Классификация и механизмы развития гипоксических состояний

В зависимости от причин возникновения и механизмов развития вы­деляются следующие семь типов гипоксии:

• экзогенная;

• респираторная;

• циркуляторная;

• гемическая;

• первично-тканевая;

• гипоксия нагрузки;

• гипоксия смешанной этиологии.

Проявления гипоксии существенно зависят от индивидуальной ре­активности организма, степени, скорости развития и продолжительнос­ти гипоксического состояния, атакже от его этиологии.

Экзогенная гипоксия возникает вследствие уменьшения содержа­ния кислорода во вдыхаемом воздухе. Выделяют две формы экзогенной гипоксии: нормобарическую и гипобарическую. Нормобарическая гипок­сия возникает в тех случаях, когда при нормальном атмосферном давле­нии содержание кислорода во вдыхаемом воздухе падает. Подобная си­туация может возникать при длительном пребывании в невентилируемых пространствах малого объема, при работе в колодцах, шахтах. Уменьше­ние содержания кислорода во вдыхаемом воздухе ведет к недостаточно­му насыщению гемоглобина кислородом, артериальная гипоксемия час­то усугубляется гиперкапнией.

Гипобарическая гипоксия развивается при снижении атмосферно­го давления. Наиболее часто она наблюдается во время высокогорных восхождений. Ведущим патогенетическим фактором ее возникновения также является гипоксемия, но в отличие от нормобарической гипоксии дополнительным отрицательным фактором служит гипокапния. Гипокап- ния и газовый алкалоз формируются за счет хеморефлекторной, компен­саторной гипервентиляции легких, избыточного выведения углекислого газа. Снижению парциального напряжения углекислого газа в крови ле­гочных капилляров частично препятствует эффект Халдейна: снижение парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе уменьшает интенсивность выведения СО₂. Однако более мощные контуры регуляции связаны с влиянием СО₂ на дыхательный центр продолговатого мозга.

Известно, что СО₂ легко диффундирует через гематоэнцефаличес­кий барьер и, попадая в ликвор, образует угольную кислоту, которая дис­социирует на Н⁺ и НСО₃'. Локальное содержание количества протонов воспринимается хеморецепторами вентральной поверхности продолго­ватого мозга и в конечном итоге влияет на деятельность дыхательного центра. Увеличение содержания СО₂ в крови и соответственно снижение pH цереброспинальной жидкости стимулируют дыхание; гипокапния и уменьшение, содержания протонов в цереброспинальной жидкости, на­против, угнетают дыхательный центр. В равнинных условиях снижение парциального напряжения углекислого газа в крови на 4—5 мм рт.ст. при­водит к существенному уменьшению легочной вентиляции. Однако при гипоксемии резко повышается чувствительность дыхательного центра к рСО₂ в крови, поэтому при подъеме в горы гипервентиляция сохраняется даже в случае значительного снижения содержания СО₂ в крови.

Гипокапния и увеличение pH крови, согласно закономерности, откры­той Бором, повышают сродство гемоглобина к кислороду, причем кривая насыщения гемоглобина кислородом смещается влево (рис. 10.1, А).

Этот эффект, с одной стороны, благоприятно сказывается на насыщении гемоглобина кислородом в легочных капил­лярах, но с другой стороны, смещение кривой диссоциации оксигемоглобина влево ухудшает отдачу кислорода тканям при сравнительно низких значениях его парциального напря­жения.

Рис. 10. 1. Кривые насыщения гемоглобина кислородом при разных типах гипоксии.

А — экзогенная гипобарическая гипоксия; Б — артериальная гипоксемия, вызванная экзо­генной или респираторной гипоксией; В — циркуляторная гипоксия; Г — гемическая ги­поксия; Д — первично-тканевая гипоксия; Р0₂ — напряжение кислорода; а — артериаль­ная кровь; в — смешанная венозная кровь.

Смещению кривой диссоциации оксигемоглобина влево при гипо- барической гипоксии противостоит возрастание содержания 2,3-дифос- фоглицерата в эритроцитах, уменьшающего сродство гемоглобина к кис­лороду (рис.

Тяжелая гипоксемия и гипокапния, возникающие при подъе­ме нетренированных людей на большие высоты, могут при­водить к развитию у них горной болезни.

