Патофизиология гипоксии

16.1. Газовый гомеостаз

Во внутренней среде человека и высших животных в естественных условиях содержится кислород, углекислый газ, азот и ничтожно малое количество инертных газов. Физиологически значимыми являются О₂ и СО₂, находящиеся в организме в растворенном и биохимически связанном состоянии. Именно эти два газа и определяют газовый гомеостаз организма. Содержание О₂ и СО₂ является важнейшими регулируемыми параметрами газового состава внутренней среды.

Постоянство газового состава само по себе не имело бы для организма никакого смысла, если бы оно не обеспечивало изменяющиеся потребности клеток в доставке О₂ и удалении СО₂. Организму требуется не постоянный газовый состав крови, ликвора, интерстициальной жидкости, а обеспечение нормального тканевого дыхания во всех клетках и органах. Это положение справедливо для любого гомеостатического механизма и гомеостаза организма в целом.

О₂ поступает в организм из воздуха, СО₂ образуется в клетках в организме в результате биологического окисления (основная масса - в цикле Кребса) и выделяется через легкие в атмосферу. Это встречное перемещение газов проходит через различные среды организма. Содержание их в клетках определяется, прежде всего, интенсивностью окислительных процессов. Уровень активности различных органов и тканей в процессе приспособительной деятельности непрерывно меняется. Соответственно происходят локальные изменения концентрации О₂ и СО₂ в клетках. При особенно напряженной деятельности, когда фактическая доставка О₂ к клеткам отстает от кислородного запроса, может возникать кислородная задолженность.

16.1.1. Механизмы регуляции газового состава

16.1.1.1. Локальный механизм

Основан на гомеостатических свойствах гемоглобина. Они осуществляются, во-первых, благодаря наличию аллостерических взаимодействий О₂ с белковыми субъединицами молекулы гемоглобина, во-вторых, благодаря наличию в мышцах миоглобина (Рис. 33).

S-образная кривая насыщения гемоглобина кислородом обеспечивает быстрое нарастание диссоциации (распада) комплекса НbO₂ при падении давления О₂ от сердца к тканям. Повышение температуры и ацидоз ускоряет распад комплекса НbО₂, т.е. О₂ уходит в ткани. Снижение температуры (гипотермия) делает этот комплекс более стабильным и О₂ труднее уходит в ткани (одна из возможных причин гипоксии при гипотермии).

Сердечная мышца и скелетная мускулатура обладают еще одним "местным" гомеостатическим механизмом. В момент сокращения мышц кровь выталкивается из сосудов, вследствни чего О₂ не успевает диффундировать из сосудов в миофибриллы. Этот неблагоприятный фактор в значительной мере компенсируется содержащимся в миофибриллах миоглобином, запасающим О₂ непосредственно в тканях. Сродство миоглобина к О₂ больше чем у гемоглобина. Так, например, миоглобин насыщается О₂ на 95% даже из капиллярной крови, в то время как для гемоглобина при этих величинах рО₂ уже развивается выраженная диссоциация. Наряду с этим, при дальнейшем снижении рО₂ миоглобин очень быстро отдаст почти весь запасенный О₂. Таким образом, миоглобин выполняет функцию демпфера резких перепадов кислородного снабжения работающих мышц.

Однако локальные механизмы газового гомеостаза лишены способности к сколько-нибудь длительной самостоятельной деятельности и могут осуществлять свои функции лишь на основе общих механизмов гомеостаза. Именно кровь служит той универсальной средой, из которой клетки черпают О₂ и куда отдают конечный продукт окислительного метаболизма - СО₂.

Соответственно, организм располагает разнообразными и мощными системами гомеостатической регуляции, обеспечивающими сохранение физиологических пределов колебаний газовых показателей крови в норме и возвращение этих показателей в физиологические границы после их временного отклонения под влиянием патологических воздействий.

16.1.1.2. Общий механизм регуляции газового состава крови

Структурные основы.

В конечном итоге узловым механизмом является внешнее дыхание, регулируемое дыхательным центром.
Другой ключевой структурный момент - роль мембран в газовом гомеостазе. На уровне альвеолярных мембран происходят начальные и завершающие процессы газообмена организма с внешней средой, позволяющие функционировать всем остальным звеньям газового гомеостаза.

