ГИПОКСИЯ. Основные определения и классификация гипоксических состояний

Необходимым условием нормальной жизнедеятельности любой биологической структуры является непрерывное потребление достаточного количества энергии. Эта энергия расходуется на пластические процессы в организме, т.е. на сохранение и обновление элементов, входящих в состав данной структуры, и на обеспечение ее функций.

Все животные, являющиеся гетеротрофами, получают необходимую им энергию из химических связей поступающих с пищей углеводов, жиров и белков (одной из форм аккумуляции энергии термоядерных процессов, происходящих на солнце). Однако клетки животных организмов не способны непосредственно использовать энергию, содержащуюся в химических связях питательных веществ. Эти вещества (получившие в данном случае название субстратов) должны предварительно пройти многочисленные превращения, совокупность которых называется биологическим окислением. В результате биологического окисления энергия субстратов переходит в своеобразную, легко утилизируемую форму фосфатных связей макроэргических соединений, среди которых ключевое место занимает АТФ.

Основная часть макроэргов образуется в митохондриях, в которых происходит сопряженное с фосфорилированием окисление субстратов, для чего, очевидно, необходим кислород. Следовательно, для нормального энергообеспечения жизненных процессов необходимо, чтобы в митохондрии постоянно поступало достаточное количество субстратов и кислорода, происходила эффективная их утилизация и непрерывно образовывалось достаточное количество АТФ, компенсирующее непрерывный расход энергии.

В нормальных условиях такое соответствие обычно соблюдается, что обеспечивается координированной деятельностью многочисленных регуляторных механизмов разных уровней, относящихся к различным физиологическим системам и биохимическим процессам. Если в результате каких-либо причин указанное соответствие нарушается, возникает абсолютная или относительная недостаточность биологического окисления, приводящая к энергетической необеспеченности жизненных процессов и закономерным метаболическим, функциональным и морфологическим нарушениям вплоть до гибели и распада живой структуры. При этом возникают также разнообразные приспособительные и компенсаторные реакции. Совокупность всех этих процессов получила название «гипоксия» (от греч. hypo — под. ниже и лат. oxygenium — кислород). В таком понимании синонимами гипоксии являются распространенные термины «кислородное голодание» и «кислородная недостаточность».

В научной литературе (иностранной, а иногда и в отечественной) до настоящего времени наряду с гипоксией встречается термин «аноксия», в строгом смысле означающий полное отсутствие кислорода или полное прекращение окислительных процессов. Однако таких состояний при жизни организма никогда не бывает, и термин считается устаревшим и неудачным. По тем же причинам неадекватен термин «аноксемия», иногда используемый в качестве синонима «гипоксемии» (пониженному напряжению и содержанию кислорода в крови).

Иногда в научной зарубежной литературе (а изредка и в нашем обиходе) в качестве синонима гипоксии используют термин «асфиксия». Такое отождествление неправильно, так как асфиксия или «удушье» — это острая недостаточность легочного газообмена, развивающаяся в результате грубых нарушений внешнего дыхания. Возникающая при этом гипоксия представляет собой лишь одну из частных ее форм, всегда сопровождающуюся резко выраженной гиперкапнией.

Гипоксия встречается весьма часто и служит патогенетической основой или важным компонентом множества различных заболеваний. Никаких сколько-нибудь существенных «запасов» АТФ в организме не существует, резервы кислорода также весьма незначительны; в некоторых случаях может возникнуть и дефицит субстратов биологического окисления; сам процесс утилизации кислорода и субстратов в митохондриях и образования АТФ включает множество сложных реакций. Поэтому понятно, что нарушение любого из многочисленных звеньев, обеспечивающих эффективное, адекватное текущим потребностям организма биологическое окисление, может приводить к его недостаточности, т.е. к возникновению гипоксии.

В зависимости от этиологии, скорости развития и продолжительности гипоксического состояния, степени гипоксии, реактивности организма проявления гипоксии могут значительно варьировать, сохраняя, однако, основные существенные особенности.

Таким образом, гипоксию можно определить как типовой патологический процесс, возникающий в результате недостаточности биологического окисления и связанной с ней энергетической необеспеченностью жизненных процессов.

В зависимости от причин возникновения и механизмов развития различают гипоксию, обусловленную недостатком кислорода во вдыхаемом воздухе, недостаточным поступлением его в организм, недостаточным транспортом к клеткам и нарушением утилизации в митохондриях. Соответственно выделяют несколько основных типов гипоксии.

1. Экзогенный:
   1. гипобарический;
   2. нормобарический.
2. Респираторный (дыхательный).
3. Циркуляторный (сердечно-сосудистый).
4. Гемический (кровяной).
5. Тканевый (первично-тканевый).
6. Перегрузочный (гипоксия нагрузки).
7. Субстратный.
8. Смешанный.

По критерию распространенности гипоксического состояния различают гипоксию:

• местную (локальную);
• общую (генерализованную).
• По скорости развития и длительности существует гипоксия:
• молниеносная;
• острая;
• подострая;
• хроническая.
• По степени тяжести выделяют гипоксию: легкую; умеренную; тяжелую;
• критическую (смертельную).

Этиология и патогенез отдельных типов гипоксии

В начале этого подраздела приведем некоторые обозначения и нормативные величины.

Экзогенный тип гипоксии.

Этот тип гипоксии возникает вследствие уменьшения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе.

Гипобарическая гипоксия.

Данный тип гипоксии обусловлен общим снижением барометрического давления и наблюдается при подъеме в горы или в негерметичных летательных аппаратах без индивидуальных кислородных систем (горная, или высотная, болезнь).

Заметные нарушения обычно отмечаются при Ро примерно 100 мм рт.ст. (что соответствует высоте около 3 500 м): при 50—55 мм рт.ст. (8000—8 500 м) возникают тяжелые расстройства, несовместимые с жизнью. В специальных целях дозированную гипобарическую гипоксию вызывают путем постепенного откачивания воздуха из барокамер, в которых находятся испытуемые люди или экспериментальные животные, имитируя тем самым подъем на высоту.

Нормобарическая гипоксия.

Такой тип гипоксии развивается при нормальном общем барометрическом давлении, но сниженном парциальном давлении кислорода во вдыхаемом воздухе, например, при нахождении в замкнутых помещениях малого объема, работах в шахтах, при неисправностях систем кислородообеспечения в кабинах летательных аппаратов, подводных лодках, специальных защитных костюмах, а также при некоторых неисправностях или неправильном использовании наркозно-дыхательной аппаратуры.

Патогенетической основой экзогенного типа гипоксии во всех случаях является артериальная гипоксемия, т.е. уменьшение напряжения кислорода £ плазме артериальной крови, приводящее к недостаточному насыщению гемоглобина кислородом и общему со-держанию его в крови. Дополнительное отрицательное влияние на организм может оказывать гипокапния. нередко развивающаяся при экзогенной гипоксии в результате компенсаторной гипервентиляции легких и приводящая к ухудшению кровоснабжения мозга, сердца, нарушениям электролитного баланса и газовому алкалозу.

Дыхательный (респираторный) тип гипоксии.

Эта гипоксия возникает в результате недостаточности газообмена в легких в связи с альвеолярной гиповентиляцией, нарушениями легочного кровотока, вентиляционно-перфузионных соотношений, избыточным вне- и внутрилегочным шунтированием венозной крови пли при затруднении диффузии кислорода в легких. Патогенетической основой респираторной гипоксии, гак же как и экзогенной, является артериальная гипоксия, в большинстве случаев сочетающаяся с гиперкапнией. В отдельных случаях в связи с тем, что СО₂ диффундирует через альвеолокапиллярную мембрану примерно в 20 раз легче, чем О₂, возможна гипоксемия без гиперкапнии.

Сердечно-сосудистый (циркуляторный) тип гипоксии.

Болезнь развивается при нарушениях кровообращения, приводящих к недостаточному кровоснабжению органов и тканей и, следовательно, к недостаточному их снабжению кислородом. Уменьшение количества крови, протекающей через капилляры в единицу времени, может быть обусловлено обшей гиповолемией, т.е. уменьшением объема крови в сосудистом русле (при массивной кровопотере или плазмопотере, обезвоживании организма) и нарушениями функций сердца и сосудов. Расстройства сердечной деятельности могут быть следствием повреждения миокарда, перегрузки сердца и нарушений экстракардиальной регуляции, приводящих к уменьшению минутного объема сердца. Циркуляторная гипоксия сосудистого происхождения может быть связана с чрезмерным увеличением емкости сосудистого русла и депонированной фракции крови вследствие пареза сосудистых стенок в результате экзо- и эндогенных токсических влияний, аллергических реакций, нарушений электролитного баланса, при недостаточности глюкокортикоидов. минералокортикоидов и некоторых других гормонов, а также при нарушениях рефлекторной и центрогенной вазомоторной регуляции и других патологических состояниях, сопровождающихся падением тонуса сосудов.

Гипоксия может возникать в связи с первичными расстройствами микроциркуляции: распространенными изменениями стенок микрососудов, агрегацией форменных элементов крови, повышением ее вязкости, свертываемости и другими факторами, затрудняющими продвижение крови через капиллярную сеть, вплоть до полного стаза. Причиной нарушений микроциркуляции может стать избыточное артериоловенулярное шунтирование крови, обусловленное спазмом прекапиллярных сфинктеров (например, при острой кровопотере).

Особое место занимает гипоксия, связанная с нарушением транспорта кислорода в клетки на внесосудистом участке микроциркуляторной системы: периваскулярном, межклеточном и внутриклеточном пространствах, базальной и клеточной мембранах. Такая форма гипоксии возникает при ухудшении проницаемости мембран для кислорода, при интерстициальном отеке, внутриклеточной гипергидратации и других патологических изменениях межклеточной среды.

Циркуляторная гипоксия может носить локальный характер при недостаточном притоке крови к отдельному органу или участку ткани или затруднении оттока крови при ишемии, венозной гиперемии.

Отдельные гемодинамические показатели в разных случаях циркуляторной гипоксии могут варьировать в широких пределах. Для газового состава крови в типичных случаях характерно нормальное напряжение и содержание кислорода в артериальной крови, снижение этих показателей в смешанной венозной крови и соответственно высокая артериовенозная разница по кислороду. Исключением могут стать случаи распространенного прекапиллярного шунтирования, когда значительная часть крови переходит из артериальной системы в венозную, минуя обменные микрососуды, в результате чего в венозной крови остается больше кислорода, и степень венозной гипоксемии не отражает реальную тяжесть гипоксии лишенных капиллярного кровотока органов и тканей.

Следовательно, для оценки генерализованной циркуляторной гипоксии такой интегральный показатель, как Р_аО2 (при условии нормальных значений P_аО2, S_аО2 и V_аО2), должен использоваться с учетом возможных искажений его значения для реально существующей в организме ситуации.

Кровяной (гемический) тип гипоксии.

Данное состояние возникает в результате уменьшения эффективной кислородной емкости крови вследствие недостаточного содержания гемоглобина при анемиях (Гемический тип гипоксии иногда называют «анемическим», что неправильно. Анемическая гипоксия является лишь одной из многочисленных форм гемической гипоксии.), гидремии и при нарушении способности гемоглобина связывать, транспортировать и отдавать тканям кислород.

Выраженные анемии могут быть обусловлены подавлением костномозгового кроветворения в результате его истощения, повреждения токсическими факторами, ионизирующей радиацией, лейкозным процессом и метастазами опухолей, а также при дефиците компонентов, необходимых для нормального эритролоэза и синтеза гемоглобина (железа, витаминов, эритропоэтина и др.), и при усиленном гемолизе эритроцитов.

Кислородная емкость крови понижается при гемодилюции различного происхождения, например во второй стадии постгеморрагического периода, при вливании значительных объемов физиологического раствора, различных кровезаменителей.

Нарушения кислородтранспортных свойств крови могут развиваться при качественных изменениях гемоглобина.

Наиболее часто такая форма гемической гипоксии наблюдается при отравлении оксидом углерода (угарным газом), приводящем к образованию карбоксигемоглобина (НЬСО — комплекс ярко-красного цвета); метгемоглобинообразователями, при некоторых врожденных аномалиях гемоглобина, а также при нарушениях физико-химических свойств внутренней среды организма, влияющих на процессы его оксигенации в капиллярах легких и дезоксигенации в тканях.

Оксид углерода обладает чрезвычайно высоким сродством к гемоглобину, почти в 300 раз превосходя сродство к нему кислорода и образуя лишенный способности транспортировать и отдавать кислород карбоксигемоглобин,

Интоксикация оксидом углерода возможна в различных производственных условиях: металлургических цехах, на коксохимических, кирпичных и цементных заводах, различных химических производствах, а также в гаражах, на городских магистралях с интенсивным автотранспортным движением, особенно при значительном скоплении автотранспорта в безветренную погоду и т.п. Случаи отравления оксидом углерода нередки в жилых помещениях при неисправности газовых приборов или печного отопления, а также при пожарах. Даже при относительно небольших концентрациях оксида углерода в воздухе тяжелая гипоксия может наступить через несколько минут; при длительном вдыхании опасны даже минимальные концентрации оксида углерода. Так, при содержании примерно 0,005 % оксида углерода в воздухе до 30 % гемоглобина превращается в НbСО; при концентрации 0,01 % образуется около 70 % НbСО, что является смертельным. При устранении СО из вдыхаемого воздуха происходит медленная диссоциация НbСО и восстановление нормального гемоглобина.

Метгемоглобии — MtHb (окрашенный в темно-коричневый цвет) — отличается от нормального Нb тем, что железо гема в нем находится не в виде Fe²⁺, а окислено до Fe³⁺ Таким образом, MtHb представляет собой «истинно» окисленную форму Нb, причем к дополнительной валентности железа в качестве лиганда обычно присоединяется ион гидроксила (ОН»). Вылолнять транспорт кислорода MtHb не способен. Небольшие «физиологические» количества метгемоглобина постоянно образуются в организме под воздействием активных форм кислорода; патологическая метгемоглобинемия возникает при воздействии большой группы веществ — так называемых метгемоглобинообразователей. К ним относятся нитраты и нитриты, оксиды азота, производные анилина, бензола, некоторые токсины инфекционного происхождения, лекарственные вещества (фенозепам, амидопирин, сульфаниламиды) и др. Значительные количества MtHb могут образоваться при накоплении в организме энлогенных пероксидов и других активных радикалов). При этом важно, что в каждом из четырех гемов молекулы гемоглобина атом железа окисляется практически независимо от других гемов той же молекулы. Возникающие в результате частично «искаженные» молекулы лишены нормального «гем-гем» взаимодействия, определяющего оптимальную способность гемоглобина связывать кислород в легких и отдавать его в тканях по закону S-образной кривой диссоциации оксигемоглобина. В связи с этим превращение, например, 40% НЬ в MtHb приводит к ухудшению снабжения организма кислородом в гораздо большей степени, чем, например, дефицит 40% гемоглобина при анемиях, гемодилюции и т.п.

Процесс образования MtHb носит обратимый характер, однако его восстановление в нормальный гемоглобин происходит относительно медленно в течение многих часов.

Кроме НbСО и MtHb при различных интоксикациях возможно образование и других соединений Нb, которые плохо переносят О₂: нитрокси-Нb, карбиламин-Hb и др.

Ухудшение транспортных свойств гемоглобина может быть обусловлено наследственными дефектами строения его молекулы. Такие патологические формы Нb могут обладать как пониженным, так и значительно повышенным сродством к O₂, что сопровождается затруднением присоединения 0₂ в легких или его отдачи в тканях.

Неблагоприятное влияние на условия оксигенации и дезоксигенации НЬ могут оказывать некоторые сдвиги физико-химических свойств среды: pH, Р_СОз, концентрации электролитов и др. Смещение кривой насыщения Нb может также возникать при гипероксии в результате повреждения системы гликолиза в эритроцитах и изменения содержания в них 2,3-дифосфоглицерата. Значительное ухудшение переноса и отдачи кровью 0₂ наступает также при изменениях физических свойств эритроцитов, их значительной агрегации и сладже.

Для гемической гипоксии характерно сочетание нормального напряжения кислорода в артериальной крови с пониженным его объемным содержанием. Напряжение и содержание О₂ в венозной крови понижены.

Тканевый (или первично-тканевый) тип гипоксии.

Развивается тканевый тип гипоксии вследствие нарушения способности клеток поглощать кислород (при нормальной его доставке в клетки) или в связи с уменьшением эффективности биологического окисления в результате разобщения окисления и фосфорилирования.

Утилизация О₂ тканями может затрудняться в результате действия различных ингибиторов ферментов биологического окисления, неблагоприятных изменений физико-химических условий их действия, нарушения синтеза ферментов и дезинтеграции биологических мембран клетки.

Ингибирование ферментов может происходить тремя основными путями:

1. специфическое связывание активных центров фермента, например, весьма активное связывание трехвалентного железа окисленной формы геминфермента ионом CN^— при отравлении цианидами, подавление активных центров дыхательных ферментов ионом сульфида, некоторыми антибиотиками и др.;
2. связывание функциональных групп белковой части молекулы фермента (ионы тяжелых металлов, алкилирующие агенты);
3. конкурентное торможение путем блокады активного центра ферментов «псевдосубстрагами», например, ингибирование сукцинатдегидрогеназы малоновой и другими дикар-боновыми кислотами.

Отклонения физико-химических параметров внутренней среды организма: pH, температуры, концентрации электролитов, возникающие при разнообразных заболеваниях и патологических процессах, также могут существенно снижать активность ферментов биологического окисления.

Нарушение синтеза ферментов может возникать при дефиците специфических компонентов, необходимых для их образования: витаминов В₁(тиамина), В₃ (РР, никотиновой кислоты) и других, а также при кахексии различного происхождения и других патологических состояниях, сопровождающихся грубыми нарушениями белкового обмена.

Дезинтеграция биологических мембран является одним из важнейших факторов, приводящих к нарушению утилизации О₂. Такая дезинтеграция может быть обусловлена многочисленными патогенными воздействиями, вызывающими повреждения клетки: высокой и низкой температурой, экзогенными ядами и эндогенными продуктами нарушенного метаболизма, инфекционно-токсическими агентами, проникающей радиацией, свободными радикалами и др. Нередко повреждение мембран возникает как осложнение гипоксии респираторного, циркуляторного или гемического типа. Практически любое тяжелое состояние организма содержит элемент тканевой гипоксии такого рода.

Гипоксия разобщения представляет собой своеобразный вариант гипоксии тканевого типа, возникающий при резко выраженном уменьшении сопряженности окисления и фосфорилирования вдыхательной цепи. Потребление тканями 0₂ при этом обычно возрастает, однако значительное увеличение доли энергии, рассеиваемой в виде избыточно образующегося тепла приводит к энергетическому обесцениванию тканевого дыхания и его относительной недостаточности. Разобщающими свойствами обладают многие вещества экзо- и эндогенного происхождения: избыток ионов Н⁴ и Са²⁴, свободных жирных кислот, адреналина, тироксина и трийодтиронина, а также некоторые лекарственные вещества (дикумарин, грамицидин и др.). микробные токсины и другие агенты.

Инволюционная гипоксия, возникающая при старении организма, по своим механизмам также в значительной степени связана с процессами, приводящими к нарушению эффективной утилизации клетками кислорода. К таким процессам относятся: разрушение мембран митохондрий и разрыв цепи переноса электронов; увеличение внутриклеточного фонда свободных жирных кислот; перекрестное связывание макромолекул и их иммобилизация и ряд других процессов.

Газовый состав крови в типичных случаях тканевой гипоксии характеризуется нормальными параметрами клслорода в артериальной крови , значительным их повышением в венозной крови и соответственно уменьшением артериовенозной разницы по кислороду (при гипоксии разобщения могут складываться другие соотношения).

Перегрузочный тик гипоксии («гипоксия нагрузки»).

Такой тип гипоксии возникает при чрезмерно напряженной деятельности какого-либо органа или ткани, когда функциональные резервы систем транспорта и утилизации кислорода и субстратов даже без наличия в них патологических изменений оказываются недостаточными для обеспечения резко увеличенной потребности. Практическое значение эта форма гипоксии имеет в основном применительно к тяжелым нагрузкам на мышечные органы — скелетную мускулатуру и миокард.

При чрезмерной нагрузке на сердце возникают относительная коронарная недостаточность, циркуляторная гипоксия сердца и вторичная общая циркуляторная гипоксия. При чрезмерной мышечной работе наряду с гипоксией самой скелетной мускулатуры возникают конкурентные отношения в распределении кровотока, приводящие к ишемии других тканей и развитою распространенной циркуляторной гипоксии. Для гипоксии нагрузки характерны значительная кислородная «задолженность», венозная гипоксемия и гиперкапния.

Субстратный тип гипоксии.

В абсолютном большинстве случаев гипоксия связана с недостаточным транспортом или нарушением утилизации О₂. В нормальных условиях запас субстратов биологического окисления в организме достаточно велик и немного превосходит резервы О₂. Однако в некоторых случаях при нормальной доставке О₂, нормальном состоянии мембран и ферментных систем возникает первичный дефицит субстратов, приводящий к нарушению работы всех взаимосвязанных звеньев биологического окисления. Почти в большинстве случаев такая гипоксия связана с дефицитом в клетках глюкозы. Так. прекращение поступления глюкозы в головной мозг уже через 5 — 8 мин (т.е. примерно через такой же срок, как после прекращения доставки О₂) ведет к гибели наиболее чувствительных нервных клеток. Углеводное голодание инсулинзависимых тканей возникает при некоторых формах сахарного диабета и других расстройствах углеводного обмена. Подобная форма гипоксии может развиться и при дефиците некоторых других субстратов (например, жирных кислот в миокарде, при общем тяжелом голодании и др.). Потребление кислорода при данной форме гипоксии в результате недостатка субстратов окисления также обычно снижено.

Смешанный тип гипоксии.

Этот тип гипоксии наблюдается наиболее часто и представляет собой сочетание двух и более основных ее типов.

В некоторых случаях гипоксический фактор сам по себе отрицательно влияет на несколько звеньев транспорта и утилизации О₂ (например, барбитураты подавляют окислительные процессы в клетках и одновременно угнетают дыхательный центр, вызывая легочную гиповентиляцию; нитриты наряду с образованием метгемоглоби-на могут выступать в качестве разобщающих агентов и т.п.). Аналогичные состояния возникают при одновременном действии на организм нескольких различных по точкам приложения гипоксических факторов.

Еще один часто встречающийся механизм смешанных форм гипоксии связан с тем, что первично возникающая гипоксия любого типа, достигнув определенной степени, вызывает нарушения других органов и систем, участвующих в обеспечении биологического окисления.

Во всех подобных случаях возникают гипоксические состояния смешанного типа: кровяного и тканевого, тканевого и дыхательного и т.д. Примерами могут служить травматический и другие виды шока, коматозные состояния различного происхождения и др.

Характеристика гипоксических состояний по различным критериям

По критерию распространенности принято различать местную и общую гипоксии.

Местная гипоксия чаще всего связана с локальными нарушениями кровоснабжения в виде ишемии, венозной гиперемии и локального стаза, т.е. относится к циркуляторному типу. В некоторых случаях может возникать местное нарушение утилизации кислорода и субстратов в результате локального повреждения клеточных мембран и подавления активности ферментов, вызванного каким-либо патологическим процессом (например воспалением). Другие участки аналогичной ткани гипоксию при этом не испытывают. Однако в таком случае обычно в области повреждения в той или иной степени страдает также сосудистая система и, следовательно, наблюдается смешанная форма гипоксии: тканевая и циркуляторная.

Общая гипоксия является более сложным понятием. Из названия вытекает, что данная форма гипоксии не имеет точных геометрических границ и носит распространенный характер.

Однако известно, что устойчивость различных органов и тканей к гипоксии неодинакова и достаточно сильно колеблется. Некоторые ткани (например, кости, хрящи, сухожилия) относительно малочувствительны к гипоксии и могут сохранять нормальную структуру и жизнеспособность в течение многих часов при полном прекращении снабжения кислородом; поперечнополосатые мышцы выдерживают аналогичную ситуацию около 2 ч; сердечная мышца 20 — 30 мин; почки, печень примерно столько же. Наиболее чувствительна к гипоксии нервная система. Различные ее отделы также отличаются неодинаковой чувствительностью к гипоксии, которая убывает в ряду: кора больших полушарий, мозжечок, зрительный бугор, гиппокамп, продолговатый мозг, спинной мозг, ганглии вегетативной нервной системы. При полном прекращении снабжения кислородом признаки повреждения в коре мозга обнаруживаются через 2,5—3 мин, в продолговатом мозге через 10—15 мин, в ганглиях симпатической нервной системы и нейронах кишечных сплетений более чем через 1 ч. При этом чем выше функциональная активность нервных структур, тем они более чувствительны к гипоксии. Так, отделы головного мозга, находящиеся в возбужденном состоянии, страдают в большей степени, чем неактивные.

Таким образом, строго говоря, при жизни организма действительно обшей гипоксии быть не может. В абсолютном большинстве случаев при любой ее тяжести различные органы и ткани находятся в разном состоянии, и некоторые из них гипоксии не испытывают. Однако учитывая исключительную важность мозга для жизнедеятельности организма, его весьма высокую потребность в кислороде (до 20% всего потребления О₂) и особенно выраженную ранимость при гипоксии, общее кислородное голодание организма часто отождествляют именно с гипоксией головного мозга.

По скорости развития, продолжительности и степени тяжести гипоксии точных объективных критериев для ее разграничения пока не существует. Однако в повседневной клинической практике обычно различают следующие ее виды: молниеносная гипоксия, развивающаяся до тяжелой или даже смертельной степени за секунды или немногие десятки секунд; острая гипоксия — в течение нескольких минут или десятков минут; подострая гипоксия — в течение нескольких часов или десятков часов; хроническая гипоксия развивается и продолжается неделями, месяцами и годами.

По тяжести градацию гипоксических состояний проводят по отдельным клиническим или лабораторным признакам, характеризующим нарушения той или иной физиологической системы или сдвиги параметров внутренней среды.

Защитно-приспособительные реакции при гипоксии

Экстренная адаптация.

Приспособительные реакции, направленные на предупреждение или устранение гипоксии и сохранение гомеостаза, возникают немедленно после начала воздействия этиологического фактора или вскоре после него. Эти реакции осуществляются на всех уровнях организма — от молекулярного до поведенческого и тесно связаны друг с другом.

Под влиянием гипоксического фактора у человека формируются специфические поведенческие акты различной сложности, направленные на выход из гипоксического состояния (например, выход из замкнутого пространства с малым содержанием кислорода, использование кислородных приборов, лекарств, ограничение физической активности, обращение за помощью и т. п.). В более простой форме подобные реакции наблюдаются и у животных.

Первостепенное значение в непосредственной экстренной адаптации организма к гипоксии имеет активация систем транспорта кислорода.

Система внешнего дыхания реагирует увеличением альвеолярной вентиляции за счет углубления и учащения дыхательных экскурсий и мобилизации резервных альвеол с одновременным адекватным увеличением легочного кровотока. В результате минутный объем вентиляции и перфузии может увеличиваться в 10—15 раз по сравнению со спокойным нормальным состоянием.

Реакции гемодинамической системы выражаются тахикардией, увеличением ударного и минутного объемов сердца, увеличением массы циркулирующей крови за счет опорожнения кровяных депо, а также перераспределением кровотока, направленным на преимущественное кровоснабжение мозга, сердца и усиленно работающих дыхательных мышц. Существенное значение имеют и регионарные сосудистые реакции, возникающие в результате непосредственного сосудорасширяющего действия продуктов распада АТФ (АДФ, АМФ, аденозина), которые закономерно накапливаются в испытывающих гипоксию тканях.

Приспособительные реакции системы крови прежде всего определяются свойствами гемоглобина, находящими выражение в S-образной кривой взаимоперехода его окси- и дезоксиформ в зависимости от Р_O2 в плазме крови и тканевой среде, pH, Р_CO2 и некоторых других физико-химических факторов. Это обеспечивает достаточное насыщение крови кислородом в легких даже при значительном его дефиците и более полное отщепление кислорода в испытывающих гипоксию тканях. Резервы кислорода в крови достаточно велики (в норме в венозной крови содержится до 60% оксигемоглобина), и кровь, проходя по капиллярам тканей, может отдать дополнительно значительные количества кислорода при умеренном уменьшении его фракции, растворенной в тканевой жидкости. Существенное значение может иметь также повышение кислородной емкости крови за счет усиленного вымывания эритроцитов из костного мозга.

Приспособительные механизмы на уровне систем утилизации кислорода проявляются в ограничении функциональной активности органов и тканей, непосредственно не участвующих в обеспечении биологического окисления, и тем самым повышается их устойчивость к гипоксии, а также увеличивается сопряженность окисления и фосфорилирования, усиливается анаэробный синтез АТФ за счет активации гликолиза.

Важное значение для метаболического обеспечения приспособительных реакций имеет возникающая при гипоксии общая неспецифическая реакция напряжения — «стресс». Активизация симпатико-адреналовой системы и коры надпочечников способствует мобилизации энергетических субстратов — глюкозы, жирных кислот, стабилизации мембран лизосом и других биомембран, активации некоторых ферментов дыхательной цепи и другим метаболическим эффектам приспособительного характера. Следует, однако, иметь в виду двойственность некоторых компонентов стресс-реакции. В частности, значительный избыток катехоламинов может увеличить потребность тканей в кислороде, усилить перекисное окисление липидов, вызвать дополнительное повреждение биомембран и т.д. В связи с этим приспособительная стресс-реакция при гипоксии может фактически иметь прямо противоположный результат (как это вообще нередко имеет место в патологии).

Долговременная адаптация.

Повторяющаяся гипоксия умеренной интенсивности способствует формированию состояния долговременной адаптации организма к гипоксии, в основе которой лежит повышение возможностей и оптимизация функций систем транспорта и утилизации кислорода.

Состояние долговременной адаптации к гипоксии характеризуется рядом метаболических, морфологических и функциональных особенностей.

Обмен веществ.

В адаптированном организме снижены основной обмен и потребность организма в кислороде за счет более экономного и эффективного его использования в тканях. Это может быть обусловлено увеличением числа митохондрий и их крист, повышением активности некоторых ферментов биологического окисления, возрастанием мощности и мобилизуем ости анаэробного синтеза АТФ. Повышенная активность  — зависимой и Са²⁺-зависимой АТФазы способствует более полной утилизации АТФ. В органах, участвующих в адаптивных реакциях, происходит избирательная активизация синтеза нуклеиновых кислот и белков.

Дыхательная система.

Увеличивается емкость грудной клетки и мощность дыхательной мускулатуры, в легких возрастает число альвеол и общая дыхательная поверхность, увеличивается также число капилляров, возрастает диффузионная способность альвеолокапиллярных мембран. Более совершенной становится корреляция между легочной вентиляцией и перфузией.

Сердечно-сосудистая система.

Обычно развивается умеренная гипертрофия миокарда, сопровождающаяся увеличением числа функционирующих капилляров на единицу массы миокарда, В кардиомиоцитах увеличивается количество митохондрий и содержание белков, обеспечивающих транспорт субстратов; возрастает содержание миоглобина.

Система крови.

В адаптированном организме происходит стойкое усиление эритропоэза: содержание эритроцитов в периферической крови может возрастать до 6 —7 млн в 1 мкл, а содержание гемоглобина до 170—180 г/л и более. Соответственно увеличивается и кислородная емкость крови. Стимуляция эритропоэза и синтеза гемоглобина обусловлена усиленной выработкой в почках эритропоэтина под влиянием гипоксического сигнала, а на более поздних стадиях, возможно. и возрастанием чувствительности костномозгового кроветворения к действию эритропоэтина.

Нервная и эндокринная системы.

У адаптированных к гипоксии животных и человека наблюдается повышенная устойчивость нейронов высших отделов мозга и их связей к дефициту кислорода и энергии, а также гипертрофия ганглионарных нейронов вегетативной нервной системы и увеличение плотности их окончаний в сердце и некоторых других органах, более мощная и устойчивая к гипоксии система синтеза медиаторов. В научной литературе имеются данные об увеличении числа рецепторов на клеточных мембранах и соответственно повышении чувствительности к медиаторам. В результате указанных приспособительных механизмов обеспечивается лучшая и более экономная регуляция органов и ее устойчивость даже при тяжелой гипоксии.

Аналогичная по характеру перестройка происходит в эндокринной регуляции, в частности в гипофизарно-надпочечниковой системе.

Нарушения в организме при гипоксии

Характер, последовательность и выраженность метаболических, функциональных и структурных нарушений при гипоксии зависят от ее типа, этиологического фактора, скорости развития, степени, продолжительности, свойств организма. Вместе с тем гипоксии свойственна определенная совокупность наиболее существенных признаков, закономерно возникающих при самых различных ее вариантах. Далее будут рассмотрены наиболее общие типичные для гипоксии нарушения.

Нарушения метаболизма.

Наиболее ранние изменения возникают в сфере энергетического и тесно связанного с ним углеводного обмена. Они выражаются в уменьшении содержания в клетках АТФ при одновременном увеличении концентрации продуктов его распада — АДФ, АМФ, Ф_н.

В некоторых тканях (особенно в головном мозге) еще более ранним признаком гипоксии является уменьшение содержания креатинфосфата. Так, после полного прекращения кровоснабжения мозговая ткань уже через несколько секунд теряет около 70 % креатинфосфата, а через 40—45 с он практически полностью исчезает; несколько медленнее, но также в очень короткие сроки снижается содержание АТФ. Возникающая вследствие указанных сдвигов активизация гликолиза приводит к падению содержания гликогена и увеличению концентрации пирувата и лактата. Последнему процессу способствует также замедленное включение пирувата и лактата в дальнейшие превращения в дыхательной цепи и затруднение ресинтеза гликогена, идущего с потреблением АТФ. Избыток молочной и пировиноградной кислот приводит к метаболическому ацидозу.

Замедляется биосинтез нуклеиновых кислот и белков наряду с усилением их распада, возникает отрицательный азотистый баланс, в тканях возрастает содержание аммиака.

При гипоксии угнетается ресинтез жиров и усиливается их распад, в результате развивается гиперкетонемия, способствующая усугублению ацидоза; с мочой выделяются ацетон, ацетоуксусная и β-оксимасляная кислоты.

Нарушается обмен электролитов и в первую очередь процессы активного перемещения и распределения ионов на биологических мембранах; возрастает, в частности, количество внеклеточного калия. Нарушаются процессы синтеза и ферментативного разрушения нейромедиаторов, их взаимодействие с рецепторами и ряд других энергозависимых метаболических процессов.

Возникают также вторичные нарушения обмена веществ, связанные с ацидозом, электролитными, гормональными и другими сдвигами, свойственными гипоксии. При дальнейшем ее углублении угнетается и гликолиз, усиливаются процессы деструкции и распада макромолекул, биологических мембран, клеточных органелл и клеток. Большое значение в повреждении мембран и повышении их пассивной проницаемости имеет свободнорадикальное окисление липидных компонентов, по-видимому, возникающее при гипоксии любого происхождения. Количество свободных радикалов при этом может возрастать примерно на 50%.

В основе усиления свободнорадикальных процессов при гипоксии лежит ряд механизмов: увеличение содержания субстрата перекисного окист ления липидов — неэтерифицированных жирных кислот, накопление в результате стрессорной реакции катехоламинов, обладающих прооксидантным действием, нарушение утилизации кислорода в процессе ферментативного окисления и др. Важное значение имеет одновременное снижение активности некоторых естественных антиоксидантов, в частности супероксиддисмутазы и глютатионпероксидазы.

Большинство метаболических и структурных нарушений до определенного предела носит обратимый характер. Однако при переходе за точку обратимости после прекращения действия гипоксического фактора происходит не обратное развитие, а прогрессирование тесно связанных друг с другом метаболических и мембранно-клеточных нарушений, вплоть до некроза клеток и их аутолиза.

Нарушения нервной системы.

Раньше всего страдает высшая нервная деятельность. Субъективно уже на ранних стадиях гипоксии возникают ощущения дискомфорта, вялость, тяжесть в голове, шум в ушах, головная боль. В некоторых случаях субъективные ощущения начинаются эйфорией, напоминающей алкогольное опьянение и сопровождающейся снижением способности адекватно оценивать окружающую обстановку и потерей самокритики. Возникают затруднения в осуществлении сложных логических операций, в принятии правильных решений. В дальнейшем прогрессивно нарушается способность выполнять все более простые задания вплоть до самых элементарных. По мере дальнейшего углубления гипоксии обычно нарастают тягостные ощущения, притупляется болевая чувствительность, возникают нарушения вегетативных функций.

Ранним признаком гипоксии является расстройство двигательных актов, требующих точной координации, в частности изменения почерка. В связи с этим так называемая писчая проба нередко используется при исследовании гипоксических состояний, например, в авиационной медицине. В заключительной стадии гипоксии сознание утрачено, возникает полная адинамия, которой нередко предшествуют судороги, развиваются грубые расстройства бульбарных функций и наступает смерть от прекращения сердечной деятельности и дыхания.

Современная реаниматология позволяет восстановить жизнедеятельность организма после 5 — 6 мин и более клинической смерти; однако высшие функции мозга могут при этом необратимо нарушаться, что определяет в таких случаях социальную неполноценность личности и накладывает определенные деонтологические ограничения на целесообразность реанимационных мероприятий.

Нарушения дыхания.

В типичных случаях острой нарастающей гипоксии наблюдаются несколько последовательных стадий изменения внешнего дыхания:

1. стадия активации, выражающаяся в увеличении глубины и частоты дыхательных движений;
2. диспноэтическая стадия, проявляющаяся нарушениями ритма и неравномерностью амплитуд дыхательных экскурсий; нередко в этой стадии наблюдаются так называемые патологические типы дыхания;
3. терминальная пауза в виде временной остановки дыхания;
4. терминальное (агональное) дыхание;
5. полное прекращение дыхания.

Нарушения сердечно-сосудистой системы вначале обычно выражаются в тахикардии, нарастающей параллельно с ослаблением сократительной деятельности сердца и уменьшением ударного объема вплоть до так называемого нитевидного пульса. В других случаях тахикардия сменяется резкой брадикардией («вагус-пульс»), сопровождающейся побледнением лица, похолоданием конечностей, холодным потом и обморочным состоянием. Часто наблюдаются изменения ЭКГ и развиваются расстройства сердечного ритма вплоть до фибрилляции предсердий и желудочков. Артериальное давление вначале имеет тенденцию к повышению, а затем прогрессивно снижается в результате падения сердечного выброса и тонуса сосудистых стенок, вплоть до развития коллапса.

Большое значение имеют также расстройства микроциркуляции, связанные с гипоксической альтерацией мельчайших сосудов, изменениями периваскулярных пространств и ухудшением реологических свойств крови.

Функция почек претерпевает при гипоксии сложные и неоднозначные изменения — от полиурии до полного прекращения образования мочи. Изменяется и качественный состав мочи. Эти изменения связаны с нарушением общей и локальной гемодинамики, гормональными влияниями на почки, сдвигами кислотно-основного и электролитного баланса и другими метаболическими расстройствами. При значительной гипоксической альтерации почек развивается недостаточность их функции вплоть до уремии.

Нарушения в системе пищеварения характеризуются потерей аппетита, ослаблением секреторной функции всех пищеварительных желез и моторной функции пищеварительного тракта.

Приведенные выше расстройства физиологических функций характерны в основном для остро- и подостро-развивающихся форм гипоксии. При так называемой молниеносной гипоксии, наступающей, например, при вдыхании различных газов (азот, метан, гелий), при полном отсутствии кислорода, вдыхании высоких концентраций синильной кислоты, фибрилляции или остановке сердца, большая часть описанных изменений отсутствует, очень быстро происходит потеря сознания и прекращение жизненно важных функций организма.

Гипоксия может оказывать влияние на состояние иммунной системы. Умеренная по выраженности и длительности гипоксия практически не изменяет процесса иммуногенеза или несколько активизирует его.

Так, устойчивость к инфекции при невысоких степенях разрежения воздуха может даже возрастать.

Острая и тяжелая гипоксия подавляет иммунную реактивность организма. При этом снижается содержание иммуноглобулинов, тормозится выработка антител и способность лимфоцитов трансформироваться в бластные формы, ослабляется функциональная активность Т-лимфоцитов, фагоцитарная активность нейтрофилов и макрофагов. Снижается также ряд показателей неспецифической резистентности: лизоцима, комплемента, β-лизинов. В итоге резистентность ко многим инфекционным агентам ослабевает.

Снижение иммунитета к чужеродным антигенам в условиях гипоксии может сопровождаться активизацией образования аутоантител в отношении различных органов и тканей, подвергшихся гипоксической альтерации. Возможно также нарушение барьеров, обеспечивающих в норме естественную иммунную толерантность с последующим поражением соответствующих органов и тканей (семенников, щитовидной железы и др.).

Некоторые принципы профилактики и терапии гипоксических состояний

Профилактика и лечение гипоксии зависят от вызвавшей ее причины и должны быть направлены на ее устранение или ослабление. В качестве общих мер применяют вспомогательное или искусственное дыхание, кислород под нормальным или повышенным давлением, электроимпульсную терапию нарушений сердечной деятельности, переливание крови, фармакологические средства. В последнее время получают распространение так называемые антиоксиданты — средства, направленные на подавление свободно-радикального окисления мембранных липидов, играющего существенную роль в гипоксическом повреждении тканей, и антигипоксанты, оказывающие непосредственное благоприятное действие на процессы биологического окисления.

Устойчивость к гипоксии может быть повышена специальными тренировками для работы в условиях высокогорья, в замкнутых помещениях и других специальных условиях.

В настоящее время получены данные о перспективности использования для профилактики и терапии различных заболеваний, содержащих гипоксический компонент, тренировку дозированной гипоксией по определенным схемам и выработку долговременной адаптации к ней.

Контрольные вопросы

1. Что такое гипоксия?
2. Как классифицируют гипоксии по причине и механизму развития, скорости развития, распространенности?
3. Назовите причины развития экзогенных гипоксии.
4. Каковы причины развития гемической гипоксии?
5. Перечислите причины дыхательной гипоксии.
6. Какие причины вызывают циркуляторную гипоксию?
7. Назовите причины цитотоксической гипоксии.
8. Какие срочные механизмы компенсации гипоксии вам известны?
9. Какие долговременные механизмы компенсации гипоксии вы знаете?