Акліматизація
Акліматизація до височини настає внаслідок взаємодії різноманітних компенсаторних механізмів. Дихальний алкалоз утворюється завдяки гіпервентиляційним зміщенням кривої дисоціації оксигемоглобіну ліворуч з одночасним супутнім збільшенням кількості 2,3-ДФГ в еритроцитах, що зумовлює зменшення афінності 02 до гемоглобіну. Кінцевий ефект полягає у зниженні Р50 (див. Розділ 35). Зменшення афінності 02 сприяє доступності 02 для тканин. Крім того, підвищення Р50 є обмеженим, бо якщо артеріальний Ро2 відчутно підвищується, то зменшення афінності 02 також перешкоджає поглинанню 02 гемоглобіном у легенях.
Початкова відповідь вентиляції у разі підіймання на висоту є порівняно невеликою, оскільки алкалоз нейтралізує стимулювальний ефект гіпоксії. Однак стійке збільшення вентиляції настає через чотири дні (рис. 37-8). Активне транспортування Н+ у СМР або розвиток лак-тоацидозу у головному мозку зумовлює зменшення pH у СМР, що збільшує реакцію на гіпоксію. Після чотирьох днів вентиляційна відповідь починає поступово сповільнюватись, проте потрібні роки для перебування на височинах для зниження до початкового рівня. Супутньою до такого зниження є поступова десенситизація на стимулювальні впливи гіпоксії.
З підійманням на височину швидко збільшується секреція еритропоетину (див. Розділ 24), а потім через наступні чотири дні незначно зменшується, коли вентиляційна відповідь посилюється й артеріальний Р02 підвищується. Збільшення кількості еритроцитів, що циркулюють, зумовлене еритропоетином, розпочинається через два-три дні і триває стільки, скільки особа перебуває на височині.
У тканинах також відбуваються пристосувальні зміни. Кількість мітохондрій, які є місцем оксидативних реакцій, збільшується, і рівень міоглобіну підвищується (див. Розділ 35), що сприяє рухові 02 у тканини. Одночасно в тканинах збільшується вміст цитохромоксидази.
і і і і-1—-1-1
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Висота, м
Рис. 37-8. Вплив акліматизації на вентиляційні реакції на різних висотах. VE/Vq2~ вентиляційна рівновага — співвідношення експіраторного хвилинного об’єму (VE) до споживання 02 (V0 ) (відтворено за дозволом з Lenfant С, Sullivan К: Adaptation to high altitutude. N Engl J Med 1971;284:1298).
Ефективність процесу акліматизації визначає факт, що в Андах та Гімалаях довгочасне людське житло розташоване на висоті 5500 м. Тубільці, що проживають у таких поселеннях, мають бочкоподібну грудну клітку і виражену поліцитемію. Значення альвеолярного Р02 у них є низькими, проте інші показники нормальні.
Хвороби внаслідок гіпоксичної гіпоксії
Гіпоксична гіпоксія є найпоширенішою формою гіпоксії, яку фіксують у клініці. Хвороби, що спричинюють її, можна класифікувати як перші, за яких настає недостатність газообмінного апарату (наприклад, вроджені вади серця, у яких великі кількості крові потрапляють з венозної частини кровообігу відразу в артеріальну, минаючи мале коло кровообігу), і другі, в яких простежується вентиляційна недостатність (порушення нагнітальної функції дихальної системи, табл. 37-1). Легенева недостатність трапляється, коли за таких станів, як легеневий фіброз, виникає блокада альвеолярно-капілярного бар’єру і порушення співвідношення між вентиляцією та перфузією. Вентиляційна недостатність може бути зумовлена слабістю дихальних м’язів у станах, коли робота з виконання дихання збільшується, або в разі різноманітних механічних пору-
Таблиця 37-1. Порушення, що спричинюють гіпоксичну гіпоксію
Легенева недостатність (недостатність газообміну)
Легеневий фіброз
Дисбаланс між вентиляцією-перфузією Шунт
Вентиляційна недостатність (порушення нагнітальної функції)
Втома
Механічні порушення
Депресія респіраторних центрів у головному мозку
ПРИСТОСУВАЛЬНІ ЗМІНИ ДИХАННЯ У НОРМІ ТА ПАТОЛОГІЇ / 631
шень, наприклад пневмотораксу або бронхіальної недостатності, що обмежує вентиляцію. Також її можуть спричинювати аномалії нейрональних механізмів, що регулюють дихання, такі як депресія дихальних нейронів у довгастому мозку морфієм та іншими ліками.
