Характеристика гипоксии
Лекция «Гипоксия»
Термин «гипоксия» происходит
от 2 корней: греческого hypo –
мало и латинского oxy (от oxygenium) – кислород. Предложил американский
физиолог Уигерс в 1940 году.
Определение понятия.
Гипоксия – типовой патологический процесс, возникающий при недостаточном
снабжении тканей кислородом и/или при нарушении его утилизации в ходе
биологического окисления. Синонимами понятия «гипоксия» являются: «кислородное
голодание» и «кислородная недостаточность».
Не самое удачное
определение, поскольку в нем в самом общем виде обозначены лишь причины
развития гипоксии (нарушение снабжения и нарушение утилизации). Однако гипоксия
как таковая – это как раз то, что происходит в клетках, тканях, органах и
системах из-за недостатка кислорода (патологические и компенсаторные изменения).
Гипоксия является
составной частью патогенеза (или патогенетическим фактором) очень многих
заболеваний сердечно-сосудистой системы, дыхания, крови, почек и т.д. Поэтому
причины, приводящие к ее развитию весьма разнообразны. Однако проявления и
механизмы компенсации при этом сходны, что позволяет относить гипоксию к
категории типовых патологических процессов.
Гипоксия есть нарушение
кислородного режима организма. Для количественной оценки состояния кислородного
режима используют ряд 5 мм рт. ст.;
1.
Напряжение
кислорода артериальной крови (РаО2) – 95-100 мм рт.ст.;
2.
Напряжение
кислорода венозной крови (РvО2)
– 30-50 мм рт.ст.;
3.
Насыщение (сатурация)
гемоглобина кислородом артериальной крови (HbO2а) – 95-97%;
4.
Насыщение
гемоглобина кислородом венозной крови (HbO2v) – 50-75%;
5.
Объемное
содержание кислорода (VO2), или КЕК (количество мл О2,
способное связаться с Hb в
100 мл крови). КЕК артериальной крови (VaO2) составляет 19-21 об%, а КЕК венозной (VvO2) – 12-15 об%. Это означает, что Hb 100 мл артериальной крови способен
связать 19-21 мл О2.
6.
Напряжение
углекислого газа в артериальной (PaCO2) и
венозной (PvCO2) крови: 38-41 (35-45) мм рт.ст. и 46 ммрт.ст.
соответственно.
7.
Кривая
диссоциации оксигемоглобина (КДО). Отражает зависимость между РО2 и HbO2, фактически – сродство гемоглобина к кислороду. Имеет
форму латинской S на графике, где
по горизонтали - РО2, а по вертикали – Hb2O. Сдвиг
КДО вправо означает снижение способности Hb связывать О2. Сдвиг КДО влево означает увеличение
способности Hb связывать О2. Сродство Hb к О2 зависит от рН, t°, содержания в эритроцитах
органических фосфатов (ДФГ и АТФ).
Алкалоз, снижение t, уменьшение содержания ДФГ в
эритроцитах увеличивают сродство Hb к О2
и уменьшают отдачу его тканям. Ацидоз, повышение t, увеличение содержания ДФГ в эритроцитах, напротив, -
уменьшают сродство и увеличивают отдачу кислорода тканям.
Уменьшение содержания ДФГ
в эритроцитах наблюдается в старых эритроцитах, при длительном хранении
консервированной крови, при голодании, рвоте, СД, алкогольной абстиненции,
алкалозе. Увеличение содержания ДФГ в эритроцитах наблюдается в молодых
эритроцитах, а также при уремии и циррозе печени.
Классификации гипоксий
По скорости развития
различают:
- острейшую, или молниеносную (в
течение нескольких десятков секунд);
- острую (в течение нескольких десятков
минут, в переделах часа);
- подострую (в течение нескольких
часов, в пределах суток);
- хроническую (длится недели, месяцы,
годы)
По тяжести (выраженности расстройств функций
органов и систем и КЩР):
- легкая,
- средняя,
- тяжелая,
- критическая (летальная). Критическое PаO2 – 27-33 мм рт.ст.
По этиологии и патогенезу. Общепринятой является
классификация, предложенная И.Р. Петровым (1967):
I.
Экзогенная
гипоксия (вследствие снижения PO2 во вдыхаемом воздухе);
II.
Группа эндогенных
гипоксий (вследствие тех или иных нарушений в самом организме):
1.
дыхательная (легочная);
2.
циркуляторная
(сердечно-сосудистая);
3.
гемическая
(кровяная);
4.
тканевая
(гистотоксическая);
5.
смешанная.
В 1981 г Колчинская
дополнила классификацию Петрова 3 позициями:
- гипероксическая,
- гипербарическая,
- гипоксия нагрузки.
В последнее время в рамках экзогенной
гипоксии выделяют отдельные ее варианты.
Характеристика
отдельных видов гипоксий
Экзогенная
(гипоксическая) гипоксия. Причина – снижение парциального давления кислорода (PO2) во вдыхаемом воздухе. Это может иметь место при нормальном,
пониженном и повышенном барометрическом давлении. Соответственно различают:
нормобарическую, гипобарическую и гипербарическую экзогенную гипоксию.
Нормобарическая экзогенная гипоксия возникает во
время пребывания людей в небольших, плохо вентилируемых помещениях, при
нарушении подачи кислородной смеси в летательных или глубинных аппаратах или
автономных костюмах, при нарушении режима ИВЛ.
Гипобарическая экзогенная гипоксия развивается при
подъеме в горы, в открытых летательных аппаратах, при разгерметизации
летательного аппарата, в условиях барокамеры.
Гипербарическая экзогенная гипоксия
(гипербарическая, по классификации Колчинской) может возникать в условиях
барокамеры, т.е. при использовании гипербарической оксигенации с лечебной целью
(«дача» кислорода под давлением). Парадоксальное развитие гипоксии в этом
случае связано с усилением процессов ПОЛ и образованием активных форм
кислорода, которые разрушают мембраны клеток и блокируют ферменты дыхательной
цепи. Для того, чтобы избежать развития гипоксии в этой ситуации, метод
применяют под защитой антиоксидантов.
Патогенез экзогенной
гипоксии: снижение
РО2 во вдыхаемом воздухе ведет к снижению РО2 в
альвеолярном воздухе и артериальной крови. То есть, развивается артериальная
гипоксемия (главное звено патогенеза). Снижается РО2 и в венозной
крови. Гипоксемия ведет к уменьшению насыщения Hb кислородом (HbО2
в артериальной и венозной крови).
Гипоксемия, кроме того,
ведет к возбуждению хеморецепторов синокаротидной зоны и дуги аорты и развитию
компенсаторной гипервентиляции. Вследствие гипервентиляции происходит вымывание
СО2, что наряду с уменьшением образования СО2 в тканях
из-за гипоксии ведет к развитию гипокапнии (снижение РСО2) и
респираторный (газовый) алкалоз.
Гипокапния вызывает
расширение сосудов и снижение системного АД. Однако при значительной гипокапнии
происходит сужение сосудов мозга и сердца, что может привести к ухудшению
кровоснабжения этих органов и развитию обморока или стенокардии.
Прогрессирующая
гипокапния ведет к угнетению дыхательного центра, урежению дыхания, что наряду
с накоплением в тканях недоокисленных продуктов может привести к смене
респираторного алкалоза метаболическим ацидозом.
Основные показатели: РО2
и HbO2 ¯ и в артериальной, и в венозной крови;
РСО2¯; КЕК и МОС в норме или компенсаторно повышены.
Дыхательная
(легочная) гипоксия
Причина развития дыхательной гипоксии –
нарушение оксигенации крови в легких, что может быть следствием недостаточной
вентиляции, перфузии или диффузии. Нарушение этих процессов наблюдается при
различных заболеваниях или патологических процессах в самих легких или бронхах,
или при нарушении механизмов регуляции дыхания.
Патогенез дыхательной гипоксии в основном
совпадает с патогенезом экзогенной гипоксии. Есть 2 отличия. Во-первых,
гипоксемия, которая также является основным звеном патогенеза дыхательной
гипоксии, связана не со снижением РО2 во вдыхаемом воздухе, а с
нарушением газообмена в легких. И, во-вторых, при дыхательной гипоксии
наблюдается увеличение РСО2, то есть гиперкапния из-за
гиповентиляции альвеол. Гиперкапния и ацидоз уменьшают сродство гемоглобина к
кислороду и еще больше затрудняют процесс оксигенации крови в легких.
Основные показатели: РО2
и HbO2 ¯ и в артериальной, и в венозной
крови; РСО2;
КЕК и МОС в норме или компенсаторно повышены.
Циркуляторная
(сердечно-сосудистая) гипоксия. Причина – недостаточное кровоснабжение
тканей. Это может наблюдаться при кровопотере, обезвоживании, хронической
сердечной недостаточности, шоке, коллапсе, артериальной гипо- и гипертензии,
типовых нарушениях периферического кровообращения, патологии сосудистой стенки.
Нарушения кровоснабжения тканей в этих ситуациях связаны со снижением ОЦК,
замедлением скорости кровотока, расстройствами микроциркуляции или нарушением
диффузии кислорода через сосудистую стенку в ткань. Однако чаще имеет место
сочетание нескольких факторов.
Виды циркуляторной гипоксии. В
зависимости от этиологического фактора различают местную и системную
циркуляторную гипоксию. В основе местной циркуляторной гипоксии лежат типовые
нарушения местного (регионарного, органного, периферического) кровообращения:
ишемия, венозная гиперемия, стаз. Нарушение циркуляции крови при таких
состояниях, как шок, коллапс, ХСН и т.д., носит системный характер, поэтому при
них развивается системная циркуляторная гипоксия.
Патогенез циркуляторной гипоксии. При нарушении
кровоснабжения тканей проблемы возникают только на этапе доставки к ним
кислорода и связаны они с замедлением скорости кровотока. В этой ситуации
артериальная кровь, содержащая нормальное количество кислорода и
оксигемоглобина, успевает отдать тканям больше кислорода и поэтому в оттекающей
венозной крови оксигемоглобина становится меньше нормы. Артериовенозная разница
по кислороду растет (если только нет сброса по шунтам). Ткани, однако все равно
испытывают гипоксию, поскольку скорость перехода кислорода в ткань отстает от
скорости метаболических процессов. Развивается метаболический ацидоз.
Основные показатели: РО2 и HbO2 артериальной крови в норме, а те же
показатели в венозной понижены (артериовенозная разница по кислороду
увеличена). МОС снижен, КЕК в норме или компенсаторно повышена.
Гемическая (кровяная)
гипоксия. В основе гемической гипоксии – снижение кислородтранспортной функции
крови. Способность крови переносить кислород определяется количеством и
качеством гемоглобина, а показатель, отражающий эту способность – КЕК. Количественные
нарушения гемоглобина сводятся к снижению содержания гемоглобина в единице
объема крови и наблюдаются при анемиях.
Качественные нарушения гемоглобина
(гемоглобинопатии) сводятся к наличию или образованию патологического
гемоглобина, у которого нарушена способность связываться с кислородом в легких
или отдавать кислород тканям (способность к оксигенации и дезоксигенации).
Гемоглобинопатии бывают наследственными и приобретенными. В основе наследственных
гемоглобинопатий лежат генные мутации, ведущие к нарушению аминокислотного
состава глобина. Примеры заболеваний: талассемия, серповидноклеточная анемия и
др.
Приобретенные гемоглобинопатии развиваются под
действием окиси углерода, метгемоглобинобразователей, сильных окислителей. Так
при отравлении угарным газом образуется карбоксигемоглобин (HbCO), сродство которого к гемоглобину
почти в 300 раз выше, чем у кислорода, а скорость диссоциации очень низка. При
отравлении метгемоглобинобразователями (нитриты, нитраты, хиноны,
сульфаниламиды, фенацетин, амидопирин) образуется метгемоглобин (MetHb), который не способен переносить
кислород.
Транспортные свойства
гемоглобина и способность отдавать кислород тканям нарушаются также при
изменении рН, осмотического давления, реологических свойств крови, содержания
ДФГ.
Основные показатели. Отличительной особенностью
гемической гипоксии является снижение КЕК и в артериальной, и в венозной крови.
РО2 в артериальной крови остается нормальным, в венозной – снижается. АВР по
кислороду увеличивается. Развивается метаболический ацидоз.
Тканевая (гистотоксическая)
гипоксия. В основе тканевой гипоксии – снижение эффективности утилизации
кислорода клетками и/или сопряжения окисления и фосфорилирования.
В свою очередь, снижение
эффективности утилизации кислорода клетками может быть связано со следующими
причинами:
- подавление активности ферментов
биологического окисления (специфическое подавление при отравлении цианидами и
неспецифическое под действием ионов серебра, ртути, меди).
- Изменение физико-химических
параметров в ткани (t, рН,
электролитного состава) при гипо- и гипертермии, анемиях, сердечной, почечной,
печеночной недостаточности и др.
- Снижение синтеза ферментов
биологического окисления при белковом голодании, гиповитаминозах, нарушениях
минерального обмена.
- Повреждение мембран митохондрий под
действием свободных радикалов и продуктов ПОЛ, лизосомальных ферментов.
Снижение сопряжения окисления и
фосфорилирования макроэргических соединений в дыхательной цепи (а значит –
увеличение расхода кислорода) развивается под действием избытка ионов кальция,
водорода, ВЖК, гормонов щитовидной железы, некоторых лекарств (дикумарин,
грамицидин).
Основные показатели. Поскольку клетки плохо утилизируют
кислород, РО2 и HbO2 и КЕК
в венозной крови практически не отличаются от таковых в артериальной
крови, то есть значительно выше нормы, а в артериальной эти показатели в норме.
АВР по кислороду резко уменьшается. В тяжелых случаях кровь, какая притекает к
тканям, такая и оттекает. Развивается метаболический ацидоз.
Гипероксическая (по Колчинской)
гипоксия. Развивается при дыхании чистым кислородом или кислородно-воздушной
смесью с высоким %-содержанием кислорода. Парадоксальное развитие гипоксии при
этом связано с замедлением скорости транспорта кислорода, сужением сосудов и,
значит, ухудшением доставки кислорода к клеткам.
Гипоксию нагрузки следует
относить к физиологической гипоксии, поскольку причина ее развития – не
патологический процесс, а физиологический. К физиологической гипоксии относятся
также гипоксия матери и плода, а также гипоксия у стариков. В обоих случаях
также имеется несоответствие между потребностью и доставкой кислорода, однако в
первом случае - по причине повышенной потребности, а во втором – из-за
ухудшения доставки.
Смешанный тип гипоксии
является результатом сочетания 2 или более типов гипоксии. Примеры. При
массивной кровопотере развивается и гемическая гипоксия (из-за уменьшения
содержания гемоглобина), и циркуляторная (из-за снижения ОЦК). При ХСН
развивается циркуляторная гипоксия (из-за застоя крови и снижения МОС), и
дыхательная (из-за застоя крови в легких и нарушения процесса оксигенации). Гипоксия
при отравлении наркотическими веществами развивается из-за угнетения функции сердца,
дыхательного центра и активности дыхательных ферментов. То есть развивается
циркуляторная, дыхательная и тканевая гипоксия.
Адаптивные реакции при
гипоксии
Адаптивные реакции при
гипоксии делятся на экстренные и долговременные.
Экстренные механизмы
адаптации.
Предсуществуют в каждом организме, поэтому включаются тотчас же. Направлены на
срочное усиление доставки кислорода и субстратов к тканям. Носят несовершенный
и неустойчивый характер. К ним относятся:
1.
увеличение
частоты, глубины дыхания, числа функционирующих альвеол; механизм рефлекторный,
связан с активацией хеморецепторов при изменении химического и газового состава
крови;
2.
увеличение
ударного и минутного объема сердца, а значит, МОС и скорости кровотока;
механизм связан с активацией симпатоадреналовой системы;
3.
централизация
кровообращения (перераспределение кровотока в пользу ЖВО); механизм – активация
САС и выброс КХА, а также накопление в миокарде метаболитов с сосудорасширяющим
эффектом (аденозин, ПГЕ, кинины и др.);
4.
выброс крови из
депо и костного мозга (выброс КХА, тиреоидных и кортикостеридных гормонов);
повышение сродства гемоглобина к кислороду в легких; усиление диссоциации
оксигемоглобина в тканях (из-за гипоксемии, ацидоза, повышения содержания ДФГ и
АДФ в эритроцитах);
5.
активация
тканевого дыхания, активация гликолиза (из-за снижения содержания АТФ в клетке
и ослабления его ингибирующего влияния на ферменты гликолиза, а также активации
этих ферментов под влиянием продуктов деградации АТФ), повышение сопряженности
окисления и фосфорилирования;
Механизмы
долговременной адаптации к гипоксии
Формируются постепенно.
Носят устойчивый и более совершенный характер. В основе – активация
синтетических процессов, прежде всего - синтез нуклеиновых кислот и белков,
особенно в органах и системах, обеспечивающих доставку кислорода и субстратов.
Иными словами обеспечивается структурная основа адаптации. Благодаря этому
повышается мощность, экономичность и надежность систем доставки и
биологического окисления. К механизмам долговременной адаптации при гипоксии
относятся:
1.
снижение
интенсивности и увеличение экономичности обменных процессов; преобладание
анаболических процессов;
2.
увеличение числа
митохондрий, их крист, ферментов, повышение сопряженности окисления и
фосфорилирования;
3.
гипертрофия
легких с увеличением числа альвеол и капилляров в них;
4.
гипертрофия
дыхательной мускулатуры;
5.
гипертрофия
миокарда с увеличением капилляров и митохондрий;
6.
гипертрофия
нейронов и увеличение числа нервных окончаний в тканях и органах;
7.
увеличение
количества капилляров во всех органах и тканях, усиление перфузии;
8.
активация
эритропоэза; повышение сродства гемоглобина к кислороду в легких и облегчение
отдачи его в тканях;
9.
повышение
эффективности и надежности систем нейрогуморальной регуляции работы сердца,
тонуса сосудов;
При несостоятельности
компенсаторно-приспособительных реакций проявляется повреждающее действие
гипоксии. Степень повреждающего действия гипоксии зависит от мощности
компенсаторно-приспособительных реакций, от тяжести гипоксии, скорости ее
развития, степенью чувствительности тканей к гипоксии. Проявляется повреждающее
действие гипоксии в отношении обмена веществ, функций и структуры клеток,
тканей, органов.
Нарушения обмена
веществ при гипоксии
В условиях недостатка
кислорода подавляются процессы биологического окисления, как следствие,
снижается содержание АТФ и креатинфосфата, нарастает концентрация АДФ, АМФ и
неорганического фосфора (энергодефицит). Как следствие, активируется гликолиз,
накапливаются недоокисленные продукты, развивается ацидоз. Ацидоз активирует липолиз,
протеолиз и неферментный гидролиз белков. Ресинтез липидов, синтез белка и
нуклеиновых кислот, напротив, тормозится. В результате развивается кетоз,
формируется отрицательный азотистый баланс, повышается уровень остаточного
азота и ВЖК в крови. ВЖК разобщают ОФ, а ацидоз подавляет гликолиз, что
усугубляет дефицит АТФ.
Дефицит макроэргов ведет
к нарушению работы ионных насосов, вследствие чего клетки теряют калий, в
цитоплазме накапливается натрий и кальций, в митохондриях – кальций. Избыток
кальция в митохондриях разобщает ОФ и усугубляет энергодефицит. Избыток натрия
в цитозоле притягивает воду, клетки набухают, может произойти осмотический
лизис. Этому способствует и повышение онкотического давления внутри клеток,
связанное с распадом белоксодержащих молекул (полипептидов, липопротеидов).
Метаболические нарушения
при гипоксии неизбежно ведут к нарушению специфических и неспецифических
функций клеток, а в тяжелых случаях – и к структурным повреждениям, вплоть до
необратимых.
Нарушения
функций органов и тканей при гипоксии
Нарушение функций ЦНС –
самое ранней и самое тяжелое последствие гипоксии. Проявляется снижением
критики, неадекватностью поведения и восприятия, головной болью, нарушениями
координации движений, логического мышления, эйфорией, а затем прогрессирующим
угнетением сознания вплоть до потери, развитием комы, судорог, нарушением
бульбарных функций, а значит, расстройствами дыхания и кровообращения.
Расстройства
кровообращения при гипоксии включают в себя: снижение сократительной функции
миокарда, нарушения коронарного кровотока, аритмии, повышение, а затем снижение
АД, расстройства микроциркуляции.
Нарушения функции
внешнего дыхания проявляются развитием дыхательной недостаточности, в основе
которой – нарушения вентиляции, перфузии и диффузии. ДН усугубляет имеющуюся
гипоксию.
Функция почек также может
нарушаться вплоть до развития ОПН при тяжелой гипоксии. В основе - нарушение
фильтрации или реабсорбции (в зависимости от причины гипоксии).
Расстройства функций
печени наблюдаются в основном при хронической гипоксии и выражаются в
нарушениях обмена веществ, нарушениях антитоксической функции печени,
пигментного обмена, нарушениях свертывания крови и др.
Нарушения пищеварения при
гипоксии проявляются снижением аппетита, нарушением моторной и эвакуаторной
функций желудка и кишечника. При тяжелой и длительной гипоксии возможно
образование эрозий и язв слизистой ЖКТ.
Иммунная система. При
тяжелой и длительной гипоксии происходит снижение эффективности специфической и
неспецифической защиты (лизоцим, интерфероны, БОФ, естественные киллеры,
комплемент и др.).
Принципы профилактики
и терапии гипоксии
1.
Этиотропный. При
экзогенной гипоксии – нормализация РО2 во вдыхаемом воздухе, при
гипокапнии - добавление СО2, при измененном барометрическом давлении
– нормализация его; При эндогенных гипоксиях – лечение болезни или
патологического процесса, ставшего причиной развития гипоксии, а также
нормобарическая или гипербарическая оксигенотерапия;
2.
Патогенетический
предполагает:
- ликвидация ацидоза,
- дисбаланса ионов в клетках и крови,
- защита мембран и ферментов,
- повышение интенсивности
биологического окисления,
- снижение уровня функционирования
органов и систем (для соответствия потребности и доставки)
3.
Симптоматический
– устранение тягостных субъективных ощущений (анальгетики, анестетики,
транквилизаторы и др.).
Нормобарическая
оксигенотерапия – дача кислородно-воздушной смеси с высоким содержанием
кислорода или 100%-кислорода в условиях нормального атмосферного давления.
Гипербарическая оксигенотерапия – то же, но в условиях повышенного атмосферного
давления (создается в барокамере).
У каждого метода свои
показания и противопоказания (с учетом вида гипоксии, ее причины и величин
показателей газового состава крови). Оба метода позволяют устранить гипоксию и
ее патогенные эффекты. Однако при необоснованном или неправильном использовании
этих лечебных методов возможно развитие неблагоприятных последствий. Они
связаны:
1.
с образованием
активных форм кислорода и их прямым повреждающим действием на мембраны клеток,
ферменты, нуклеиновые кислоты, белки.
2.
с чрезмерным
усилением процессов ПОЛ.
Проявления
токсического действия избытка кислорода встречаются в 3 вариантах:
1.
судорожный (при
преимущественном поражении головного и спинного мозга);
2.
гиповентиляционный
(при преимущественном поражении легких: ателектазы, отек);
3. общетоксический (заключается в
развитии ПОН).