Гіпоксія

Введення

Перед тим, як говорити про патфізіологічні зміни та механізми адаптації, потрібно згадати нормальну фізіологію та дати визначення таким поняттям:
Киснева ємність крові - це максимальна кількість(об'єм) кисню, який може бути поглинутий в 100 мл крові.Переносником кисню в крові є еритроцит, який складається із гемоглобіну, в свою чергу, один грам гемоглобіну може зв'язати 1.34 мл O₂.В середньому, на 100 мл крові припадає 12-16 грам гемоглобіну.Отже, якщо ми 15 гемоглобіну помножимо на 1.34, то отримаємо 20 мл O₂, зв'язаного з гемоглобіном знаходиться в 100 мл крові.

Артеріовенозна різниця за киснем - показує різницю вмісту кисню між артеріальною та венозною кров'ю.Грубо кажучи, в 100мл артеріальній крові знаходиться 20 мл O₂, коли ця артеріальна кров протікає через капіляри, то відбувається газообмін, відповідно, кисень тікає від еритроцитів, а значить об'єм кисню, зв'язаного з гемоглобіном падає - тепер кров стає венозною, і наприклад, зараз в 100 мл уже венозної крові об'єм O₂ буде всього 15 мл.Якщо ми візьмемо не 100 мл, а літр крові, то вийде, що: O₂(а-в) = 200(вміст O₂ в артеріальній крові на 1л) - 150(вміст O₂ в венозній крові на 1л) = 50 мл, а це означає, що тканини в стані спокою поглинають 50 мл оксигену з літру крові.Зрозуміло, що якщо тканини раптом мають інтенсивний метаболізм, то поглинання кисню збільшується, а значить в венозній крові буде не 15 мл, а 12, тобто: O₂(а-в) = 200 - 120 = 80 - це означає, що тканини під час інтенсивного метаболізму поглинають 80 мл кисню із 1л крові.Ці всі числа вони умовні, головне зрозуміти логіку.

Крива дисоціації оксигемоглобіну показує спорідненість оксигену до гемоглобіну.І так, нижче повинен бути графік, який показує це все наочно.Парціальний тиск O₂ в венозній крові(норма) = 40 мм. рт. ст., за таких умов 75% гемоглобіну насичено киснем.Парціальний тиск O₂ в артеріальній крові = 100 мм. рт. ст, за таких 99% гемоглобіну насичено киснем.Таким чином утворюється крива дисоціації оксигемоглобіну в нормі(позначена синім) - показує скільки гемоглобіну насичено киснем за умов такої то величини парціального тиску O₂.Коли говорять про зсув кривої дисоціації вліво, то мається на увазі, що спорідненість гемоглобіну до оксигену росте(лінія позначена червоним, як ви бачите при при парціальному тиску 40 мм. рт. ст. насичення гемоглобіну зростає - спорідненість гемоглобіну до кисню зростає), а якщо відбувається зсув вправо, то кажуть про зменшення спорідненості гемоглобіну до кисню(зелена лінія).
Спорідненість гемоглобіну до кисню визначається такими факторами: температура, наявність протонів гідрогену, концентрація O₂ та CO₂, 2,3-дифосфогліцерат.
Спорідненість гемоглобіну до оксигену падає, якщо підвищується температура, збільшується концентрація H⁺, тиск CO₂ та 2,3-дифосфогліцерату, при цьому зменшується тиск O₂ - такі умови можна зустріти в капілярах скелетних м'язів, так як під час своєї роботи вони 1)продукують тепло, 2)утворюють кислі метаболіти, 3)виділяють CO₂, 4) поглинають O₂, 5) при підвищенні H⁺ в еритроцитах підвищується продукція 2,3-дифосфогліцерату.І ось коли еритроцит потрапляє в такі умови, то він віддає свій кисень, бо розуміє що це тканина з активним метаболізмом, їй потрібен кисень - відбувається зсув кривої дисоціації вправо(падає спорідненість).
Коли еритроцит потрапляє в легені, то там умови зовсім протилежні: багато O₂, мало CO₂ та H⁺, низька температура - все це каже еритроциту, що зараз він знаходиться в легенях, йому потрібно забирати кисень на себе - підвищується спорідненість - зсув кривої дисоціації вліво.

Тканинне дихання - сукупність реакцій, які відбуваються в клітинах організму, в ході яких відбувається окислення поживних речовин(в тому числі реакції електронтранспортного ланцюгу та окисного фосфорилювання), що в результаті дає утворення енергії.

Гіпоксія - патологічний стан, коли тканини не отримують достатньо кисня для свого нормального функціонування.

Гіпоксемія - зниження парціального тиску O₂ в крові, що може бути спричинено величезним спектром причин(порушення дихання, кровообігу і т.д).

Гіпокапнія - зниження парціального тиску CO₂ в крові.
Гіперкапнія - підвищення парціального тиску CO₂ в крові.
Ну ось тепер ми трошки розігрілись і можна переходити до теми.

Гіпоксія

Класифікація

Як вже сказано, гіпоксія - це стан, коли тканинам не вистачає кисню.В залежності від того, чому клітинам не вистачає кисню, гіпоксії бувають:

• Гіпоксична
• Дихальна
• Серцево-судинна
• Гемічна
• Тканинна(гістотоксична)

За перебігом розрізняють:

• Блискавичну (протягом кількох секунд, наприклад, при розгерметизації літальних апаратів на великій висоті)
• Гостру (яка розвивається через кілька хвилин або протягом години в результаті гострої крововтрати, гострої серцевої або дихальної недостатності, при отруєнні чадним газом, ціанідами, при шоці, колапсі)
• Підгостру (вона формується протягом кількох годин при потраплянні в організм метгемоглобіноутворювачів, таких як нітрати, бензол, а в ряді випадків — у результаті повільно наростаючої дихальної або серцевої недостатності)
• Хронічну гіпоксію, яка виникає при дихальній і серцевій недостатності та інших формах патології, а також при хронічній анемії, перебуванні в шахтах, колодязях, при роботі у водолазних і захисних костюмах

Розрізняють:

• Місцеву (локальну) гіпоксію, яка розвивається при ішемії, венозній гіперемії, престазі та стазі в зоні запалення
• Загальну (системну) гіпоксію, що спостерігається при гіповолемії, серцевій недостатності, шоці, колапсі, ДВЗ-синдромі, анеміях

Відомо, що найбільш стійкими до гіпоксії є кістки, хрящі та сухожилля, які зберігають нормальну структуру та життєздатність протягом багатьох годин при повному припиненні постачання киснем.Скелетні м'язи витримують гіпоксію протягом 2 годин, коли нирки та печінка — 20-30 хвилин. Найчутливішою тканиною до гіпоксії є кора головного мозку.

Гіпоксична гіпоксія

Гіпоксична гіпоксія виникає внаслідок зниження парціального тиску O₂ в навколишньому середовищі.В нормі парціальний тиск O₂ навколо нас дорівнює 160 мм. рт. ст., коли в альвеоли потрапляє 104 мм. рт. ст., але цього достатньо, щоб газообмін відбувався нормально.Якщо ж парціальний тиск навколо знизиться, наприклад, до 120, то в альвеоли потрапить менше кисню, а значить менше кисню потрапить з альвеол в кров.Такий сценарій може реалізуватись на високогір'ї, так як там впринципі парціальний тиск будь-яких газів менше.За таких умов відразу активуються компенсаторні механізми, направлені на збільшення утворення еритроцитів: нирки починають виділяти еритропоетин, щоб компенсувати недостачу кисню збільшенням кількості еритроцитів.

Дихальна гіпоксія

Респіраторна гіпоксія виникає внаслідок недостатності газообміну в легенях, яка може бути спричинена такими причинами: альвеолярною гіповентиляцією, зниженою перфузією крові в легенях, порушенням дифузії кисню через аерогематичний бар'єр, і, відповідно, порушенням вентиляційно-перфузійного співвідношення. Патогенетичною основою дихальної гіпоксії є зниження вмісту оксигемоглобіну, підвищення концентрації відновленого гемоглобіну, гіперкапнія і наслідок - газовий ацидоз.
Гіповентиляція легень є результатом дії ряду патогенетичних факторів:

