Гипероксия — это состояние, при котором организм подвергается воздействию высоких уровней кислорода ; это может относиться к организмам, клеткам и тканям, которые испытывают избыточную оксигенацию [1] или к аномально высокой концентрации кислорода в окружающей среде (например, в водоеме).
В медицине это относится к избыточному содержанию кислорода в легких или других тканях организма и возникает из-за повышенного парциального давления альвеолярного кислорода — то есть парциального давления альвеолярного кислорода, превышающего парциальное давление при дыхании воздухом при нормальном (на уровне моря) атмосферном давлении . Это может быть вызвано вдыханием воздуха при давлении выше нормального или вдыханием других газовых смесей с высокой фракцией кислорода , высоким давлением окружающей среды или обоими этими факторами.
Тело терпимо к некоторым отклонениям от нормального парциального давления вдыхаемого кислорода, но достаточно высокий уровень гипероксии может со временем привести к кислородной интоксикации , механизм которой связан с парциальным давлением, а тяжесть — с дозой. Гипероксия — это противоположность гипоксии ; гипероксия относится к состоянию, при котором подача кислорода в ткани избыточна, тогда как гипоксия относится к состоянию, при котором подача кислорода недостаточна. [ необходима цитата ]
Дополнительное введение кислорода широко используется в неотложной и интенсивной медицине и может спасти жизнь в критических состояниях, но слишком большое его количество может быть вредным и влияет на различные патофизиологические процессы. Активные формы кислорода известны как проблемные побочные продукты гипероксии, которые играют важную роль в сигнальных путях клеток . Существует широкий спектр эффектов, но когда гомеостатический баланс нарушается, активные формы кислорода, как правило, вызывают цикл повреждения тканей с воспалением , повреждением клеток и гибелью клеток. [2]
С гипероксией связан повышенный уровень активных форм кислорода (ROS), которые являются химически активными молекулами, содержащими кислород. Эти кислородсодержащие молекулы могут повреждать липиды , белки и нуклеиновые кислоты , а также реагировать с окружающими биологическими тканями. В организме человека есть естественные антиоксиданты для борьбы с активными молекулами, но защитная антиоксидантная защита может быть истощена обильными активными формами кислорода, что приводит к окислению тканей и органов. [1]
Симптомы, вызванные вдыханием высоких концентраций кислорода в течение длительного времени, были изучены на различных животных, таких как лягушки, черепахи, голуби, мыши, крысы, морские свинки, кошки, собаки и обезьяны. Большинство этих исследований сообщали о возникновении раздражения , застоя и отека легких, и даже смерти после длительного воздействия. [3]
Добавление кислорода может привести к кислородной токсичности , также известной как синдром кислородной токсичности, кислородная интоксикация и кислородное отравление. Существует два основных типа кислородной токсичности: токсичность центральной нервной системы (ЦНС) и легочная и глазная токсичность. [4]
Временное воздействие высоких парциальных давлений кислорода при давлении, превышающем атмосферное, может привести к интоксикации ЦНС. Ранним, но серьезным признаком интоксикации ЦНС кислородом является большой припадок , также известный как генерализованный тонико-клонический припадок . Этот тип припадка состоит из потери сознания и сильных мышечных сокращений. Признаки и симптомы интоксикации кислородом обычно распространены, но нет стандартных предупреждающих знаков, которые указывают на то, что припадок вот-вот наступит. Судорога, вызванная интоксикацией кислородом, не приводит к гипоксии, побочному эффекту, обычному для большинства припадков, потому что в организме избыточное количество кислорода, когда начинается судорога. Однако судороги могут привести к утоплению , если судорога случилась у дайвера, все еще находящегося в воде. [4]
Длительное воздействие более высоких уровней кислорода при атмосферном давлении может привести к легочной и глазной токсичности. Симптомы кислородной токсичности могут включать дезориентацию, проблемы с дыханием, близорукость или ускоренное развитие катаракты . Длительное воздействие более высоких, чем обычно, парциальных давлений кислорода может привести к окислительному повреждению клеточных мембран . Признаки легочной кислородной токсичности начинаются с легкого раздражения в трахее . Обычно возникает легкий кашель, за которым следует более сильное раздражение и более сильный кашель, пока дыхание не станет довольно болезненным, а кашель не станет неконтролируемым. Если продолжать подачу кислорода, человек заметит стеснение в груди, затрудненное дыхание и одышку. Если воздействие продолжается, может наступить летальный исход из-за недостатка кислорода. [4]
Добавление кислорода было обычной процедурой догоспитального лечения в течение многих лет. Гипероксия часто возникает в контролируемых медицинских условиях, где вводятся высокие концентрации кислорода, например, во время искусственной вентиляции легких или кислородной терапии в отделениях интенсивной терапии. Самый высокий риск гипероксии возникает при гипербарической кислородной терапии , где это является высоковероятным побочным эффектом лечения более серьезных состояний и считается приемлемым риском, поскольку его можно эффективно контролировать без очевидных долгосрочных последствий. [5] В таких условиях крайне важно регулярно контролировать уровень PaO2, чтобы предотвратить гипероксию и связанные с ней осложнения. [6]
Дополнительная причина гипероксии связана с подводным плаванием с дыхательным аппаратом. Водолазы дышат смесью газов, которая должна включать кислород, и парциальное давление кислорода в любой данной газовой смеси будет увеличиваться с глубиной. Атмосферный воздух становится гипероксичным во время погружения, и гипероксическая газовая смесь, известная как нитрокс, используется для снижения риска декомпрессионной болезни путем замены кислорода на часть содержания азота. Вдыхание нитрокса может привести к кислородной интоксикации из-за высокого парциального давления кислорода, если использовать его слишком глубоко или слишком долго. Протоколы безопасного использования повышенного парциального давления кислорода при дайвинге хорошо известны и регулярно используются любителями подводного плавания, военными боевыми водолазами и профессиональными водолазами-сатураторами. [7]
Кислородные ребризеры также используются для нормобарической повседневной работы и реагирования на чрезвычайные ситуации в непригодных для дыхания атмосферах или в обстоятельствах, когда пригодность окружающего газа для дыхания неизвестна или может измениться без предупреждения, например, при тушении пожаров, подземных спасательных работах и работе в замкнутых пространствах. Дополнительный кислород также используется для высокогорных воздействий в авиации и альпинизме. Во всех этих случаях максимальная концентрация естественным образом ограничена давлением окружающей среды, но нижний предел обычно сложнее контролировать, а непосредственные последствия гипоксии, как правило, более серьезны, чем непосредственные последствия гипероксии, поэтому существует тенденция предоставлять больший предел погрешности для гипоксии, и пользователь подвергается воздействию гипероксических условий большую часть времени.
Дополнительный кислород является эффективным и широко доступным методом лечения гипоксемии и гипоксии, связанных со многими патологическими процессами, но другие патофизиологические процессы связаны с повышенным уровнем ROS, вызванным гипероксией. Эти ROS реагируют с биологическими тканями и могут повреждать белки , липиды и нуклеиновые кислоты . Антиоксиданты , которые обычно защищают ткани, могут быть подавлены более высоким уровнем ROS, тем самым вызывая окислительный стресс . [1]
Альвеолярные и альвеолярно-капиллярные эпителиальные клетки уязвимы к повреждениям, вызванным свободными радикалами кислорода из-за гипероксии. При острых повреждениях легких такого типа повышенная проницаемость легочных микрососудов допускает утечку плазмы, вызывая отек легких и нарушения коагуляции и отложения фибрина . Может быть нарушено производство сурфактанта . Максимальная польза от доступности кислорода — это баланс между необходимостью и токсичностью в континууме. [1]
Кумулятивная доза кислорода определяется комбинацией времени воздействия, давления окружающей среды и доли кислорода во вдыхаемом газе. Последние два фактора можно объединить как парциальное давление вдыхаемого кислорода в альвеолах. Парциальное давление вдыхаемого кислорода, превышающее 0,6 бар ( FIO2 >0,6 при нормальном атмосферном давлении), вводимое в течение длительных периодов времени в порядке дней, токсично для легких. Это известно как отравление кислородом низкого давления, легочная токсичность или эффект Лоррена Смита . Эта форма воздействия приводит к застою в дыхательных путях легких, отеку легких и ателектазу, вызванному повреждением оболочек бронхов и альвеол. Накопление жидкости в легких вызывает чувство одышки, ощущается жжение в горле и груди, а дыхание становится болезненным. При нормальном атмосферном давлении эффект в основном ограничивается легкими, поскольку они напрямую подвергаются воздействию высокой концентрации кислорода, которая не распределяется по всему телу из-за буферной системы гемоглобин-кислород, при этом относительно небольшое количество кислорода переносится в растворе в плазме. При более высоком давлении окружающей среды и более высоком парциальном давлении кислорода, когда большее количество кислорода переносится в растворе, токсические эффекты на центральную нервную систему проявляются в течение гораздо более короткого времени воздействия. Это известно как отравление кислородом высокого давления или эффект Пола Берта. [1]
Гипероксия также связана с повреждением клеток посредством индукции апоптоза и некроза. Перепроизводство ROS может нарушить клеточные сигнальные пути, привести к митохондриальной дисфункции и вызвать воспалительные реакции. Эти эффекты способствуют патогенезу таких заболеваний, как острый респираторный дистресс-синдром (ОРДС) и хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ). В центральной нервной системе высокие уровни кислорода могут вызывать судороги, которые представляют значительный риск при гипербарической оксигенотерапии, если их тщательно не контролировать. [2] Кроме того, гипероксия может привести к вазоконстрикции , особенно влияющей на мозговое и коронарное кровообращение, что потенциально может привести к неблагоприятным результатам, включая повышенную смертность у пациентов в критическом состоянии. [8]
Продолжаются дальнейшие исследования для лучшего понимания долгосрочного воздействия гипероксии на различные органы и системы, а также для оптимизации протоколов кислородной терапии для минимизации этих рисков и обеспечения эффективного лечения гипоксических состояний. [2]
Гипероксия в первую очередь диагностируется путем измерения парциального давления кислорода (PaO2) в артериальной крови . Этот метод более точен, чем неинвазивные измерения, такие как индекс резерва кислорода (ORI) и сатурация кислорода (SpO2), которые показали ограниченную диагностическую точность для обнаружения гипероксии, особенно у пациентов в критическом состоянии. [9]
Основной метод диагностики гипероксии заключается в измерении парциального давления кислорода в артериальной крови с помощью анализа газового состава артериальной крови (ABG). Этот подход считается золотым стандартом диагностики гипероксии, поскольку он точно оценивает уровни PaO2. Обычно PaO2 колеблется от 75 до 100 мм рт. ст. , при этом гипероксия обычно распознается, когда PaO2 превышает 100 мм рт. ст.
В дополнение к измерению PaO2 также используются неинвазивные методы, такие как индекс резерва кислорода (ORI) и сатурация кислорода (SpO2), хотя их эффективность ограничена. ORI, несмотря на то, что он неинвазивный, имеет низкую корреляцию с PaO2 и поэтому ненадежен для диагностики гипероксии. Исследования показали, что способность ORI определять уровни PaO2 выше 100 мм рт. ст. ограничена, на что указывает площадь под кривой рабочей характеристики приемника (AUROC), равная всего 0,567. [9] Аналогичным образом, SpO2, измеренный с помощью пульсоксиметрии, полезен для мониторинга уровней кислорода, но его диагностическая полезность для гипероксии ограничена, поскольку показания SpO2 ограничены 100%. Это делает SpO2 более эффективным для обнаружения гипоксии, а не гипероксии.
Лечение гипероксии в первую очередь включает титрование кислородной терапии, чтобы избежать избыточного уровня кислорода, обеспечивая при этом адекватную оксигенацию тканей. Клинические рекомендации рекомендуют поддерживать артериальную сатурацию кислородом (SpO2) в целевом диапазоне 88-95% для предотвращения как гипоксемии , так и гиперксемии.
Новые данные свидетельствуют о том, что длительное воздействие высоких уровней кислорода, даже при наличии клинических показаний, может привести к повреждению клеток из-за окислительного стресса. В некоторых случаях наблюдались вызванные гипероксией повреждения легких, неврологические эффекты и нарушения системного кровообращения , особенно у пациентов с уже имеющимися заболеваниями. Эти риски подчеркивают важность постоянной бдительности при управлении уровнями кислорода, особенно в отделениях интенсивной терапии .
Антиоксидантная терапия может быть использована для смягчения вредных эффектов ROS, образующихся во время гипероксии. Кроме того, тщательный мониторинг и корректировка настроек искусственной вентиляции легких имеют решающее значение в отделениях интенсивной терапии для балансировки доставки кислорода и минимизации риска кислородной токсичности. Недавние исследования подчеркивают важность индивидуализированной кислородной терапии с учетом конкретного клинического состояния пациента и реакции на лечение. [10]
Дайверы могут подвергаться риску как центральной нервной системы, так и легочной кислородной интоксикации, и эти риски хорошо изучены. Были разработаны протоколы, которые налагают ограничения на парциальное давление кислорода в дыхательном газе, которые подвергают дайвера приемлемым общим рискам, принимая во внимание, что судороги и потеря сознания под водой на оборудовании для подводного плавания часто приводят к смерти от утопления. Погружение с поверхностным газом с использованием шлема или полнолицевой маски защищает дыхательные пути гораздо лучше, чем клапан давления, удерживаемый зубами, и в некоторых обстоятельствах немного более высокие парциальные давления и немного более высокий риск кислородной интоксикации могут быть приемлемыми. Существует компромисс между риском от более длительных обязательств по декомпрессии, которые держат дайвера в воде дольше, и кислородной интоксикацией.
При погружениях с поверхностным ориентированием время воздействия обычно недостаточно для развития симптомов легочной токсичности, а интервалы между погружениями обычно достаточно продолжительны для восстановления, поэтому парциальное давление кислорода обычно выбирается для максимального увеличения времени безостановочного пребывания или минимизации времени декомпрессии, поскольку декомпрессия в холодной воде, как правило, вызывает стресс у дайвера. При погружениях с насыщением , когда дайвер будет дышать газовой смесью под давлением в течение периодов от нескольких недель до месяца, P O 2 должно поддерживаться достаточно низким, чтобы избежать легочной токсичности и допускать нисходящие отклонения от давления хранения, в то же время будучи достаточно высоким, чтобы допустить возможные непредвиденные обстоятельства, связанные с временным снижением давления, во время которого крайне желательно, чтобы пострадавшие дайверы оставались в сознании и могли выполнять необходимые задачи для минимизации последствий, а также для обеспечения восходящих отклонений без необходимости переключения газа. Было обнаружено, что парциальное давление около 0,4 бар удовлетворяет этим условиям.
Гипербарическая медицина — это медицинское использование кислорода под более высоким давлением, чем в нашей атмосфере. [12] Гипербарическая медицина также известна как гипербарическая кислородная терапия. Воздух, которым мы обычно дышим, на 21 процент состоит из кислорода. Гипербарическое лечение использует 100 процентов насыщенного кислородом воздуха для лечения многих заболеваний. [13]
Дополнительный кислород является одним из наиболее часто используемых методов лечения критических заболеваний и обычно используется при лечении острого шока и других неотложных состояниях, но оптимальная дозировка редко бывает очевидной, и во время искусственной вентиляции легких, анестезии и реанимации подача обычно превышает физиологические потребности, чтобы избежать дефицита. Полученное превышение потребностей может быть пагубным, но обычно меньше, чем общее гипоксическое состояние. Тщательное титрование подачи кислорода при мониторинге оксигенации может обеспечить достаточную оксигенацию тканей без гипероксического вреда. [2] При соблюдении правил и рекомендуемых уровней уровни кислорода можно индивидуализировать и адаптировать к состоянию пациента, чтобы снизить риск гипероксии. [10]
При атмосферном давлении риск острого отравления кислородом отсутствует, однако существует вероятность легочной интоксикации, а гипероксия может усугубить некоторые состояния, при которых дополнительное снабжение кислородом может быть полезным.
Эпидемиологически гипероксия в первую очередь сосредоточена на ее распространенности в клинических условиях, где пациенты получают дополнительный кислород, например, в отделениях интенсивной терапии, отделениях для новорожденных и во время анестезии. Она часто наблюдается у групп населения с такими состояниями, как ХОБЛ, ОРДС и остановка сердца, где кислородная терапия является рутинной. Хотя это необходимо для лечения, длительное воздействие высоких уровней кислорода может привести к вредному окислительному стрессу, который потенциально может привести к таким осложнениям, как повреждение легких, ретинопатия у новорожденных и плохие или ухудшенные неврологические исходы. Возникновение гипероксии различается в разных системах здравоохранения в зависимости от строгости мониторинга кислорода и методов управления.
{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )