Тема: Гіпоксія. Класифікація гіпоксії. Патогенез

Лекція №9

План.

1. Класифікація гіпоксії.

2. Компенсаторно-пристосувальні реакції при гіпоксії.

3. Механізми тривалої адаптації до гіпоксії.

4. Патологічні зміни при гіпоксії.

Література.

Основна.

1. Патологічна фізіологія: Підручник / 3а ред. М. Н.Зайка, Ю.В Биця.-К.: Вища шк.; 1995

2. Патологическая физиология: Учебник для студентов мед.вузов / Под ред. Н.Н. Зайко: З-е изд., перераб. и доп. -К.: Логос,1996.

3. Патологическая физиология: Учебник для мед. вузов / Под ред. А.Д. Адо, В.В. Новицького.- Томск: Изд-во Том.ун-та, 1994.

Додаткова

1. Актуальные вопросы физиологии и патологии дыхания (Сб. науч. трудов). – Алма– Ата гос. мед. инт. Под ред. Л.З. Тель. – Алма-Ата: Б.И. 1993. – 119с. А.Д. Учение о лихорадке // Клин. Медицина. -1994. –Т.72, №1. – С. 67-72.

2. Фармакологическая коррекция гипоксических состояний (Материалы 2-й Всесоюзной конф. ВЧЗ Редкол Л.Д. Лукьянова и др.). – Гродно: ГГМИ, 1991. – 20 с.

Гіпоксія, або кисневе голодування – це типовий патологічний процес, який виникає внаслідокнедостатнього постачання тканинами кисню або порушення використання його тканинами.

Гіпоксична, або екзогенна гіпоксія розвивається при зниженні парціального тиску кисню у вдихуваному повітрі. Типовим прикладом гіпоксичної гіпоксії може бути гірська хвороба, ступінь якої залежить від висоти. В експерименті гіпоксична гіпоксія моделюється за допомогою барокамери або використання дихальних сумішей, бідних на кисень.

Дихальна, або респіраторна, гіпоксія виникає внаслідок розладу зовнішнього дихання, зокрема недостатності легеневої вентиляції, кровопостачання легень або утруднення дифузії в них кисню, коли порушується оксигенація артеріальної крові.

Гемічна, або кров’яна, гіпоксія виникає у зв’язку з порушеннями у системі крові, зокрема із зменшенням кисневої ємності крові. Гемічна гіпоксія поділяється на анемічну і гіпоксію внаслідок інактивації гемоглобіну.

У патологічних умовах можливе утворення таких сполук гемоглобіну, які не можуть виконувати дихальну функцію. Таким є карбоксигемоглобін – сполука гемоглобіну з оксидом вуглецю (ІІ) (чадним газом). Спорідненість гемоглобіну з СО у 300 разів вища, ніж з киснем, що зумовлює високу токсичність Со: отруєння настає при мізерно малих концентраціях СО у повітрі. При цьому інактивується не лише гемоглобін, а й залізовмісні дихальні ферменти.

У разі отруєння нітратами, аніліном утворюється метгемоглобін, у якому тривалентне залізо не приєднує кисню.

Циркуляторна гіпоксія розвивається при місцевих і загальних порушеннях кровообігу, причому в ній можна виділити ішемічну й застійну форми.

Якщо порушення гемодинаміки виникають у судинах великого кола кровообігу, насичення крові киснем у легенях може бути нормальним, однак утруднюється доставка його тканинам. При порушеннях гемодинаміки в системі малого кола кровообігу зазнає негативного впливу оксигенація артеріальної крові.

Циркуляторна гіпоксія може бути спричинена не тільки абсолютною, а й відносною недостатністю кровообігу, коли потреба тканини у кисні перевищує його доставку. Такий стан розвивається у серцевому м’язі під час емоційного напруження, що супроводжується виділенням адреналіну, який, хоч і розширює коронарні артерії, водночас значно підвищує потребу міокарду в кисні.

Кисневе голодування тканин може бути результатом порушення мікроциркуляції, а також процесів транспорту різних рідин через капілярну сітку і мембрани клітин.