Порушення співвідношення між вентиляцією та перфузією
Відновлення порушення між співвідношенням вентиля-ція-перфузія, що є найчастішою причиною гіпоксичної гіпоксії, головне завдання у клінічній практиці. Фізіологічні впливи на порушення вентиляційно-перфузійної рівноваги та їхня роль у створенні змін альвеолярного газу внаслідок земного тяжіння описані у Розділі 34.
У разі розвитку хвороби, яка заважає вентиляції в деяких альвеолах, співвідношення вентиляція-кровоплин у різних частинах легень визначене відхиленням системного артеріального Р0г Якщо невентильовані альвеоли перфузувати, то у невентильованій, але перфузованій частині легені виникає ефект шунта справа наліво: скидання неоксиге-нованої крові у ліву половину серця. Переважно поширені менші ступені порушень вентиляційно-перфузійного спів
відношення. У прикладі, що показаний на рис. 37-9, невентильовані альвеоли (В) мають низький Р02, тоді як надмірно вентильовані (А) — високий альвеолярний Р0г Крім того, ненасичений гемоглобін крові, що надходить з В, не є повністю компенсований більшим насиченням крові, що надходить з А, оскільки гемоглобін у нормі майже повністю насичується у легенях. Підвищення альвеолярного Р02 додає лише трошки більше 02 до гемоглобіну, ніж той звичайно може переносити. Як наслідок, артеріальна кров ненасичена. З іншого боку, вміст СО, в артеріальній крові здебільшого нормальний у тих випадках, коли надлишкова втрата С02 у надмірно вентильованих ділянках може врівноважувати зменшені втрати у невентильованих ділянках.
Венозно-артеріальні шунти
Коли серцево-судинні вади, такі як міжпередсердний дефект перегородки, дають змогу великій кількості неок-сигенованої крові обходити легеневі капіляри і розводити оксигеновану кров у системних артеріях (шунт справа наліво), то розвивається хронічна гіпоксична гіпоксія і ціаноз (ціанотична застійна хвороба серця). Уведення 100% 02 збільшує вміст 02 в альвеолярному повітрі,
ІДЕАЛЬНО
Va = 4,0 я
ХОД = 6,0 л НЕКОМПЕНСОВАНО
Va = 4,0 л
ХОД = 6,0 л
Однорідна
вентиляція
Змішана венозна кров (А + В)
Однорідний
кровоплин
Неоднорідна
вентиляція
Змішана венозна кров (А + В)
Артеріальна кров (А + В)
Однорідний
кровоплин
Артеріальна кров (А + В)
|
А |
В |
А+В |
А |
В |
А + В |
||
|
Альвеолярна вентиляція, л/хв |
2,0 |
2,0 |
4,0 |
Альвеолярна вентиляція, л/хв |
3,2 |
0,8 |
4,0 |
|
Легеневий кровоплин, л/хв |
2,5 |
2,5 |
5,0 |
Легеневий кровоплин, л/хв |
2,5 |
2,5 |
5,0 |
|
Відношення вентиляція-кровоплин |
0,8 |
0,8 |
0,8 |
Відношення вентиляція-кровоплин |
1,3 |
0,3 |
0,8 |
|
Змішане венозне насичення 02, % |
75,0 |
75,0 |
75,0 |
Змішане венозне насичення 02, % |
75,0 |
75,0 |
75,0 |
|
Артеріальне насичення 02, % |
97,4 |
97,4 |
97,4 |
Артеріальне насичення 02, % |
98,2 |
91,7 |
95,0 |
|
Змішаний венозний тиск 02, мм рт. ст. |
40,0 |
40,0 |
40,0 |
Змішаний венозний тиск 02, мм рт. ст. |
40,0 |
40,0 |
40,0 |
|
Альвеолярний тиск 02, мм рт. ст. |
104,0 |
104,0 |
104,0 |
Альвеолярний тиск 02, мм рт. ст. |
116,0 |
66,0 |
106,0 |
|
Артеріальний тиск 02, мм рт. ст. |
104,0 |
104,0 |
104,0 |
Артеріальний тиск 02, мм рт. ст. |
116,0 |
66,0 |
84,0 |
Рис. 37-9. Ліворуч: “ідеальний” взаємозв’язок між вентиляцією і кровоплином. Праворуч: некомпенсовані неоднорідна вентиляція й однорідний кровоплин. VA— альвеолярна вентиляція; ХОД — хвилинний об’єм дихання (відтворено за дозволом з Comroe JH Jr et al: The lung: Clinical Physiology and Pulmonary Function Tests, 2nd ed. Year Book, 1962).
послаблює дифузію або порушує вентиляційно-перфузійну рівновагу (короткочасна перфузія у загально невентильо-ваних сегментах), збільшуючи вміст 02 у крові, що виходить з легень. Крім того, у хворих з венозно-артеріальним шунтами і нормальними легенями будь-який корисний вплив 100% 02 є незначним і зумовлений єдиним збільшенням кількості нерозчиненого 02 у крові.
Колапс легень
У випадку, коли бронхи або бронхіоли обструктують, то газ в альвеолах поза обструкцією абсорбується, і сегмент легені колабує. Колапс альвеол називають ателектазом. Ділянка ателектазу може мати розміри від невеликого клаптика до цілої легені. Частина крові відходить від ділянки колапсу до ліпше вентильованих частин легені, і це зменшує відхилення Р02.
Коли велика частина легені колабує одночасно, то помітно зменшується об’єм легені. Тому внутрішньоплевраль-ний тиск стає негативнішим і тягне середостіння, яке у людей є достатньо рухомою структурою, до ураженої частини.
Іншою причиною ателектазу є відсутність або інактивація сурфактанту — речовини, що зменшує поверхневий натяг і в нормі міститься у тоненькому прошарку рідини, яка вистеляє альвеоли (див. Розділ 34). Таке порушення є головною причиною недостатності легень у разі їхнього розширення у нормі під час народження. Колапс легень може також бути наслідком наявності у плевральному просторі повітря (пневмоторакс), тканинної рідини (гідроторакс, хілоторакс) або крові (гемоторакс).
Пневмоторакс
Якщо повітря надходить у плевральний простір через розрив легень або отвір у грудній стінці, то легеня на ураженому боці колабує внаслідок еластичної тяги. З моменту, коли внутрішньоплевральний тиск на ураженій стороні стає знову атмосферним, середостіння зміщується у нормальне положення. Якщо взаємозв’язок між плевральним простором та зовнішнім середовищем відкритий (відкритий, або аспіраційний, пневмоторакс) то більше повітря рухається у плевральний простір або від нього кожного разу, коли хворий вдихає. Якщо ж отвір великий, то опір для потоку повітря у плевральний простір менший, ніж опір для потоку повітря в інтактну легеню, і невелика кількість повітря потрапляє у легені. Під час вдихання середостіння зміщується у неуражений бік, вигинаючи великі судини, зміщуючи серце й утруднюючи його діастолічне наповнення під час видихання. Також відбувається значне стимулювання дихання через гіпоксію, гіперкапнію й активування легеневих рецепторів спадіння. Дихальний дистрес є важким.
У разі якщо над отвором у легенях або грудній клітці є тканина, що її закриває, то вона працює як рухомий клапан, що перешкоджає руху повітря: входженню під час вдихання, і затримує його вихід під час видихання, і тиск у плевральному просторі підвищується понад атмосферний (пневмоторакс напруження). Якщо гіпоксичний подразник для дихання спричинює глибші зусилля під час вдихання, які у подальшому збільшують тиск у плевральній порожнині, то відхиляються великі вени і виникає гіпоксія та шок. Внутрішньоплевральний тиск у таких випадках
може збільшуватись до 20-30 мм рт. ст. Периферійні вени стають розтягнутими, розвивається інтенсивний ціаноз, і стан стає потенційно небезпечним, якщо пневмоторакс не декомпресувати виведенням повітря.
З іншого боку, якщо отвір, через який повітря потрапляє у плевральний простір, герметично закритий (закритий пневмоторакс), то дихальний дистрес не є великим, бо з кожним вдиханням повітря плине в легені на неуражену сторону швидше, ніж у плевральний простір; оскільки судинна резистентність збільшується у колабованій легені, то кров відводиться до іншої легені. Отже, якщо пневмоторакс є не дуже великим, то він не спричинить важкої гіпоксії.
Повітря у закритому пневмотораксі абсорбується. З того часу як воно дорівнює атмосферному тиску, його загальний тиск, Ро2 і PN2 є вищим, ніж у венозній крові (порівняйте значення для повітря і венозної крові на рис. 34-18). Газ дифундує вниз за такими градієнтами у крові і після одного-двох тижнів зникає.
Астма
Астму характеризує епізодичне або хронічне дихання з присвистом, кашлем і відчуттям стискання у грудях унаслідок бронхоконстрикції. Захворювання на астму та смертність від неї збільшується, проте її фундаментальна причина остаточно не з’ясована, незважаючи на інтенсивні дослідження. У разі астми виникають три порушення: повітряна обструкція, яку найважче унормувати; запалення дихальних шляхів і гіперчутливість до різних подразників. Давно визначений зв’язок астми з алергією; рівень IgE у плазмі часто підвищений. Білки, що вивільняються з еозинофілів унаслідок запальних реакцій, можуть уражувати епітелій дихальних шляхів і відповідають за гіперчутливість. Лейкотрієни (див. Розділ 17), що вивільняються з еозинофілів і мастоцитів, зумовлюють бронхоконстрикцію. Численні інші аміни, нейропептиди, хемокіни та інтерлей-кіни впливають на гладкі м’язи бронхів або створюють запалення.
Асматичні приступи найважчі у пізні нічні або ранні ранкові години, оскільки, як зазначено вище, це періоди максимальної констрикції у циркадних ритмах бронхіального тонусу. Холодне повітря та навантаження, які у нормі спричинюють бронхоконстрикцію, також зумовлюють астматичні приступи. У 5% осіб астматичні приступи спричинює аспірин. Інгібітори лейкотрієнового синтезу, такі як зілеутон, і блокатори CysLTj-рецепторів, такі як монте-лукаст, є ефективними в лікуванні цих форм астми (і, вірогідно, інших). Стимулювання (З-адренорецепторів зумовлює бронходилатацію, тому лікування інгаляціями р-адреноергічних агоністів є стандартною терапією для астми. Посередництво мускаринових рецепторів створює бронхоконстрикцію, і ліки, що належать до мускаринових холіноблокаторів, також використовують у лікуванні. Додатковими препаратами, що часто застосовують, є кро-молін, який інгібує вивільнення продуктів з мастоцитів, і глюкокортикоїди, які гальмують запальну реакцію.
Емфізема
У разі дегенеративної і потенційно небезпечної легеневої хвороби, яку називають емфізема, легені втрачають
ПРИСТОСУВАЛЬНІ ЗМІНИ ДИХАННЯ У НОРМІ ТА ПАТОЛОГІЇ / 633
еластичність, а унаслідок руйнування еластичної тканини і стінок між альвеолами альвеоли заміщуються великими повітряними мішками. Фізіологічний мертвий простір значно збільшується, і з огляду на неадекватну та нерівну альвеолярну вентиляцію і перфузію у погано вентильованих альвеолах виникає важка гіпоксія. За подальшого перебігу хвороби виникає гіперкапнія. Вдихання та видихання утруднені, і робота для виконання дихання значно збільшується. Зміни у кривій тиск-об’єм у легенях показані на рис. 34-11. Грудна клітка збільшується і стає бочкоподібною. Оскільки грудна стінка розтягується, то протилежно до цього еластична тяга зменшується. Гіпоксія призводить до поліцитемії. Виникає легенева гіпертензія, і права половина серця збільшується (легеневе серце, cor pulmonale), а потім унаслідок виснаження резервів міокарда настає слабкість його скоротливої здатності.
У більшості випадків причиною емфіземи є куріння тютюну. Дим цигарок спричинює збільшення кількості легеневих альвеолярних макрофагів, які вивільняють хімічні речовини, що притягують лейкоцити до легень. Лейкоцити, відповідно, вивільняють протеази включно з еластазою, які ушкоджують еластичну тканину в легенях. Водночас (Xj-антитрипсин інактивують кисневі радикали, що їх вивільняють лейкоцити. Наслідком є порушення співвідношення між протеазами та антипротеазами зі збільшенням деструктивних змін у легеневій тканині.
У 2% причин емфіземи є вроджена недостатність активного (Xj-антитрипсину. В осіб, які гомозиготні на таку ваду і курять, швидко виникає емфізема, і в них на 20 років зменшена тривалість життя. У некурців з недостатністю антитрипсину теж може виникнути емфізема, однак тривалість життя набагато довша і якість його поліпшується. Наприклад, у формуванні хвороби недостатність о^-анти-трипсину забезпечує взаємовплив генетичних факторів і факторів зовнішнього середовища.
Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини