Физиологические основы снабжения кислородом

Основы физиологии: снабжение тканей кислородом и потребление кислорода

Окислительный распад высокоэнергетических субстратов – непременная особенность всех живых организмов. В аэробных организмах происходят сложные химические реакции, которые объединяются под названием «дыхательная цепь», в которой кислород играет главную роль окислителя. Отсутствие резервов кислорода объясняет важность постоянного снабжения тканей этим окислителем.

В покое базальный метаболизм требует VO₂, равного 250-300 мл/мин (3,5 мл/кг). При многих состояниях VO₂ может как повышаться (боль, тревога, сепсис, лихорадка), так и понижаться (гипотермия, анестезия).

Согласно принципу Фика, VO₂ вычисляется следующим образом: содержание кислорода в артериальной крови (СаО₂) минус содержание кислорода в венозной смешанной крови ( CvО₂) умножить на сердечный выброс:

VO₂ = (СаО₂ -СvО₂) × СО

Снабжение кислородом (DO₂) определяется как произведение СаО₂ и СО:

DO₂ = CaO₂ × CO

Содержание кислорода в артериальной и смешанной венозной крови определяется в основном за счет гемоглобина, насыщения гемоглобина кислородом и кислород-связывающей емкости гемоглобина, так как лишь незначительная часть кислорода напрямую растворяется в крови:

CaO₂ = 1,34 × [Hb] × SaO₂

CvO₂ = 1,34 × [Hb] × SvO₂

Где:

1,34 – кислород-связывающая емкость гемоглобина

[ Hb ] – концентрация гемоглобина у пациента (равны в артериальном и венозном руслах)

SaO₂ – насыщение гемоглобина кислородом в артериальном крови

SvO₂ – насыщение гемоглобина кислородом в смешанной венозной крови в легочной артерии

Доставка кислорода артериальной кровью и потребление кислорода зависят, таким образом, от сердечного выброса, гемоглобина и насыщения кислородом артериальной и венозной крови (последнее отражает величину экстракции кислорода тканями):

DO₂ = CaO₂ × CO = 1,34 × Hb × SaO₂ × СО

VO 2 = (СаО₂ - СvО₂) × СО = 1,34 × Hb × СО × (SaO₂ – SvO₂)

При физиологических условиях VO₂ не зависит от DO₂. Для поддержания постоянного VO₂ организм может либо увеличивать экстракцию кислорода тканями (что соответствует уменьшению SvO₂) и/или увеличивать сердечный выброс. Данные механизмы характеризуют нормоволемическую гемодилюцию. В случае увеличения VO₂ (например, при физических нагрузках) ткани организма получают необходимое количество кислорода за счет повышения сердечного выброса и увеличения экстракции кислорода тканями. Теоретически значение SvO₂ не может рассматриваться как нормальное без определения значений VO₂ у индивидуума. Значение VO₂ у здорового человека составляет 70% в покое, оно снижается при физической нагрузке. Напротив, если DO₂ снижается (снижение сердечного выброса и/или снижение количества гемоглобина), то величина экстракции кислорода тканями увеличивается (что соответствует снижению SvO₂) для поддержания постоянного VO₂.

При выраженном снижении DO₂ компенсаторный механизм, состоящий в повышении экстракции кислорода, уже не достаточен для поддержания постоянного VO₂. VO₂ снижается пропорционально DO₂ (рисунок 1). Значение DO₂, ниже которого отмечается такая зависимость между DO₂ и VO₂, называется критическим снабжением кислорода. Ниже этого значения для адекватной выработки энергии начинает использовать анаэробный путь метаболизма. Это приводит к образованию молочной кислоты, которая является признаком кислородного голодания тканей.

Рисунок 1. Критический уровень доставки кислорода (DO2): выше этого значения VO2 не зависит от DO2. Ниже этого значения VO2 становится зависимым от DO2, экстрагируемые объемы кислорода становятся недостаточными. Активируется анаэробный путь, что приводит к накоплению молочной кислоты.

Соответствие между потребностями в кислороде и DO₂ может быть достигнуто за счет снижения VO₂, повышения DO₂ или сочетания обоих путей.

Снижение потребления кислорода

VO₂ снижается в условиях гипотермии и анестезии. Гипотермия ниже 35°С обычно ассоциируется с нарушениями коагуляции вследствие снижения активности ферментов. Преимущества снижения VO 2 во время гипотермии необходимо тщательно взвесить с учетом риска, связанного с разогреванием во время восстановления. В этом случае VO₂ может повыситься до уровней, достигающих максимального VO₂, что может стать тяжелым стрессом для организма. При анестезии также снижается VO₂, чем объясняется применение седации при шоке. При этом необходимо избегать гипотензивных эффектов препаратов для анестезии – при этом может нарушаться перфузия органов и, таким образом, снабжение кислородом периферических тканей.

Увеличение доставки кислорода

Теоретически, увеличение DO₂ может быть обеспечено за счет увеличения одной из трех составляющих DO₂ – повышения экстракции кислорода (ЕО₂ = SaO₂ – SvO₂ ), повышения сердечного выброса или увеличения концентрации гемоглобина.

Повышение экстракции кислорода

Повышенный SaO₂. Оптимальный SaO₂ может быть легко достигнут во время анестезии путем нивелирования отрицательных эффектов вентиляции легких. В различных операционных используются сильно различающиеся значения дыхательного объема и положительного давления в конце выдоха. Несмотря на то, что было показано, что профилактическая вентиляция легких (дыхательный объем < 8 мл/кг) снижает смертность при остром респираторном дистресс-синдроме взрослых в условиях блока интенсивной терапии, использование высоких значений дыхательного объема при анестезии оказалось связано с активацией воспаления. Для более глубокого понимания этих отрицательных эффектов необходимы дальнейшие исследования.

Сниженный SvO₂. (истинное повышение ЕО₂). Достаточно трудно продумать путь, каким с помощью фармакологических воздействий можно воздействовать на SvO₂. И это несмотря на тот факт, что все анестетики, за исключением кетамина, снижают экстракционную способность. Следует помнить, что поддержание определенной степени ацидоза (7,25-7,38) или гиперкапнии (при отсутствии внутричерепной гипертензии) обеспечивает более удовлетворительную доставку кислорода к периферическим тканям без изменения кислород-связывающих процессов в легких. В случае изменения последних процессов поддержание нормокапнии и нормального рН достаточно опасно, так как чревато повреждением тканей легких, чего не случается при определенной степени ацидоза и/или гиперкапнии.

Улучшение микроциркуляции. Стимуляция микроциркуляции может улучшить перфузию периферических тканей и бассейнов, что в дальнейшем обеспечивает стимуляцию усвоения кислорода тканями. Улучшение микроциркуляции соответствует элиминации шунтов. Данный феномен аналогичен таковому, что наблюдается в легких, когда выравнивание соотношения вентиляция/перфузия улучшает газообмен и, таким образом, РаО₂.

Увеличенный сердечный выброс

Сердечный выброс зависит от частоты сердечных сокращений и ударного объема (SV). Ударный объем, в свою очередь, вычисляется следующим образом: конечный диастолический объем (EDV) минус конечный систолический объем (ESV). SV увеличивается за счет увеличения ESV или снижения EDV .

Увеличение конечного диастолического объема или преднагрузки.

Кривая Франка-Старлинга функции желудочка демонстрирует, что увеличение преднагрузки для сердца индуцирует выраженное увеличение SV с левой стороны кривой (зависимая от преднагрузки часть кривой). Данная зависимость от преднагрузки является физиологическим условием для функционирования сердечно-сосудистой системы, что позволяет организму адаптироваться к изменению венозного возврата настолько быстро, насколько возможно. Это необходимо для удовлетворения метаболических потребностей согласно уровню активности.

Уменьшение конечного систолического объема . Данная ситуация соответствует повышению сократимости и/или уменьшение обструкции выносящего отдела желудочка или постнагрузки. Стимуляция сократимости показана только в случае сердечной недостаточности, которая встречается достаточно часто при определенных заболеваниях. Использование препаратов с положительным инотропным эффектом для улучшения гемодинамики не показано пациентам с нормальной систолической функцией, так как эти препараты вызывают тахикардию и повышение потребления кислорода, что может нанести вред. Теоретически могут быть показаны вазодилататоры и препараты с отрицательным инотропным эффектом, но они часто вызывают гипотензию. Добутамин также может вызывать снижение артериального давления вследствие своих вазодилатирующих свойств.

Увеличение концентрации гемоглобина

Увеличение уровня гемоглобина может теоретически повлечь за собой увеличение DO₂. Так или иначе, увеличение гематокрита связано с увеличением вязкости крови, что ведет к росту постнагрузки и снижению реологических свойств крови. При проведении анестезии мы имеем обратную ситуацию, когда снижение концентрации гемоглобина (в условиях кровотечения) представляет более тяжелую сложную проблему. В случае острого кровотечения основная проблема заключается в том, что снижение циркулирующего объема крови влечет за собой снижение венозного возврата, сердечной преднагрузки и, таким образом, сердечного выброса. В таких условиях содержание гемоглобина снижается до уровня, когда доставка кислорода к клеткам осуществляется в недостаточной степени. Компенсация потерь циркулирующего объема крови за счет переливания жидкости без эритроцитов влечет за собой гемодилюцию. Сниженное содержание гемоглобина компенсируется (в терминах DO₂) за счет улучшения реологических свойств без нарушения доставки кислорода к периферическим тканям. У здоровых индивидуумов, у которых может поддерживаться нормальный объем крови, уровень гемоглобина может поддерживаться выше 7 г/дл; это также касается и условий блока интенсивной терапии. Напротив, у пациентов с тяжелым поражением коронарных артерий рекомендуется поддерживать уровень гемоглобина выше 10 г/дл. В интервале между этими двумя значениями следует определять наличие или отсутствие показаний к переливанию крови. Показания зависят от типа оперативного вмешательства и клинической ситуации (путем измерения SvO₂). Слишком низкое значение SvO₂ может свидетельствовать о необходимости переливания, даже в том случае, если достигнут безопасный уровень гемоглобина.