Тканина гіпоксія є наслідком розладів у системі утилізації кисню. У цьому випадку порушується біологічне окиснення на фоні достатнього постачання тканинам кисню. Причинами тканинної гіпоксії є зниження кількості або активності дихальних ферментів, роз’єднання процесів окиснення і фосфорування. Зниження синтезу дихальних ферментів буває при гіповітамінозах. З вітамінів особливо важливими в цьому плані є рибофлавін і нікотинова кислота.

В наслідок роз’єднання процесів окиснення і фосфорування знижується ефективність біологічного окиснення, енергія розсіюється у вигляді вільної теплоти.

У виникненні тканинної гіпоксії може мати значення активація перекисного вільнорадикального окиснення, при якому органічні речовини піддаються неферментативному окисненню молекулярним киснем. Активація вільнорадикального окиснення, а отже, і тканинна гіпоксія спостерігаються при дії іонізуючого випромінювання, у разі дефіциту природних антиоксидантів.

Перелічені види кисневого голодування в ізольованій формі трапляються рідко, частіше спостерігаються різні їх комбінації. Наприклад, хронічна гіпоксія будь-якого генезу звичайно ускладнюється ураженням дихальних ферментів і приєднанням кисневої недостатності тканинного характеру. Це дало підставу виділити такий вид, як змішана гіпоксія.

Виділяють ще гіпоксію навантаження, яка розвивається на фоні достатнього або навіть підвищеного постачання тканинам кисню. Однак підвищення функції органа і значно збільшена потреба в кисні можуть зумовити неадекватне кисневе постачання і розвиток метаболічних порушень, характерних для справжньої кисневої недостатності. Прикладом можуть буди надмірні навантаження у спорті, інтенсивна м’язова робота. Така гіпоксія є пусковим механізмом розвитку втоми.

Гіпоксія, як і любий патологічний процес проходить дві стадії розвитку – компенсації і декомпенсації.Спочатку завдяки компенсаторно-пристосувальним реакціям виявляється можливим підтримувати нормальне постачання тканинам кисню всупереч порушенню його доставки. При виснаженні пристосувальних механізмів розвивається стадія декомпенсації, або власне кисневе голодування.

Компенсаторно-пристосувальні реакції при гіпоксії розвиваються в системах транспорту та утилізації кисню. Крім того, виділяють механізми „боротьби за кисень” і механізми пристосування до умов пониженого тканинного дихання.

Збільшення легеневої вентиляції відбувається внаслідок рефлекторного збудження дихального центру імпульсами з хеморецепторів судинного русла, переважно синокаротидної та аортальної зон, які звичайно реагують на зміну хімічного складу крові, і насамперед на накопичення СО та іонів водню.

У випадку гіпоксичної гіпоксії, наприклад при піднятті на висоту, патогенез задишки дещо інший – подразнення хеморецепторів відбувається у відповідь на зниження в крові парціального тиску кисню, парціальний тиск СО у крові також знижений. Гіпервентиляція є безперечно позитивною реакцією організму на висоту, однак має і негативні наслідки, оскільки ускладнюється виведенням СО і ще більшим зниженням рівня СО у крові (гіпокапнією). Якщо врахувати вплив СО на мозковий і коронарний кровобіг, регуляція тонусу дихального і судинорухового центрів, підтримання кислотно-основної рівноваги, дисоціацію оксигемоглобіну, то стане зрозумілим, що багато важливих функцій можуть порушуватись при гіпокапнії. Отже, в патогенезі гіпокапнія має таке саме значення, що й гіпоксія.

Посилення кровообігу спрямоване на мобілізацію засобів доставки кисню тканинами (гіперфункція серця, збільшення швидкості течії крові, розкриття нефункціонуючих капілярних судин). Не менш важливою характеристикою кровообігу в умовах гіпоксіїє перерозподіл крові в бік переважного постачання її життєво важливим органам і підтримання оптимальної течії крові в легенях, серці, головному мозку за рахунок зменшення кровопостачання шкіри, селезінки, м’язів, кишок, які за цих обставин є депо крові. Наявність в організмі своєрідної оксигенотопографії, здатної динамічно змінюватись, - важлива умова роботи пристосувальних механізмів при гіпоксії. Зміни кровообігу регулюються рефлекторнимиі гормональними механізмами. Мають значення також тканинні продукти порушеного обміну, які виявляють судинорозширювальний вплив.

