2 курс / Нормальная физиология / Физиологические_механизмы_компенсации_нарушенных_функций_системы

101

3) повышаются затраты энергии, расходуемой на дыхательные движения.

Данные компенсаторные механизмы снижают степень АГ. При этом центральные и исполнительные звенья дыхательной системы начинают функционировать на более высоком уровне активности. В целом это снижает функциональные резервы дыхательной системы, а, следовательно, ограничивает адаптационные возможности системы внешнего дыхания. Снижение резерва системы дыхания приводит к ограничению динамических показателей внешнего дыхания или динамических легочных объемов. Стоит отметить, что при ХБ и эмфиземе легкие вентилируются повышенным дыхательным объемом воздуха, что позволяет вовлекать в дыхание спавшиеся бронхи и служит важным компенсаторным механизмом снижения АГ (С.В. Клаучек, Е.В. Лифанова, 2005).

Рестриктивный (от лат. restrictio - ограничение) тип АГ. В основе рестриктивных нарушений вентиляции легких лежит ограничение их расправления в результате действия внутрилегочных и внелегочных причин.

а) Внутрилегочные причины рестриктивного типа АГ обеспечивают снижение дыхательной поверхности или (и) снижение растяжимости легких. Такими причинами являются: пневмонии, доброкачественные и злокачественные опухоли легкого, туберкулез легкого, резекция легкого, ателектазы, альвеолиты, пневмосклерозы, отек легкого (альвеолярный или интерстициальный), нарушение образования сурфактанта в легких (при гипоксии, ацидозе и др.), повреждение эластина легочного интерстиция (например, при действии табачного дыма). Снижение сурфактанта уменьшает способность легких растягиваться во время вдоха. Это сопровождается увеличением эластического сопротивления легких. В результате глубина вдохов уменьшается, а частота дыхания увеличивается. Возникает поверхностное частое дыхание.

б) Внелегочные причины рестриктивного типа АГ приводят к ограничению величины экскурсий грудной клетки и к снижению дыхательного объема. Такими причинами являются: патология плевры, нарушение подвижности грудной клетки, диафрагмальные нарушения, патология и нарушение иннервации дыхательной мускулатуры.

Типичным проявлением компенсаторных механизмов функции дыхания при рестриктивных типах АГ является частое и поверхностное дыхание. В механизме его возникновения ведущую роль играют рефлекторные реакции. При легочной гипертензии раздражаются юкстакакапиллярные или 1-рецепторы легких, которые рефлекторно при участии блуждающего нерва и бульбарного дыхательного центра вызывают поверхностное тахипноэ. Раздражение ирритантных рецепторов слизистых оболочек бронхиол, а также рецепторов плевры, например, при плевральном выпоте, рефлекторно вызывает поверхностное гиперпноэ (состояние,

характеризующееся увеличением глубины и (или) ЧД и приводящее к нарушениям тканевого обмена в результате снижения напряжения углекислого газа и сдвига кислотноосновного состояния крови в сторону ощелачивания), а также рефлекторно

102

усиливает бронхоконстрикцию и секрецию слизи (С.В. Клаучек, Е.В. Лифанова, 2005).

Гиповентиляция вследствие нарушения регуляции дыхания. Прежде всего следует отметить, что дыхание регулируется двумя анатомически отдельными, но интегрированными структурами ЦНС. Первая обозначается как система регуляции автоматического дыхания (мост мозга, продолговатый мозг); вторая – система регуляции произвольного дыхания (корковые, переднемозговые структуры). Каждая регулирующая система включает три основных звена: определенные структуры ЦНС; эффекторное звено (диафрагма, межреберные мышцы); нервно-рецепторное звено (периферические и центральные хеморецепторы, проприорецепторы, рецепторы легких и верхних дыхательных путей). Данный вид гиповентиляции обусловлен снижением активности дыхательного центра (ДЦ). ДЦ человека представляет собой функциональную совокупность нервных образований, расположенных на различных уровнях ЦНС: в спинном мозге, продолговатом мозге, Варолиевом мосту, буграх четверохолмия, коре головного мозга.

В течение длительного периода времени считали, что ДЦ расположен в продолговатом мозгу. При этом исследователи исходили из предположения, что за генерацию импульсов, запускающих дыхательные движения, отвечает небольшая, четко очерченная ядерная область («жизненный центр»). Однако в дальнейшем эти представления об отдельном «ДЦ» не подтвердились: было показано, что ритмичное чередование вдоха и выдоха обусловлено взаимодействием различных групп нервных клеток ствола мозга. Важные данные были получены в опытах на животных (собаках, кошках, кроликах и т.д.), у которых производили перерезку нервных структур и вели запись активности нейронов.

Выделяют несколько механизмов расстройств регуляции ДЦ, приводящих к его угнетению:

1.Дефицит возбуждающих афферентных влияний на ДЦ (при незрелости хеморецепторов у недоношенных новорожденных; при отравлениях наркотическими средствами или этанолом).

2.Избыток тормозных афферентных влияний на ДЦ (например, при сильных болевых ощущениях, сопровождающих акт дыхания, что отмечается при плевритах, травмах грудной клетки).

3.Непосредственное повреждение ДЦ при поражении мозга - травматическом, метаболическом, циркуляторном (атеросклероз сосудов мозга, васкулиты), токсическом, нейроинфекционном, воспалительном; при опухолях и отеке мозга; передозировке наркотических веществ, седативных препаратов и др.

Нервно-рефлекторный вид возбуждения ДЦ. Дыхательные движения являются раздражителями нервных окончаний - механорецепторов, расположенных в легких и плевре. Сигналы от механорецепторов к ДЦ передаются по блуждающему нерву. Раздражение легочных ветвей блуждающего нерва влечет за собой торможение вдоха. Рефлекторное

103

учащение дыхания происходит при раздражении хемо- и барорецепторов сосудистых рефлексогенных зон дуги аорты и каротидного синуса (место расширения общей сонной артерии перед разветвлением её на наружную и внутреннюю; важная рефлексогенная зона, участвующая в обеспечении постоянства артериального давления, работы сердца и газового состава крови). Повышение артериального давления в области каротидного синуса уменьшает легочную вентиляцию, а понижение давления вызывает обратный эффект. Активность нейронов ДЦ, а следовательно, глубина и частота дыхания могут изменяться рефлекторно под влиянием сигналов, поступающих от различных рецепторных зон организма (слизистой оболочки носа, гортани, внутренних органов - печени, почек, селезенки, матки, яичников, желудочно-кишечного тракта). Поражение этих органов, например при воспалении, может сопровождаться нарушением ритма и глубины дыхания. Раздражителями ДЦ являются также высокая температура и боль, вызывающие увеличение частоты дыхания.

Внешнее дыхание в широких пределах регулируется изменением частоты и глубины дыхания. Минутный объем легких (количество вдыхаемого в 1 мин воздуха) при спокойном дыхании у взрослого человека колеблется в пределах 6-8 л, а при усиленной работе может достигать 50-

60 л. Первой реакцией на недостаточное снабжение тканей кислородом обычно бывает усиление дыхания. Однако приспособительные механизмы организма этим не ограничиваются. Недостаток кислорода и увеличение

содержания углекислоты в крови вызывают возбуждение не только дыхательного, но и сосудодвигательного центра. Происходит стимуляция кровообращения. Все это ведет к улучшению транспорта кислорода от легких к тканям и более быстрому выведению из организма углекислоты. Длительное пребывание организма в условиях кислородного голодания и постоянное усиление дыхания, особенно у молодых людей, вызывают гиперплазию легочной ткани. Последнее приводит к увеличению дыхательной поверхности легких. Это наблюдается у альпинистов, систематически совершающих высотные восхождения.

Приспособительное значение имеет также увеличение числа эритроцитов и количества гемоглобина. Вначале это обусловлено выходом эритроцитов из кровяных депо и перераспределением крови. В дальнейшем наблюдается усиление кроветворной функции костного мозга. При недостатке кислорода в окружающем воздухе приспособительные реакции могут в значительной степени способствовать нормализации обеспечения тканей кислородом за счет увеличения минутного объема легких и усиления кровообращения. Однако приспособительные механизмы не всегда оказываются достаточными, и тогда отмечается расстройство дыхания.

105

физиологические реакции, направленные на снижение накопления СО2 (гиперкапния) в крови. Гиперкапния довольно эффективно компенсируется бикарбонатной буферной системой плазмы крови и гемоглобином эритроцитов.

При длительной АГ (хроническая дыхательная недостаточность) дыхательный ацидоз компенсируется другими механизмами (С.В.

Клаучек, Е.В. Лифанова, 2005):

1)увеличивается выведение Н+ через стенку почечных канальцев в виде аммония (NH4),

2)в проксимальном отделе нефронов усиливается реабсорбция ионов Na+ и секреция ионов Н. Секреция ионов Н усиливает реабсорбцию ионов гидрокарбонатов (НСО3) в канальцах почек, в результате НСО3 возрастает и рН поддерживается на нормальном уровне.

При пролонгировании АГ через сутки исчезают явления клеточного ацидоза, а дыхательный ацидоз становится компенсированным.

В компенсации нарушений функции внешнего дыхания особую роль играет сурфактант - вещество, жировой природы, которое выстилает изнутри альвеолы, уменьшает силу поверхностного натяжения, обеспечивает неспадение лёгочной ткани даже при самом глубоком выдохе. При вдохе лёгкие растягиваются, молекулы сурфактанта располагаются менее плотно, сила поверхностного натяжения несколько возрастает, эластическая тяга лёгких увеличивается. При выдохе - всё наоборот. Сурфактант вырабатывается пневмоцитами II типа. Так как активность сурфактанта быстро снижается, то его выработка - постоянный процесс, который увеличивается при возбуждении парасимпатической нервной системы (С.В. Клаучек, Е.В. Лифанова, 2005).

Значение сурфактанта:

-уменьшает силу поверхностного натяжения, особенно при выдохе;

-растворяет 02 и СО2, облегчая их диффузию через лёгочные мембраны;

-участвует в регуляции обмена воды;

-регулирует лёгочный кровоток (микроциркуляцию).

При патологии может возникнуть дефицит секреции сурфактанта или его инактивации. Сурфактант инактивируется при аспирации жидкости или транссудации жидкости на поверхность альвеол. Дефицит сурфактанта резко ухудшает компенсаторные резервы системы внешнего дыхания: повышается поверхностное натяжение альвеол, появляются микроателектазы. Наиболее важным механизмом компенсации недостатка сурфактанта легких является увеличение работы дыхательных мышц. Дополнительные энергозатраты на сокращение мышц вдоха (диафрагма, наружные межреберные мышцы, а также мускулатура верхнего плечевого пояса) позволяют поддерживать тот уровень альвеолярной вентиляции, который компенсирует гипоксемию.

В тяжелых случаях нарушения функции сурфактанта легких развивается их отек. Например, при дыхательном дистресс-синдроме новорожденных (болезнь гиалиновых мембран) настолько нарушается синтез сурфактанта,

106

что неэффективными становятся сокращения дыхательных мышц и легкие полностью не вентилируются воздухом.

Дефицит синтеза сурфактанта вызывает табачный дым, этиловый спирт, кислород под повышенным давлением, ионизирующая радиация, вирусные инфекции легких, нарушения легочной микроциркуляции.

НАРУШЕНИЯ ГАЗООБМЕНА И ПЕРФУЗИИ В ЛЕГКИХ

Обмен газов (О2 и СО2) в легких осуществляется путем диффузии через альвеолярно-капиллярную мембрану. Этот процесс зависит:

1.от альвеолярной вентиляции;

2.от диффузии газов через легочную паренхиму и плазму капилляров;

3.от химической реакции газов с различными компонентами крови;

4.от состояния кровотока в капиллярах легких.

Диффузионная способность легких для кислорода и углекислого газа – это объем газа, переносимого через мембрану аэрогематического барьера в минуту при градиенте давления газа, равного 1 мм. рт. ст. Согласно закону Фика, диффузионная способность легких пропорциональна градиенту концентрации газов (О2 и СО2), площади аэрогематического барьера, коэффициенту растворимости газа (О2 и СО2) в альвеолярно-капиллярной мембране и обратнопропорциональна толщине мембраны аэрогематического барьера.

Основу аэрогематического барьера составляет эпителий альвеол, эндотелий капилляров, которые лежат на собственной базальной мембране, между которыми находится интерстиций.

На сопротивление диффузии газов в легких влияют:

толщина альвеолярно-капиллярной мембраны;

внутрикапиллярные факторы.

Диффузия газов может ухудшаться:

-при увеличении отечности интерстиция легочной паренхимы;

-при увеличении слоя жидкости на поверхности альвеол.

Синдромы нарушения газообмена в легких:

одышка смешанного или экспираторного типа при обычных физических нагрузках;

увеличение скорости кровотока по большому и малому кругу кровообращения;

цианоз;

эритроцитоз и гипергемоглобинемия.

При отсутствии компенсаторной реакции развивается легочно-сердечная недостаточность.

Легочная перфузия. Величина легочного кровотока (перфузии) в покое составляет 5-6 л/мин, а движущей силой для него служит разница средних давлений всего около 8 мм рт. ст. (1 кПа) между легочной артерией и левым

107

предсердием. Следовательно, сопротивление легочных сосудов по сравнением с общим периферическим чрезвычайно мало. При тяжелой физической работе легочный кровоток увеличивается в четыре раза, а давление в легочной артерии – всего в два раза. Таким образом, с повышением скорости кровотока снижается сопротивление легочных сосудов.

Легочный кровоток отличается выраженной региональной неравномерностью, степень которой зависит в основном от положения тела. При его вертикальном положении основания легких снабжаются кровью значительно лучше, чем верхушки. Это связано с разницей в гидростатическом давлении: верхушки легких располагаются на 30 см выше оснований, и вследствие этого между сосудами этих отделов создается перепад гидростатического давления примерно 23 мм рт. ст. (3 кПа). Это означает, что артериальное давление в верхних отделах легких ниже, чем альвеолярное, поэтому капилляры здесь почти спавшиеся. В нижних же отделах капилляры более расширены, так как внутрисосудистое давление больше альвеолярного. Вследствие таких местных различий в сосудистом сопротивлении кровоток в пересчете на единицу объема легких почти линейно снижается в направлении от основания легких к их верхушкам. При физической нагрузке и при горизонтальном положении тела легочный кровоток более равномерен.

Нарушение диффузии через альвеолярно-капиллярную мембрану легких возникает при утолщении аэрогематического барьера или при уменьшении общей площади газообмена. Увеличение толщины альвеолярно-капиллярной мембраны (интерстициальный отек, фиброз) увеличивает время, необходимое для диффузии О2 через аэрогематический барьер. Повреждение альвеол, которое наблюдается, например, при эмфиземе, уменьшает поверхность диффузии. Однако нарушение диффузии редко является единственной причиной гипоксемии, также как и гиперкапнии. Это связано с тем, что СО2 более легко, чем О2 преодолевает аэрогематический барьер.

Отек легкого – это выход воды в легкие (рисунок 4.1). В зависимости от действия повреждающих факторов, вода может поступать только в интерстициальное пространство легких (интерстициальный отек) либо выходит через альвеолярно-капиллярную мембрану в альвеолы легких. В обоих случаях нарушается газообмен в легких и развивается гипоксемия.

108

Рисунок 4.1 – Отек легкого

В норме легкие содержат мало воды. Постоянство водного обмена в легких регулируется функцией лимфатической системы, капиллярного онкотического давления и капиллярной проницаемостью. Сурфактант легких ограничивает проницаемость воды в альвеолы. Однако наиболее часто встречающимися причинами отека легких являются:

1.Недостаточность левой половины сердца или повреждение митрального клапана, сопровождающиеся большим подъемом венозного и капиллярного давлений в легких и появлением жидкости в интерстиции и альвеолах.

2.Инфекционное поражение мембран капилляров кровеносной системы в легких (воспаление легких) или вдыхание ядовитых веществ (хлорин, диоксид серы). В этих случаях возникает быстрый выход белков и жидкости из крови как в интерстициальное пространство, так и в альвеолы легких.

Легочный отек может развиваться по трем ключевым механизмам:

1- Повышенный объем крови (повышенное гидростатическое давление). В результате резкого скачка давления в капиллярах, которые участвуют в образовании малого круга кровообращения, происходит нарушение проницаемости стенок капилляров с последующим выходом транссудата в легочную ткань, с которой лимфатической системе справиться не под силу. В результате жидкостью пропитываются альвеолы, а они в таком состоянии уже не способны продолжать участвовать в газообмене. Весь этот патологический процесс заканчивается гипоксией с последующим тяжелым удушьем и посинением тканей.

2- Сниженное онкотическое давление крови (низкий уровень белка). Возникает разница между двумя онкотическими давлениями - крови и межклеточной жидкости, и для сравнения этой разницы жидкая часть выходит из сосуда во внеклеточное пространство. Так развивается отек легких со всеми его симптомами.

3- Прямое повреждение альвеолокапиллярной мембраны. По различным причинам получает повреждения белковая структура альвеолокапиллярной мембраны, из-за чего жидкость выходит в легочную ткань.

109

В начальной стадии легочного отека избыток воды из интерстициального пространства дренируется в лимфатические сосуды и выводится из легких. Вода в избытке поступает в интерстиций легких, если гидростатическое давление в капиллярах легких превышает онкотическое давление плазмы крови, удерживающее воду в капиллярах. Интерстициальный отек легких нарушает диффузию газов через аэрогематический барьер. Интерстициальный легочный отек вызывает явление диспноэ, гипоксемию и увеличение работы дыхания. При интерстициальном легочном отеке жидкость накапливается в перибронховаскулярном пространстве, вызывая сдавление мелких дыхательных путей. В результате увеличивается сопротивление в периферических дыхательных путях. При повреждении интерстициальных структур, как правило, уменьшается количество альвеол в легких и количество перфузируемых капилляров (А.Л. Гребенев, 2001).

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ КОМПЕНСАЦИИ ПРИ ГИПОКСИИ, ГИПЕРКАПНИИ И ГИПЕРОКСИИ

ГИПОКСИЯ (кислородное голодание тканей) - это типический патологический процесс, возникающий в результате недостаточного снабжения тканей кислородом или нарушения использования его тканями.

Классификация типов гипоксии. В зависимости от причин, вызывающих гипоксию, принято различать два типа кислородной недостаточности:

I. В результате понижения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе. Гипоксия от понижения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе называется гипоксической, или экзогенной, развивается при подъеме на высоту, где атмосфера разрежена, и парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе снижено (например, горная болезнь). В эксперименте гипоксическая гипоксия моделируется при помощи барокамеры, а также с использованием дыхательных смесей, бедных кислородом.

II. Гипоксия при патологических процессах в организме.

1.Дыхательная гипоксия, или респираторная гипоксия, возникает при заболеваниях легких в результате нарушения внешнего дыхания, в частности нарушения легочной вентиляции, кровоснабжения легких или диффузии в них кислорода, при которых страдает оксигинация артериальной крови, при нарушениях функции ДЦ, при некоторых отравлениях, инфекционных процессах.

2.Кровяная гипоксия, или гемическая, возникает после острых и хронических кровотечений, анемий, отравлений окисью углерода и нитритами. Гемическая гипоксия подразделяется на анемическую гипоксию

игипоксию вследствие инактивации гемоглобина. В патологических условиях возможно образование таких соединений гемоглобина, которые не

110

могут выполнять дыхательную функцию. Таким является карбоксигемоглобин - соединение гемоглобина с окисью углерода (СО); отравление наступает при ничтожных концентрациях СО в воздухе. При отравлении нитритами, анилином образуется метгемоглобин, в котором трехвалентное железо не присоединяет кислород.

3.Циркуляторная гипоксия возникает при заболеваниях сердца и кровеносных сосудов и обусловлена в основном уменьшением минутного объема сердца и замедлением кровотока. При сосудистой недостаточности (шок, коллапс) причиной недостаточности доставки кислорода к тканям является уменьшение массы циркулирующей крови.

4.Тканевая гипоксия возникает при отравлениях некоторыми ядами, при авитаминозах и при некоторых видах гормональной недостаточности и представляет собой нарушения в системе утилизации кислорода. При этом виде гипоксии страдает биологическое окисление на фоне достаточного снабжения тканей кислородом. Причинами тканевой гипоксии являются снижение количества или активности дыхательных ферментов, разобщение окисления и фосфорилирования.

В возникновении тканевой гипоксии может иметь значение активация перекисного свободнорадикального окисления, при котором органические вещества подвергаются неферментативному окислению молекулярным кислородом. Перекиси липидов вызывают дестабилизацию мембран, в частности, митохондрий и лизосом. Активация свободнорадикального окисления, а, следовательно, и тканевой гипоксии, наблюдается при дефиците его естественных ингибиторов: токоферолов, рутина, убихинона, глутатиона, серотонина, некоторых стероидных гормонов, при действии ионизирующего излучения, при повышении атмосферного давления.

5.Смешанная гипоксия характеризуется одновременным нарушением функций двух или трёх систем органов, обеспечивающих снабжение тканей кислородом. Например, при травматическом шоке одновременно с уменьшением массы циркулирующей крови / циркуляторная гипоксия / дыхание становится частым и поверхностным / дыхательная гипоксия /, вследствие чего нарушается газообмен в альвеолах. Если при шоке наряду с травмой имеется кровопотеря, возникает кровяная гипоксия.

6.Гипоксия нагрузки развивается на фоне достаточного или даже повышенного снабжения тканей кислородом. Однако повышенное функционирование органа и значительно возросшая потребность в кислороде могут привести к неадекватному кислородному снабжению и развитию метаболических нарушений, характерных для истинной кислородной недостаточности. Примером могут служить чрезмерные нагрузки в спорте, интенсивная мышечная работа.

Острая и хроническая гипоксия

1. Острая гипоксия возникает чрезвычайно быстро и может быть вызвана вдыханием таких физиологически инертных газов, как азот, метан и гелий. Экспериментальные животные при дыхании этими газами погибают через 45-90 секунд, если не возобновляется подача кислорода. При острой