Основные показатели, характеризующие различные виды гипоксии

Таблица 75

Вид гипоксии	Кисло­родная емкость	Артериальная кровь	Венозная кровь
Содержа­ние О2, об.%	% насыще­ния гемо­глобина о2	Напряже­ние О2 мм рт. ст.	Переход О2 из крови в ткани, об. %	Содержа­ние О2, об.%	% насыще­ния гемо глобина 02	Напряже­ние О2 мм рт. ст.
Норма	17,4-20,5	16,5-20,5	96-98	80-100	4,0-5,5	12-16	70-77	35-45
Гипокси-ческая (экзоген-ная+ды-хательная)	N	1	1	1	N	1	1	i
Анеми­ческая	i	1	N	N	N или 4	1	1	i
Цирку-ляторная	N	N	N	N	it	it	it	it
Гисто-токси-ческая	N	N	N	N		t	t	t

Примечание. N - норма; I - понижение; t - повышение.

При тканевой гипоксии, обусловленной разоб­щением процессов окисления и фосфо-рилирования, потребление кислорода тканями может возрастать, однако превалирующее коли­чество образующейся энергии рассеивается в виде тепла и не может использоваться для нужд клет­ки. Синтез макроэргических соединений снижен и не покрывает потребностей тканей, они нахо­дятся в таком же состоянии, как при недостатке кислорода.

Подобное состояние возникает и при отсут­ствии в клетках субстратов для окисления, что имеет место при тяжелой форме голодания. На этом основании выделяют субстратную гипок­сию.

При гистотоксической и субстратной формах гипоксии напряжение кислорода и процент ок-сигемоглобина в артериальной крови нормаль­ны, а в венозной крови - повышены. Артерио-венозная разница в содержании кислорода па­дает вследствие снижения утилизации кислоро­да тканями. Цианоз при данных видах гипок­сии не развивается (табл. 75).

Смешанные формы гипоксии являются наи­более частыми. Они характеризуются сочетани­ем двух или более основных типов гипоксии: 1) при травматическом шоке наряду с циркулятор-ной может развиться дыхательная форма гипок­сии в связи с нарушением микроциркуляции в

легких («шоковое легкое»); 2) при тяжелой ане­мии или массивном образовании карбокси- или метгемоглобина развивается гипоксия миокар­да, это ведет к снижению его функции, падению кровяного давления - в результате на анемичес­кую гипоксию наслаивается циркуляторная; 3) отравление нитратами вызывает гемическую и тканевые формы гипоксии, так как под действи­ем этих ядов происходит не только образование метгемоглобина, но и разобщение процессов окис­ления и фосфолирирования. Разумеется, смешан­ные формы гипоксии могут оказать более выра­женное повреждающее действие, чем какой-либо один вид гипоксии, так как приводят к срыву ряда компенсаторно-приспособительных реак­ций.

Развитию гипоксии способствуют состояния, при которых возрастает потребность в кислоро­де, - лихорадка, стресс, высокая физическая нагрузка и др.

Перегрузочная форма гипоксии (физиоло­гическая) развивается у здоровых людей при тяжелой физической работе, когда поступление в ткани кислорода может стать недостаточным из-за высокой потребности в нем. При этом ко­эффициент потребления кислорода тканями ста­новится очень высоким и может достигать 90% (вместо 25% в норме). Повышенной отдаче кис­лорода тканям способствует развивающийся при

ЧАСТЬ III. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ОРГАНОВ И СИСТЕМ

тяжелой физической работе метаболический аци­доз, который снижает прочность связи гемогло­бина с кислородом. Парциальное давление кис­лорода в артериальной крови нормально, так же как и содержание оксигемоглобина, а в веноз­ной крови эти показатели резко снижены.

Компенсаторно-приспособительные реакции при гипоксии

Развитие гипоксии является стимулом для включения комплекса компенсаторных и при­способительных реакций, направленных на вос­становление нормального снабжения тканей кис­лородом. В противодействии развитию гипоксии принимают участие системы органов кровооб­ращения, дыхания, система крови, происходит активация ряда биохимических процессов, спо­собствующих ослаблению кислородного голода­ния клеток. Приспособительные реакции, как правило, предшествуют развитию выраженной гипоксии.

Имеются существенные различия в характере компенсаторно-приспособительных реакций при острой и хронической формах гипоксии. Сроч­ные реакции, возникающие при остро разви­вающейся гипоксии, выражаются в первую оче­редь в изменении функции органов кровообра­щения и дыхания. Происходит увеличение ми­нутного объема сердца за счет как тахикардии, так и возрастания систолического объема. Повышаются артериальное давление, скорость кровотока и возврат венозной крови к сердцу, что способствует ускорению доставки кислорода тканям. В случае тяжелой гипоксии происходит централизация кровообращения - значительная часть крови устремляется к жизненно важным органам. Расширяются сосуды мозга. Гипоксия является мощным сосудорасширяющим факто­ром для коронарных сосудов. Объем коронарно­го кровотока значительно возрастает при сни­жении в крови содержания кислорода до 8-9 об. %. Вместе с тем суживаются сосуды мышц и органов брюшной полости. Кровоток через тка­ни регулируется наличием в них кислорода, и чем ниже его концентрация, тем больше крови притекает к этим тканям.

Сосудорасширяющим действием обладают продукты распада АТФ (АДФ, АМФ, неор­ганический фосфат), а также СО₂, Н'-ионы, мо­лочная кислота. При гипоксии их количество возрастает. В условиях ацидоза понижается воз-

будимость сс-адренорецепторов по отношению к катехоламинам, что также способствует расши­рению сосудов. Срочные приспособительные ре­акции со стороны органов дыхания проявляют­ся его учащением и углублением, что способству­ет улучшению вентиляции альвеол. Происходит включение в акт дыхания резервных альвеол. Увеличивается кровоснабжение легких. Гипер­вентиляция альвеол обусловливает развитие ги-покапнии, которая повышает сродство гемогло­бина к кислороду и ускоряет оксигенацию при­текающей к легким крови. В течение двух суток от начала развития острой гипоксии в эритро­цитах возрастает содержание 2,3-ДФГ и АТФ, что способствует ускорению отдачи кислорода тканям. К числу реакций на острую гипоксию относится увеличение массы циркулирующей крови за счет опорожнения кровяных депо и ускоренного вымывания эритроцитов из костно­го мозга; благодаря этому повышается кислород­ная емкость крови. Приспособительные реакции на уровне испытывающих кислородное голода­ние тканей выражаются в повышении сопряжен­ности процессов окисления и фосфорилирования и в активации гликолиза, за счет которого мо­гут удовлетворяться в течение короткого време­ни энергетические потребности клеток. При уси­лении гликолиза в тканях накапливается молоч­ная кислота, развивается ацидоз, который уско­ряет диссоциацию оксигемоглобина в капилля­рах.

При экзогенном и дыхательном видах гипок­сии огромное приспособительное значение име­ет одна особенность взаимодействия гемоглоби­на с кислородом: снижение р О₂ с 95-100 до 60 мм рт. ст. мало отражается на степени оксигена-ции гемоглобина. Так, при р_ч0₂ равном 60 мм рт. ст., 90% гемоглобина будет связано с кисло­родом, и если доставка оксигемоглобина тканям не будет нарушена, то и при таком существенно сниженном рО,в артериальной крови они не бу­дут испытывать состояние гипоксии. Наконец, еще одно проявление приспособления: в услови­ях острой гипоксии снижается функция, а зна­чит, и потребность в кислороде многих органов и тканей, не принимающих непосредственного участия в обеспечении организма кислородом.

Долговременные компенсаторно-приспосо­бительные реакции возникают при хроничес­кой гипоксии на почве различных заболеваний (например, врожденных пороков сердца), при длительном пребывании в горах, при специаль-

Глава 15 / ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ

ных тренировках в барокамерах. В этих условйу ях наблюдается увеличение количества эритро­цитов и гемоглобина вследствие активации эрит-ропоэза под действием эритропоэтина, усиленно выделяемого почками при их гипоксии. В ре­зультате увеличиваются кислородная емкость крови и ее объем. В эритроцитах повышается содержание 2,3-ДФГ, понижающего сродство гемоглобина к кислороду, что ускоряет его отда­чу тканям. Увеличиваются дыхательная повер­хность легких и их жизненная емкость вслед­ствие образования новых альвеол. У людей, живущих в горной местности на большой высо­те, увеличен объем грудной клетки, развивается гипертрофия дыхательной мускулатуры. Расши­ряется сосудистое русло легких, повышается его кровенаполнение, что может сопровождаться гипертрофией миокарда в основном за счет пра­вого сердца. В миокарде и дыхательных мыш­цах возрастает содержание миоглобина. Вместе с тем в клетках различных тканей увеличивает­ся количество митохондрий и повышается срод­ство дыхательных ферментов к кислороду. Уве­личивается емкость микроциркуляторного рус­ла в мозге и сердце за счет расширения капил­ляров. У людей, находящихся в состоянии хро­нической гипоксии (например, при сердечной или дыхательной недостаточности), увеличива­ется васкуляризация периферических тканей. Одним из признаков этого является увеличение размеров концевых фаланг с утратой нормаль­ного угла ногтевого ложа. Другое проявление компенсации при хронической гипоксии - это развитие коллатерального кровообращения там, где имеется затруднение для кровотока.

Существует некоторое своеобразие адап­тационных процессов при каждом виде гипоксии. Приспособительные реакции в меньшей степе­ни могут проявляться со стороны патологичес­ки измененных органов, ответственных за раз­витие гипоксии в каждом конкретном случае. Например, гемическая и гипоксическая (экзо-генная+дыхательная) гипоксии могут вызвать увеличение минутного объема сердца, тогда как циркуляторная гипоксия, возникающая при сер­дечной недостаточности, не сопровождается та­кой приспособительной реакцией.

Механизмы развития компенсаторных и приспособительных реакций при гипоксии. Изменения функции органов дыхания и кро­вообращения, возникающие при острой ги­поксии, являются в основном рефлекторными.

Они обусловлены раздражением дыхательного центра и хеморецепторов дуги аорты и каротид-ной зоны низким напряжением кислорода в ар­териальной крови. Эти рецепторы чувствитель­ны также к изменению содержания СО₂ и Н⁺-ионов, но в меньшей степени, чем дыхатель­ный центр. Тахикардия может быть результа­том прямого действия гипоксии на проводящую систему сердца. Сосудорасширяющим действи­ем обладают продукты распада АТФ и ряд дру­гих ранее упомянутых тканевых факторов, ко­личество которых при гипоксии возрастает.

Гипоксия является сильным стрессорным фактором, под действием которого происходит активация гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы, увеличивается выделение в кровь глю-кокортикоидов, которые активируют ферменты дыхательной цепи и повышают стабильность клеточных мембран, в том числе мембран лизо-сом. Это снижает опасность выделения из пос­ледних в цитоплазму гидролитических фермен­тов, способных вызвать аутолиз клеток.

При хронической гипоксии происходят не только функциональные сдвиги, но и структур­ные изменения, имеющие большое компенсатор­но-приспособительное значение. Механизм этих явлений был подробно исследован Ф. 3. Меерсо-ном с сотр. Установлено, что дефицит макроэр-гических фосфорных соединений, обусловленный гипоксией, вызывает активацию синтеза нуклеи­новых кислот и белков. Итогом этих биохимичес­ких сдвигов является усиление в тканях плас­тических процессов, лежащих в основе гиперт­рофии миокардиоцитов и дыхательной мускула­туры, новообразования альвеол и новых сосудов. В результате повышается работоспособность ап­парата внешнего дыхания и кровообращения. Вместе с тем функционирование этих органов ста­новится более экономичным вследствие по­вышения мощности системы энергообеспечения в клетках (увеличение числа митохондрий, по­вышение активности дыхательных ферментов).

Установлено, что при длительной адаптации к гипоксии уменьшается продукция тиреотроп-ного и тиреоидных гормонов; это сопровождает­ся снижением основного обмена и уменьшением потребления кислорода различными органами, в частности сердцем, при неизменной внешней работе.

Активация синтеза нуклеиновых кислот и белков при адаптации к хронической гипоксии

ЧАСТЬ III. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ОРГАНОВ И СИСТЕМ

обнаружена и в головном мозге и способствует улучшению его функции.

Состояние устойчивой адаптации к гипоксии характеризуется уменьшением гипервентиляции легких, нормализацией функции сердца, сниже­нием степени гипоксемии, устранением стресс-синдрома. Происходит активация стресс-лими-тирующих систем организма, в частности мно­гократное повышение содержания опиоидных пептидов в надпочечниках [Меерсон Ф. 3. и со-авт., 1987], а также в мозге животных, подверг­нутых острой или подострой гипоксии. Наряду с антистрессорным действием, опиоидные пеп­тиды понижают интенсивность энергетического обмена и потребность тканей в кислороде. Уси­ливается активность ферментов, устраняющих повреждающее действие продуктов перекисного окисления липидов (супероксиддисмутазы, ка-талазы и т. д.).

Установлено, что при адаптации к гипоксии повышается резистентность организма к дей­ствию других повреждающих факторов, различ­ного рода стрессоров. Состояние устойчивой адап­тации может сохраняться в течение многих лет [Меерсон Ф. 3., 1981].

Повреждающее действие гипоксии

При резко выраженной гипоксии адаптаци­онные механизмы могут оказаться недостаточны­ми, происходит декомпенсация, харак­теризующаяся выраженными биохимическими, функциональными и структурными расстрой­ствами.

Чувствительность различных тканей и орга­нов к повреждающему действию гипоксии силь­но варьирует. В условиях полного прекращения доставки кислорода сухожилия, хрящи и кости сохраняют свою жизнеспособность в течение многих часов; поперечно-полосатые мышцы -около двух часов; миокард, почки и печень - 20-40 мин, тогда как в коре головного мозга и в мозжечке в этих условиях уже через 2,5-3 мин появляются очаги некроза, а через 6-8 мин про­исходит гибель всех клеток коры головного моз­га; несколько большей устойчивостью обладают нейроны продолговатого мозга - их деятельность может восстанавливаться спустя 30 мин после прекращения доставки кислорода.

Нарушение процессов обмена веществ при гипоксии. В основе всех нарушений при гипок­сии лежит пониженное образование или полное

прекращение образования макроэргических фос­форных соединений, которое ограничивает спо­собность клеток выполнять нормальные функ­ции и поддерживать состояние внутриклеточно­го гомеостаза. При недостаточном поступлении в клетки кислорода усиливается процесс анаэ­робного гликолиза, но он может лишь в незна­чительной степени компенсировать ослабление окислительных процессов. В особенности это касается клеток центральной нервной системы, потребность которых в синтезе макроэргических соединений наиболее высока. В норме потребле­ние кислорода мозгом составляет около 20% от общей потребности в нем организма. Под дей­ствием гипоксии повышается проницаемость капилляров мозга, что ведет к его отеку. Как уже упоминалось, при полном прекращении по­ступления кислорода в течение 2,5-3 мин начи­нается некроз коры и мозжечка.

Миокард также характеризуется слабой спо­собностью к энергообеспечению за счет анаэроб­ных процессов. Гликолиз может обеспечить по­требность миокардиоцитов в энергии лишь в те­чение нескольких минут. Запасы гликогена в миокарде быстро истощаются. Содержание гли-колитических ферментов в миокардиоцитах не­значительно. Уже через 3-4 мин после прекра­щения доставки к миокарду кислорода сердце теряет способность создавать артериальное дав­ление, необходимое для поддержания кровото­ка в мозге, вследствие чего в нем возникают нео­братимые изменения.

Гликолиз не только является неадекватным способом освобождения энергии, но и оказывает отрицательное действие на другие метаболичес­кие процессы в клетках, так как в результате накопления молочной и пировиноградной кис­лот развивается метаболический ацидоз, который уменьшает активность тканевых ферментов; зна­чительно снижается активность моноаминоокси-дазы. При резко выраженном дефиците макро­эргов расстраивается функция энергозависимых мембранных насосов, вследствие этого наруша­ется регуляция перемещения ионов через кле­точную мембрану. Происходят повышенный выход из клеток калия и избыточное поступле­ние внутрь их натрия. Это ведет к понижению мембранного потенциала и изменению нервно-мышечной возбудимости, которая первоначаль­но повышается, а затем ослабляется и утрачива­ется. Вслед за ионами натрия в клетки устрем­ляется вода, это вызывает их набухание.

Глава 15 / ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ

Кроме натрия, в клетках создается избыток кальция в связи с нарушением функции энерго­зависимого кальциевого насоса. Повышенное поступление кальция в нейроны обусловлено также открытием дополнительных кальциевых каналов под действием глутамата, образование которого при гипоксии вырастает. Ионы Са²⁺ активируют фосфолипазу А₂, которая разруша­ет липидные комплексы клеточных мембран, что в еще большей степени нарушает работу мемб­ранных насосов и функцию митохондрий (под­робнее см. гл. 3).

Развивающийся при острой гипоксии стресс-синдром, наряду с ранее упомянутым положи­тельным эффектом глюкокортикоидов, оказывает выраженное катаболическое действие на белко­вый обмен, вызывает отрицательный азотистый баланс, повышает расходование жировых запа­сов организма.

Повреждающее действие на клетки оказывают продукты перекисного окисления липидов, ко­торое в условиях гипоксии усиливается. Обра­зующиеся при этом процессе активные формы кислорода и другие свободные радикалы повреж­дают наружную и внутренние клеточные мемб­раны, в том числе мембрану лизосом. Этому способствует и развитие ацидоза. В результате этих воздействий лизосомы освобождают нахо­дящиеся в них гидролитические ферменты, ока­зывающие повреждающее действие на клетки вплоть до развития аутолиза.

В результате указанных метаболических рас­стройств клетки утрачивают способность выпол­нять свои функции, что лежит в основе наблю­даемых при гипоксии клинических симптомов повреждения.

Нарушение функции и структуры органов при гипоксии. Основная симптоматология при острой гипоксии обусловлена нарушением фун­кции центральной нервной системы. Частым первичным проявлением гипоксии являются головная боль, боли в области сердца. Предпо­лагается, что возбуждение болевых рецепторов происходит в результате раздражения их накап­ливающейся в тканях молочной кислотой. Дру­гими ранними симптомами, возникающими при снижении насыщения артериальной крови кислородом до 89-85% (вместо 96 % в норме), являются состояние некоторого эмоционального возбуждения (эйфории), ослабление остроты вос­приятия изменений в окружающей обстановке, нарушение их критической оценки, что ведет к

неадекватному поведению. Считается, что эти симптомы обусловлены расстройством процесса внутреннего торможения в клетках коры голов­ного мозга. В дальнейшем ослабляется тормоз­ное влияние коры на подкорковые центры. Возникает состояние, подобное алкогольному опьянению: тошнота, рвота, нарушение коорди­нации движений, двигательное беспокойство, заторможенность сознания, судороги. Дыхание становится неритмичным. Появляется периоди­ческое дыхание. Сердечная деятельность и сосу­дистый тонус падают. Может развиться цианоз. При снижении парциального давления кисло­рода в артериальной крови до 40-20 мм рт. ст. возникает состояние комы, угасают функции коры, подкорковых и стволовых центров голов­ного мозга. При парциальном давлении кисло­рода в артериальной крови менее 20 мм рт. ст. наступает смерть. Ей может предшествовать аго-нальное дыхание в виде глубоких редких судо­рожных вздохов.

Описанные функциональные изменения ха­рактерны для острой или подострой гипоксии. При молниеносной гипоксии может произойти быстрая (иногда в течение нескольких секунд) остановка сердца и паралич дыхания. Такой вид гипоксии может иметь место при отравлении большой дозой яда, блокирующего тканевое ды­хание (например, цианидами).

Острая гипоксия, возникающая при отравле­нии СО в высокой дозе, может быстро привести к смерти, при этом потеря сознания и смерть могут наступить без каких-либо предшествую­щих симптомов. Описаны случаи гибели людей, находящихся в закрытом гараже при оставле­нии включенным двигателя машины, причем необратимые изменения могут развиться в тече­ние 10 мин. Если летальный исход не наступил, то у отравленных СО через 3-240 дней может развиться нейропсихический синдром. К его проявлениям относят паркинсонизм, деменцию, психозы, развитие которых связано с поврежде­нием globus pallidus и глубоко расположенного белого вещества головного мозга. В 50-75% слу­чаев в течение года может произойти исчезнове­ние этих расстройств.

Хронические некомпенсированные формы гипоксии, развивающиеся при длительно суще­ствующих заболеваниях органов дыхания и сер­дца, а также при анемиях, характеризуются по­нижением работоспособности в связи с быстро

ЧАСТЬ III. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ОРГАНОВ И СИСТЕМ

возникающим утомлением; уже при небольшой физической нагрузке у больных появляются сер­дцебиение, одышка, ощущение слабости. Неред­ко наблюдаются боли в области сердца, голов­ная боль, головокружение.

Кроме функциональных расстройств, при ги­поксии могут развиться морфологические нару­шения в различных органах. Их можно подраз­делить на обратимые и необратимые. Обрати­мые нарушения проявляются в виде жирового перерождения в волокнах поперечно-полосатой мускулатуры, миокарде, гепатоцитах. Необра­тимые нарушения при острой гипоксии харак­теризуются развитием очаговых кровоизлияний во внутренние органы, в том числе в оболочки и ткань мозга, дегенеративными изменениями в коре мозга, мозжечке и подкорковых ганглиях. Может возникнуть периваскулярный отек тка­ни мозга. При гипоксии почек может развиться некробиоз или некроз почечных канальцев, со­провождающийся острой почечной недостаточ­ностью. Может произойти гибель клеток в цент­ре печеночных долек с последующим фиброзом.

Длительное кислородное голодание сопро­вождается повышенной гибелью паренхима­тозных клеток и разрастанием соединительной ткани в различных органах.

Оксигенотерапия

Ингаляция кислорода под нормальным или повышенным давлением (гипербарическая окси-генация) является одним из эффективных мето­дов лечения при некоторых тяжелых формах гипоксии.

Нормобарическая оксигенотерапия показа­на в тех случаях, когда парциальное давление кислорода в артериальной крови ниже 60 мм рт. ст., а процент оксигенации гемоглобина менее 90. Не рекомендуется проводить оксигенотера-пию при более высоком р_а0₂, так как это лишь в незначительной степени повысит образование оксигемоглобина, но может привести к нежела­тельным последствиям. При гиповентиляции альвеол и при нарушении диффузии кислорода через альвеолярную мембрану кислородная те­рапия существенно или полностью устраняет гипоксемию.

Гипербарическая оксигенация особенно по­казана при лечении больных с острой постге­моррагической анемией и при тяжелых формах отравления окисью углерода и метгемоглобино-образователями, при декомпрессионной болезни, артериальной газовой эмболии, при острой трав­ме с развитием ишемии тканей и при ряде дру­гих тяжелых состояний. Гипербарическая окси­генация устраняет как острые, так и отдален­ные эффекты отравления окисью углерода [Tibbies et al., 1996].

При введении кислорода под давлением 2,5-3 атм его фракция, растворенная в плазме крови, достигает 6 об. %, что вполне достаточно для удовлетворения потребностей тканей в кислоро­де без участия гемоглобина. Кислородная тера­пия мало эффективна при гистотоксической ги­поксии и при гипоксии, обусловленной венозно-артериальным шунтированием крови при эмбо­лии a. pulmonalis и некоторых врожденных по­роках сердца и сосудов, когда значительная часть венозной крови поступает в артериальное русло, минуя легкие.

Длительно проводимая оксигенотерпия может оказать токсическое действие, которое выража­ется в потере сознания, развитии судорог и оте­ке мозга, в угнетении сердечной деятельности; в легких могут развиться нарушения, подобные таковым при респираторном дистресс-синдроме у взрослых. В механизме повреждающего дей­ствия кислорода играют роль: понижение актив­ности многих ферментов, участвующих в кле­точном метаболизме; образование большого ко­личества свободных радикалов кислорода и уси­ление ПОЛ, что ведет к повреждению клеточ­ных мембран.

Опасным до некоторой степени является при­менение кислородной терапии при снижении чувствительности дыхательного центра к повы­шению содержания СО^ в крови, что имеет мес­то у лиц пожилого и старческого возраста с на­личием церебрального атеросклероза, при орга­нических поражениях центральной нервной си­стемы. У таких больных регуляция дыхания происходит с участием каротидных хеморецеп-торов, чувствительных к гипоксемии. Устране­ние ее может привести к остановке дыхания.

Глава 15 / ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