В состоянии покоя в организм поступает около 200 мл О₂ в минуту н выделяется примерно такое же количество СО₂. В условиях напряженной деятельности (например, при компенсации кровопотери) количество поступающего О₂ и выделяющегося СО₂ может увеличиваться в 10-15 раз, т.е. система внешнего дыхания рсполагает огромным потенциальным резервом, являющимся решающим компонентом ее гомеостатической функции.

16.1.1.3. Регуляция минутного объема дыхания

Важнейшим регулируемым процессом, от которого зависит постоянство состава альвеолярного воздуха, является минутный объем дыхания (МОД), определяемый экскурсией грудной клетки и диафрагмы.

МОД=частота дыхательных движений х (дыхательный объем - объем мертвого пространства трахеи и крупных бронхов). Приблизительно в норме МОД=16 х (500 мл - 140 мл) = 6 л.

Характер и интенсивность дыхательных движений зависит от деятельности основного управляющего звена системы регуляции внешнего дыхания - дыхательного центра. В нормальных условиях СО₂ и О₂ являются безусловно доминирующими критериями в системе регуляции дыхания. Различного рода "негазовые" влияния (температура, боль, эмоции) могут осуществляться при условии сохранения регулирующего влияния СО₂ и О₂ (Рис. 34).

16.1.1.4. Регуляция по СO₂

Важнейшим регулятором внешнего дыхания, носителем специфического возбуждающего эффекта на дыхательный центр является СО₂. Таким образом, регуляция по СО₂ связана с его непосредственным влиянием на дыхательный центр.

Кроме непосредственного влияния на центр продолговатого мозга (1), бесспорно возбуждение дыхательного центра под влиянием импульсов с периферических рецепторов сино-каротидной (2а) и кардио-аортальмой зон (2б), возбуждаемых СО₂.

16.1.1.5. Регуляция по О₂

Происходит преимущественно рефлекторное возбуждение дыхательного центра со стороны хеморецепторов сино-каротидной зоны при снижении рО₂ крови. Исключительно высокая чувствительность рецепторов этих структур к О₂ объясняется высокой скоростью окислительных процессов. Ткань клубочка потребляет 1 мл О₂/мин на грамм сухой ткани, что в несколько раз больше подобной величины для ткани головного мозга.

16.2. Патология дыхания

Любые нарушения рО₂ и рСО₂ крови приводят к изменениям активности дыхательного центра, регуляции механизма обеспечение газового гомеостаза.

16.2.1. Нарушения газового гомеостаза

Изменения содержания рO₂, рСО₂ вызваны:

16.2.1.1. За счет нарушения аппарата внешнего дыхания (обеспечение насыщения кропи кислородом и удаления СO₂). Примерами могут быть: накопление экссудата в легких, болезни дыхательных мышц, "аденоидная маска" у детей, дифтеритический и ложный крупы.
16.2.1.2. За счет нарушения аппарата внутреннего дыхания (транспорт и использовании O₂, СO₂). Причины и патогенез этих патологических состояний достаточно хорошо изложены в учебнике по патофизиологии А.Д.Адо и соавторов, И.H.Зайко и соавторов, поэтому более подробно остановимся на следствиях нарушения как аппарата внешнего, так и внутреннего дыхания - кислородном голодании, т.е. гипоксии.
16.2.1.3. Итак, кислородное голодание тканей (гипоксия) - состояние, возникающее при нарушении доставки или потребления O₂. Крайнее выражение гипоксии - аноксия (отсутствие О₂ в крови и тканях).

16.2.1.4. Классификация гипоксий

Чтобы сознательно решить для себя эту проблему, следует помнить, что основным условием неравновесия как признака жизни, является энергообеспечение. Вдыхаемый нами кислород нужен для окислительных процессов, главный из которых - образование АТФ в дыхательной цепи. Роль кислорода в ней - снимать электроны с последнего из цепи цитохромов, т.е. быть акцептором. В сопряженном с этим процессом акте фосфорилирования и возникает АТФ в митохондриях аэробов.

В настоящее время выделяется 5 патогенетических типов гипоксий. Их легко запомнить, проследив путь движения кислорода из атмосферы до дыхательной цепи (Рис. 35).

1-й блок поступления кислорода - результат уменьшения его во вдыхаемом воздухе. Этот вид гипоксии активно изучал на себе выдающийся отечественный патофизиолог Н.Н.Сиротинин, поднимаясь в барокамере на высоту около 8500 м. У него возникали синюшность, потоотделение, подергивание конечностей, потеря сознания. Им установлено, что потеря сознания является наиболее надежным критерием для установления высотной болезни.
2-й блок - возникает при заболеваниях внешнего аппарата дыхания (заболевания легких и дыхательного центра), поэтому носит название дыхательной гипоксии.
3-й блок - возникает при заболеваниях сердечно-сосудистой системы, что ухудшает транспорт кислорода и носит название сердечно-сосудистой (циркуляторной) гипоксии.
4-й блок - возникает при любых повреждениях транспортной системы кислорода крови - эритроцитов - и носит название кровяной (гемической) гипоксии. Все четыре вида блоков ведут к гипоксемии (снижению рО₂ в крови).
5-й блок - возникает при повреждениях дыхательной цепи, например, мышьяком, цианидами без явления гипоксемии.
6-й блок - смешанная гипоксия (например, при гиповолемическом шоке).

16.2.1.5. Острая и хроническая гипоксии

Все виды гипоксии, в свою очередь, делятся на острые и хронические. Острые возникают чрезвычайно быстро (например, при 3-м блоке - обильная кровопотеря, при 4-м - отравление СО, при 5-м - отравление цианидами).

Полное отсутствие кислорода - аноксия - возникает при состоянии удушья, так называемой асфиксии. В педиатрии известна асфиксия новорожденных. Причиной является угнетение дыхательного центра или аспирация околоплодных вод. В стоматологии асфиксия возможна при травмах н заболеваниях челюстно-лицевой области и может носить характер аспирационной (затек в дыхательное дерево крови, слизи, рвотных масс), обтурационная (закупорка бронха, трахеи инородными телами, осколками костей, зубов), дислокационной (смещение поврежденных тканей).

Следствием асфиксии является гибель наиболее чувствительных тканей. Из всех функциональных систем к действию гипоксии наиболее чувствительна кора больших полушарий головного мозга. Причины высокой чувствительности: кора образована в основном телами нейронов, богатых тельцами Ниссля - рибосомами, на которых с исключительной интенсивностью идет биосинтез белка (вспомните процессы долговременной памяти, аксональный транспорт). Так как этот процесс является исключительно энергоемким, он нуждается в значительных количествах АТФ, и не удивительно, что потребление кислорода и чувствительность к его нехватке у коры больших полушарий чрезвычайно высока.

Второй особенностью коры является в основном аэробный путь образования АТФ. Гликолиз - бескислородный путь образования АТФ - в коре выражен крайне слабо и не в состоянии компенсировать недостаток АТФ в условиях гипоксии.

16.2.1.6. Полное и неполное выключение коры головного мозга при острой гипоксии

При гипоксии возможна неполная локальная гибель корковых нейронов, либо полное выключение коры больших полушарий. Полное возникает в клинических условиях при остановке сердца более чем на 5 минут. Например, во время хирургических манипуляций, проведении реанимационных мероприятий при состоянии клинической смерти. При этом личность необратимо утрачивает способность увязывать поведение с законами общества, т.е. теряется социальная детерминированность (потеря способности адаптации к окружающим условиям, непроизвольное мочеиспускание и дефекация, потеря речи и т.д.). Через некоторое время такие больные погибают. Таким образом, полное выключение коры больших полушарий сопровождается необратимой потерей условных рефлексов у животных и общественных, коммуникативных функций у человека.

При частичном выключении коры больших полушарий, например, в результате локальной гипоксии при тромбозе сосудов или кровоизлиянии в мозг, теряется функция коркового анализатора в месте аноксии, но, в отличие от полного выключения, в данном случае возможно восстановление утерянной функции за счет периферической части анализатора.

16.2.1.7. Хроническая гипоксии

Хроническая гипоксия возникает при длительном нахождении под влиянием пониженного атмосферного давления и, соответственно, недостатка потребления кислорода, при нарушении дыхательной и сердечно-сосудистой деятельности. Симптоматика хронической гипоксии обусловлена низкой скоростью протекания биохимических и физиологических процессов вследствие нарушения образования макроэрга АТФ. Дефицит АТФ лежит в основе развития симптомов хронической гипоксии. В стоматологии примером может быть развитие пародонтоза при микроангиопатии.

16.2.1.8. Клеточные механизмы патологического действия гипоксии

На основании рассмотренного материала мы можем сделать 1-й вывод: гипоксия любой этиологии сопровождается дефицитом АТФ. Патогенетическим звеном является отсутствие кислорода, который снимает электроны с дыхательной цепи.

Вначале при гипоксии происходит восстановление электронами всех цитохромов дыхательной цепи и перестает генерироваться АТФ. При этом происходит компенсаторное переключение углеводного обмена на анаэробное окисление. Недостаток АТФ снимает его ингибирующее влияние на фосфофруктокиназу - фермент начала гликолиза, усиливается липолиз и глюконеогенсз от пирувата, образующегося из аминокислот. Но это менее эффективный путь образования АТФ. Кроме того, в результате неполного окисления глюкозы по этому пути образуется молочная кислота - лактат. Накопление лактата приводит к внутриклеточному ацидозу.

Отсюда 2-й принципиальный вывод: гипоксия любой этиологии сопровождается ацидозом. Весь дальнейший ход событий, ведущий к гибели клетки, связан с 3-м фактором - повреждением биомембран. Рассмотрим это наиболее подробно на примере мембран митохондрий.

Тканевая гипоксия и повреждение биомембран (БМ)

Тканевая гипоксия - до некоторой степени нормальное состояние для интенсивно функционирующей ткани. Однако, если гипоксия продолжается десятки минут, то она вызывает повреждения клетки, обратимые только на ранних этапах. Природа точки "необратимости" - проблема общей патологии - лежит на уровне биомембран клетки.

Основные этапы повреждения клетки

Дефицит АТФ и накопление Са²⁺. Начальный период гипоксии прежде всего приводит к повреждению "энергетических машин" клетки - митохондрий (MX). Снижение доступа кислорода приводит к снижению образования АТФ в дыхательной цепи. Важным следствием дефицита АТФ является неспособность таких MX накапливать Са²⁺ (откачивать из цитоплазмы)
Накопление Са²⁺ и активация фосфолипаз. Для нашей проблемы важно то, что Ca²⁺ активирует фосфолипазы, вызывающие гидролиз фосфолипидного слоя. Мембраны постоянно испытывают действие разностей потенциалов: от 70 мв на плазматической мембране до 200мв на MX. Такую разность потенциалов может выдержать только очень прочный изолятор. Фосфолипидный слой биомембран (БМ) и есть природный изолятор.
Активация фосфолипаз - дефекты в БМ - электрический пробой. Даже небольшие дефекты в таком изоляторе будут вызывать явление электрического пробоя (быстрое увеличение электрического тока через мембраны, приводящие к их механическому разрушению). Фосфолипазы, разрушая фосфолипиды, и вызывают такие дефекты. Важно, что БМ могут быть пробиты электрическим током под воздействием потенциала, генерируемого самой БМ или электротоком, приложенным извне.
Электрический пробой - нарушение барьерной функции биомембраны. БМ становятся проницаемыми для ионов. Для MX это - К⁺, которого много в цитоплазме. Для плазматической мембраны - это натрий в экстрацеллюлярном пространстве.
Итог: ионы калия и натрия движутся внутрь MX или клетки, приводя к повышению осмотического давления. За ними "хлынут" потоки воды, что приведет к отеку MX и отеку клетки. Такие раздувшиеся MX не могут генерировать АТФ и клетки погибают.