Збільшення кількості еритроцитів і гемоглобіну підвищує кисневу ємність крові. Викид крові з депо може забезпечити швидше, однак нетривале пристосування до гіпоксії. При більш тривалій гіпоксії посилюється еритропоез у кістковому мозку, про що свідчить поява ретикулоцитів у крові, збільшення кількості мітозів у нормобластах і гіперплазія кісткового мозку. Стимуляторами гемопоезу є еритропоетин нирок, а також продукти розпаду еритроцитів, який спостерігається при гіпоксії.

Під час гіпоксії підвищується здатність молекули гемоглобіну приєднувати кисень у легенях і віддавати його тканинам. Артеріальна кров може бути насичена киснем більше, ніж звичайно, що сприяє збільшенню артеріовенозної різниці. При цьому тканини можуть діставати більше кисню з крові.

Описані вище пристосувальні зміни виникають у найбільш реактивних системах організму, які відповідають за транспорт кисню та його розподіл. Однак аварійна гіперфункція зовнішнього дихання і кровообігу не може забезпечити стійке і тривале пристосування до гіпоксії, оскільки це вимагає підвищеного споживання кисню і посиленням розпаду білків. Аварійна гіперфункція потребує з часом структурного та енергетичного підкріплення, щ забезпечує не тільки виживання, а й можливість активної розумової і фізичної роботи в умовах тривалої гіпоксії.

Сьогодні цей аспектпривертає увагу дослідників. Вивчаються гірські і ниряючі тварини, жителі високогірних районів, а також експериментальні тварини з компенсаторними пристосуваннями до гіпоксії, які вироблялися протягом декількох поколінь. В системах які відповідають за транспорт кисню, відбуваються процеси гіпертрофії і гіперплазії – збільшується маса дихальних м’язів легеневих альвеол, міокарда, нейронів дихального центру; посилюється кровопостачання цих органів за рахунок збільшення кількості функціонуючих капілярів та їх гіпертрофії. Це сприяє нормалізації функціонування структур. Гіперплазію кісткового мозку можна розглядати як пластичне забезпечення гіперфункції системи крові.

При тривалій акліматизації до висотної гіпоксії поліпшуються умови дифузії кисню з альвеолярного повітря у кров завдяки підвищенню проникності альвеолярно-капілярних мембран, збільшується вміст міоглобіну, який не тільки є додатковою кисневою ємністю, а й має ферментативну активність в окисних процесах.

Великий інтерес викликають адаптаційні зміни в системі утилізації кисню. Тут принципово важливим є:

1. Посилення здатності тканинних ферментів утилізувати кисень, підтримувати рівень окисних процесів і здійснювати нормальний синтез АТФ всупереч гіпоксії;

2. Більш ефективне використання енергії окисних процесів (зокрема, у тканині головного мозку встановлено підвищення інтенсивності окисного фосфорування за рахунок поєднання цього процесу з окисненням);

3. Посилення процесів безкисневого звільнення енергії за допомогою гліколізу.

Зупинимось на першому з цих варіантів більш детальніше. Існує припущення, що в процесі тривалої адаптації до гіпоксії відбуваються якісні зміни кінцевого ферменту дихального ланцюга – цитохромоксидази, а можливо, й інших дихальних ферментів, внаслідок чого підвищується їх спорідненість з киснем.

Другий механізм адаптації до гіпоксії полягає у збільшенні кількості дихальних ферментів і підвищенні потужності системи мітохондрій за рахунок збільшення кількості мітохондрій. Маса мітохондрій збільшується, а це означає збільшення кількості дихальних ланцюгів. Таким шляхом відновлюється або збільшується здатність клітини виробляти енергію всупереч нестачі кисню в крові, що притікає.

Описані процеси відбуваються переважно в органах з найбільш інтенсивною адаптпційною гіперфункцією, тобто тих, що відповідають за транспорт кисню (легені, серце, дихальні м’язи, еритробластичний росток кісткового мозку), також тих, що найбільш чутливі до нестачі кисню (кора великого мозку, нейрони дихального центру). В цих органах збільшується синтез структурних білків, що призводить до гіперплазії та гіпертрофії.

Підвищенню стійкості тканин проти гіпоксії сприяє активізація гіпоталамо-гіпофізарної системи і кори наднирникових залоз. Глікокортикоїди активують деякі ферменти дихального ланцюга, стабілізують мембрани лізосом.

При різних видах гіпоксії співвідношення між описаними пристосувальними реакціями може бути різним. При дихальній і циркуляторній гіпоксії обмежані можливості пристосування в системі зовнішнього дихання і кровообігу. При тканинній гіпоксії неефективними є пристосувальні механізми в системі транспорту кисню.

Порушення, характерні для гіпоксії, виникають при недостатності або виснаженні пристосувальних механізмів. Якщо останні не перекривають гіпоксії, розвивається киснева недостатність.

Окисно-відновні реакції, як відомо, є механізмом одержання енергії, потрібної для всіх процесів життєдіяльності. Збереження цієї енергії забезпечується у фосфорних сполуках, що мають макроергічні зв’язки. Біохімічні дослідження при гіпоксії виявили зменшення кількості цих сполук у тканинах. Отже, нестача кисню призводить до енергетичного голодування тканин, що лежить в основі всіх порушень при гіпоксії.

У разі нестачі кисню порушується обмін речовин і накопичуються продукти неповного окиснення, багато з яких є токсичними. У печінці і м’язах зменшується кількість глікогену, а глюкоза, що утворюється, не окислюється до кінця. Молочна кислота яка при цьому накопичується, може змінювати кислотно-основну рівновагу в бік ацидозу. Обмін ліпідів також відбувається з накопиченням проміжних продуктів – ацетону, ацетооцтової кислоти.

Поява продуктів перекисного окислення ліпідів – один з найважливіших факторів гіпоксичного ушкодження клітин. Нейтралізація їх відбувається засобами природного антиоксидантного захисту, механізми якого треба прагнути відтворювати штучно для корекції гіпоксичних станів на тканинному рівні.

Накопичуються проміжні продукти білкового обміну. Збільшується вміст аміаку, знижується вміст глутаміну, порушується обмін фосфопротеїдів і фосфоліпідів, встановлюється негативний азотистий баланс. Синтетичні процеси знижені. Зміна обміну електролітів полягає в порушенні активного транспорту іонів крізь біологічні мембрани, зниження кількості внутрішньоклітинного калію. Важливу роль іонів кальцію, накопичення яких у цитоплазмі вважається одніє з основних ланок гіпоксичного ушкодження клітини, доведено позитивним впливом на перебіг гіпоксії блокаторів кальцієвих каналів. До порушень метаболізму при гіпоксії слід додати порушення синтезу медіаторів нервової системи.

Структурні зміни в клітині виникають внаслідок біохіміічних порушень. Так, змiщення рН укислий бiк та iншi порушення обмiну ушкоджують мембрани лiзосом з виходом активних протеолiтичних ферментiв. Руйнiвна дiя ix на клiтину, зокрема на мiтохоидрiї, по­силюється на фонi дефiциту мaкpoepriв, який робить клiтиннi структури ще бiльш уразливими. Ультраструктурнi порушеиня ви­являються гiперхроматозом i разпадом ядер, набуханням i дегра­дацiею мiтохондрiй.

Вище було зазначено, що основу тривалого пристосування до гiпоксii становить структурно забезпечена гiперфункцiя систем транспорту й утилiзацii кисню, а це, в свою чергу, зумовлене акти­вiзацiєю геиетичного апарату. В дифереицiйованих клiтинах, особ­ливо кори великого мозку i нейронах дихального центру, цей процес можезавершитись виснаженням.

Чутливicть рiзних тканин до нестачi кисню неоднакова i залежить вiд таких факторiв:

1. iнтенсивностi обмiну речовин, тобто потреби тканини в киснi;

2. потужиостi глiколiтичної системи, тоб­то здатностi виробляти енергiю без участi кисню;

3. запасiв енер­гії увиглядi макроергiчних сполук;

4. потенцiйноi можливостi ге­нетичного апарату забезпечувати пластичне закрiплення rinep­функцii.

3 ycix цих точок зору в найнесприятливiших умовах перебуває нервова система.

Першими озиа­ками кисневого голодування е порушення нepвoвoї дiяльностi. Ще до появи грiзних симптомiв кисневого голодування виникає ейфо­рiя. Цей стан характеризується емоцiйним i руховим збудженням, вiдчуттям власноi сили або, навпаки, втратою iнтepecy до всього, що оточує, неадекватнicтю поведiнки. Причиною е порушення про­цесiв внутрiшиього гальмування.

При тривалiй гiпоксiї спостерiгаються бiльш тяжкi метаболiч­нi й функцiональнi порушення в нервовiй системi. Розвивається гальмування, порушуються рефлекторна дiяльнiсть, регуляцiя ди­хання i кровообiгу. Втрата свiдомостi i судороги є грiзними симп­томами тяжкого перебiгу кисневого голодування.

3мiни в iнших органах i системах пов'язанi з порушенням регуляторної дiяльностi центральноi нepвoвoї системи, енергетич­ним голодуванням i накопиченням токсичних продуктiв обмiну ре­човин.

За чутливicтю до нестачi кисню друге мicце пicля нepвoвoї тка­нини займає серцевий м’яз. Провiдна система серця бiльш стiйка, нiж скорочувальнi елементи. Порушення збудливостi, провiдностi i скорочуваностi мiокарда клiнiчно виявляються тахiкардiєю та аритмiєю. Недостатнicть серця, а також зниження тонусу судии внаслiдок порушення дiяльностi судинорухового центру призводять до гiпотензiї i загального порушення кровообiгу. Це значно ускладнює перебiг патологiчного процесу, якою б не була першопричина гіпоксії.

Порушення зовнішнього дихання полягає в розладi легеневої вентиляції. 3мiнюється ритм дихання, набуваючи часто характеру дихання Чейна-Стокса. Особливе значения мaє розвиток застiй­них явищ у легенях. При цьому альвеолярно-капiлярна мембрана потовщується, в нiй розвивається фiброзна тканина, погiршується дифузiя кисню з альвеолярного повiтря у кров.

Спостерiгається пригнiчення pyxoвoї функції травного каналу, зниження секреції шлунка, кишок i пiдшлункової залози.

Первинна полiурiя змiнюється порушенням фiльтрацiйноi здатностi нирок.

У тяжких випадках гiпоксії знижується температура тiла, що пояснюється зниженням обмiну речовии i порушенням терморегуляції.

У кopi надниркових залоз первинна активiзацiя змiнюється виснаженням функції.

Бiльш глибокий аналiз описаних вище змiн при гiпоксії призводить до висновку про те, що однi й тi caмi явища, з одного боку, є патологiчними, з другого - можуть бути оцiненi як пристосувальнi. Так, нервова система, будучи високочутливою до нестачi кисню, має водночас ефективне захисне пристосування у виглядi охоронного гальмування, а це, в свою чергу, знижує її чутливicть до подальшого розвитку кисневого голодування. 3ниження температури тiла i обмiну речовии може бути оцiнене так само.

Ушкодження i захист при гiпоксії тісно пов'язанi, однак саме ушкодження стає початковою ланкою компенсаторного пристосування. Наприклад, зниження рО₂ у кpовi спричинює подразнення хеморецепторiв i мобiлiзацiю зовнiшнього дихання i кровообiгу. Саме гiпоксичне ушкодження клiтини, дефiцит АТФ дають початок процесам, якi в пiдсумку приводять до активiзації бiогенезу міто хондрiй та iнших структур клiтини i розвитку стiйкої адаптацiї до гiпоксії.