Механизмы обеспечения тканей кислородом

К механизмам обеспечения тканей кислородом, кроме транспорта кислорода, относится также и диффузия кислорода в ткани. Для оценки этого механизма чаще всего используют показатель напряжения кислорода в смешанной венозной крови (PvО₂), отражающий «среднее тканевое напряжение кислорода». Снижение PvО₂ наблюдается как при болезнях легких вследствие уменьшения РаО₂, так и при сердечных заболеваниях вследствие уменьшения сердечного выброса. Этот показатель может иметь прогностическое значение у пациентов ХОБЛ. Так, в исследовании Kawakami et al. (1983) в течение 4 лет проводилось наблюдение за 50 больными ХОБЛ, в течение этого времени умерли 27 больных. При сравнении исходных физиологических показателей выживших и умерших пациентов не было обнаружено различий между группами по показателям легочной гемодинамики, транспорта кислорода и коэффициента экстракции кислорода. Однако группы больных существенно различались по показателям РаО₂ и PvО₂: их исходные значения были ниже у впоследствии умерших больных. Таким образом, диффузионный компонент обеспечения тканей кислородом может иметь более важное значение, чем конвекционный транспорт кислорода, оцениваемый по коэффициенту экстракции кислорода.

У больных ХОБЛ с тяжелой гипоксемией назначение кислорода не всегда приводит к повышению транспорта кислорода. Одной из компенсаторных реакций при системной гипоксии является повышение сердечного выброса, что обеспечивает увеличение доставки кислорода (DО₂) к тканям. Однако эта реакция может нивелироваться при назначении кислорода. Можно выделить два типа реакции сердечного выброса на О₂-терапию. Degaute et al. (1981) показали, что у больных с более выраженной гипоксемией (РаО₂⁼ 40 ± 1 мм рт.ст.) кислородотерапия приводит к повышению DО₂ без значимых изменений сердечного выброса. В противоположность этому, у пациентов с умеренной гипоксемией (РаО₂ = 49 ± 2 мм рт.ст.) на фоне О₂ наблюдалось значительное снижение сердечного выброса, а транспорт кислорода не менялся. При наличии тяжелой гипоксемии даже незначительное снижение сердечного выброса ведет к серьезным последствиям.

Транспорт кислорода при ХОБЛ

 

Одним из центральных понятий физиологии дыхания является понятие транспорт, или доставка кислорода DО₂ (oxygen delivery) — скорость, с которой кислород доставляется к тканям. DО₂ является интегральным показателем и зависит от нескольких факторов: SaО₂, РаО₂, уровня гемоглобина (Hgb) и сердечного выброса (Q).

DО₂ = (1,36 Hgb x SaО₂ + 0,0031 х РаО₂) х Q

Теоретически величина DО₂ является максимумом потребления кислорода тканями. Однако на практике ткани не могут использовать весь доставленный кислород. В стабильном состоянии доставка кислорода примерно в 4-5 раз превышает VО₂. Таким образом, примерно 20-25% кислорода экстрагируется из артериальной крови тканями, и остальной кислород возвращается к сердцу в составе смешанной венозной крови. Если сатурация артериальной крови около 100%, то сатурация смешанной венозной крови (SvО₂) будет составлять 75-80%. Когда коэффициент доставки кислорода (coefficient of oxygen delivery) — отношение DО₂/VО₂ — становится менее 4 : 1, то для того, чтобы обеспечить аэробный метаболизм организма, происходит увеличение периферической экстракции кислорода, увеличение разницы между содержанием кислорода в артериальной и венозной крови (a-v DО₂) и снижение сатурации кислорода в смешанной венозной крови (SvО₂). Отношение DО₂/VО₂ наиболее аккуратно отражает количество оставшегося кислорода в смешанной венозной крови (SvО₂). Тщательно проведенные лабораторные исследования показали, что DО₂ не зависит от VО₂ до тех пор, пока отношение DО₂/VО₂ превышает 2:1. Когда коэффициент доставки кислорода падает ниже этого критического уровня, проявляется «физиологическая» зависимость между DО₂ и VО₂ (supply dependency). Двухфазные сотношения между DО₂ и VО₂ существуют при любом стабильном уровне VО₂. При ряде критических состояний развивается «патологическая» зависимость между DО₂ и VО₂, когда отношения между этими показателями становятся линейными (однофазная кривая), т. е. снижение DО₂ не повышается экстракцией кислорода тканями, и VО₂ снижается. «Патологическая» зависимость между DО₂ и VО₂ развивается при ряде критических состояний: сепсис, острый респираторный дистресс-синдром, острая сердечная недостаточность и др. В одном из исследований «патологическая» зависимость была показана у пациентов с тяжелым стабильным течением ХОБЛ, однако последующие исследования не подтвердили наличие этого феномена у больных ХОБЛ. Зависимость между DО₂ и VО₂ ведет к анаэробному метаболизму с «патологическими» проявлениями: развитием полиорганной недостаточности, лактат-ацидоза, нарушений гемодинамики и, при отсутствии коррекции этого состояния, гибели больного.

Роль нарушения диффузии

Роль нарушения диффузии (т. е. истинной разницы в структурных единицах легких между альвеолярным (Р_АО₂) и конечным капилярным (PО₂) в снижении PaО₂ и повышении разницы Р(А-а)О₂ очень трудно исследовать «прямыми» методами. У пациентов с ХОБЛ дефекты диффузии распространены неравномерно и наиболее выражены в регионах с низкими вентиляционно-перфузионными соотношениями, являющимися следствием локального снижения вентиляции или локального повышения кровотока, ассоциированого с уменьшением транзиторного капиллярного времени. Величина диффузионного коэффициента Ксо у пациентов ХОБЛ отражает общую площадь газообмена (и, таким образом, является диагностическим признаком эмфиземы) и не является доказательством наличия диффузионного дефекта. Использование метода элиминации множественных инертных газов показало, что диффузионные нарушения не характерны для пациентов с ХОБЛ, и наличие гипоксемии практически полностью может быть объяснено вентиляционно-перфузионным дисбалансом (Yamaguchi et al., 1997). Даже у пациентов с преобладанием эмфиземы относительная перфузия регионов с низкими диффузионно-перфузионными (D/Q) соотношениями не превышала 0,1% от сердечного выброса.

Еще одной причиной уменьшения РаО₂ может быть снижение Р_АО₂ вследствие повышения Р_АСО₂ и PaCО₂. Такие изменения наблюдаются при альвеолярной гиповентиляции, хотя при этом возможно некоторое повышение общей вентиляции. Альвеолярная гиповентиляция особенно выражена при обострении ХОБЛ (и особенно при ОДН), хотя вентиляционно-перфузионный дисбаланс и здесь является основным патофизиологическим механизмом. Как правило, пациенты с наличием преимущественно регионов с высокими соотношениями Va/Q имеют клинические признаки превалирования эмфиземы над хроническим бронхитом. Нередким вариантом нарушения газообмена является сочетание паттернов с высокими и низкими Va/Q (Wagner et al., 1991).

У пациентов с одинаковыми значениями РаО₂ и РаСО₂ может отмечаться большое различие в паттернах распределения Va/Q, что говорит о влиянии на газообмен экстрапульмональных факторов, важнейшими из которых являются сердечный выброс, потребление кислорода, частота дыхания и дыхательный объем.

Изменение дыхательного паттерна при тяжелой обструкции дыхательных путей

 

Развитие тяжелой обструкции дыхательных путей при ХОБЛ приводит к выраженному снижению форсированных инспираторных и экспираторных потоков. Данные изменения связаны как развитием патологических процессов в дыхательных путях, так и с изменениями эластической тяги паренхимы легких вследствие эмфиземы, при которой происходят коллапс и преждевременное закрытие дыхательных путей (Derenne et al., 1988). Механизмом преодоления закрытия дыхательных путей и достижения более высокого экспираторного потока является дыхание при более высоком конечном экспираторном легочном объеме (Olopade et al., 1992).

Для того, чтобы справиться с дополнительной нагрузкой на аппарат дыхания вследствие бронхиальной обструкции и поддержать уровень минутной вентиляции, соответствующей метаболическим потребностям организма, пациенты могут только повысить свои инспираторный поток и объемы. Таким образом, несмотря на то, что резистивная нагрузка при ХОБЛ преимущественно экспираторная, компенсация осуществляется в основном за счет инспираторных механизмов. Повышение инспираторного потока и объемов сопровождается изменением дыхательного паттерна, который описывается следующим уравнением:

VE=V_T • f,

где ve — минутная вентиляция, v_t — дыхательный объем, f — частота дыхания. Так как частота дыхания — величина, обратная общей продолжительности дыхательного цикла (Ттот), то уравнение может быть преобразовано:

ve=vt • 1/t_tot,

а учитывая, что t_tot=t_i + т_е, где t_i— инспираторное время и т_е— экспираторное время, то получаем:

ve^vt/ti X ti/ttot ^vt/te хТЕ/Ттот,

где vt/ti — инспираторный поток, vt/te — экспираторный поток, ti/ttot— фракция инспираторного времени (duty cycle). У больных ХОБЛ наблюдается снижение vt/te. Для поддержания должного уровня минутной вентиляции те/ттот должно быть повышено и, следовательно, ti/ttot — понижено, а vt/ti—снижено (Aubier, Dombert, 1990). Таким образом, при экспираторном ограничении воздушного потока для сохранения ve пациенты должны повысить инспираторный поток и снизить фракцию инспираторного времени, что приводит к развитию дыхательного паттерна с частым поверхностным дыханием (rapid shallow breathing), которое чаще всего развивается при ОДН.

Такой тип дыхания имеет определенные преимущества, если учесть, что ощущение респираторного усилия и диспноэ у больных ХОБЛ тесно связаны с соотношением P_tidal/MIP. Следовательно, снижение VT приведет к снижению P_tidal и P_tidal/MIP, снижению диспноэ и уменьшению риска развития утомления дыхательной мускулатуры. Таким образом, частое поверхностное дыхание у больных ХОБЛ является компенсаторным механизмом, позволяющим ускользать из паттерна утомления, хотя расплатой за этот путь является ретенция углекислоты (Roussos, 1990). Механизм развития частого поверхностного дыхания не вполне ясен. Существуют доказательства роли повышенного тонуса п. vagus, возможно, что более важную роль в развитии этого типа дыхания играет повышение нагрузки на аппарат дыхания (Gorini et al., 1996).

Детерминанты утомления

Принципиальными детерминантами утомления являются давление, развиваемое во время вдоха (P_tidal) и его отношение к MIP. Отношение P_tidal /MIP отражает баланс между дыхательной нагрузкой и силой, или силовым резервом, способным преодолеть эту нагрузку. Следует отметить, что отношение P_tidal/МIР может быть увеличено двумя путями: увеличением P_tidal, что происходит при заболеваниях дыхательных путей и грудной клетки, и снижением MIP из-за слабости дыхательных мышц, в т. ч. и гиперинфляции легких. При нормальном спокойном дыхании P_tidal /MIP приблизительно равен 0,05. Когда P_tidal/MIP превышает пороговый уровень, который равен примерно 0,4, дыхательная мускулатура вступает в «паттерн утомления». Однако явное утомление не появляется до определенного времени, например, если P_tidal/MIP равен 0,4, с момента появления паттерна утомления до явного утомления проходит около 90 минут, при P_tidal/MIP 0,6 требуется лишь 15 минут (Rochester, 1993). Способность поддерживать вентиляцию также зависит и от времени сокращения дыхательных мышц во время каждого дыхательного цикла (Ti/Ttot). Bellemarc и Grassino (1982) в качестве показателя выносливости диафрагмы при резистивных нагрузках на дыхательный аппарат предложили индекс напряжение-время (tention-time index — TTI):

TTI = P_tidal/MIP x Ti/Ттот

Экспериментальным путем было установлено, что усталость дыхательных мышц развивается при TTI > 0,15, т. е. если TTI < 0,15, то нагрузка на респираторный аппарат может поддерживаться неопределенно долго, если же TTI > 0,15, то дыхание может преодолевать нагрузку лишь ограниченный временной промежуток (время выносливости).

Утомление дыхательной мускулатуры развивается в результате дисбаланса между потребностью дыхательной мускулутуры в энергии (Ud) и доставкой энергии к ней (Us): Ud > Us или W/E > Us, где W — работа дыхания, Е — эффективность (Roussos, 1990). Таким образом, увеличение нагрузки на аппарат дыхания при ХОЗЛ (резистивная нагрузка, эластическая нагрузка легких и грудной клетки, пороговая инспираторная нагрузка, повышение минутной вентиляции) сдвигают баланс в сторону утомления. С другой стороны, развитию утомления могут способствовать снижение доставки энергии: снижение содержания кислорода и энергетических субстратов в артериальной крови, неспособность мышц утилизовать энергетические субстраты из крови, недостаточный кровоток к мышцам. Во время сильного инспираторного усилия внутримышечные сосуды могут сдавливаться сокращающейся мускулатурой, что ведет к уменьшению кровотока. Величина сдавливающего эффекта зависит от TTI. Так, повышение отношения P_tidal/MIP усиливает сдавление сосудов, т. к. развитие более высокого давления требует большего сокращения мышц, a Ti/Ttot определяет время сокращения. Снижение сердечного выброса при кардиогенном или септическом шоке также снижает приток крови к дыхательной мускулатуре (Vassilakopoulos et al., 1996).

Дисфункция дыхательной мускулатуры при ХОБЛ

Динамическая гиперинфляция легких приводит к значимым нарушениям со стороны сердечно-сосудистой системы. Повышение колебаний внутриторакального давления во время респираторного цикла оказывает выраженное влияние на венозный возврат, функцию правого желудочка и сердечный выброс. Плевральное давление для сердца и крупных сосудов, находящихся в грудной полости, является окружающим давлением. Изменение плеврального давления происходит при вентиляции и дыхательных маневрах, в то время как легочное сосудистое сопротивление меняется вместе с изменениями легочных объемов. Таким образом, независимо от изменений со стороны системного артериального давления, сердце находится в условиях смены давлений и сосудистого сопротивления.

 

Дыхательная мускулатура является важнейшим компонентом респираторного аппарата и ответственна за его «насосную» функцию, т. е. ритмичное создание отрицательного давления в дыхательных путях, вследствие которого в них создается поток воздуха и осуществляется вдох. Нормальное дыхание возможно только при условии сохранной силы и выносливости диафрагмы, при снижении которых развивается дисфункция или недостаточность дыхательной мускулатуры, что ведет к развитию дыхательной недостаточности. Условно дисфункцию дыхательной мускулатуры подразделяют на утомление и слабость.

Утомление дыхательных мышц — это состояние, при котором происходит снижение их силы и скорости сокращения в результате чрезмерной работы (NHLBI Workshop Summary, 1990). Утомление — процесс обратимый, восстановление функции мышц возможно после отдыха. Явное утомление определяется как неспособность выполнять заданную нагрузку или создавать определенный уровень трансдиафрагмального давления во время каждого вдоха.

Последствие гиперинфляции на дыхательную мускулатуру

И, наконец, еще одним неблагоприятным последствием гиперинфляции на дыхательную мускулатуру является нарушение параллельной ориентации костальных и круральных волокон относительно друг друга, при которой достигается максимальная сила при сокращении диафрагмы.

Одним из основных последствий динамической гиперинфляции легких является создание внутреннего положительного давления в конце выдоха — «ауто-ПДКВ» (intrinsic positive end-expiratory pressure or auto-PEEP) — давления эластической отдачи респираторной системы вследствие неполного опорожнения легких в конце выдоха (Рере, Marini, 1982). У тяжелых больных ХОБЛ вне обострения уровень аутоПДКВ не превышает 7- 9 см вод.ст., при ОДН у спонтанно дышащих пациентов аутоПДКВ достигает 18 см вод.ст., а у больных, находящихся на искусственной вентиляции легких, максимальные значения аутоПДКВ достигают 20-22 см вод. ст (Milic-Emili,1990). Наличие аутоПДКВ приводит к увеличению нагрузки на респираторный аппарат и повышению работы дыхания. В условиях аутоПДКВ инициация сокращения дыхательных мышц не совпадает с началом инспираторного потока, инспираторный поток начинается только тогда, когда давление, развиваемое инспираторными мышцами, превышает аутоПДКВ, так как только в этом случае альвеолярное давление становится отрицательным. Таким образом, аутоПДКВ является инспираторной пороговой нагрузкой (threshold load), которая увеличивает эластическую работу дыхания.

Еще одним механизмом повышения работы дыхания при динамической гиперинфляции является повышение эластической работы дыхания вследствие смещения дыхательного объема в сторону высоких легочных объемов, таким образом, дыхание происходит на плоской части кривой давление-объем, где комплаенс снижен. Так, смещение дыхательного объема (vt = 0,2VC) от объема релаксации, равного 34% VC, к конечному экспираторному объему, равному 67% VC, приводит к пятикратному увеличению эластической работы дыхания (Milic-Emili, 1990).