Возникновение горной болезни зависит от ряда условий: климати­ческих особенностей высокогорья (влажность воздуха, перепад дневных и ночных температур, величина снежного покрова и т.д.), скорости вос­хождения и особенностей индивидуальной устойчивости к недостатку кис­лорода. У малотренированных людей астенического типа первые призна­ки этого заболевания могут наблюдаться уже на высоте около 2000 м, а на высоте более 4500 м над уровнем моря горная болезнь развивается у подавляющего большинства людей. На высоте 2000 м насыщение гемог­лобина кислородом равно 92 %, на высотах 4500—5500 м уменьшается до 70—75 %. Зависимость насыщения гемоглобина кислородом от его парциального напряжения в крови носит S-образный характер (см. рис.

10.1). Поэтому снижение парциального давления кислорода в альвеоляр­ном воздухе от нормальных значений 100 мм рт.ст. (на уровне моря) до 75 мм рт.ст. (на высоте 2000 м) приводит к снижению насыщения гемог­лобина кислородом всего на 4 %. Только на высотах свыше 4500—5500 м гипоксемия приобретает угрожающий, декомпенсированный характер.

Острая форма горной болезни сопровождается головной болью со­судистого генеза, одышкой при физических усилиях, побледнением кож­ных покровов с цианозом губ, расстройством сна, тошнотой, рвотой, по­терей аппетита. Характерным признаком болезни является изменение почерка, свидетельствующее о нарушениях тонкой двигательной диффе­ренцировки мышечной деятельности. Возможны серьезные осложнения горной болезни, представляющие угрозу для жизни, — отек мозга и вы­сотный отек легких. Последний формируется в основном вследствие уве­личения гидростатического давления в капиллярах малого круга крово­обращения. Дефицит кислорода вызывает сужение легочных сосудов, развивается гипертензия легочного круга кровообращения и как след­ствие увеличивается фильтрация жидкости из капилляров в интерстиций.

Респираторная гипоксия возникает вследствие нарушения функ­ций внешнего дыхания. Она формируется при недостаточности альвео­лярной вентиляции, нарушениях диффузионной способности легких, изменениях вентилляционно-перфузионных отношений. Скорость диф­фузии кислорода из альвеол в легочные капилляры определяется следу­ющим соотношением:

D = k(P₁ - P₂)S/d,

где D — количество диффундирующего газа в единицу времени; Р, — пар­циальное давление кислорода в альвеолярном воздухе; Р₂ — парциаль­ное напряжение кислорода в венозной крови; S — площадь диффузионной поверхности; d — толщина аэрогематического барьера; к —константа, учитывающая растворимость кислорода в воде и его молекулярную массу.

Очевидно, что диффузия кислорода снижается при уменьшении Р,, S и при возрастании d.

Альвеолярная гиповентиляция наблюдается при рестриктивных и об­структивных формах нарушения дыхания, центральных расстройствах дыхательного ритма. Рестриктивные заболевания легких сопряжены с ограничением их подвижности, способности расправляться при вдохе и могут возникать при врожденных и приобретенных аномалиях строения грудной клетки, миодистрофиях и воспалительных процессах в дыхатель­ных мышцах, нарушениях нервно-мышечной передачи различного генеза.

Нейрогенные миопатии могут быть связаны с дегенерацией мото­нейронов (боковой амиотрофический склероз), их вирусной инфекцией и воспалением (полиомиелит), токсикозом (столбняк, ботулизм). При пе­речисленных заболеваниях поражается широкий спектр периферических мотонейронов, включая иннервирующие наружные межреберные мыш­цы и диафрагму. Структурно-функциональные нарушения именно этих мотонейронов ограничивают расширение грудной клетки при вдохе, 281

давление в плевральной полости становится менее отрицательным и в альвеолы поступает меньше воздуха. Рестриктивные расстройства ды­хания и респираторная гипоксия возникают при первичном и травмати­ческом пневмотораксе, ожирении. При ожирении податливость грудной клетки, жизненная емкость легких и резервный объем выдоха уменьша­ются, альвеолярная гиповентиляция ведет к тяжелой гипоксемии, поли- цитемии и легочной гипертензии.

Обструктивные нарушения альвеолярной вентиляции обусловлены возрастанием сопротивления воздухоносных путей потоку воздуха. Они отмечаются при хроническом бронхите, эмфиземе легких, бронхиальной астме, муковисцидозе. Расстройства дыхательного ритма возникают при прямом воздействии токсичных веществ на нейроны дыхательного цент­ра, например при диабетической и печеночной коме. Нарушения крово­снабжения мозга при ишемических и геморрагических инсультах, шоко­вых состояниях, возрастании давления цереброспинальной жидкости часто приводят к грубым нарушениям дыхательного ритма и развитию альвеолярной гиповентиляции.

Нарушение диффузионной способности легких возможно вследст­вие уменьшения диффузионной поверхности и/или увеличения толщины аэрогематического барьера. Диффузионная поверхность легких умень­шается при ателектазе, который характеризуется спадением части аль­веол. Одной из наиболее распространенных причин ателектаза является нарушение продукции сурфактанта. Сурфактант продуцируется альвео­лярными клетками второго типа и представляет собой комплекс фосфо­липидов, основным из которых является дипальмитилфосфатидилхолин. Благодаря длинным гидрофобным концам молекулы этого соединения снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз воздух—вода и обеспечивают стабильность альвеол во время выдоха. При дефиците сурфактанта, например при респираторном дистресс-синдроме новорож­денных, альвеолы спадаются. Уменьшение диффузионной поверхности легких ведет к развитию гипоксии рестриктивного типа, которая усугуб­ляется гиалинизацией мембран альвеол.

Толщина аэрогематического барьера, т.е. расстояние, которое дол­жны преодолеть молекулы кислорода для того, чтобы попасть из альвеол в легочные капилляры, в норме не превышает 1 мкм. Однако этот диффу­зионный путь может увеличиваться при воспалительном отеке, фиброзе легочной паренхимы (синдром Хаммена—Рича).

Изменение вентиляционно-перфузионного отношения также может служить одной из причин развития респираторной гипоксии.

При респираторной гипоксии артериальной гипоксемии в большин­стве случаев сопутствует гиперкапния, содержание кислорода уменьша­ется как в артериальной, так и в венозной крови (рис. 10.1, Б).

Циркуляторная гипоксия развивается при нарушении в системе кровообращения, что приводит к недостаточному крово- и₍кислородо- снабжению органов и тканей. В соответствии с законом Дарси объемный кровоток через орган определяется разностью давления между артери­альными и венозными концами сосудов (прямая зависимость) и гидрав­лическим сопротивлением системы кровеносных сосудов (обратная за­висимость).

Снижение системного артериального давления приводит к уменьшению кровоснабжения большинства органов — раз­вивается общая циркуляторная гипоксия.

При возрастании гидравлического сопротивления системы крове­носных сосудов какого-либо органа циркуляторная гипоксия носит мест­ный характер.

Общая циркуляторная гипоксия может возникать как вследствие уменьшения производительности сердца (например, при кардиомиопа­тиях разного генеза), так и в связи с первичным снижением тонуса рези­стивных сосудов (например, при ортостатическом или панкреатическом коллапсе). Рассматриваемый тип гипоксии занимает центральное место в патогенезе таких экстремальных состояний, как кома и шок.

Местная циркуляторная гипоксия часто появляется вследствие ате­росклеротического поражения стенок артериальных сосудов и сужения их просвета. В зависимости от локализации этого процесса возможны разнообразные клинические проявления: ишемическая болезнь сердца, ишемический инсульт, болезни периферических артерий.

Особое место занимает циркуляторная гипоксия, связанная с нару­шениями микроциркуляции, реологических свойств крови. Повышение аг­регации форменных элементов, возрастание жесткости мембран эрит­роцитов, увеличение проницаемости стенок капилляров и формирование интерстициального отека затрудняютдоставку и диффузию кислорода из капилляров в ткани.

В типичных случаях циркуляторной гипоксии для газового состава крови характерны нормальное содержание кислорода в артериальной крови и снижение этого показателя в венозной крови (см. рис. 10.1, В). Возрастание коэффициента утилизации кислорода приводит в этом слу­чае к увеличению артериовенозной разницы по кислороду.

Гемическая гипоксия развивается при уменьшении кислородной емкости крови, что отмечается при анемиях, нарушениях способности гемоглобина связывать, транспортировать и отдавать тканям кислород. Эритропении — снижение количества эритроцитов в единице объема кро­ви — могут быть обусловлены подавлением кроветворной функции кост­ного мозга, уменьшением выброса эритропоэтина вследствие почечной недостаточности, возрастанием гемолиза эритроцитов. Эритропении обычно сопровождаются снижением содержания гемоглобина в крови.

Гемическая гипоксия может возникать не только при умень­шении количества гемоглобина, но и при его качественных изменениях.

Наиболее распространенными наследственными гемоглобинозами (гемоглобинопатии) являются серповидно-клеточная анемия и талассе- мии. Серповидно-клеточная анемия возникает вследствие аномалии структурного гена, что приводит к точечной замене в (3-цепях гемогло­бина остатка глутаминовой кислоты на остаток валина. Следствие по­добной замены — появление HbS, который способен деформировать эритроцит и придавать ему серповидную форму. При талассемиях каче­ственных нарушений синтеза глобиновых цепей не происходит, однако вследствие дефицита генов-регуляторов нарушается пропорциональ­ность в синтезе а- и (3-цепей гемоглобина. При наследственных гемогло- бинозах возможно как увеличение, так и уменьшение сродства гемогло­бина к кислороду. Так, например, при образовании гемоглобина Райнера кривая насыщения гемоглобина кислородом смещается влево, при гемо- глобинозе Сиэтла эта кривая, наоборот, смещается вправо. Соответ­ственно эти заболевания сопровождаются либо нарушением его отдачи в тканях, либо затруднением присоединения кислорода к гемоглобину в легких.

Приобретенные нарушения кислородной емкости крови можно про­иллюстрировать на примере образования карбоксигемоглобина и мет- гемоглобина. Карбоксигемоглобин представляет собой соединение гемоглобина с окисью углерода. Этот комплекс не способен транспорти­ровать кислород. Патологическая метгемоглобинемия возникает при воз­действии широкого спектра окислителей, производных анилина, бензо­ла, некоторых лекарственных препаратов (амидопирин, сульфаниламиды, фенацетин).

Для гемической гипоксии характерно значительное снижение объем­ного содержания кислорода в артериальной крови, хотя его парциальное напряжение остается в пределах нормальных значений (см. рис. 10.1, Г).

Первично-тканевая гипоксия связана с нарушениями в системе утилизации кислорода. При этом виде гипоксии страдает биологическое окисление на фоне достаточного снабжения тканей кислородом. Первич­но-тканевая гипоксия развивается вследствие нарушения способности клеток поглощать кислород или в связи с уменьшением эффективности биологического окисления в результате разобщения окисления и фосфо­рилирования, что ведет к выделению энергии в виде тепла и снижению синтеза макроэргических соединений. Утилизация кислорода тканями уменьшается в результате воздействия различных ингибиторов фермен­тов биологического окисления, вследствие глубоких нарушений гомео­стаза, за счет нарушения синтеза ферментов и дезинтеграции мембран­ных структур клетки.

Классическим примером первично-тканевой гипоксии является от­равление цианидами. Цианиды инактивируют цитохромоксидазу — конеч­ный фермент дыхательной цепи, клетки теряют способность утилизиро­вать кислород даже в условиях его нормальной доставки к тканям.

Нарушение синтеза дыхательных ферментов имеет место при неко­торых авитаминозах. Так, дефицит витамина В, (тиамина) приводит к раз­витию болезни бери-бери. Это заболевание встречается в странах Юго- Восточной Азии, где основным продуктом питания является очищенный рис, практически полностью лишенный тиамина. При недостатке тиами­на нарушается утилизация кислорода, поскольку тиаминпирофосфат в качестве коэнзима участвует в прямом окислении глюкозы.

При первично-тканевой гипоксии резко уменьшается коэффициент утилизации кислорода тканями. Поэтому при нормальной оксигенации артериальной крови значительно возрастает напряжение кислорода в венозной крови, соответственно уменьшается артериовенозная разница по кислороду (рис 10 1, Д).

Гипоксия нагрузки возникает при сверхинтенсивной деятельнос­ти какого-либо органа или ткани. Резко возрастающий кислородный за­прос таких органов или тканей полностью не обеспечивается даже в ус­ловиях полной мобилизации всех возможных функциональных резервов систем транспорта и утилизации кислорода. Подобная форма гипоксии может, например, возникнуть в скелетных мышцах при очень тяжелых физических нагрузках, являясь пусковым механизмом утомления. Гипо­ксия нагрузки формируется в комплексе нейронов, входящих в очаг эпи­лептической активности. Известно, что при эпилепсии локальный мозго­вой кровоток в зоне эпиактивности может возрастать в 4—6 раз, однако даже столь увеличенное кровоснабжение не в состоянии полностью удов­летворить кислородный запрос интенсивно работающих нейронов. Гибель нейронов в очаге эпиактивности протекает по тем же механизмам, что и при дефиците кислородоснабжения при ишемии.

Гипоксия смешанной этиологии встречается наиболее часто и представляет собой сочетание двух и более ее типов. Перечисленные выше виды кислородного голодания развиваются сравнительно редко, чаще возникают различные их комбинации. Как правило, первично воз­никающая гипоксия любого типа, достигнув определенной степени, вы­зывает нарушения деятельности других органов и систем, участвующих в обеспечении биологического окисления. Например, хроническая гипок­сия любого генеза обычно осложняется нарушением функции дыхатель­ных ферментов и присоединением кислородной недостаточности ткане­вого характера. При раковой кахексии первично-тканевая гипоксия может сочетаться с респираторной, циркуляторной и гемической гипоксией Та­ким образом, очевидно, что любая тяжелая гипоксия носит смешанный характер.

10.2.