Д-р. Роб Лоу,
Королевская больница, Бристоль, Великобритания
Д-р. Х. Буквирва, больница Мулаго, Кампала, Уганда
Физиология транспорта кислорода
Для выживания человек должен быть способен поглощать кислород из атмосферы и транспортировать его клеткам, где он используется в метаболизме. Некоторые клетки могут короткое время вырабатывать небольшое количество энергии без участия кислорода (анаэробный метаболизм). Другие органы (например, головной мозг) состоят из клеток, которые могут существовать только при наличии постоянного снабжения кислородом (аэробный метаболизм). Различные ткани имеют различную степень толерантности к аноксии (отсутствие кислорода). Мозг и сердце – наиболее уязвимые органы. В начале недостаток кислорода поражает функцию органа, а с течением времени вызывает и необратимые морфологические изменения (в течение минут в случае с мозгом), когда восстановление функции невозможно.
Транспорт кислорода из воздуха тканям
Кислород доставляется из воздуха, которым мы дышим, каждой клетке организма. В целом, газы перемещаются из области высокой концентрации (давления) в зону низкой концентрации (давления). Если в резервуаре имеется смесь газов, то давление каждого газа (парциальное давление) равняется давлению, при котором находился бы газ, будь он в резервуаре один.
Из атмосферы к альвеолам
Воздух (атмосфера) вокруг нас имеет давление 760 мм Hg (1 атмосфера = 760 мм Hg = 101 кРа). Воздух содержит 21% кислорода, 78% азота и небольшое количество СО2, аргона и гелия. Давление, создаваемое двумя основными газами, смешанными вместе, равняется общему или атмосферному давлению. Давление кислорода (РО2) в сухом воздухе на уровне моря равняется 159 мм Hg (21/100 х 760 = 159). При вдохе воздух, продвигающийся по верхним дыхательным путям, нагревается и увлажняется. Влажность, формирующаяся парами воды, создает давление, которое при 37 градусах в трахее составляет 47 мм Hg. Беря в расчет давление водяных паров, РО2 в трахее при дыхании воздухом (760-47) х 21/100 = 150 мм Hg. При достижении альвеол РО2 падает до 100 мм Hg. Это происходит из-за того, что в альвеолах идет процесс постоянного поступления О2 извне (дыхание) и удаления его из организма легочными капиллярами.
Из альвеол в кровь
Кровь, возвращающаяся к сердцу из тканей, имеет низкое РО2 (40 мм Hg). Она идет к легким по легочным артериям. Легочные артерии образуют легочные капилляры, окружающие альвеолы. Кислород диффундирует из альвеол – зоны высокого РАО2 (100 мм Hg) в капилляры – зону низкого РаО2 (40 мм Hg). После оксигенации кровь поступает по легочным венам в левые отделы сердца и далее в ткани организма. В «идеальном легком» РаО2 крови в легочных венах должно равняться РАО2 в альвеолах. Три фактора делают РО2 венозной крови ниже альвеолярного: нарушение вентиляционно/перфузионных (V/Q) отношений, шунт и медленная диффузия.
Нарушение вентиляционно/перфузионных отношений
В «идеальном легком» все альвеолы получали бы одинаковую степень вентиляции и капилляризации с одинаковым током крови по ним.
Пораженные легкие могут иметь значительный дисбаланс между вентиляцией и кровотоком. Некоторые альвеолы сравнительно гипервентилируются, другие же «гиперперфузируются». Наиболее яркой формой этого нарушения является шунт, когда кровь протекает по альвеолам без газообмена (рисунок 1). Хорошо вентилируемые альвеолы (с высоким РО2 в капиллярной крови) не способны компенсировать газообмен при наличии большого числа невентилируемых альвеол с низким РО2 в капиллярах. Это происходит из-за того, что гемоглобин способен нести лимитированное количество кислорода (см. кривую диссоциации оксигемоглобина, рис. 2а). Легочная венозная кровь (смешанная кровь всех легочных капилляров) будет иметь меньшее РО2, чем в альвеолах. Даже нормальные легкие имеют некоторый вентиляционно/перфузионный дисбаланс; верхние зоны сравнительно лучше вентилируются, тогда как нижние – лучше перфузируются, но гиповентилируются.
Рис. 1. Отражена норма и два типа V/Q нарушений, таких как шунт и мертвое пространство.
Шунт имеет место, когда деоксигенированная венозная кровь, возвращающаяся от тканей проходит через невентилируемые альвеолы и поступает в легочные вены и большой круг кровообращения с неизмененным РО2 (40 мм Hg) (рисунок 1). Ателектазы (коллабированные альвеолы), уплотнение легкого, отек легких или обструкция дыхательных путей малого калибра (см. ниже) вызывают развитие шунта.
Диффузия
Кислород диффундирует из альвеол в капилляры до момента выравнивания РО2 в капиллярах и альвеолах. Этот процесс завершается, когда кровь проходит одну треть пути по легочному капилляру. В интактных легких процесс диффузии происходит очень быстро и завершается даже при высоком сердечном выбросе (нагрузка), когда кровь находится меньшее время в контакте с альвеолами. Этого может не происходить в поврежденной капиллярной сети легких (легочные заболевания). Однако, легкие имеют широкий диапазон компенсации и проблемы, связанные с неадекватной диффузией газов – редкая причина гипоксии, за исключением случаев альвеолярного фиброза.
Для нивелирования негативных эффектов легочного шунта и вентиляционно/перфузионных нарушений на оксигенацию крови легочные сосуды обладают способностью к вазоконстрикции - таким образом снижается кровоток по плохо вентилируемым зонам. Это называется гипоксической легочной вазоконстрикцией, снижающей эффект шунта.
Транспорт кислорода кровью
Кислород переносится кровью в двух формах. Большая часть связывается с гемоглобином (рисунок 2b), но также имеется очень небольшая доля кислорода, растворенного в плазме. Каждый грамм гемоглобина при полном насыщении способен переносить 1,31 мл кислорода. Таким образом, каждый литр крови с концентрацией гемоглобина 15 г/дл (150 г/л – пер.) может переносить около 200 мл кислорода при полном насыщении (РО2 >100 мм Hg). При этом РО2 всего 3 мл кислорода растворится в каждом литре плазмы.
Если РаО2 значительно повышено (при дыхании 100% кислородом), небольшое количество кислорода растворится в плазме (0,003 мл О2/100 мл крови/мм Hg РО2), но при этом гемоглобин при сатурации > 95% не способен продолжать связываться с кислородом. При рассмотрении адекватности доставки кислорода тканям следует иметь в виду три фактора: концентрация гемоглобина, сердечный выброс и оксигенация.
Кислородный каскад
Кислород перемещается по градиенту из зоны более высокой концентрации в воздухе через дыхательные пути, смешиваясь с альвеолярным газом, далее поступает в артериальную кровь, капилляры и, наконец, в клетку. РО2 достигает минимального уровня (4-20 мм Hg) в митохондриях (структурное образование клетки, ответственное за продукцию энергии). Это снижение парциального давления кислорода от воздуха к митохондрии известно как кислородный каскад, каждая ступень которого может быть затронута патологическим процессом и вызывать гипоксию (рисунок 3).
Рис. 2. Кривая диссоциации HbО2 при рН=7,4, РСО2= 40 ммHg и 37оС. Рис. 2b. Относительные доли О2, растворенного в плазме, и О2, связанного с Hb (концентрация Hb = 15г/100 мл крови).
Доставка кислорода
Количество кислорода, доступного для организма за минуту, известно как доставка кислорода и равняется сердечному выбросу х содержание кислорода в артериальной крови (см. выше). Например, 5000 мл крови/мин х 200 мл О2/1000 мл крови = 1000 мл О2/мин. Доставка кислорода (млО2/мин) = сердечный выброс (л/мин) х концентрация Нb (г/л) х 1,30 (млО2/г Hb) х % сатурации.
Рис. 3. Кислородный каскад.
Эффекты гиповентиляции показаны тонким пунктиром, шунта - ширным
Потребление кислорода
Человеком в покое каждую минуту потребляет около 250 мл кислорода (потребление кислорода), то есть используется всего 25% кислорода артериальной крови. Гемоглобин в смешанной венозной крови насыщен примерно на 75% (95% - 25%).
Клеткам доставляется больше кислорода, чем они могут использовать. При высоком потреблении кислорода (например, при физической нагрузке) повышенная потребность компенсируется повышением сердечного выброса (см. формулу выше). Однако низкий сердечный выброс, низкое содержание гемоглобина (анемия) или низкая сатурация гемоглобина приведет к неадекватной доставке кислорода, если не произойдет компенсаторных изменений в одном из перечисленных звеньев. С другой стороны, если доставка кислорода падает на уровень потребления кислорода, ткани начинают экстрагировать большее его количество (сатурация смешанной венозной крови падает ниже 70%)(рис. 4 а-b). Снижение доставки ниже точки «с» на рисунке 4 не может быть компенсировано повышением экстракции кислорода и ведет к анаэробному метаболизму и лактат ацидозу.
Запасы кислорода
Несмотря на огромную важность кислорода, его запасы в организме человека невелики и недостаточны для поддержания жизни более, чем несколько минут. При отсутствии дыхания запасы кислорода ограничены его наличием в легких и крови. Количество кислорода в рови зависит от объема циркулирующей крови и концентрации Hb. Количество в легких – от величины функциональной остаточной емкости (ФОЕ) и альвеолярной концентрации кислорода. ФОЕ это объем воздуха (около 3 литров у взрослых), который остается в легких в конце выдоха, когда эластические силы легких находятся в равновесии с диафрагмой и расслабленной грудной клеткой. При дыхании общий запас кислорода (кислород крови и легких) невелик и так как в основном он связан с гемоглобином (см. рис. 5), только небольшая его часть высвобождается при отсутствии недопустимого падения РО2 (когда насыщение - сатурация гемоглобина 50% и РО2 снижено до 26 мм Hg). Дыхание 100% кислородом приводит к значительному увеличению запасов кислорода в организме, так как ФОЕ заполнена кислородом. Основной компонент запаса теперь находится в легких и 80% его может быть использовано без опасности критического снижения сатурации гемоглобина (РАО2 остается около 100 ммHg). Это объясняет эффективность преоксигенации (см. ниже).
Транспорт кислорода – эффекты анестезии
Гиповентиляция может возникать во время анестезии вследствие обструкции дыхательных путей, действия ингаляционных анестетиков, опиоидов и гипнотиков. С другой стороны, при анестезии кетамином и эфиром (менее 1 МАК) наблюдается менее выраженная депрессия дыхания, чем при использовании других анестетиков. Альвеолярное РО2 сбалансировано поступлением кислорода при дыхании и его потреблением в метаболических процессах организма. Гиповентиляция и сниженная вдыхаемая концентрация кислорода приведет к падению альвеолярного РАО2. Повышенное потребление кислорода при растущих метаболических потребностях, например, при послеоперационном ознобе или злокачественной гипертермии также приводит к снижению РaО2.
При падении РаО2 ниже 60 мм Hg хеморецепторы каротидного синуса и дуги аорты вызывают гипервентиляцию и повышение сердечного выброса через стимуляцию симпатической нервной системы. Эту нормальную протективную реакцию на гипоксию подавляют анестетики в интра- и послеоперационном периоде.
После индукции в наркоз наблюдается быстрое снижение ФОЕ, приводящее с закрытию мелких бронхиол, особенно в зависимых частях легких, которые спадаются и находятся в закрытом состоянии втечение всего респираторного цикла. Некоторые альвеолы при этом не вентилируются и возникает шунт.
Нарастают V/Q нарушения, что приводит к снижению сатурации крови в легочных венах ниже, чем в капиллярах вентилируемых альвеол. Ситуация усугубляется во время индукции в наркоз, когда примесь неоксигенированной крови может составлять не 1%, а 10%. За исключением пациентов с сохраненным спонтанным дыханием на фоне анестезии кетамином подобная картина возникает вне зависимости от использованного анестетика и от того, вводились ли пациенту миорелаксанты. Это следует рассматривать как неизбежный побочный эффект анестезии. Ингаляционные анестетики подавляют легочную гипоксическую вазоконстрикцию и кровоток по невентилируемым альвеолам не снижается. Многие анестетики снижают сердечный выброс и соответственно доставку кислорода. При анестезии на 15% падает уровень метаболизма и, следовательно, потребность в кислороде. Искусственная вентиляция снижает потребности в кислороде на 6% вследствие отсутствия работы дыхательной мускулатуры. Анестетики не влияют на кислородотранспортные свойства гемоглобина.
Рис. 4. На рисунке горизонтальной линией показан лимит, до которого снижение доставки О2 не вызовет снижение его потребления (оксигенация, не зависимо от доставки) (А-В). Ниже указанного критического значения доставки О2 потребление становится зависимым от доставки и возникают признаки гипоксии. Положение точки С зависит от значения максимально возможной экстракции кислорода.
Литература:
1.Nunn JF.Applied Respiratory Physiology (3rd Edition).Butterworths 1987
2.West JB.Respiratory Physiology (4 th Edition). Williams and Wilkins 1990