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 гипоксийПо 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 гипоксийЭкзогенная (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) гипоксияПричина 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.
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 РО2 HbO2 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 гипоксииАдаптивные 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 гипоксииФормируются 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 гипоксииВ 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 гипоксии1. 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).