

  content  or  depression  of  tissue  metabolism 

elevates  the  local  O

2

  level  (hyperoxia).  Blood  vessels  constrict.  If 

hyperoxia  lasts  for  a  long  time,  structural  changes  take  place  in  the 
vascular wall leading to permanent narrowing of the vascular lumen (e.g. 
arteriosclerotic  changes  which  occur  with  chronic  hypertension)  some 
vessels might even get completely closed and obliterated. 

 


background image

 

 

 
 
 
B-Regulation of Blood Flow: 

This  is  the  Regulation  of  Blood  Flow  either  by  the  autonomic  nervous 
system or by the endocrine system. Angiotensin II, for example, directly 
stimulates 

vascular 

smooth 

muscle 

to 

produce 

generalized 

vasoconstriction. Antidiuretic hormone (ADH) also has a vasoconstrictor 
effect at high concentrations; this is why it is also called vasopressin. This 
vasopressor  effect  of  ADH  is  not  believed  to  be  significant  under 
physiological conditions in humans. 
Regulation of blood flow by Sympathetic Nerves 
Stimulation  of  the  sympathoadrenal  system  produces  an  increase  in  the 
cardiac  output  and  an  increase  in  total  peripheral  resistance  through  α-
adrenergic stimulation of vascular smooth muscle by norepinephrine and 
to a lesser degree, by epinephrine. This produces vasoconstriction of the 
arterioles in the viscera and skin.  
In resting condition, when a person is calm, the sympathoadrenal system 
is  active  to    a  certain  degree  and  helps  set  the  tone  of  vascular  smooth 
muscles.  In  this  case,  adrenergic  sympathetic  fibers  (those  that  release 
norepinephrine) activate                 α-adrenergic receptors to cause a basal 
level of vasoconstriction  throughout the body. During the fight-or-flight 
reaction,  an  increase  in  the  activity  of  adrenergic  fibers  produces 
vasoconstriction in the digestive tract, kidneys and skin, and vasodilation 
in the skeletal muscles which receive cholinergic sympathetic fibers, that 
release  acetylcholine  as  a  neurotransmitter.  Vasodilation  in  skeletal 
muscles is also produced by epinephrine secreted by the adrenal medulla, 
which  stimulates  beta-adrenergic  receptors.  In  other  words,  during  the 
fight-or-flight  reaction,  blood  flow  is  decreased  to  the  viscera  and  skin 
because  of  the  α-adrenergic  effects  of  vasoconstriction  in  these  organs, 
whereas blood flow to skeletal muscles is increased.  
Regulation of blood flow by Parasympathetic Nerves 
Parasympathetic endings in arterioles are always cholinergic and always 
promote  vasodilatation.  Parasympathetic  innervation  of  blood  vessels, 
however, is limited to the digestive tract, external genitalia, and salivary 
glands. Because of this limited distribution, the parasympathetic system is 
less  important  than  the  sympathetic  system  in  the  control  of  total 
peripheral resistance. 
 
 
 
 


background image

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Types of blood flow: 
Laminar flow: 
The flow of blood in almost all vessels in the body is a 
smooth, streamline, laminar flow, i.e. the blood flows in several layers or 
laminae  around              a  central  layer.  The  central  lamina  moves  at 
maximum velocity, whereas the outer laminae move at lower  velocities. 
The  outermost  lamina  is  practically  static  and  adherent  to  the  vascular 
endothelium.  The  mean  velocity  of  blood  flow  is  the  average  of  the 
velocities of all  layers  in  the  vessel.    The  RBCs  generally  travel  in  the 
central laminae, while the plasma generally travels in the outer laminae. The 
laminar flow is silent (i.e. producing no sounds). So, normally no sound is 
heard if a stethoscope is applied over a blood vessel. The friction forces on 
the vascular endothelium are minimal.   
Turbulent  Flow:  This  is  disturbed  blood  flow  in  the  form  of  eddies  in 
various  directions,  in  which  fluid  particles  move  in  forward  as  well  as 
side-to-side directions. Turbulence  produces sounds (bruits or murmurs) 
that can be heard by the stethoscope. The friction forces of the turbulent 
flow on vascular endothelium are high. It may lead to excessive shedding 
of the lining endothelium (thus predisposing to intravascular clotting and 
development atherosclerosis). 

 
Methods for measuring the blood flow rate:
 

 
Measuring blood flow through an organ
 
1-Plethysmography:  recording  change  in  volume  of  an  organ  after 

occluding its venous drainage. Rate of increase in volume of the organ 
equals rate of blood flow. 

2-Fick's principle.   
3-Plasma clearance: e.g., determination of renal blood flow.  
 
Measuring blood flow through a blood vessel
 
1-Electromagnetic flow meters. 
2-The ultrasonic Doppler flow meters.  
 


background image

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
/////////// 
Laminar  flow  explains  why  the  measured  circulation  times  are  shorter  than 
real times. This is because the timing is made on the arrival of the first amount 
of the indicator to the end point. This first amount travels at maximum speed 
in the central axial stream, not at an average speed. 
 
Total peripheral resistance: 
It  is  the  sum  of  all  the  vascular  resistances  within  the  systemic 
circulation. 
Vasodilation in a large organ might, however, significantly decrease the 
total  peripheral  resistance  and.  by  this  means,  might  decrease  the  mean 
arterial pressure. In the absence of compensatory mechanisms, the driving 
force for blood flow through all organs might be reduced. This situation 
is  normally  prevented  by  an  increase  in  the  cardiac  output  and  by 
vasoconstriction in other areas. During exercise of the large muscles, for 
example, the arterioles in the exercising muscles are dilated. This would 
cause  a  great  fall  in  mean  arterial  pressure  if  there  were  no 
compensations.  The  blood  pressure  actually  rises  during  exercise, 
however,  because  the  cardiac  output  is  increased  and  because  there  is 
constriction of arterioles in the viscera and skin. 


background image

 

 

/////////////// 
 
Paracrine Regulation of Blood Flow 
Paracrine  regulators  are  molecules  produced  by  one  tissue  that  help  to 
regulate another tissue of the same organ. Blood vessels are particularly 
subject  to  Paracrine  regulation.  Specifically,  the  endothelium  of  the 
tunica  interna  produces  a  number  of  Paracrine  regulators  that  cause  the 
smooth muscle of the tunica media to either relax or contract. 
The endothelium produces several molecules that promote smooth muscle 
relaxation,  including  nitric  oxide,  bradykinin,  and  prostacyclin.  The 
endothelium-derived relaxation factor that earlier research had shown to 
be required for the vasodilation response to nerve stimulation appears to 
be nitric oxide. 
The  endothelium  of  arterioles  contains  an  enzyme,  endothelial  nitric 
oxide  synthase, which  produces  nitric  oxide  (NO)  from  L-arginine.  The 
NO diffuses into the smooth muscle cells of the tunica media of arterioles 
and  activates  the  enzyme  guanylate  cyclase,  which  converts  GTP  into 
cyclic  GMP  (cGMP)  and  pyrophosphate  (PP,).  The  cGMP  serves  as  a 
second  messenger  that,  through  a  variety  of  mechanisms,  acts  to  lower 
the  cytoplasmic  Ca

+2

  concentrations.  This  leads  to  smooth  muscle 

relaxation  and  thus  vasodilation.  In  many  arterioles,  a  baseline  level  of 
NO  production  helps  regulate  the  resting  "tone"  (degree  of 
vasoconstriction/vasodilation) of the arterioles. 
In  response  to  ACh  released  from  autonomic  axons,  however,  the 
production  of  NO  may  be  increased.  This  occurs  through  the  following 
sequence of events:  
(1)  ACh  stimulates  the  opening  of  Ca

2+

  channels  in  the  endothelial  cell 

membrane.  
(2) The Ca

2+

 then binds to and activates calmodulin:  

(3) Activated calmodulin, in turn, activate nitric oxide synthase and thus 
increase  the  production  of  NO.  It  is  interesting  in  this  regard  that 
vasodilator  drugs  often  given  to  treat  angina  pectoris—including 
nitroglycerin—promote  vasodilation  indirectly  through  their  conversion 
into nitric oxide. 
The  endothelium  also  produces  Paracrine  regulators  that  promote 
vasoconstriction.  Notable  among  these  is  the  polypeptide  endothelin-1. 
This  Paracrine  regulator  stimulates  vasoconstriction  of  arterioles,  thus 
raising  the  total  peripheral  distance.  In  normal  physiology,  this  action 
may work together /ith those regulators that promote vasodilation to help 
regulate blood pressure. 
 
//////////////// 
 


background image

 

 

Intrinsic Regulation of Blood Flow 
Intrinsic,  or  "built-in,"  mechanisms  within  individual  organs  provide  a 
localized regulation of vascular resistance and blood flow.  
Intrinsic  mechanisms  are  classified  as  myogenic  or  metabolic.  Some 
organs,  the  brain  and  kidneys  in  particular,  utilize  lese  intrinsic 
mechanisms  to  maintain  relatively  constant  flow  rates  despite  wide 
fluctuations in blood pressure. This ability is termed autoregulation. 
Myogenic Control Mechanisms 
If the arterial blood pressure and flow through an organ are inadequate—
if the organ is inadequately perfused with blood— the metabolism of the 
organ  cannot  be  maintained  beyond  a  limited  time  period.  Excessively 
high  blood  pressure  can  also  be  dangerous,  particularly  in  the  brain, 
because  this  may  result  in  the  rupture  of  fine  blood  vessels  (causing 
cerebrovascular accident—CVA, or stroke). 
Changes  in  systemic  arterial  pressure  are  compensated  for  in  the  brain 
and  some  other  organs  by  the  appropriate  responses  of  vascular  smooth 
muscle. A decrease  in arterial  pressure causes cerebral  vessels to  dilate, 
so  that  adequate  rates  of  blood  low  can  be  maintained  despite  the 
decreased  pressure.  High  blood  pressure,  by  contrast,  causes  cerebral 
vessels to constrict, so that finer vessels downstream are protected from 
the  elevated  pressure.  These  responses  are  myogenic;  they  are  direct 
responses by the vascular smooth muscle to changes in pressure. 
Metabolic Control Mechanisms 
Local vasodilation within an organ can occur as a result of the chemical 
environment  created  by  the  organ's  metabolism.  The  localized  chemical 
conditions that promote vasodilation include  
1) Decreased oxygen concentrations that result from increased Metabolic 
rate;  
(2) Increased carbon dioxide concentrations;  
(3)  Decreased  tissue  pH  (due  to  CO

2

,  lactic  acid,  and  other  metabolic 

products); and (4) the release of adenosine or K

+

 from the tissue cells.  

Through these chemical changes, the organ signals its blood vessels of its 
need for increased oxygen delivery. 
The  vasodilation  that  occurs  in  response  to  tissue  metabolism  can  be 
demonstrated by constricting the blood supply to an area for a short time 
and  then  removing  the  constriction.  The  constriction  allows  metabolic 
products to accumulate by preventing venous drainage of the area. When 
the  constriction  is  removed  and  blood  flow  resumes,  the  metabolic 
products  that  have  accumulated  cause  vasodilation.  The  tissue  thus 
appears  red.  This  response  is  called  reactive  hyperemia.  A  similar  in-
crease  in  blood  flow  occurs  in  skeletal  muscles  and  other  organs  as  a 
result  of  increased  metabolism.  This  is  called  reactive  hyperemia.  The 
increased  blood  flow  can  wash  out  the  vasodilator  metabolites,  so  that 


background image

 

 

blood  flow  can  fall  to  pre-exercise  levels  a  few  minutes  after  exercise 
ends. 
 
 
////////////////???????????????????????? 
(1) Laminar blood flow : This is the normal smooth (streamline) flow of 
blood  in  the  blood  vessels.  It  is  silent  (i.e.  producing  no  sounds)  and 
laminar  i.e.  the  blood  flows  in  several  layers  or  laminae  (figure  62  A). 
The  outermost  layer  of  blood  in  contact  with  the  vessel  wall  is  almost 
completely  static  (i.e.  not  moving)  while  the  other  layers  move  by 
velocities that increase gradually from out inwards till becoming maximal 
in  the  central  layer  of  the  stream.  The  mean  velocity  is  the  average  of 
velocities  in  all  blood  layers,  and  beyond  a  certain  critical  velocity, 
turbulence occurs (see below). 
.   ■ 
^ It should be noted that the circulation times measured above reflect the 
maximum blood velocity and not the mean velocity. This is because these 
times are determined by the first appearance of the indicator substances at 
the  end  points  (which  depends  on  the  maximal  velocity  in  the  centra! 
blood  layer)-  Therefore,  the  measured  circulation  times  are  actually 
shorter than the true times between the corresponding points. 
 (2)  Turbulent  blood  flow:  This  is  disturbed  blood  flow  in  the  form  of 
eddies  in  various  directions.  It  produces  sounds  (=  bruits  or  murmurs^ 
which can be heard by the stethoscope. It may lead to excessive shedding 
of  the  lining  endothelium  (thus  predisposing  to  atherosclerosis).  It 
specially  occurs  when  the  critical  velocity  is  exceeded,  in  addition  to 
other factors (see next). 
 
There  are  several  methods  for  measuring  the  blood  flow  rate  through 
organs or through individual blood vessels. 
Several  methods  could  be  used.  The  following  are  two  widely  used 
methods: 
 
This  is  done  by  regulating  the  diameter  of  arterioles  by  constriction  or 
dilation. 
1-Electromagnetic flow meters: This technique depends on the principle 

that  the  flow  of  blood  between  two  poles  of  a  magnet  generates  an 
electromotive  force  (EMF)  in  the  blood,  because  the  RBC's  cut  the 
power  lines  in  the  magnetic  field.  The  magnitude  of  the  EMF  is 
proportionate  to  the  flow  of  blood.  This  EMF  magnitude  can  be 
measured from the surface of the blood vessel. 

2-The ultrasonic Doppler flow meters: A piezoelectric piece of crystal 

emit a pulse of ultrasonic waves (several million Hz) downstream the 


background image

 

 

flowing blood. The sound waves that hit the RBC's are reflected back 
but  at  different  slower  frequency,  because  RBCs  are  moving  away 
from  the  crystal.  The  amount  and  the  wave  length  of  the  reflected 
waves  are  picked  up  by  the  crystal  and  the  data  are  computed.  The 
amount  of  the  reflected  waves  is  indicative  of  the  density  of  RBCs 
which  is  indicative  of  the  diameter  of  the  vessel.  The  difference  in 
wave length between the emitted and the reflected waves is indicative 
of the velocity of blood flow. 

 

 

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
>>> 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 9 أعضاء و 158 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل