Пристосувальні зміни дихання у нормі та патології

                                                                      

ВСТУП

У цьому розділі описані пристосувальні зміни дихання в разі навантаження, гіпоксії (у тім числі впливу підіймання на височину), гіперкапнії та хвороб дихальної системи. Подібно до компенсаторних пристосувальних механізмів серцево-судинної системи, які реагують на зміни середовища, та хворобах, що ілюструють інтегративну взаємодію серцево-судинних механізмів регулювання (див. Розділ 33), у пристосувальних змінах дихання чільне значення належить впливу респіраторних механізмів регулювання, описаних у Розділах 34-36.

                                                                                                                                                                  

ВПЛИВ НАВАНТАЖЕННЯ

Численні серцево-судинні та дихальні механізми повинні інтегрувати свою діяльність, коли під час навантаження виникає потреба в 02 для активних тканин, а надлишок С02 і тепла виводиться з організму Зміни судин збільшують кровоплин у м’язах, тоді як у решті частин організму утримується адекватний кровообіг (див. Розділ 33). Крім того, додатково збільшується надходження 02 з крові у м’язи, що працюють за умов навантаження, та вентиляція, що забезпечує виведення деякої кількості тепла і надлишку С02.

                                                                                                                                                                  

Зміни у вентиляції

Під час навантаження кількість 02, що потрапляє у кров з легень, збільшується, оскільки 02 захоплює кожна одиниця крові, і легеневий кровоплин за хвилину збільшуються. Зниження Ро2 у крові, що протікає через легеневі капіляри, з 40 до 25 мм рт. ст. або менше, зумовлює збільшення альвеоло-капілярного градієнта Р02, і більше 02 потрапляє у кров. Одночасно збільшується швидкість протікання крові з 5,5 до 20-35 л/хв і більше. Внаслідок цього загальна кількість 02, що потрапляє у кров, збільшується від 250 мл/хв у спокої до понад 4000 мл/хв. Кількість виведеного С02 з кожної одиниці крові зростає з 200 до 8000 мл/хв. Збільшення поглинання 02 пропорційне до робочого навантаження найвищого ступеня. З цього моменту рівень споживання 02 припиняється, а вміст лактату крові збільшується (рис. 37-1). Лактат надходить з м’язів, у яких аеробний ресинтез запасання енергії не може втримати темп їхньої утилізації, і кисневий борг енергії починає збільшуватися (див. Розділ 3). 41

На рис. 37-2 показане раптове збільшення вентиляції з початком навантаження, що настає після короткої паузи, з поступовішим збільшенням у майбутньому. У випадку середнього навантаження збільшується глибина дихання, що супроводжується збільшенням частоти дихання, коли навантаження стає енергійнішим. Припинення навантаження раптово зменшує вентиляцію після короткої паузи до такої, яка була перед навантаженням. Уважають, що раптове збільшення на початку навантаження виникає внаслідок психічного подразника та аферентних імпульсів від пропріорецепторів м’язів, зв’язок та суглобів. Також визнають, що поступовіше збільшення буває у випадку гуморального впливу, коли артеріальний pH, Рсо^ і Р02 є сталими під час середнього навантаження. Збільшення вентиляції пропорційне до збільшення споживання 02, однак механізми, відповідальні за стимулювання дихання, все ще є темою для обговорення. Збільшення температури тіла також може впливати на дихання. Як зазначено у Розділі 36, навантаження збільшує рівень К+ у плазмі, а таке збільшення може стимулювати периферійні хеморецепто-

Рис. 37-1. Взаємозв’язок між робочим навантаженням, рівнем лактату у крові і поглинанням 02.1-VI — збільшення робочого навантаження завдяки збільшенню швидкості та нахилу рухомої доріжки, на якій виконується навантаження (відтворено за дозволом з Mitchell JH, Blomqvist G: Maximal oxygen uptake. N Engl J Med 1971,284:1018).