• Порушення прохідності дихальних шляхів при обструктивних і рестриктивних формах патології(ХОБЛ, бронхіальна астма), відповідно, менше кисню потрапляє в альвеоли.
• Розлади нервової та гуморальної регуляції вентиляції легень, наприклад ушкодження дихального центру або ж спинного мозку, що призводить до порушення дихальних рухів.Або ж наприклад через пригнічення дихального центру внаслідок дії морфіну або ж загальноанестезуючих засобів.Також можна згадати про асцит, так як у особливо тяжких випадках обмежуються рухи дихальних м'язів - виникає гіповентиляція.
• Зниження перфузії легень кров'ю і порушення дифузії О2 через аерогематичний бар'єр, наприклад, потовщення дифузного бар'єру за рахунок підвищеної секреції ексудату.Також варто згадати про емфізему легень, в результаті чого легенева тканина розпадається і заміщується сполучною - це все призводить до зменшення площі альвеол.При саерцевій недостатності знижується перфізуя легень кров'ю, а значить навіть якщо кисню буде достатньо, то газообмін ефективно все рівно не відбудеться.
• Невідповідність між вентиляцією та перфузією: давайте зараз просто уявімо, що за одну хвилину в кожну легеню потрапляє 2 літри кисню, так же само як і крові - 2 літри крові протікає через кожну легеню за одну хвилину.Грубо кажучи, вентиляція і перфузія зараз знаходяться в балансі(давайте уявімо, що 1 мл кисню підбирається 1 мл кров'ю).А ось тепер що буде, якщо в одну легеню потрапляє 1 л кисню(обструкція дихальних шляхів), при цьому сюди притікає 2 л крові, а в іншу легеню потрапляє 2 літра кисню, при цьому сюди притікає 0.5(атеросклероз, ембол артерії) літрів крові? - в першій легені недостатньо кисню, при цьому крові вистачає, але чи відбудеться ефективний газообмін? - ні, бо дуже замало кисню, щоб наситити кров.В іншій легені достатньо кисню, але немає крові, відповідно, кров насититься, але об'єму цієї крові недостатньо.В обох випадках виникає невідповідність між вентиляцією та перфузією - так званний V/Q mismatch.Так, впринципі, це не варто було розглядати як окремий пункт, то він залежить від інших, але просто щоб ви розуміли що таке є.

Циркуляторна гіпоксія

Гемодинамічна гіпоксія розвивається при локальних, регіональних та системних порушеннях гемодинаміки. Залежно від механізмів розвитку циркуляторної гіпоксії можна виділити ішемічну та застійну форми. В основі циркуляторної гіпоксії може лежати абсолютна недостатність кровообігу або відносна, при різкому зростанні потреби тканин у кисневому забезпеченні (у стресових ситуаціях).
Генералізована циркуляторна гіпоксія виникає при серцевій недостатності, шоці, колапсі, зневодненні організму, ДВЗ-синдромі тощо. Причому, якщо порушення гемодинаміки виникають у великому колі кровообігу, насичення крові киснем у легенях може бути нормальним, але порушується його доставка до тканин через розвиток венозної гіперемії та застійних явищ у великому колі кровообігу. При порушеннях гемодинаміки в судинах малого кола кровообігу страждає оксигенація артеріальної крові.
Локальна циркуляторна гіпоксія виникає у зоні тромбозу, емболії, ішемії, венозної гіперемії в тих чи інших органах і тканинах.
Для циркуляторної гіпоксії характерні: зниження РаО₂, збільшення утилізації О2 тканинами внаслідок уповільнення кровотоку та активації системи цитохромів, підвищення рівня іонів водню та вуглекислого газу в тканинах. Порушення газового складу крові призводить до рефлекторної активації дихального центру, розвитку тахіпное, збільшення швидкості дисоціації оксигемоглобіну в тканинах.
Також може відбуватись місцева(локальна) гіпоксія внаслідок порушення місцевого кровообігу, що може бути обумовлене емболом, стенозом, відкладанням атеросклеротичних бляшок в стінці судини:за таких умов в організмі все нормально, але саме цей конкретний орган не отримує достатньо кисню, бо просвіт артерії звужений, що може призводити до розвитку гіпоксії та навіть ішемії.

Гемічна гіпоксія

Гемічний (кров'яний) тип гіпоксії виникає в результаті зменшення ефективної кисневої ємності крові, а отже, і її функції транспортування кисню. Транспорт кисню від легень до тканин майже повністю здійснюється за участю гемоглобіну(Hb). Основними причинами зниження кисневої ємності крові є:

• Зменшення вмісту гемоглобіну в одиниці об’єму крові та в загальному об’ємі, наприклад, при виражених анеміях, що виникають через порушення кровотворення кісткового мозку різного генезу, при постгеморагічних та гемолітичних анеміях.Наприклад, внаслідок недостачі заліза, фолієвої кислоти, кобаламіну в організмі порушується кровотворення - зменшується утворення еритроцитів.Також при нирковій недостатності є також ризик розвитку анемії, бо нирки утворюють еритропоетин - біологічну активну речовину, яка регулює еритропоез.При хронічних запаленнях виділяється гепсидин, який порушує всмоктування заліза - є ризик виникнення гіпохромної анемії.При порушенні ціліності стінки ШКТ порушується всмоктування кобаламіну - ризик виникнення макроцитарної анемії.
• Порушення транспортних властивостей гемоглобіну, яке може бути обумовлене зниженням здатності гемоглобіну еритроцитів зв'язувати кисень у капілярах легень або транспортувати й віддавати його в тканинах, що спостерігається при спадкових і набутих гемоглобінопатіях(таласемія, серповидеа анемія).

Досить часто гемічна гіпоксія спостерігається при отруєнні чадним газом, оскільки чадний газ має надзвичайно високу спорідненість до гемоглобіну, майже в 300 разів перевищуючи спорідненість до нього кисню. При взаємодії чадного газу з гемоглобіном утворюється карбоксигемоглобін, який позбавлений здатності транспортувати та віддавати кисень. Чадний газ міститься у високій концентрації у вихлопних газах двигунів внутрішнього згоряння, побутовому газі. Виражені порушення життєдіяльності організму розвиваються при збільшенні вмісту карбоксигемоглобіну в крові до 50% (від загальної концентрації гемоглобіну). Підвищення його рівня до 70-75% призводить до важкої гіпоксемії та летального результату. Карбоксигемоглобін має яскраво-червоний колір, тому при його надмірному утворенні шкіра та слизові стають червоними. Видалення чадного газу з вдихуваного повітря призводить до дисоціації карбоксигемоглобіну, але цей процес відбувається повільно і триває кілька годин.Допомогти пацієнту, який отруївся чадним газом можна за рахунок терапії гіпербаричним киснем: людину поміщають в спеціальну камеру, де парціальний тиск кисню вище, ніж в навколишньому середовищі, а за рахунок цього підвищується здатність кисню витісняти чадний газ від гемоглобіну.
Вплив на організм деяких хімічних сполук (нітратів, нітритів, оксидів азоту, бензолу, деяких токсинів інфекційного походження, лікарських засобів: феназепаму, амідопірину, сульфаніламідів, продуктів перекисного окислення ліпідів тощо) призводить до утворення метгемоглобіну, який не здатний переносити кисень, оскільки містить окислену форму заліза (Fe³⁺). Окислена форма заліза (Fe³⁺) зазвичай знаходиться в комплексі з гідроксилом (OH-). Метгемоглобін має темно-коричневий колір, і саме цей відтінок набувають кров і тканини організму. Процес утворення метгемоглобіну має зворотний характер, проте його відновлення до нормального гемоглобіну відбувається відносно повільно (протягом кількох годин), коли залізо гемоглобіну знову переходить у відновлену форму.Для перетворення метгемоглобіну назад в оксигемоглобін потрібен фермент метгемоглобін редуктаза та кофермент НАДФН, який утворюється в реакціях пентозофосфатного шляху.

Тканинна гіпоксія

Тканинна (гістотоксична) гіпоксія розвивається внаслідок порушення здатності клітин використовувати кисень (при нормальному його постачанні до клітини) або у зв'язку зі зменшенням ефективності біологічного окислення в результаті роз’єднання окислення та фосфорилювання.
Розвиток тканинної гіпоксії пов'язують із такими патогенетичними факторами:

• Порушення активності ферментів біологічного окислення в процесі:
• Пагубна дія деяких речовин на комплекси електронтранспортного ланцюгу(наприклад, ціаніди, чадний газ, антибіотики)
• Зв'язування SН-груп білкової частини ферменту іонами важких металів (Ag²⁺, Hg²⁺, Cu²⁺), що призводить до утворення неактивних форм ферменту
• Конкурентного блокування активного центру ферменту речовинами, які мають структурну аналогію з природним субстратом реакції (оксалати, малонати)
• Порушення синтезу ферментів, яке може виникати при дефіциті вітамінів B1 (тіаміну), B3 (PP), нікотинової кислоти та інших, а також при кахексії різного походження
• Відхилення від оптимальних фізико-хімічних параметрів внутрішнього середовища організму: рН, температури, концентрації електролітів тощо. Ці зміни виникають при різних захворюваннях та патологічних станах (гіпотерміях і гіпертерміях, нирковій, серцевій та печінковій недостатності, анеміях) і знижують ефективність біологічного окислення, тому-що ферменти змінюють свою конформацію, а як наслідок падає каталітична активність
• Дезінтеграція біологічних мембран, обумовлена впливом патогенних факторів інфекційної та неінфекційної природи, що супроводжується зниженням ступеня зв’язку між окисленням та фосфорилюванням, пригніченням утворення макроергів у дихальному ланцюзі. Здатність роз’єднувати окислювальне фосфорилювання і дихання в мітохондріях мають: надлишок іонів Н⁺ і Са²⁺, вільні жирні кислоти, адреналін, білірубін, тироксин і трийодтиронін, деякі лікарські засоби (дикумарин, грамицидин тощо). У таких умовах збільшується споживання кисню тканинами. При набуханні мітохондрій і роз'єднанні окислювального фосфорилювання та дихання більша частина енергії перетворюється на тепло і не використовується для ресинтезу макроергів. Ефективність біологічного окислення знижується

Тобто, за таких умов в клітині є кисень, але вона не може його правильно використати, бо механізми його реалізації просто заблоковані.

Компенсаторні механізми

Перші зміни в організмі при гіпоксії пов'язані з включенням реакцій, спрямованих на збереження гомеостазу (фаза компенсації). Якщо цих пристосувальних реакцій недостатньо, в організмі відбуваються структурно-функціональні порушення (фаза декомпенсації). Розрізняють реакції, спрямовані на адаптацію до короткочасної гострої гіпоксії (термінові), і реакції, що забезпечують стійке пристосування до менш вираженої, але тривалої або багаторазово повторюваної гіпоксії, "хронічної" гіпоксії(реакції довготривалої адаптації).

Термінові реакції виникають рефлекторно внаслідок подразнення рецепторів судинної системи та ретикулярної формації стовбура мозку зміненим газовим складом крові, що стимулює дихальний та вазомоторний центри. У результаті посилюється альвеолярна вентиляція, збільшується хвилинний дихальний об'єм (завдяки поглибленню дихання, частішим дихальним рухам і мобілізації резервних альвеол – компенсаторна задишка); прискорюються серцеві скорочення, збільшується об'єм циркулюючої крові (за рахунок викиду крові з кров’яних депо - скорочення венул), венозний притік, ударний і хвилинний об’єми серця, швидкість кровотоку, кровопостачання мозку, серця та інших життєво важливих органів, зменшується кровопостачання м'язів, шкіри (централізація кровообігу, щоб кисень, якого і так мало, отримували лише органи необхідні для виживання).
Підвищується киснева ємність крові (завдяки інтенсивному вивільненню еритроцитів із кісткового мозку), а потім – активації еритропоезу, підвищується спорідненість гемоглобіну до кисню (оксигемоглобін набуває здатності віддавати тканинам більше кисню навіть при помірному зниженні рО₂ в тканинній рідині, чому сприяє ацидоз, що розвивається в тканинах, при цьому оксигемоглобін легше віддає кисень). Крім того, обмежується активність органів і тканин, безпосередньо не залучених у забезпечення транспорту кисню. Підвищується спряження процесів біологічного окислення та фосфорилювання. Посилюється синтез АТФ завдяки активації анаеробного гліколізу(що в свою чергу викликає ацидоз - зсув кривої дисоціації гемоглобіну вправо). У різних тканинах збільшується інтенсивність процесу синтезу оксиду азоту, що веде до розширення прекапілярних судин, зниження адгезії та агрегації тромбоцитів, активації процесу синтезу стресових білків, які захищають клітину від пошкодження. Важливою адаптаційною реакцією при гіпоксії є активація гіпоталамо-гіпофізарно-надниркової системи (стрес-синдром), гормони якої (глюкокортикоїди), стабілізуючи мембрани лізосом, таким чином зменшуючи ризик їх пошкодження, тим самим попереджуючи вивільнення їх ферментів та подальшого розвитку некрозу.

Довготривалі зміни в організмі супроводжуються гіпертрофією і гіперплазією в системах, відповідальних за транспорт кисню та його утилізацію: збільшенням маси дихальних м'язів, легеневих альвеол, міокарда, збільшенням кількості функціонуючих капілярів за рахунок їх подовження та розширення, збільшенням кількості міоглобіну в тканинах, мітохондрій у клітинах, гіперплазією кровотворної тканини, активацією еритропоезу.