Гипоксия — это состояние, при котором организм или область тела лишены достаточного снабжения кислородом на тканевом уровне. [1] Гипоксию можно разделить на генерализованную , поражающую весь организм, и локальную , поражающую определенную область тела. [2] Хотя гипоксия часто является патологическим состоянием, колебания концентрации кислорода в артериях могут быть частью нормальной физиологии , например, во время напряженных физических упражнений .
Гипоксия отличается от гипоксемии и гипоксемии тем, что под гипоксией понимается состояние, при котором кислорода, присутствующего в тканях или во всем организме, недостаточно, тогда как гипоксемия и гипоксемия относятся конкретно к состояниям, при которых кислород в крови низкий или отсутствует . [3] Гипоксия, при которой происходит полное отсутствие поступления кислорода, называется аноксией .
Гипоксия может быть вызвана внешними причинами, когда дыхательный газ гипоксичен, или внутренними причинами, такими как снижение эффективности газообмена в легких, снижение способности крови переносить кислород, нарушение общей или местной перфузии или неспособность пострадавшего. ткани для извлечения кислорода или метаболической обработки достаточного количества кислорода из достаточно насыщенной кислородом крови.
Генерализованная гипоксия возникает у здоровых людей при подъеме на большую высоту , где она вызывает высотную болезнь , приводящую к потенциально смертельным осложнениям: высотному отеку легких ( HAPE ) и высотному отеку мозга ( HACE ). [4] Гипоксия возникает и у здоровых людей при вдыхании неподходящих смесей газов с низким содержанием кислорода, например, при погружениях под воду , особенно при использовании неисправных ребризерных систем замкнутого цикла , контролирующих количество кислорода в подаваемом воздухе. Умеренная, не повреждающая периодическая гипоксия намеренно используется во время тренировок в горах для развития адаптации к спортивным результатам как на системном, так и на клеточном уровне. [5]
Гипоксия является частым осложнением преждевременных родов у новорожденных. Поскольку легкие развиваются на поздних сроках беременности , у недоношенных детей легкие часто недоразвиты. Чтобы улучшить оксигенацию крови, младенцев с риском гипоксии можно поместить в инкубаторы , обеспечивающие тепло, влажность и дополнительный кислород. Более серьезные случаи лечат с помощью постоянного положительного давления в дыхательных путях (CPAP).
Гипоксия возникает, когда в тканях организма снижается количество кислорода. Под гипоксемией понимают снижение артериальной оксигенации ниже нормального диапазона, независимо от того, нарушен ли газообмен в легких, адекватное ли содержание кислорода в артериях (C a O 2 – которое представляет собой количество кислорода, доставленного в ткани) или тканевая гипоксия. существует. [6] Классификационные категории не всегда являются взаимоисключающими, и гипоксия может быть следствием самых разных причин.
Прерывистая гипоксическая тренировка вызывает легкую генерализованную гипоксию на короткие периоды времени в качестве метода тренировки для улучшения спортивных результатов. Это не считается заболеванием. [14] Во время фридайвинга может возникнуть острая гипоксия головного мозга, приводящая к потере сознания . Это является следствием длительного произвольного апноэ под водой и обычно возникает у тренированных спортсменов, находящихся в хорошем состоянии здоровья и в хорошей физической форме. [15]
Гипоксия может поражать весь организм или только некоторые его части.
Термин «генерализованная гипоксия» может относиться к гипоксии, поражающей весь организм, [ нужна ссылка ] или может использоваться как синоним гипоксической гипоксии , которая возникает, когда в дыхательном газе недостаточно кислорода для насыщения крови кислородом до уровня, который будет адекватно поддерживать нормальные метаболические процессы, [8] [13] [7] и которые по своей сути влияют на все перфузируемые ткани.
Симптомы генерализованной гипоксии зависят от ее тяжести и скорости наступления. В случае горной болезни , при которой гипоксия развивается постепенно, симптомы включают утомляемость , онемение /покалывание конечностей , тошноту и гипоксию головного мозга . [16] [17] Эти симптомы часто трудно идентифицировать, но раннее выявление симптомов может иметь решающее значение. [18]
При тяжелой гипоксии или гипоксии с очень быстрым началом наблюдаются атаксия, спутанность сознания , дезориентация, галлюцинации , изменение поведения, сильные головные боли , снижение уровня сознания, отек диска зрительного нерва , одышка , [16] бледность , [19] тахикардия и легочная гипертензия , что в конечном итоге приводит к поздние признаки - цианоз , замедление сердечного ритма , легочное сердце и низкое кровяное давление, за которыми следует сердечная недостаточность, в конечном итоге приводящая к шоку и смерти . [20] [21]
Поскольку гемоглобин имеет более темный красный цвет, когда он не связан с кислородом ( дезоксигемоглобин ), в отличие от насыщенного красного цвета, который он имеет при связывании с кислородом ( оксигемоглобин ), при просмотре через кожу он имеет повышенную тенденцию отражать синий свет обратно. в глаза. [22] В случаях, когда кислород замещается другой молекулой, например окисью углерода, кожа может выглядеть «вишнево-красной», а не цианотичной. [23] Гипоксия может вызвать преждевременные роды и повредить печень, а также другие вредные последствия. [ нужна цитата ]
Гипоксия, локализующаяся в определенной области тела, например в органе или конечности. обычно является следствием ишемии , снижения перфузии этого органа или конечности и не обязательно может быть связано с общей гипоксемией. Локальное снижение перфузии обычно вызвано повышенным сопротивлением потоку крови через кровеносные сосуды пораженной области.
Ишемия — это ограничение кровоснабжения какой-либо ткани, группы мышц или органа, вызывающее нехватку кислорода. [24] [25] Ишемия обычно вызвана проблемами с кровеносными сосудами , что приводит к повреждению или дисфункции тканей, т.е. гипоксии и микрососудистой дисфункции . [26] [27] Это также означает локальную гипоксию в определенной части тела, иногда возникающую в результате окклюзии сосудов , например , вазоконстрикции , тромбоза или эмболии . Ишемия включает не только недостаточность кислорода, но также снижение доступности питательных веществ и неадекватное удаление метаболических отходов . Ишемия может быть частичной (плохая перфузия ) или полной блокадой.
Компартмент-синдром — это состояние, при котором повышенное давление в одном из анатомических отделов тела приводит к недостаточному кровоснабжению тканей в этом пространстве. [28] [29] Существует два основных типа: острый и хронический . [28] Чаще всего поражаются отделы ноги или руки. [30]
Если ткань не перфузируется должным образом, она может казаться холодной и бледной; в тяжелых случаях гипоксия может привести к цианозу — посинению кожи. Если гипоксия очень тяжелая, ткань может в конечном итоге стать гангренозной.
Любая живая ткань может пострадать от гипоксии, но некоторые из них особенно чувствительны или имеют более заметные последствия.
Церебральная гипоксия – это гипоксия, затрагивающая именно мозг. Четыре категории церебральной гипоксии в порядке возрастания тяжести: диффузная церебральная гипоксия (ДГК), очаговая церебральная ишемия, инфаркт мозга и глобальная церебральная ишемия. Длительная гипоксия вызывает гибель нейронов посредством апоптоза , что приводит к гипоксическому повреждению головного мозга. [31] [32]
Кислородная депривация может быть гипоксической (снижение общей доступности кислорода) или ишемической (кислородная депривация из-за нарушения кровотока) по происхождению. Повреждение головного мозга в результате кислородного голодания обычно называют гипоксическим повреждением. Гипоксически-ишемическая энцефалопатия (ГИЭ) — это состояние, которое возникает, когда весь мозг лишен адекватного снабжения кислородом, но это лишение не является полным. Хотя ГИЭ в большинстве случаев связана с кислородным голоданием у новорожденных вследствие асфиксии при рождении , она может возникать во всех возрастных группах и часто является осложнением остановки сердца . [33] [34] [35]
Хотя гипоксия роговицы может возникнуть по любой из нескольких причин, в первую очередь она связана с длительным использованием контактных линз . [36] Роговицы не перфузируются и получают кислород из атмосферы путем диффузии. Непроницаемые контактные линзы образуют барьер для этой диффузии и, следовательно, могут вызвать повреждение роговицы. Симптомы могут включать раздражение, чрезмерное слезотечение и помутнение зрения . Последствиями гипоксии роговицы являются точечный кератит , неоваскуляризация роговицы и эпителиальные микрокисты. [36]
Внутриутробная гипоксия, также известная как гипоксия плода, возникает, когда плод лишен достаточного снабжения кислородом . Это может быть связано с множеством причин, таких как выпадение или окклюзия пуповины , инфаркт плаценты , диабет матери (диабет беременных или гестационный диабет ) [37] и курение матери . Задержка внутриутробного развития может вызывать или быть результатом гипоксии. Внутриутробная гипоксия может вызвать повреждение клеток центральной нервной системы (головного и спинного мозга). Это приводит к увеличению уровня смертности, включая повышенный риск синдрома внезапной детской смерти (СВДС). Кислородная депривация у плода и новорожденного является либо основным, либо сопутствующим фактором риска при многочисленных неврологических и нервно-психических расстройствах, таких как эпилепсия , синдром дефицита внимания с гиперактивностью , расстройства пищевого поведения и церебральный паралич . [38] [39] [40] [41] [42] [43]
Опухолевая гипоксия – это ситуация, когда опухолевые клетки лишены кислорода. По мере роста опухоль быстро перерастает свое кровоснабжение, оставляя участки опухоли с областями, где концентрация кислорода значительно ниже, чем в здоровых тканях. Гипоксическое микроокружение в солидных опухолях является результатом потребления доступного кислорода в пределах 70–150 мкм сосудистой сети опухоли за счет быстрого пролиферации опухолевых клеток, что ограничивает количество кислорода, доступного для дальнейшей диффузии в опухолевую ткань. Тяжесть гипоксии зависит от типа опухоли и варьируется в зависимости от типа. Исследования показали, что уровень оксигенации в гипоксических опухолевых тканях ниже, чем в нормальных тканях, и составляет где-то 1–2% O2. [44] Обнаружено, что для поддержания непрерывного роста и пролиферации в сложных гипоксических средах раковые клетки изменяют свой метаболизм. Кроме того, известно, что гипоксия изменяет поведение клеток и связана с ремоделированием внеклеточного матрикса и усилением миграционного и метастатического поведения. [45] [46] Опухолевая гипоксия обычно связана с высокозлокачественными опухолями, которые часто плохо поддаются лечению. [47]
При остром воздействии гипоксической гипоксии на вестибулярную систему и зрительно-вестибулярные взаимодействия прирост вестибулоокулярного рефлекса (ВОР) снижается при легкой гипоксии на высоте. Постуральный контроль также нарушается из-за гипоксии на высоте, постуральные колебания увеличиваются, и существует корреляция между гипоксическим стрессом и эффективностью адаптивного отслеживания. [48]
Напряжение кислорода в артерии можно измерить с помощью анализа газов крови в образце артериальной крови и менее надежно с помощью пульсоксиметрии , которая не является полной мерой достаточности кислорода в крови. При недостаточном кровотоке или недостаточном уровне гемоглобина в крови (анемия) ткани могут находиться в состоянии гипоксии даже при высоком насыщении артериальной крови кислородом.
Кислород пассивно диффундирует в альвеолах легких в соответствии с градиентом концентрации, также называемым градиентом парциального давления . Вдыхаемый воздух быстро насыщается водяными парами, что несколько снижает парциальные давления других компонентов. Кислород диффундирует из вдыхаемого воздуха в артериальную кровь, где его парциальное давление составляет около 100 мм рт. ст. (13,3 кПа). [55] В крови кислород связан с гемоглобином, белком эритроцитов . На связывающую способность гемоглобина влияет парциальное давление кислорода в окружающей среде, что описывается кривой диссоциации кислород-гемоглобин . Меньшее количество кислорода транспортируется в растворе крови. [ нужна цитата ]
В системных тканях кислород снова диффундирует по градиенту концентрации в клетки и их митохондрии , где он используется для производства энергии в сочетании с расщеплением глюкозы , жиров и некоторых аминокислот . [56] Гипоксия может возникнуть в результате сбоя на любом этапе доставки кислорода к клеткам. Это может включать низкое парциальное давление кислорода в дыхательном газе, проблемы с диффузией кислорода в легких через границу между воздухом и кровью, недостаточное количество доступного гемоглобина, проблемы с притоком крови к тканям конечного пользователя, проблемы с дыхательным циклом в отношении скорости и объем, и физиологическое и механическое мертвое пространство . Экспериментально диффузия кислорода становится лимитирующей скорость , когда парциальное давление кислорода в артериальной крови падает до 60 мм рт. ст. (5,3 кПа) или ниже. [ необходимо разъяснение ] [57]
Почти весь кислород в крови связан с гемоглобином, поэтому вмешательство в работу этой молекулы-носителя ограничивает доставку кислорода в перфузируемые ткани. Гемоглобин увеличивает способность крови переносить кислород примерно в 40 раз [58] при этом на способность гемоглобина переносить кислород влияет парциальное давление кислорода в локальной среде, соотношение, описанное на кривой диссоциации кислород-гемоглобин. Когда способность гемоглобина переносить кислород ухудшается, может возникнуть гипоксическое состояние. [59]
Ишемия, то есть недостаточный приток крови к ткани, также может привести к гипоксии пораженных тканей. Это называется «ишемическая гипоксия». Ишемия может быть вызвана эмболией , сердечным приступом , снижающим общий кровоток, травмой ткани, приводящей к повреждению, снижающей перфузию, и множеством других причин . Следствием недостаточного кровотока, вызывающего местную гипоксию, является гангрена , возникающая при сахарном диабете . [60]
Такие заболевания, как заболевания периферических сосудов, также могут приводить к местной гипоксии. Симптомы ухудшаются при использовании конечности, что увеличивает потребность активных мышц в кислороде. Боль также может ощущаться в результате увеличения количества ионов водорода, что приводит к снижению pH крови ( ацидозу ), возникающему в результате анаэробного метаболизма . [61]
G-LOC , или потеря сознания, вызванная перегрузкой, представляет собой особый случай ишемической гипоксии, которая возникает, когда тело подвергается достаточно высокому ускорению, поддерживаемому в течение достаточно долгого времени, чтобы снизить мозговое кровяное давление и кровообращение до точки, где происходит потеря сознания. вследствие гипоксии головного мозга. Тело человека наиболее чувствительно к продольному ускорению по направлению к голове, так как оно вызывает наибольший дефицит гидростатического давления в голове. [62]
Речь идет именно о гипоксических состояниях, при которых содержание кислорода в артериях недостаточно. [63] Это может быть вызвано изменениями дыхательной активности , например, респираторным алкалозом , физиологическим или патологическим шунтированием крови, заболеваниями, нарушающими функцию легких, приводящими к несоответствию вентиляции и перфузии , например, легочной эмболии , или изменениями в частичном функционировании легких. давление кислорода в окружающей среде или альвеолах легких, например, которое может возникать на высоте или при дайвинге. [ нужна цитата ]
К частым заболеваниям, которые могут вызвать респираторную дисфункцию, относятся травмы головы и спинного мозга, нетравматические острые миелопатии, демиелинизирующие заболевания, инсульт, синдром Гийена-Барре и миастения гравис . Эти дисфункции могут потребовать искусственной вентиляции легких. Некоторые хронические нервно-мышечные расстройства, такие как заболевания двигательных нейронов и мышечная дистрофия, на поздних стадиях могут потребовать искусственной вентиляции легких. [51]
Оксид углерода конкурирует с кислородом за места связывания молекул гемоглобина. Поскольку угарный газ связывается с гемоглобином в сотни раз прочнее, чем кислород, он может препятствовать переносу кислорода. [64] Отравление угарным газом может произойти остро, как при отравлении дымом, или в течение определенного периода времени, как при курении сигарет. Благодаря физиологическим процессам уровень угарного газа в состоянии покоя поддерживается на уровне 4–6 ppm. Этот показатель увеличивается в городских районах (7–13 частей на миллион) и у курильщиков (20–40 частей на миллион). [65] Уровень угарного газа 40 частей на миллион эквивалентен снижению уровня гемоглобина на 10 г/л. [65] [примечание 1]
Угарный газ оказывает второй токсический эффект, а именно устранение аллостерического сдвига кривой диссоциации кислорода и смещение основания кривой влево. [ необходимы разъяснения ] При этом гемоглобин с меньшей вероятностью выделяет кислород в периферических тканях. [ необходимы разъяснения ] [58] Некоторые аномальные варианты гемоглобина также имеют более высокое, чем обычно, сродство к кислороду и поэтому также плохо доставляют кислород на периферию. [ нужны разъяснения ] [ нужна ссылка ]
Атмосферное давление снижается с высотой и пропорционально, как и содержание кислорода в воздухе. [66] Снижение парциального давления вдыхаемого кислорода на больших высотах снижает насыщение крови кислородом, что в конечном итоге приводит к гипоксии. [66] К клиническим проявлениям горной болезни относятся: проблемы со сном, головокружение, головная боль и отеки. [66]
Дыхательный газ может содержать недостаточное парциальное давление кислорода. Такие ситуации могут привести к потере сознания без каких-либо симптомов, поскольку уровень углекислого газа остается нормальным, а организм человека плохо воспринимает чистую гипоксию. Гипоксические дыхательные газы можно определить как смеси с более низкой долей кислорода, чем в воздухе, хотя газы, содержащие достаточное количество кислорода для надежного поддержания сознания при нормальном атмосферном давлении на уровне моря, могут быть описаны как нормоксические, даже если доля кислорода немного ниже нормоксичной. Гипоксическими дыхательными газовыми смесями в данном контексте являются смеси, которые не способны надежно поддерживать сознание при давлении на уровне моря. [67]
Одним из наиболее распространенных обстоятельств воздействия гипоксического дыхательного газа является подъем на высоту, где давление окружающей среды падает настолько, что парциальное давление кислорода снижается до гипоксического уровня. [66]
Газы с содержанием кислорода всего 2% по объему в гелиевом разбавителе используются для глубоководных погружений . Окружающего давления на уровне 190 м.кв. достаточно, чтобы обеспечить парциальное давление около 0,4 бар, подходящее для погружений с насыщением . Поскольку дайверы находятся в состоянии декомпрессии , дыхательный газ должен быть насыщен кислородом, чтобы поддерживать атмосферу, пригодную для дыхания. [68]
Также возможно, чтобы дыхательный газ для дайвинга имел динамически контролируемое парциальное давление кислорода, известное как заданное значение , которое поддерживается в контуре дыхательного газа ребризера для дайвинга путем добавления кислорода и газа-разбавителя для поддержания желаемого парциального давления кислорода. давление на безопасном уровне между гипоксией и гипероксией при атмосферном давлении в зависимости от текущей глубины. Неисправность системы управления может привести к тому, что газовая смесь на текущей глубине станет гипоксической. [69]
Особый случай гипоксического дыхательного газа встречается при глубоком фридайвинге, когда парциальное давление кислорода в легочном газе истощается во время погружения, но остается достаточным на глубине, а когда оно падает во время всплытия, оно становится слишком гипоксическим для поддержания сознания. и дайвер теряет сознание , не достигнув поверхности. [15] [10]
Гипоксические газы также могут встречаться в промышленных, горнодобывающих и пожарных средах. Некоторые из них могут быть токсичными или наркотическими, другие просто удушающими. Некоторые можно узнать по запаху, другие не имеют запаха.
Удушение инертным газом может быть умышленным с использованием мешка для смертников . Случайная смерть произошла в тех случаях, когда концентрации азота в контролируемой атмосфере или метана в шахтах не были обнаружены или оценены. [70]
Функция гемоглобина также может быть утрачена в результате химического окисления атома железа до трехвалентной формы. Эта форма неактивного гемоглобина называется метгемоглобином , и ее можно получить при приеме нитрита натрия [71] [ ненадежный медицинский источник? ] , а также некоторые лекарства и другие химические вещества. [72]
Гемоглобин играет существенную роль в переносе кислорода по всему организму [58] , и когда его недостаточно, может возникнуть анемия , вызывающая «анемическую гипоксию», если оксигенация тканей снижается. Дефицит железа является наиболее распространенной причиной анемии. Поскольку железо используется для синтеза гемоглобина, меньшее количество гемоглобина будет синтезироваться при меньшем количестве железа из-за недостаточного поступления или плохого всасывания. [59] : 997–99.
Анемия, как правило, представляет собой хронический процесс, который со временем компенсируется увеличением уровня эритроцитов за счет повышенного уровня эритропоэтина . Хроническое гипоксическое состояние может возникнуть в результате плохо компенсированной анемии. [59] : 997–99.
Гистотоксическая гипоксия (также называемая гистотоксической гипоксией) — это неспособность клеток поглощать или использовать кислород из кровотока, несмотря на физиологически нормальную доставку кислорода к таким клеткам и тканям. [73] Гистотоксическая гипоксия возникает в результате отравления тканей, например, вызванного цианидом (который действует путем ингибирования цитохромоксидазы ) и некоторыми другими ядами , такими как сероводород (побочный продукт сточных вод, используемый при дублении кожи). [74]
Гипоксия тканей из-за низкой доставки кислорода может быть связана с низкой концентрацией гемоглобина (анемическая гипоксия), низким сердечным выбросом (застойная гипоксия) или низким насыщением гемоглобина (гипоксическая гипоксия). [75] Следствием кислородного голодания в тканях является переключение на анаэробный метаболизм на клеточном уровне. Таким образом, снижение системного кровотока может привести к повышению уровня лактата в сыворотке. [76] Уровни лактата в сыворотке коррелировали с тяжестью заболевания и смертностью у взрослых в критическом состоянии и у новорожденных, находящихся на искусственной вентиляции легких, с респираторным дистрессом. [76]
Все позвоночные должны поддерживать кислородный гомеостаз, чтобы выжить, и у них развились физиологические системы, обеспечивающие адекватное снабжение кислородом всех тканей. У позвоночных, дышащих воздухом, кислород добывается легкими, гемоглобин в красных тельцах его транспортирует, сосуды распределяют кислород, а сердце доставляет его. Кратковременные изменения уровня оксигенации воспринимаются хеморецепторными клетками, которые реагируют активацией существующих белков, а в более длительные периоды — регуляцией транскрипции генов. Гипоксия также участвует в патогенезе некоторых распространенных и тяжелых патологий. [77]
Наиболее распространенными причинами смерти среди стареющего населения являются инфаркт миокарда, инсульт и рак. Эти заболевания имеют общую черту: ограничение доступности кислорода способствует развитию патологии. Клетки и организмы также способны адаптивно реагировать на гипоксические условия, помогая им справляться с этими неблагоприятными условиями. Некоторые системы могут определять концентрацию кислорода и реагировать адаптацией на острую и длительную гипоксию. [77] Системы, активируемые при гипоксии, обычно помогают клеткам выжить и преодолеть гипоксические условия. Эритропоэтин , который в больших количествах вырабатывается почками в условиях гипоксии, является важным гормоном, стимулирующим выработку эритроцитов, которые являются основным переносчиком кислорода крови, а гликолитические ферменты участвуют в анаэробном образовании АТФ. [47]
Факторы, индуцируемые гипоксией (HIF), представляют собой факторы транскрипции , которые реагируют на уменьшение доступного кислорода в клеточной среде или на гипоксию. [78] [79] Сигнальный каскад HIF опосредует влияние гипоксии на клетку. Гипоксия часто препятствует дифференцировке клеток . Однако гипоксия способствует образованию кровеносных сосудов и важна для формирования сосудистой системы эмбрионов и опухолей. Гипоксия в ранах также способствует миграции кератиноцитов и восстановлению эпителия . [80] Поэтому неудивительно, что модуляция HIF-1 была определена как многообещающая парадигма лечения при заживлении ран. [81]
Воздействие ткани на повторяющиеся короткие периоды гипоксии между периодами нормального уровня кислорода влияет на последующую реакцию ткани на длительное ишемическое воздействие. Это известно как ишемическое прекондиционирование, и известно, что оно происходит во многих тканях. [47]
Если доставка кислорода к клеткам недостаточна для удовлетворения потребности (гипоксия), электроны будут смещаться к пировиноградной кислоте в процессе молочнокислого брожения . Эта временная мера (анаэробный метаболизм) позволяет высвободить небольшое количество энергии. Накопление молочной кислоты (в тканях и крови) является признаком недостаточной оксигенации митохондрий, что может быть следствием гипоксемии, плохого кровотока (например, шока) или их комбинации. [82] Если это серьезное или продолжительное заболевание, оно может привести к гибели клеток. [83]
У человека гипоксия обнаруживается периферическими хеморецепторами в теле сонной артерии и теле аорты , при этом хеморецепторы каротидного тела являются основными медиаторами рефлекторных ответов на гипоксию. [84] Этот ответ не контролирует скорость вентиляции при нормальном P O 2 , но ниже нормы активность нейронов, иннервирующих эти рецепторы, резко возрастает, настолько, что подавляет сигналы от центральных хеморецепторов в гипоталамусе , увеличивая P O 2 , несмотря на падение P CO 2 [ нужна ссылка ]
В большинстве тканей организма реакцией на гипоксию является расширение сосудов . Расширяя кровеносные сосуды, ткань обеспечивает большую перфузию.
Напротив, в легких реакцией на гипоксию является вазоконстрикция. Это известно как гипоксическая легочная вазоконстрикция , или «ВПЧ», и приводит к перенаправлению крови из плохо вентилируемых областей, что помогает согласовать перфузию с вентиляцией, обеспечивая более равномерную оксигенацию крови из разных частей легких. [77] В условиях гипоксического дыхательного газа, например, на большой высоте, ВПЧ распространяется на все легкие, но при длительном воздействии генерализованной гипоксии ВПЧ подавляется. [85] Гипоксическая дыхательная реакция (HVR) — это увеличение вентиляции , вызванное гипоксией, которое позволяет организму поглощать и транспортировать более низкие концентрации кислорода с более высокой скоростью. Первоначально он повышен у жителей равнин, которые путешествуют на большие высоты, но со временем значительно снижается по мере акклиматизации людей . [4] [86]
Когда легочное капиллярное давление остается повышенным хронически (в течение как минимум 2 недель), легкие становятся еще более устойчивыми к отеку легких, поскольку лимфатические сосуды сильно расширяются, увеличивая их способность выводить жидкость из интерстициального пространства, возможно, в 10 раз. . Таким образом, у больных с хроническим митральным стенозом регистрируется давление в легочных капиллярах 40–45 мм рт. ст. без развития летального отека легких. [87]
Существует несколько потенциальных физиологических механизмов гипоксемии, но у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких ( ХОБЛ ) наиболее часто встречается несоответствие вентиляции/перфузии (V/Q), с альвеолярной гиповентиляцией или без нее, о чем свидетельствует концентрация углекислого газа в артериальной крови. Гипоксемию, вызванную несоответствием V/Q при ХОБЛ, относительно легко корректировать, и для длительной кислородной терапии (ДТОТ ) требуются относительно небольшие скорости подачи дополнительного кислорода (менее 3 л/мин для большинства пациентов) . Гипоксемия обычно стимулирует вентиляцию легких и вызывает одышку, но эти и другие признаки и симптомы гипоксии достаточно вариабельны при ХОБЛ, чтобы ограничить их ценность при обследовании пациентов. Хроническая альвеолярная гипоксия является основным фактором, приводящим к развитию легочного сердца — гипертрофии правого желудочка с выраженной правожелудочковой недостаточностью или без нее — у больных ХОБЛ. Легочная гипертензия отрицательно влияет на выживаемость при ХОБЛ, пропорционально повышению среднего давления в легочной артерии в состоянии покоя. Хотя тяжесть обструкции воздушного потока, измеренная с помощью тестов объема форсированного выдоха, ОФВ1 лучше всего коррелирует с общим прогнозом при ХОБЛ, хроническая гипоксемия увеличивает смертность и заболеваемость при любой тяжести заболевания. Крупномасштабные исследования долгосрочной кислородной терапии у пациентов с ХОБЛ показывают зависимость «доза-реакция» между ежедневными часами дополнительного использования кислорода и выживаемостью. Непрерывное, 24-часовое использование кислорода у правильно отобранных пациентов может привести к значительному увеличению выживаемости. [6]
Мозг имеет относительно высокие потребности в энергии: в состоянии покоя он использует около 20% кислорода, но его запасы низкие, что делает его особенно уязвимым к гипоксии. В нормальных условиях повышенная потребность в кислороде легко компенсируется усилением мозгового кровотока. но в условиях, когда кислорода недостаточно, увеличенного кровотока может быть недостаточно для компенсации, и гипоксия может привести к повреждению головного мозга. Более длительная церебральная гипоксия обычно приводит к поражению больших участков мозга. Ствол мозга , гиппокамп и кора головного мозга кажутся наиболее уязвимыми областями. Травма становится необратимой, если оксигенация не будет восстановлена в ближайшее время. В большинстве случаев гибель клеток происходит в результате некроза , но также встречается и отсроченный апоптоз . Кроме того, пресинаптические нейроны выделяют большое количество глутамата, который еще больше увеличивает приток Ca 2+ и вызывает катастрофический коллапс постсинаптических клеток. Хотя это единственный способ спасти ткань, реперфузия также приводит к образованию активных форм кислорода и воспалительной инфильтрации клеток, что вызывает дальнейшую гибель клеток. Если гипоксия не слишком сильная, клетки могут подавлять некоторые из своих функций, таких как синтез белка и спонтанная электрическая активность, в процессе, называемом полутенью , который обратим, если подача кислорода возобновляется достаточно быстро. [77]
Отделы сердца подвергаются ишемической гипоксии в случае окклюзии коронарной артерии. Короткие периоды ишемии обратимы при реперфузии в течение примерно 20 минут без развития некроза, но обычно очевиден феномен, известный как оглушение . Если гипоксия продолжается и после этого периода, некроз распространяется по ткани миокарда. [77] Энергетический обмен в пораженной области почти сразу же переключается с митохондриального дыхания на анаэробный гликолиз с одновременным снижением эффективности сокращений, которые вскоре прекращаются. Анаэробные продукты накапливаются в мышечных клетках, в результате чего развивается ацидоз и осмотическая нагрузка, приводящая к клеточному отеку. Внутриклеточный Ca2+ увеличивается и в конечном итоге приводит к некрозу клеток. Артериальный кровоток должен быть восстановлен, чтобы вернуться к аэробному метаболизму и предотвратить некроз пораженных мышечных клеток, но это также вызывает дальнейшее повреждение в результате реперфузионного повреждения . Оглушение миокарда описывается как «длительная постишемическая дисфункция жизнеспособной ткани, спасенной за счет реперфузии», которая проявляется как временная сократительная недостаточность в оксигенированной мышечной ткани. Это может быть вызвано выбросом активных форм кислорода на ранних стадиях реперфузии. [77]
По мере роста опухолей развиваются области относительной гипоксии, поскольку поступление кислорода опухолевыми клетками используется неравномерно. Формирование новых кровеносных сосудов необходимо для продолжения роста опухоли, а также является важным фактором метастазирования, поскольку раковые клетки транспортируются в другие места. [77]
Гипоксия может проявляться как острая, так и хроническая.
Острые проявления могут включать одышку (одышку) и тахипноэ (учащенное, часто поверхностное дыхание). Тяжесть проявления симптомов обычно является показателем тяжести гипоксии. Для компенсации низкого артериального давления кислорода может развиться тахикардия (учащенный пульс). Стридор может выслушиваться при обструкции верхних дыхательных путей, а цианоз может указывать на тяжелую гипоксию. Неврологические симптомы и ухудшение функций органов возникают, когда доставка кислорода серьезно нарушена. При умеренной гипоксии могут возникнуть беспокойство, головная боль и спутанность сознания, а в тяжелых случаях возможна кома и возможная смерть. [8]
При хронических проявлениях чаще всего упоминается одышка после физической нагрузки. Симптомы основного заболевания, вызвавшего гипоксию, могут быть очевидными и могут помочь в дифференциальной диагностике. Продуктивный кашель и лихорадка могут присутствовать при инфекции легких, а отек ног может указывать на сердечную недостаточность. [8]
Аускультация легких может дать полезную информацию. [8]
Может быть проведен анализ газов артериальной крови (ГК), который обычно включает измерение содержания кислорода, гемоглобина, насыщения кислородом (сколько гемоглобина переносит кислород), артериального парциального давления кислорода (P a O 2 ), парциального давления кислорода. углекислый газ (P a CO 2 ), уровень pH крови и бикарбонат (HCO 3 ) [88]
Рентгенография или компьютерная томография грудной клетки и дыхательных путей могут выявить отклонения, которые могут повлиять на вентиляцию или перфузию. [91]
Вентиляционно -перфузионное сканирование , [92] также называемое V/Q-сканированием легких, представляет собой тип медицинской визуализации , использующей сцинтиграфию и медицинские изотопы для оценки циркуляции воздуха и крови в легких пациента , [93] [94] для того, чтобы определить соотношение вентиляции/перфузии. Вентиляционная часть теста оценивает способность воздуха достигать всех частей легких, а перфузионная часть оценивает, насколько хорошо кровь циркулирует в легких.
Тестирование функции легких [91] может включать:
Лечение будет зависеть от тяжести, а также от причины, поскольку некоторые случаи вызваны внешними причинами, и их устранения и лечения острых симптомов может быть достаточно, но если симптомы вызваны основной патологией, лечение очевидных симптомов может только обеспечить временное или частичное облегчение, поэтому дифференциальная диагностика может иметь важное значение при выборе окончательного лечения.
Гипоксемическая гипоксия. Низкое напряжение кислорода в артериальной крови (P a O 2 ) обычно является признаком неспособности легких должным образом насыщать кровь кислородом. Внутренние причины включают гиповентиляцию, нарушение альвеолярной диффузии и легочное шунтирование. Внешние причины включают гипоксическую среду, которая может быть вызвана низким давлением окружающей среды или неподходящим дыхательным газом. [8] Как острая, так и хроническая гипоксия и гиперкапния, вызванные респираторной дисфункцией, могут вызывать неврологические симптомы, такие как энцефалопатия, судороги, головная боль, отек диска зрительного нерва и астериксис . [51] Синдром обструктивного апноэ во сне может вызывать утренние головные боли [51]
Циркуляторная гипоксия: вызвана недостаточной перфузией пораженных тканей кровью, достаточно насыщенной кислородом. Это может быть генерализованным из-за сердечной недостаточности или гиповолемии или локализованным из-за инфаркта или локального повреждения. [8]
Анемическая гипоксия вызвана дефицитом способности переносить кислород, обычно из-за низкого уровня гемоглобина, что приводит к общей недостаточной доставке кислорода. [8]
Гистотоксическая гипоксия (дисоксия) является следствием неспособности клеток эффективно использовать кислород. Классическим примером является отравление цианидами, которое ингибирует фермент цитохром С-оксидазу в митохондриях, блокируя использование кислорода для производства АТФ. [8]
Критическое заболевание, полинейропатию или миопатию , следует рассматривать в отделении интенсивной терапии, когда пациентам трудно выйти из аппарата искусственной вентиляции легких. [51]
Профилактика может быть такой же простой, как управление рисками профессионального воздействия гипоксической среды и обычно включает использование мониторинга окружающей среды и средств индивидуальной защиты. Профилактика гипоксии как предсказуемого последствия заболеваний требует профилактики этих состояний. Может оказаться полезным скрининг демографических групп, которые, как известно, подвержены риску определенных расстройств.
Для противодействия последствиям высотных заболеваний организм должен вернуть артериальное Р а О 2 к норме. Акклиматизация , средство, с помощью которого организм адаптируется к большей высоте, лишь частично восстанавливает P O 2 до стандартного уровня. Гипервентиляция , наиболее распространенная реакция организма на условия высокогорья, увеличивает альвеолярное P O 2 за счет увеличения глубины и частоты дыхания. Однако, хотя P O 2 и улучшается при гипервентиляции, оно не возвращается к норме. Исследования шахтеров и астрономов, работающих на высоте 3000 метров и выше, показывают улучшение альвеолярного P O 2 при полной акклиматизации, однако уровень P O 2 остается равным или даже ниже порога для непрерывной кислородной терапии у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ). [96] Кроме того, существуют осложнения, связанные с акклиматизацией. Полицитемия , при которой в организме увеличивается количество эритроцитов в кровообращении, сгущает кровь, повышая риск образования тромбов. [97]
В условиях высокогорья только обогащение кислородом или повышение давления в отсеке могут противодействовать последствиям гипоксии. Создание давления возможно на транспортных средствах, а также в аварийных ситуациях на наземных объектах. Увеличивая концентрацию кислорода при атмосферном давлении, можно противодействовать эффектам более низкого барометрического давления и уровень артериального P O 2 восстанавливается до нормального уровня. Небольшое количество дополнительного кислорода снижает эквивалентную высоту в помещениях с климат-контролем. На высоте 4000 м повышение уровня концентрации кислорода на 5% с помощью концентратора кислорода и существующей системы вентиляции обеспечивает высотный эквивалент 3000 м, что гораздо более терпимо для растущего числа низинников, работающих на большой высоте. [98] В исследовании астрономов, работавших в Чили на высоте 5050 м, кислородные концентраторы увеличили уровень концентрации кислорода почти на 30 процентов (то есть с 21 процента до 27 процентов). Это привело к повышению производительности труда, снижению утомляемости и улучшению сна. [96]
Кислородные концентраторы подходят для обогащения кислородом на больших высотах в условиях климат-контроля. Они не требуют особого обслуживания и электроэнергии, используют локально доступный источник кислорода и устраняют дорогостоящую задачу транспортировки кислородных баллонов в отдаленные районы. В офисах и жилых домах часто уже есть помещения с климат-контролем, в которых температура и влажность поддерживаются на постоянном уровне. [ нужна цитата ]
Лечение и ведение зависят от обстоятельств. Для большинства ситуаций на большой высоте риск известен, и соответствующие меры предосторожности являются целесообразными. На малых высотах гипоксия с большей вероятностью будет связана с медицинской проблемой или непредвиденным обстоятельством, и лечение с большей вероятностью будет предоставлено в соответствии с конкретным случаем. Необходимо выявить лиц, нуждающихся в кислородной терапии, поскольку для лечения большинства причин гипоксии требуется дополнительный кислород, но могут подходить и другие концентрации кислорода. [99]
Лечение будет зависеть от причины гипоксии. Если установлено, что существует внешняя причина и ее можно устранить, то лечение может ограничиться поддержкой и возвращением системы к нормальной оксигенации. В других случаях может потребоваться более длительный курс лечения, и это может потребовать дополнительного кислорода в течение довольно длительного периода или на неопределенный срок.
Существует три основных аспекта оксигенационной терапии: поддержание проходимости дыхательных путей, обеспечение достаточного содержания кислорода во вдыхаемом воздухе и улучшение диффузии в легких. [8] В некоторых случаях лечение может распространяться на улучшение кислородной емкости крови, что может включать объемное и циркуляторное вмешательство и поддержку, гипербарическую оксигенотерапию и лечение интоксикации.
Инвазивная вентиляция легких может быть необходимой или факультативной опцией хирургического вмешательства. Обычно это включает в себя аппарат искусственной вентиляции легких с положительным давлением, соединенный с эндотрахеальной трубкой, и обеспечивает точную вентиляцию, точный мониторинг F i O 2 и положительного давления в конце выдоха и может сочетаться с подачей анестезирующего газа. В некоторых случаях может потребоваться трахеотомия . [8] Снижение скорости метаболизма за счет снижения температуры тела снижает потребность и потребление кислорода и может минимизировать последствия тканевой гипоксии, особенно в головном мозге, и терапевтическая гипотермия, основанная на этом принципе, может быть полезной. [8]
Если проблема связана с дыхательной недостаточностью. желательно лечить первопричину. В случаях отека легких для уменьшения отеков можно использовать диуретики. Стероиды могут быть эффективны в некоторых случаях интерстициального заболевания легких, а в крайних случаях можно использовать экстракорпоральную мембранную оксигенацию (ЭКМО). [8]
Гипербарический кислород оказался полезным для лечения некоторых форм локализованной гипоксии, включая травмы с плохой перфузией, такие как размозжение, компартмент-синдром и другие острые травматические ишемии. [100] [101] Это окончательное лечение тяжелой декомпрессионной болезни , которая в основном представляет собой состояние, включающее локализованную гипоксию, первоначально вызванную эмболией инертным газом и воспалительными реакциями на внесосудистый рост пузырьков. [102] [103] [104] Он также эффективен при отравлении угарным газом [105] и диабетической стопе . [106] [107]
Продление рецепта на домашний кислород после госпитализации требует обследования пациента на наличие продолжающейся гипоксемии. [108]
Прогноз сильно зависит от причины, тяжести, лечения и основной патологии.
Гипоксия, приводящая к снижению способности реагировать соответствующим образом или к потере сознания, была связана с инцидентами, когда непосредственной причиной смерти не была гипоксия. Это зафиксировано в инцидентах с подводным плаванием, когда причиной смерти часто считалось утопление, в альпинизме на большой высоте, последствиями которого были переохлаждение, переохлаждение и падения, в полетах на негерметизированных самолетах и в пилотажных маневрах, когда потеря управления приводила к катастрофе. возможно.
Гипоксия является распространенным заболеванием, но существует множество возможных причин. [8] Распространенность варьируется. Некоторые из причин очень распространены, например, пневмония или хроническая обструктивная болезнь легких; некоторые из них встречаются довольно редко, например, гипоксия из-за отравления цианидами. Другие, такие как снижение напряжения кислорода на большой высоте, могут быть распределены по регионам или связаны с определенной демографической группой. [8]
Генерализованная гипоксия представляет собой профессиональный риск в ряде профессий повышенного риска, включая пожаротушение, профессиональное водолазное дело, горнодобывающую деятельность и подземные спасательные работы, а также полеты на больших высотах на негерметичных самолетах.
Потенциально опасная для жизни гипоксемия часто встречается у пациентов в критическом состоянии. [109]
Локализованная гипоксия может быть осложнением диабета, декомпрессионной болезни и травмы, нарушающей кровоснабжение конечностей.
Гипоксия, обусловленная недоразвитой функцией легких, является частым осложнением преждевременных родов. В США внутриутробная гипоксия и асфиксия при рождении вместе заняли десятое место среди причин неонатальной смертности. [110]
Тихая гипоксия (также известная как счастливая гипоксия) [111] [112] — это генерализованная гипоксия, не сочетающаяся с одышкой . [113] [114] [115] Известно, что это проявление является осложнением COVID-19 , [116] [117] и также известно при атипичной пневмонии , [118] высотной болезни, [119] [120] [121 ] и несчастные случаи, связанные с неисправностью ребризера . [122] [123]
Нобелевская премия по физиологии и медицине 2019 года была присуждена Уильяму Дж. Келину-младшему , сэру Питеру Дж. Рэтклиффу и Греггу Л. Семенце в знак признания их открытия клеточных механизмов восприятия и адаптации к различным концентрациям кислорода, что заложило основу для как уровень кислорода влияет на физиологические функции. [124] [125]
Термин « гипоксия» , по-видимому, появился сравнительно недавно: первое зарегистрированное использование в научных публикациях датируется 1945 годом. До этого термин « аноксия» широко использовался для обозначения всех уровней кислородного голодания. Исследования последствий нехватки кислорода датируются серединой 19 века. [126]
Гипоксия образована от греческих корней υπo (гипо), что означает «под», «ниже» и «меньше», и oξυσ (оксис), что означает острый или кислотный, что является корнем кислорода. [126]