41 367-2

Рис. 37-2. Схематичне зображення змін вентиляції у разі навантаження.

ри. Крім того, це може зумовлюватись збільшенням чутливості дихального центру до С02 або тим, що дихальні зміни в артеріальному РС02 збільшуються внаслідок збільшення середнього артеріального РС02 і С02 стає відповідальним за збільшення вентиляції. Також деяку роль відіграє 02 незважаючи на те, що артеріальний Р02 не знижується. Ще під час виконання роботи збільшення вентиляції в разі дихання 100% 02 на 10-20% менше, ніж у випадку дихання повітрям (рис. 37-3). Тому постійно виявляється вплив численних різноманітних факторів, що комбінуються для збільшення вентиляції під час помірного навантаження.

Коли навантаження стає енергійнішим, то буферування молочної кислоти кількісно збільшується, тому вивільняється більша кількість С02, і це у майбутньому збільшує вентиляцію. Відповідь на поступове навантаження показано на рис. 37-4. Зі збільшенням утворення кислоти посилюється вентиляція, а утворення С02 є пропорційним, тому альвеолярні та артеріальні зміни С02 порівняно малі (ізо-капнічне буферування). Оскільки є гіпервентиляція, то альвеолярний РС02 підвищується. З майбутнім нагромадженням молочної кислоти збільшення вентиляції виперед-

Інтенсивність роботи, кгм/хв

Споживання кисню, л/хв

Рис. 37-3. Вплив 100% 02 на вентиляцію під час тренування за допомогою велоергометра з різним навантаженням (відтворено за дозволом з Astrand Р-О: The respiratory activity in man exposed to plolonged hypoxia. Acta Physiol Scand 1954;30:343).

жує продукування C02, і альвеолярний PC02 знижується, як і артеріальний РС02. Зниження артеріального РС02 забезпечує дихальну компенсацію (див. Розділ 39) для метаболічного ацидозу, створеного доданою молочною кислотою. Додаткове збільшення вентиляції внаслідок ацидозу спричинюють каротидні клубочки, бо в разі їхнього видалення такого не простежується.

Частота дихання після навантаження не перевищує базального рівня до відновлення кисневого боргу. Це може тривати до 90 хв. Подразником для вентиляції після навантаження є не артеріальний РС02, який у нормі чи знижений, або артеріальний РС02, який є в нормі або підвищений, а підвищена артеріальна концентрація Н+ внаслідок лакто-ацидемії. Розмір кисневого боргу кількісно перевищує базальне споживання 02 від закінчення напруження в разі повернення до базального рівня перед навантаженням. Під час відшкодування кисневого боргу простежується невелике збільшення концентрації 02 у міоглобіні м’язів. Відбувається ресинтезування АТФ та фосфорилкреатину, і молочна кислота виводиться. Близько 80% молочної кислоти перетворюється в глікоген і 20% метаболізується у

со2 і н2о.

PAcOj » мм рт. СТ.

50

о

Ізокапнічне Дих. буферування комп. Н—+—

г 150

-70

РАо2.

мм рт. СТ.

г2

Vo2,

л/хв-STPD

L0

Рис. 37-4. Зміни в альвеолярному РС02, альвеолярному Р0 , вентиляції (VQ ), утворення С02 (VC02), споживання 02 (V02), артеріальногоIHCOg- й артеріального pH у випадку поступового збільшення навантаження на велоергометрі у нормального дорослого чоловіка (відтворено за дозволом з Wasser-man К, Whipp BJ, Casaburi R: Respiratory control during exercise. In: Handbook of Physiology. Section 3, The Respiratory System. Vol II, part 2. Fishman AP [editor]. American Physiological Society, 1986).

ПРИСТОСУВАЛЬНІ ЗМІНИ ДИХАННЯ У НОРМІ ТА ПАТОЛОГІЇ / 627

Оскільки під час енергійних навантажень утворюється надлишкове С02 внаслідок буферування молочної кислоти, то ДК збільшується до 1,5-2,0. Після навантаження, коли кисневий борг відшкодовано, ДК зменшується до 0,5 або менше.

                                                                                                                                                                  

Зміни у тканинах

Під час навантаження максимальне поглинання 02 обмежене максимальним рівнем транспортування 02 до мітохондрій м’язів, що навантажуються. Крім того, таке обмеження у нормі не є залежним від недостатності поглинання 02 легенями, і гемоглобін артеріальної крові є насиченим навіть під час найважчого навантаження.

У випадку навантаження м’язи, що скорочуються, використовують більше 02, тому тканинний Р02 і Ро2 венозної крові м’язів, що є під навантаженням, знижуються майже до нуля. Більше 02 дифундує з крові, і Ро2 крові, що постачає м’язи, знижується, тому більше 02 вивільняється від оксигемоглобіну. Оскільки, капіляри м’язів, що скорочуються, дилатують, і численні капіляри, що попередньо були закриті, відкриваються, то середня відстань від кров’яного русла до клітини тканини значно зменшується. Це полегшує рух 02 з крові до клітин. Крива дисоціації оксигемоглобіну закруглюється при Р02, нижчому 60 мм рт. ст., і порівняно велика кількість 02 забезпечує кожне зниження

1 мм рт. ст. у Ро2 (див. рис. 35-2). Постачання додаткового

02 є наслідком нагромадження С02 і підвищення температури в активних тканинах: можливо, тому збільшується 2,3-ДФГ в еритроцитах, і крива дисоціації зміщується пра-воруч (див. рис. 35-3). Кінцевий ефект — утричі збільшується вилучення 02 з кожної одиниці крові. З моменту такого збільшення, що супроводжується тридцятиразовим або й більшим посиленням кровопостачання, рівень метаболізму у м’язах збільшується у 100 разів під час навантаження (див. Розділ 3).

                                                                                                                                                                  

Втома

Втома — це незрозумілий феномен, який є наслідком інтенсивного навантаження або розумових зусиль. Крім того, це симптом багатьох різноманітних хвороб. Під час навантаження виникненню втоми сприяють ацидоз та інші фактори. У цьому разі навантаження виконувати важко, простежується суб’єктивна втрата сили, що відповідає рівню поглинання 02, а не реальній роботі, вираженій в кгм/хв. Перешкоди для імпульсів у аферентних шляхах від пропріорецепторів м’язів створюють відчуття “перевтоми”. Відповідальними за відчуття втоми можуть бути впливи ацидозу на головний мозок. Тривалі навантаження створюють гіпоглікемію у нормальних осіб, однак запобігання гіпоглікемії не впливає на витривалість або відтермінування появи виснаження. З іншого боку, у людей є співвідношення між виснаженням і ступенем вичерпання глікогену з м’язів, що називають біопсією м’язів. Витримані м’язові скорочення стають болючими, оскільки м’язи ішемічні, і нагромаджується речовина, що подразнює больові закінчення (P-фактор; див. Розділ 7). Проте ритмічні скорочення не є болючими, бо P-фактор вимивається назовні. Ригідність м’язів може розвиватись унаслідок нагромадження інтерстиційної рідини у м’язах під час напруження.

Розсіювання тепла під час навантаження описане в Розділі 33 і зображене на рис. 33-4, а зміни у кислотно-лужній рівновазі, поєднані з диханням, — у Розділі 39.

                                                                                                                                                                  

ГІПОКСІЯ

Гіпоксія — це недостатність 02 в тканинах. Хоча правильніше використовувати термін аноксія, однак зрідка 02 повністю виходить з тканини.

Традиційно гіпоксію поділяють на чотири типи. Використовують численні інші класифікації, проте така система все ж є важливою та вигідною, оскільки визначення термінів зрозуміліше. Розрізняють гіпоксичну гіпоксію (ано-ксичну аноксію), за якої Р02 артеріальної крові знижений; анемічну гіпоксію, за якої артеріальний Р02 є нормальним, проте кількість гемоглобіну для транспортування 02 зменшена; застійну, або ішемічну, гіпоксію, за якої кровопостачання тканин є таким низьким, що адекватна кількість 02 не доходить до них, незважаючи на нормальні Р02 і концентрації гемоглобіну; гістотоксичну (тканинну) гіпоксію, за якої кількість 02, що надходить до тканин, є адекватною, та оскільки впливає токсичний агент, то клітини тканин не можуть використовувати 02, що надходить до них.

                                                                                                                                                                  

Вплив гіпоксії

Вплив застійної гіпоксії залежить від ураження тканини. У випадку гіпоксичної гіпоксії та інших форм ґенералізо-ваної гіпоксії головний мозок уражений першим. Раптове зниження на 20 мм рт. ст. Р02 повітря, яке вдихають, що, наприклад, відбувається, коли тиск у кабіні літака раптово знижується під час польоту на висоті 16 000 м, спричинює втрату свідомості через 10-20 с (рис. 37-5) і смерть — через

4-5 хв. Менш важка гіпоксія зумовлює різноманітні порушення психіки, не подібні до тих, що виникають під впливом алкоголю: ослаблена розсудливість, сонливість, притуплення больової чутливості, перезбудження (ейфорія), дезорієнтація, втрата відчуття часу і біль голови. До інших симптомів належать анорексія, нудота, блювання, тахікардія і, якщо гіпоксія є важкою, гіпертензія. Швидкість вентиляції збільшується пропорційно до важкості гіпоксії у каротидних хеморецепторних клітинах.

                                                                                                                                                                  

Стимулювання дихання

Диспное — стан, який супроводжується утрудненим або вимушеним диханням, у разі прискорення дихання. Гіпер-капнія — загальний термін для означення збільшення частоти або глибини дихання без урахування суб’єктивних відчуттів хворого. Тахіпное- швидке, поверхневе дихання. У нормальних осіб дихання є переважно автоматичним процесом до моменту, доки вентиляція подвоїться, і дихання стає неспокійним, якщо вентиляція збільшується в три або чотири рази. Внаслідок відсутності необхідного рівня вентиляції дихання стає неспокійним і також з’являється залежність від різноманітних інших факторів. Гіперкапнія і гіпоксія дещо менше спричинюють диспное. Сучасна гіпотеза твердить, що диспное виникає, коли є незбіжність між вхідною аферентною інформацією та вихідними моторними сигналами з головного мозку до дихальних м’я-

40

60

80

100

120 о Cl

140 I

160 I

i-

180 p

s

Q.

200 | O

220 f

240

260

280

300

Рис. 37-5. Тривалість свідомості у разі раптової експозиції до навколишнього тиску на різних висотах. Час кровообігу від легень до головного мозку -10 с.

зів, однак важко це довести. Додатковим фактором стають зусилля, що виконуються під час руху повітря у легені та з легень (робота під час дихання). Наприклад, у разі астми з бронхоконстрикцією, особливо під час вдихання, долання збільшеного повітряного опору є недостатньою роботою для дихання.

                                                                                                                                                                  

Ціаноз

У випадку зниженого рівня гемоглобіну колір тканин змінюється. Таку темно-синювату зміну називають ціанозом, вона виявляється, коли концентрація гемоглобіну крові у капілярах зменшується до 5 г/дл. Поява ціанозу залежить від загальної кількості гемоглобіну в крові, ступеня ненасиченості гемоглобіну і стану кровообігу в капілярах.

Ціаноз найпростіше побачити на нігтьових ложах та слизових оболонках і в місцях, де шкіра є тоненькою — вушних раковинах, губах та пальцях. Ціаноз не простежується в разі анемічної гіпоксії, бо загальний вміст гемоглобіну низький; у випадку отруєння чадним газом, оскільки забарвлення гемоглобіну набуває темно-вишневого кольору завдяки карбоксигемоглобіну (див. нижче); у разі гісто-токсичної гіпоксії, оскільки склад газів крові в нормі. Зміна

кольору шкіри та слизових оболонок, що подібна до ціанозу, виникає у випадку високого рівня метгемоглобіну, що циркулює у крові (див. Розділ 27).

                                                                                                                                                                  

ГІПОКСИЧНА ГІПОКСІЯ

Гіпоксична гіпоксія — це проблема багатьох осіб, що перебувають на значній висоті, а також ускладнення пневмонії та різноманітних інших захворювань дихальної системи.

                                                                                                                                                                  

Вплив зниженого барометричного тиску

Склад повітря є однаковим, проте загальний барометричний тиск знижується зі збільшенням висоти (рис. 37-6). Саме тому Р02 також знижується. На висоті 3000 м над рівнем моря альвеолярний Р близько 60 мм рт. ст., і цього достатньо для гіпоксичного подразнення хеморецепторів та збільшення вентиляції. У разі підіймання вище альвеолярний Ро2 знижується повільніше, альвеолярний Рссь знижується незначно, оскільки гіпервентиляція внаслідок зниження артеріального Рсо? створює дихальний алкалоз.

                                                                                                                                                                  

Гіпоксичні симптоми в разі дихання повітрям

У випадку дії численних компенсаторних механізмів для збільшення толерантності до висоти (акліматизації) потрібний час, бо в неаклімітизованих осіб симптоми ураження психіки, такі як роздратованість, з’являються на висоті 3700 м. На рівні 5500 м гіпоксичні симптоми стають важчими, а на висоті понад 6100 м свідомість у більшості випадків втрачена (рис. 37-7).

                                                                                                                                                                  

Гіпоксичні симптоми в разі дихання киснем

Загальний атмосферний тиск стає фактором обмеження для толеранції висоти, якщо дихають 100% 02. Парціальний тиск водяної пари в альвеолярному повітрі є незмінним — 47 мм рт. ст., і якщо С02 у нормі становить 40 мм рт. ст., то нижній барометричний тиск, за якого альвеолярний Р02 у нормі 100 мм рт. ст., може стати 187 мм рт. ст., що відповідає тиску на рівні 10 400 м. Вище збільшена вентиляція, що настала внаслідок зниження альвеолярного Р02, зменшує РСо2 незначно.

Проте максимальний альвеолярний Р02, що може бути досягнутий у разі дихання 100% 02 за навколишнього барометричного тиску 100 мм рт. ст. на висоті 13 700 м становить 40 мм рт. ст.

На висоті 14 000 м людина непритомніє, не зважаючи на введення 100% 02 (див. рис. 37-5). Однак штучну атмосферу можна створити навколо особи у скафандрі або кабіні з відповідним тиском і забезпеченням 02 та системою виведення С02, тоді можливий підйом на будь-яку висоту та життя у вакуумі в міжпланетному просторі.

На висоті 19 200 м барометричний тиск становить 47 мм рт. ст. За такого тиску (або нижче) рідини організму “закипають” при температурі тіла: утворюються бульбашки газу внаслідок зниженої розчинності газів. Цей погляд здебільшого академічний, бо будь-яка особа, піддана впливу низького тиску, могла б померти від гіпоксії перш ніж смерть спричинили б бульбашки у кров’яному руслі.

ПРИСТОСУВАЛЬНІ ЗМІНИ ДИХАННЯ У НОРМІ ТА ПАТОЛОГІЇ / 629

Висота, м

3000 6000 9000

Q.

5

5

О

S

I-

_1_

_L

12 000 15 000 18 000 21 000

_і_І_і_і_

Найвищі сталі поселення людей

(5500 м) . — Втрата свідомості у разі неакліматизованого дихання повітрям

Висота г. Еверест ‘ І (8854 м)

Альвеолярний Ро2 100 мм рт. ст.

‘ (10 400 м)

Альвеолярний Р0 40 мм рт. ст. (13 700 м)

Дихання повітрям Дихання 100% 02

І г— Втрата свідомості ▼І У разі дихання 100% 02

Утворення бульбашок газу в

I рідинах організму 37°С

“ (19 200 м)

Життя неможливе без примусового постачання повітря

Рис. 37-6. Склад альвеолярного повітря в осіб, що дихають повітрям (0-6100 м) і 100% 02 (6100-13 700 м). Мінімальний альвеолярний Р02, який неакліматизована особа може витримувати без втрати свідомості, — 35-40 мм рт. ст. Зверніть увагу, що зі збільшенням висоти альвеолярний РС02 знижується, оскільки гіпервентиляція є наслідком гіпоксичного стимулювання каротидних та аортальних хеморецепторів. Зниження барометричного тиску зі збільшенням висоти не є лінійним, оскільки повітря стискальне.

Барометричний тиск, мм рт. ст.

0 5000 10 000 15 000 20 000 Фути

Висота над рівнем моря

Рис. 37-7. Гострі ефекти гіпоксії в осіб, що дихають повітрям на різній висоті.

                                                                                                                                                                  

Відтерміновані ефекти значної висоти

Коли вперше люди приїжджають у високогір’я, то в багатьох розвивається короткочасна гірська хвороба. Такий синдром настає через 8-24 год після приїзду і триває чоти-ри-вісім днів. Він супроводжується болем голови, роздратованістю, безсонням, задишкою, нудотою та блюванням. Причини, що спричинюють такий симптомокомплекс, остаточно не з’ясовані, однак його появу пов’язують з набряком мозку. Низький Р02 на височині спричинює арте-ріолярну дилатацію, і якщо церебральне авторегулювання не компенсоване, то підвищується капілярний тиск, який сприяє збільшенню трансудації рідини у тканини головного мозку.

Особи, у яких не виникає гірської хвороби, мають діурез у нормі на височині, а зменшення об’єму сечі характерне для осіб, у яких розвивається такий стан. Крім того, лікування діуретиками, відмінними від ацетазоламіду, не запобігає гірській хворобі. Симптоми послабляться, якщо алкалоз зменшиться внаслідок лікування ацетазоламідом або якщо набряк мозку зменшити призначенням великих доз глюкокортикоїдів.

Набряк легень на височині є серйозною формою гірської хвороби. Схильність до такого стану властива особам, які піднімаються швидко на висоту 2500 м і займаються важкою фізичною працею у перші три дні після приїзду.

Набряк легень може виникнути і в осіб, акліматизованих до височини, однак які провели два або більше тижні на рівні моря і потім знову піднялися на височину Він трапляється, якщо нема серцево-судинних або легеневих захворювань, і супроводжується вираженою легеневою гіпертензією, проте ліві передсердні тиски у нормі. Рідина, що утворюється в разі набряку, належить до типу рідин з доброю проникністю, високим вмістом білка та формених елементів крові. Можна припустити таке: ця рідина утворюється тому, що не всі легеневі артерії мають достатньо гладких м’язів для скорочення у відповідь на гіпоксію, і в капілярах, що забезпечують такі артерії, загальне підвищення легеневого артеріального тиску спричинює збільшення капілярного тиску, який порушує цілісність їхніх стінок (стрес-недостатність). В інших випадках блокатор Са2+-каналів ніфідепін, який знижує легеневий артеріальний тиск, є корисним для лікування та попередження такого стану. На набряк легень позитивно впливає спокій та лікування 02, і переважно він не розвивається в осіб, які піднімаються на височину поступово й уникають фізичного навантаження у перші декілька днів перебування на високогір’ї.

                                                                                                                                                                  

Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини