Одним из фундаментальных условий жизнедеятельности клеток и организма в целом является непрерывная выработка и потребление энергии. Образование энергии происходит при окислительно-восстановительных реакциях с участием углеводов и жиров (т.е. при биологическом окислении). С окислением субстратов в присутствии кислорода сопряжено (связано) образование фосфатных связей молекулы АТФ. Это происходит в митохондриях.
Для нормального обеспечения клеток энергией необходимо:
• поступление в митохондрии достаточного количества субстратов и кислорода,
• утилизация субстратов и кислорода и непрерывное образование достаточного количества АТФ.
В случае нарушения этих процессов развивается гипоксия. Гипоксия является одним из наиболее распространенных патологических процессов.
1. Гипоксия: виды и их характеристика
Гипоксия (hypoxia; греч. hypo - мало + лат. oxygenium - кислород) - состояние, возникающее при недостаточности снабжения тканей организма кислородом или нарушении его использования в процессе биологического окисления.
По скорости возникновения и длительности течения различают гипоксию молниеносную, развивающуюся в течение секунд, острую - в течение минут, подострую - в течение часов и хроническую, длящуюся недели, месяцы, годы.
По степени тяжести гипоксия подразделяется на легкую, умеренную, тяжелую и критическую (летальную).
В зависимости от этиологии и механизмов развития И. Р. Петров (1949) разделил все виды гипоксии на две группы:
1. Гипоксия вследствие снижения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе (экзогенная). Она может быть нормо- и гипобарической.
2. Гипоксия при патологических процессах (эндогенная):
а) дыхательная,
б) сердечно-сосудистая,
в) кровяная,
г) тканевая,
д) смешанная.
Дополнительно в настоящее время выделяют гипоксию субстратную и перегрузочную.
Причиной экзогенной гипоксии является снижение парциального давления кислорода (рО2) во вдыхаемом воздухе. Нормобарическая экзогенная гипоксия развивается при нормальном барометрическом давлении, но сниженном рО2. Это возможно при нахождении в небольших замкнутых помещениях, при несоблюдении методики искусственной вентиляции легких (гиповентиляция). Гипобарическая экзогенная гипоксия возникает главным образом при подъеме на высоту, когда снижается атмосферное давление и, соответственно, падает рО2. В этом случае может развиваться горная болезнь или высотная болезнь. Снижение рО2 альвеолярного воздуха (норма - 105 мм рт. ст.) приводит к падению рО2 артериальной крови (норма - 95 мм рт. ст.), т.е. к гипоксемии. Гипоксемия через хеморецепторы сосудов стимулирует дыхательный центр. Увеличивается частота и глубина дыхательных движений, что приводит к усиленному выделению из организма углекислого газа и снижению его содержания в артериальной крови - гипокапнии. Гипокапния снижает возбудимость дыхательного и сердечно-сосудистого центров, вызывает снижение АД, ухудшает кровоснабжение сердца (формируется коронарная недостаточность) и головного мозга (развивается недостаточность мозгового кровообращения), формируется алкалоз.
Причина дыхательной гипоксии - дыхательная недостаточность. При этом оказывается недостаточным транспорт кислорода из атмосферного воздуха в протекающую через легкие кровь вследствие нарушения системы внешнего дыхания. Подобные нарушения могут развиваться при различных заболеваниях верхних и нижних дыхательных путей, самих легких, плевры, межреберных мышц, диафрагмы, расстройствах функций дыхательного центра. Возникает гипоксемия, в большинстве случаев сочетающаяся с гиперкапнией.
Сердечно-сосудистая гипоксия возникает в результате недостаточности кровообращения. Формируются нарушения кровообращения, приводящие к недостаточному для нормальной жизнедеятельности снабжению органов и тканей кислородом, несмотря на нормальное насыщение им артериальной крови. При этом ткани усиленно извлекают кислород из медленно протекающей крови, и в венах рО2 оказывается ниже нормы. Следовательно, возрастает артериовенозная разница по кислороду. Происходит это при уменьшении объема крови в сосудистом русле (например, при массивной кровопотере), при повреждении миокарда или перегрузки сердца, при снижении тонуса стенок сосудов под влиянием токсинов или медиаторов аллергии (например, при анафилактическом шоке). Локальный характер имеет гипоксия, развивающаяся при местных расстройствах кровообращения (венозной гиперемии, ишемии, стазе).
Кровяная (гемическая) гипоксия возникает в результате уменьшения кислородной емкости крови - максимального количества кислорода, которое может быть связано гемоглобином 100 мл крови (в норме - 19,5-21 объемных %). Это возможно при уменьшении количества или изменении свойств гемоглобина. Наиболее частая причина - анемия. Данная гипоксия возникает также при отравлении угарным газом (когда образуется карбоксигемоглобин), при образовании метгемоглобина, а также при некоторых врожденных аномалиях гемоглобина. Карбоксигемоглобин и метгемоглобин не способны присоединять и транспортировать кислород.
Тканевая гипоксия возникает вследствие нарушения утилизации кислорода под влиянием ингибиторов окислительных ферментов, например цианидов, сульфидов, тяжелых металлов, барбитуратов, некоторых антибиотиками, микробных токсинов. Причиной тканевой гипоксии может быть нарушение синтеза дыхательных ферментов при витаминной недостаточности, голодании, а также повреждение мембран митохондрий (например, вследствие усиления процессов перекисного окисления липидов). Напряжение кислорода в артериальной крови при этом остается нормальным, в венозной - увеличивается. Поэтому артериовенозная разница по кислороду уменьшается.
Однако транспорт кислорода в клетки при тканевой гипоксии может сохраняться нормальным. Формируется гипоксия в этом случае вследствие уменьшения эффективности биологического окисления из-за разобщения окисления и фосфорилирования (энергия рассеивается в виде тепла и не накапливается в виде конечной фосфатной связи молекулы АТФ). Возникает дефицит макроэргических соединений. К разобщающим агентам относятся многие вещества экзо- и эндогенного происхождения: 2,4-динитрофенол, грамицидин, дикумарин, микробные токсины, ионы кальция и водорода при их избытке, свободные жирные кислоты и др.
Смешанная гипоксия представляет собой сочетание двух или более основных типов гипоксии. При травматическом шоке развивается сердечнососудистая гипоксия. Кроме этого формируется гипоксия дыхательная из-за нарушения микроциркуляции в легких (шоковое легкое).
Субстратная гипоксия связана с нарушением доставки и утилизации основных субстратов биологического окисления (глюкозы, жирных кислот) при нормальной доставке кислорода. Потребление кислорода при этом снижено, отсюда - увеличение рО2 в венозной крови.
Перегрузочная гипоксия развивается у здоровых людей при тяжелой физической работе. Поступление в ткани кислорода становится недостаточным из-за высокой потребности в нем. Парциальное давление кислорода в артериальной крови нормально, а венозной - резко снижено.
2. Экстренные и долговременные адаптивные реакции при гипоксии
Компенсаторно-приспособительные реакции, включающиеся в организме при гипоксии, подразделяются на экстренные и долговременные. Экстренные приспособительные реакции включаются немедленно при формировании гипоксии, так как в их основе лежит рефлекторный механизм.
Система кровообращения. Увеличивается частота сердечных сокращений и нередко повышается ударный объем сердца. Минутный объем кровообращения возрастает, и жизненно важные органы (мозг, сердце) могут получить большее, чем в норме, количество крови. Этому также способствует централизация кровообращения.
Система внешнего дыхания. Увеличивается глубина и частота дыхания. Нередко в дыхательный акт включаются резервные альвеолы, в обычных условиях не функционирующие. Повышается проницаемость альвеолярно- капиллярных мембран для кислорода и углекислого газа. Все эти изменения направлены на улучшение газообменной функции легких.
Система крови. Происходит выброс крови из депо (селезенка, печень, брыжеечные сосуды) и усиление образования эритроцитов в костном мозге. Усиление эритропоэза является следствием повышенного синтеза в почках при гипоксии эритропоэтина.
Тканевые приспособительные реакции проявляются ослаблением функции органов и тканей, не принимающих непосредственного участия в приспособлении всего организма к гипоксии (при этом уменьшаются энергозатраты). Также усиливается сопряженность окисления и фосфорилирования, активируется анаэробный гликолиз, что поддерживает энергетическое обеспечение клеток в условиях гипоксии.
Долговременные адаптивные реакции развиваются постепенно при длительном действии на организм гипоксии (при хронической сердечнососудистой недостаточности, хронических заболеваниях легких и т.д.). Развивается гипертрофия миокарда. Возрастают емкость грудной клетки и мощность дыхательной мускулатуры, увеличивается дыхательная поверхность легких за счет возрастания числа альвеол. Повышается число эритроцитов в периферической крови и способность гемоглобина присоединять и отдавать кислород. Значительно возрастает устойчивость органов и тканей к гипоксии и недостатку энергии.
3. Метаболические и функциональные нарушения при кислородном голодании
Метаболические изменения раньше всего наступают в энергетическом и углеводном обменах. В норме углеводы распадаются до пировиноградной кислоты без участия кислорода. Для распада пирувата требуется кислород; в его отсутствие пируват превращается в молочную кислоту, которая уже не распадается дальше. Увеличение концентрации молочной кислоты приводит к метаболическому ацидозу. При этом значительно снижается количество энергии, получаемое при распаде питательных веществ, что приводит к снижению синтеза макроэргических фосфатов и нарушению функций клеток.
Наиболее ранние функциональные расстройства при гипоксии
обнаруживаются в высшей нервной деятельности, т.к. мозг наиболее чувствителен к недостатку кислорода и энергии. Если кровь не поступает в мозг в течение 10 с, то человек теряет сознание. При условии нарушения мозгового кровотока более 3-4 мин наступает гибель корковых нейронов.
Часто первым проявлением гипоксии является головная боль. Кроме этого, возникает некоторое эмоциональное возбуждение (эйфория), нарушение критической оценки окружающей обстановки. Далее формируется состояние, подобное алкогольному опьянению: тошнота, рвота, нарушение координации движений, двигательное беспокойство, изменение сознания, судороги. Филогенетически более древние спинной мозг и периферические нервы менее чувствительны к гипоксии, чем головной мозг.
Первоначальная реакция кровообращения на гипоксию проявляется увеличением частоты сердечных сокращений и повышением АД. В дальнейшем функции сердца прогрессивно угнетаются, снижается АД. Частота и глубина дыхательных движений при гипоксии вначале увеличивается, а затем наступает угнетение дыхания. Возникает периодическое дыхание, а затем остановка дыхания, связанная с нарушением работы дыхательного центра.
При молниеносной гипоксии большая часть клинических изменений отсутствует, т.к. быстро происходит полное прекращение функций жизненно важных органов и систем и наступает клиническая смерть. Хроническая гипоксия проявляется повышенной утомляемостью, одышкой, сердцебиением при небольшой физической нагрузке, общим дискомфортом, постепенно развивающимися дистрофическими изменениями в различных органах и тканях.
4. Патофизиологические основы профилактики и терапии гипоксических состояний
Профилактика и терапия гипоксических состояний базируется на этиотропном, патогенетическом и симптоматическом принципах.
Этиотропный принцип. При экзогенном типе гипоксии необходимо нормализовать рО2 во вдыхаемом воздухе. Для этого восстанавливается герметичность летательных аппаратов, обеспечивается поступление в помещение воздуха с нормальным содержанием кислорода, изменяется режим ИВЛ (устраняется гиповентиляция). Во вдыхаемый воздух рекомендуют добавление малых количеств (3-7%) углекислого газа. Это обеспечивает стимуляцию дыхательного центра, расширяет сосуды мозга и сердца.
При эндогенных типах гипоксии необходимо устранить причины гипоксии, т.е. проводить лечение заболевания, приведшего к кислородной недостаточности. Используется дыхание газовыми смесями, обогащенными кислородом, при нормальном или повышенном давлении (нормобарическая и гипербарическая оксигенотерапия). Это обеспечивает увеличение рО2 в альвеолах и, следовательно, повышает напряжение кислорода в артериальной крови.
В качестве средств патогенетической терапии используются антигипоксанты - препараты, улучшающие утилизацию организмом кислорода и снижающие потребность в нем органов и тканей. Они повышают устойчивость организма к гипоксии.
Условно антигипоксанты могут быть разделены на две группы:
1)действующие на транспортную функцию крови;
2) корригирующие метаболизм клетки.
К первой группе относятся соединения, повышающие кислородную емкость крови, сродство гемоглобина к кислороду, а также вазоактивные вещества. Во вторую группу входят соединения мембранопротекторного действия, прямого энергезирующего действия (т.е. влияющие на окислительно- восстановительный потенциал клетки, цикл Кребса и дыхательную цепь митохондрий) и препараты непосредственно антигипоксического действия.
Симптоматическая терапия направлена на устранение неприятных ощущений, усугубляющих состояние пациента. Применяют анестетики, анальгетики, траквилизаторы, кардиотропные и вазотропные лекарственные средства.