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.;
Напряжение кислорода артериальной крови (РаО>2>) – 95-100 мм рт.ст.;
Напряжение кислорода венозной крови (РvО>2>) – 30-50 мм рт.ст.;
Насыщение (сатурация) гемоглобина кислородом артериальной крови (HbO>2>а) – 95-97%;
Насыщение гемоглобина кислородом венозной крови (HbO>2>v) – 50-75%;
Объемное содержание кислорода (VO>2>), или КЕК (количество мл О>2>, способное связаться с Hb в 100 мл крови). КЕК артериальной крови (VaO>2>) составляет 19-21 об%, а КЕК венозной (VvO>2>) – 12-15 об%. Это означает, что Hb 100 мл артериальной крови способен связать 19-21 мл О>2>.
Напряжение углекислого газа в артериальной (PaCO>2>) и венозной (PvCO>2>) крови: 38-41 (35-45) мм рт.ст. и 46 ммрт.ст. соответственно.
Кривая диссоциации оксигемоглобина (КДО). Отражает зависимость между РО>2> и HbO>2>, фактически – сродство гемоглобина к кислороду. Имеет форму латинской S на графике, где по горизонтали - РО>2>, а по вертикали – Hb>2>O. Сдвиг КДО вправо означает снижение способности Hb связывать О>2>. Сдвиг КДО влево означает увеличение способности Hb связывать О>2>. Сродство Hb к О>2> зависит от рН, t, содержания в эритроцитах органических фосфатов (ДФГ и АТФ).
Алкалоз, снижение t, уменьшение содержания ДФГ в эритроцитах увеличивают сродство Hb к О>2> 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 PаO>2> – 27-33 мм рт.ст.
По этиологии и патогенезу. Общепринятой является классификация, предложенная И.Р. Петровым (1967):
Экзогенная гипоксия (вследствие снижения PO>2> во вдыхаемом воздухе);
Группа эндогенных гипоксий (вследствие тех или иных нарушений в самом организме):
дыхательная (легочная);
циркуляторная (сердечно-сосудистая);
гемическая (кровяная);
тканевая (гистотоксическая);
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 (PO>2>) 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 РО>2> во вдыхаемом воздухе ведет к снижению РО>2> в альвеолярном воздухе и артериальной крови. То есть, развивается артериальная гипоксемия (главное звено патогенеза). Снижается РО>2 >и в венозной крови. Гипоксемия ведет к уменьшению насыщения Hb кислородом (HbО>2 >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 СО>2>, что наряду с уменьшением образования СО>2> в тканях> >из-за гипоксии ведет к развитию гипокапнии (снижение РСО>2>) 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: РО>2> и HbO>2 > и в артериальной, и в венозной крови; РСО>2>; 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 РО>2> во вдыхаемом воздухе, а с нарушением газообмена в легких. И, во-вторых, при дыхательной гипоксии наблюдается увеличение РСО>2>, 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: РО>2> и HbO>2 > и в артериальной, и в венозной крови; РСО>2>; 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: РО>2> и HbO>2 >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, РО>2> и HbO>2 >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.
Гипоксия нагрузки (по Колчинской), или перегрузочная. Из названия ясно, что развивается этот вид гипоксии у здоровых людей при значительном или длительном увеличении функции тканей, органов и систем (чаще всего, это касается скелетной мускулатуры и миокарда). Наблюдается у спортсменов, после тяжелой физической работы. С точки зрения патогенеза, перегрузочная гипоксия – это несоответствие потребности в кислороде и доставки его к ткани. При этом резко увеличивается отдача кислорода и потребление его тканями. Поэтому РО>2> HbO>2> в венозной крови резко снижаются, а в артериальной в норме. В результате АВР значительно увеличивается.
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:
увеличение частоты, глубины дыхания, числа функционирующих альвеол; механизм рефлекторный, связан с активацией хеморецепторов при изменении химического и газового состава крови;
увеличение ударного и минутного объема сердца, а значит, МОС и скорости кровотока; механизм связан с активацией симпатоадреналовой системы;
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.);
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);
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:
снижение интенсивности и увеличение экономичности обменных процессов; преобладание анаболических процессов;
увеличение числа митохондрий, их крист, ферментов, повышение сопряженности окисления и фосфорилирования;
гипертрофия легких с увеличением числа альвеол и капилляров в них;
гипертрофия дыхательной мускулатуры;
гипертрофия миокарда с увеличением капилляров и митохондрий;
гипертрофия нейронов и увеличение числа нервных окончаний в тканях и органах;
увеличение количества капилляров во всех органах и тканях, усиление перфузии;
активация эритропоэза; повышение сродства гемоглобина к кислороду в легких и облегчение отдачи его в тканях;
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
Этиотропный. При экзогенной гипоксии – нормализация РО>2 >во вдыхаемом воздухе, при гипокапнии - добавление СО>2>, при измененном барометрическом давлении – нормализация его; При эндогенных гипоксиях – лечение болезни или патологического процесса, ставшего причиной развития гипоксии, а также нормобарическая или гипербарическая оксигенотерапия;
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)
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:
с образованием активных форм кислорода и их прямым повреждающим действием на мембраны клеток, ферменты, нуклеиновые кислоты, белки.
с чрезмерным усилением процессов ПОЛ.
Проявления токсического действия избытка кислорода встречаются в 3 вариантах:
судорожный (при преимущественном поражении головного и спинного мозга);
гиповентиляционный (при преимущественном поражении легких: ателектазы, отек);
общетоксический (заключается в развитии ПОН).