Вывод. Гипоксия любой этиологии сопровождается триадой: дефицитом АТФ, ацидозом и повреждением биомембран. Отсюда терапия гипоксических состояний должна включить ингибиторы фосфолипаз, например, витамин Е.

16.2.1.9. Гомеостатические механизмы при гипоксии

Базируются на основе рассмотренных выше гомеостатических механизмов поддерживания газового состава крови. Вернемся к Рис. 35.

Реакция аппарата внешнего дыхания проявляется в виде одышки. Одышка - это изменение ритма и глубины дыхания при гипоксии. В зависимости от длительности вдоха и выдоха различают экспираторную и инспираторную одышку.
Экспираторная - характеризуется удлинением фазы выдоха вследствие недостаточности эластической силы тканей легких. В норме активация выдоха происходит за счет этих сил. При возрастании сопротивления воздушному потоку за счет спазма бронхиол эластической силы легких недостаточно и подключаются межреберные мышцы, диафрагма.
Инспираторная - характеризуется удлинением фазы вдоха. Примером может быть стенотическое дыхание вследствие сужения просвета трахеи и верхних дыхательных путей при отеке гортани, дифтерии, попадании инородных тел.
Но позволительно задать вопрос: всякая ли одышка является компенсаторной? Вспомним, что одним из показателей эффективности дыхания является МОД. В формулу его определения входит понятие "объем мертвого пространства" (см. 16.1.1.3.). Если одышка будет частой и поверхностной (тахипноэ), то это приведет к снижению дыхательного объема при сохранении объема мертвого пространства и результатом поверхностного дыхания будет маятникообразное движение воздуха мертвого пространства. В таком случае, тахипноэ - это совсем не компенсация. Таковой можно считать только частое и глубокое дыхание.
Вторым гомеостатическим механизмом является усиление транспорта кислорода, возможное за счет увеличения скорости кровотока, т.е. белее частых и сильных сокращений сердца. Ориентировочно нормальный минутный объем сердца (МОС) равен ударному объему, умноженному на частоту сердечных сокращений, т.е. МОС = 100 х 60 = 6 л. При тахикардии МОС = 100 х 100 = 10 л. Но в случае продолжающейся гипоксии, приводящей к дефициту энергии, долго ли сможет работать этот компенсаторный механизм? Нет, несмотря на довольно мощную систему гликолиза в миокарде.
Третьим гомеостатическим механизмом является усиление эритропоэза, что ведет к увеличению содержания Нb в крови и повышению транспорта кислорода. При острой гипоксии (кровопотеря) увеличение количества эритроцитов осуществляется за счет выброса их из депо. При хронической гипоксии (нахождение в горах, длительные заболевания сердечно-сосудистой системы) повышается концентрация эритропоэтина, усиливается кроветворная функция костного мозга. Поэтому альпинисты проходят период акклиматизации перед штурмом горных вершин. Н.Н.Сиротинин после стимуляции гемопоэза (сок лимона + 200г сахарного сиропа + аскорбинка) "поднялся" в барокамере до высоты 9750 м.
Другой интересный пример разнообразия фенотипических приспособлений организма к неблагоприятным условиям внешней среды привел отечественный ученый Чижевский. Он заинтересовался, почему у горных баранов такие мощные (до 7 кг) рога, носить которые достаточно тяжело высоко в горах. Ранее предполагалось, что бараны амортизируют рогами удар о землю при прыжке через пропасть. Чижевским было обнаружено, что в рогах баранов размещены дополнительные резервуары для костного мозга.
Если все предыдущие гомеостатические механизмы были направлены на доставку кислорода, то последний, 4-й механизм - на уровне тканей, направлен прямо на устранение дефицита АТФ. Включение компенсаторных механизмов (ферментов липолиза, гликолиза, переаминирования, глюконеогенеза) в этом случае обусловлено воздействием более высокого уровня регуляции гемопоэза - эндокринной системой. Гипоксия - неспецифичсский стрессор, на который организм отвечает стимуляцией САС и стресс-реакцией системы гипоталамус - гипофиз - кора надпочечников, включающей дополнительные пути энергообеспечения: липолиз, глюконеогенез.