В 1872 году известный немецкий физиолог Pflüger E.F. писал: «…главная тайна регуляции количества кислорода, потребляемого организмом, заключается в том, что оно определяется только самой клеткой… Содержание кислорода в артериальной крови, давление в аорте, скорость кровотока, тип дыхания – все они второстепенны и подчинены одной цели – обслуживание клеток…». Намного опережая свое время, ученый сформулировал главную задачу кровообращения: доставка кислорода
в количестве, соответствующем потребностям конечных получателей, которыми являются митохондрии клеток.
В процессе интенсивной терапии наши усилия направлены на оптимизацию доставки кислорода к органам и тканям, придерживаясь при этом основного лечебного принципа: «не навреди». Однако кажущаяся адекватность доставки кислорода, рассчитанной с учетом сердечного выброса, насыщения артериальной крови кислородом, концентрации гемоглобина и прочих параметров, еще не гарантирует нам того, что доставка кислорода сбалансирована и соответствует реальным потребностям внутреннего дыхания. Более того, некоторые критические состояния сопровождаются нарушением экстракции кислорода. При этом потребление O2 может быть нарушено, поскольку клетки не могут извлечь кислород из крови даже на фоне адекватной микроциркуляции.
Цель метаболического мониторинга состоит в непрерывном контроле над балансом доставки кислорода и его потребления. В сочетании с рассмотренными гемодинамическими показателями этот вид мониторинга может быть серьезным подспорьем в уточнении гемодинамического профиля и механизма шока, а также в проведении неотложной целенаправленной терапии критических состояний. Системные проявления неадекватной перфузии тканей многогранны и могут быть оценены на основании различных групп показателей.
ФИЗИОЛОГИЯ ТРАНСПОРТА КИСЛОРОДА
Кислородный баланс является ключевым показателем жизнеобеспечения. Адекватное поступление кислорода к тканям – непреложное условие поддержания их функциональной активности, но оценка этого показателя при критических состояниях сопряжена с рядом сложностей. Мы можем оценить потенциал доставки O2 путем исследования крови на транспортном отрезке артериального русла, что, однако, не позволяет нам оценить адекватность распределения этой крови на уровне капилляров и реальную потребность тканей в кислороде – их метаболический запрос. При этом следует помнить, что в нормальных условиях доставка кислорода всегда превышает его потребление.
После вдыхания воздуха, парциальное давление кислорода (PO2) в котором составляет 150–160 мм рт. ст., происходит его увлажнение и смешивание с газом мертвого пространства, что ведет к уменьшению PO2 на уровне альвеолярного газа до 100–120 мм рт. ст. Альвеолокапиллярный барьер и внутрилегочное шунтирование ведут к дальнейшему снижению PO2 до 90–100 мм рт. ст. в артериальной крови. Далее, на пути к митохондриям наблюдается прогрессирующее снижение PO2, в результате чего внутреннее дыхание функционирует при значениях PO2 порядка 10 мм рт. ст. Данный феномен носит название «кислородный каскад» и является одним из факторов, объясняющих, почему доставка кислорода в несколько раз превышает его потребление (рисунок 1).
Рисунок 1. Кислородный каскад и газообмен на клеточном уровне
В крови O2 переносится в двух формах: связанный с гемоглобином (98%) и растворенный в плазме (2%). Основное количество O2 переносится именно в связанном с гемоглобином виде, при этом степень его насыщения кислородом составляет для артериальной крови 98–100%. Количество физически растворенного в крови кислорода мало и не играет значимой роли в его транспорте: при PaO2 100 мм рт. ст. в литре крови растворено всего 3,1 мл O2. Если бы гемоглобина не существовало, адекватная доставка кислорода была бы возможной лишь при сердечном выбросе, превышающем 120 л/мин!
Сатурация (SO2) является мерой насыщения гемоглобина кислородом (каждая молекула Hb может обратимо связывать 4 молекулы O2) и выражается в процентном соотношении концентрации оксигенированного гемоглобина к общему его количеству:
где SO2 – насыщение крови кислородом; HbO2 – фракция оксигенированного гемоглобина; Hb – фракция деоксигенированного гемоглобина; 100 – индекс пересчета в проценты.
Динамическая взаимосвязь между PO2 и SO2 может быть графически представлена при помощи кривой диссоциации оксигемоглобина, которая имеет S-образную форму (рисунок 2).
Рисунок 2. Кривая диссоциации оксигемоглобина и ее характеристики:
А – кривая диссоциации оксигемоглобина и содержание кислорода в крови;
Б – смещение кривой диссоциации оксигемоглобина (сдвиг P50) облегчает захват O2 в легких и способствует диссоциации Hb-O2 на уровне тканей. На «артериальном» сегменте кривой существенное изменение PaO2 сопровождается незначительным сдвигом SO2. На «венозном» сегменте, напротив, небольшие изменения PO2 сопряжены с выраженным отклонением SO2
Форма кривой отражает условия, необходимые для облегчения захвата O2 в легких (ассоциация Hb и O2) и высвобождения в тканях (диссоциация HbO2). Для простоты восприятия кривая диссоциации оксигемоглобина может быть разделена на два сегмента: сегмент ассоциации (артериальная кровь) и сегмент диссоциации (венозная кровь). Первый из них соответствует уплощенной части кривой (плато) и отражает связывание O2 и Hb в легких. Снижение PaO2 со 100 до 55–60 мм рт. ст. сопровождается незначительным изменением SaO2, что стабилизирует транспорт O2 на фоне неизбежных колебаний PO2 в альвеолах (PAO2). Второй, пологий сегмент кривой сатурации соответствует PO2 венозной крови (PvO2) и отражает высвобождение O2 в тканях. На этом участке даже незначительный сдвиг PO2 сопровождается выраженным изменением сатурации, в данном случае венозной (SvO2). Данный феномен облегчает отдачу O2 на периферии, где градиент PO2 относительно невелик. Доставка O2 пропорциональна СВ и содержанию O2 в артериальной крови (CaO2):
Читайте также: Ткань для перетяжки обшивок
DO2 = CВ × CaO2,
где DO2 – доставка кислорода (мл/мин); СВ – сердечный выброс (л/мин); CaO2 – содержание O2 в артериальной крови (мл/л).
Содержание кислорода в крови (content, CO2) представляет его общее количество и выражается в объемных процентах (об.%, мл/дл) или мл O2 в 1 л крови (мл/л). Содержание O2 может быть рассчитано для артериальной (CaO2) и венозной крови (CvO2).
где CaO2 – содержание O2 в артериальной крови (мл/л); 1,34 – константа Гюффнера (может варьировать от 1,34 до 1,39); Hb – концентрация гемоглобина в крови (г/л); SO2 – насыщение гемоглобина крови кислородом (%); PaO2 – парциальное давление кислорода в крови (мм рт. ст.); 0,031 – коэффициент пересчета. Для расчета содержания O2 в артериальной (CaO2) или венозной (CvO2) крови подставляются соответствующие значения PO2 и SO2.
Как уже указывалось выше, количеством растворенного O2 можно пренебречь, ошибка при этом не превысит 2–3%. Исходя из условия расчета CaO2, доставка O2 к тканям может быть рассчитана при помощи следующего уравнения:
где DO2 – доставка O2 с артериальной кровью (мл/мин); 1,34 – константа Гюффнера; Hb – концентрация гемоглобина в крови (г/л); SaO2 – насыщение гемоглобина артериальной крови кислородом (%); СВ – сердечный выброс (л/мин); 100 – индекс пересчета единиц.
При значении СВ около 5 л/мин и CaO2 около 200 мл/л крови (20 об.%) с артериальной кровью за минуту переносится около 1000 мл O2. В норме CvO2 в венозной крови составляет 145–160 мл/л, что обеспечивает минутный возврат 750–780 мл O2.
Таким образом, в состоянии покоя организм использует лишь около 25% доставленного O2, при этом SvO2 составляет 70–80%. При повышении активности и стрессовой нагрузке потребление кислорода может значительно возрастать (таблица 1).
Таблица 1. Состояния и условия, повышающие потребность в кислороде
Потребление O2 (VO2) – это реально используемое клетками количество O2. В нормальных условиях потребление и потребность в O2 эквивалентны. При критических состояниях потребность в O2 (метаболический запрос) может превышать его потребление (захват), что сопровождается тканевой гипоксией. Реальное потребление кислорода, как и его доставка, измеряется в мл/мин и рассчитывается как разность между артериальным и венозным транспортом O2:
СВ × Hb × 1,34 × (SaO2 – SvO2) / 100,
где VO2 – потребление кислорода (мл/мин); СВ – сердечный выброс (л/мин); CaO2 и CvO2 – содержание O2, соответственно, в артериальной и смешанной венозной крови (мл/л); Hb – концентрация гемоглобина (г/л); 1,34 – константа Гюффнера (может варьировать от 1,34 до 1,39); SaO2 и SvO2 – насыщение O2, соответственно, артериальной и смешанной венозной крови (%); 100 – индекс пересчета единиц.
В покое организм потребляет 220–250 мл O2 в минуту. В норме потребление O2 не зависит от его доставки, пока DO2 не достигнет определенного порогового (критического) значения (DO2CRIT). Вместе с тем при критических состояниях соотношение между доставкой и потреблением O2 может становиться линейным (рисунок 3).
Рисунок 3. Соотношение между доставкой и потреблением кислорода:
А – диаграмма, описывающая взаимосвязь между доставкой и потреблением кислорода. Пока DO2 выше критического значения (DO2CRIT), потребление O2 не зависит от DO2 (горизонтальная часть кривой), что обусловлено компенсаторным повышением экстракции O2 (O2ER);
Б – при критическом падении доставки или потребления O2 возникает задолженность, которая затем компенсируется посредством периода повышенного потребления O2, при этом S1 = S2
Расчет формальных значений DO2 и VO2 не сопряжен со значительными трудностями, однако эти показатели не находят особого практического применения. Мы не можем судить, как изменяется внутреннее дыхание на уровне отдельно взятых «органов-мишеней» только на основании усредненных, глобальных значений DO2
или VO2. Вместе с тем оценка дисбаланса между доставкой и потребностью в O2 может быть исключительно важна, поскольку позволяет на раннем этапе выявить и оценить тяжесть глобальной дизоксии. В ответ на дисбаланс между потребностью в O2 и его доставкой организм отвечает запуском ряда компенсаторных механизмов, к которым относятся повышение СВ, усиление экстракции O2 и перераспределение кровотока в те органы и ткани, где потребность в нем наиболее высока.
Потребление O2 определяется потребностью тканей в активности окислительного фосфорилирования и зависит от вида и функциональной активности ткани в данный момент времени. Этот процесс может быть охарактеризован при помощи таких показателей, как экстракция кислорода (O2ER, O2 extraction ratio) и индекс экстракции кислорода (O2EI, O2 extraction index); в покое эти показатели составляют соответственно 20–30% и 20–25%:
Читайте также: Противопожарные средства для обработки ткани
где O2ER – экстракция кислорода (%); VO2 – потребление кислорода (мл/мин); DO2 – доставка кислорода (мл/мин); CaO2 – содержание кислорода в артериальной крови (мл/л); CvO2 – содержание кислорода в смешанной венозной крови (мл/л); O2EI – индекс экстракции O2; SaO2 – насыщение гемоглобина артериальной крови кислородом (%); SvO2 – насыщение гемоглобина смешанной венозной крови кислородом (%); 100 – коэффициент пересчета в проценты.
Обычно потребление кислорода не зависит от его доставки, что обеспечивается механизмом метаболической ауторегуляции клетки, заключающемся в усилении экстракции кислорода при снижении DO2. Однако этот механизм имеет свои пределы и может резко нарушаться при критических состояниях, когда говорят о возникновении зависимости VO2 от DO2 (рисунок 3).
Кислород в ткани рисунки
а) Транспорт кислорода артериальной кровью. Около 98% объема крови, входящей в левое предсердие после прохождения легких, прошло через легочные капилляры и было оксигенировано до PO2, равного приблизительно 104 мм рт. ст. Оставшиеся 2% объема крови ушли из аорты в бронхиальное кровообращение, которое снабжает в основном глубокие ткани легких, и не вошли в контакт с альвеолярным воздухом. Эту часть кровотока в легких называют «шунтирующей», т.к. она направляется мимо газообменных участков легких.
На выходе из легких напряжение кислорода шунтированной крови находится примерно на уровне нормальной системной венозной крови — около 40 мм рт. ст. При смешивании этой крови в легочных венах с оксигенированной кровью из альвеолярных капилляров эта так называемая венозная примесь крови приведет к снижению PO2, входящей в левую половину сердца и выбрасываемой оттуда в аорту крови, примерно до 95 мм рт. ст. Эти изменения PO2 в крови в разных точках системы кровообращения показаны на рисунке ниже.
Изменения PO2 в капиллярной крови легких, системной артериальной крови и системной капиллярной крови, демонстрирующие эффект «венозной примеси» (смесь с легочной шунтовой кровью) 
Диффузия кислорода из тканевого капилляра к клеткам (PO2 в интерстициальной жидкости — 40 мм рт. ст., в клетках ткани — 23 мм рт. ст.)
б) Диффузия кислорода из периферических капилляров в тканевую жидкость. При достижении артериальной кровью периферических тканей PO2 в ней находится на уровне 95 мм рт. ст. На рисунке выше видно, что в окружающей тканевые клетки интерстициальной жидкости PO2 достигает только 40 мм рт. ст. Таким образом, имеется большой градиент давления, под влиянием которого кислород начинает быструю диффузию из капиллярной крови в ткани — настолько быструю, что PO2 в капиллярах почти сравняется с PO2 (40 мм рт. ст.) в интер-стиции, поэтому PO2 в крови, покидающей капилляры и поступающей в системные вены, составляет около 40 мм рт. ст.
1. Влияние скорости кровотока на PO2 интерстициальной жидкости. Если кровоток через какую-нибудь ткань повышается, в ткань попадает большее количество кислорода, и PO2 в ткани, соответственно, повышается. Обратите внимание, что повышение кровотока до 400% относительно кровотока в покое повышает PO2 от 40 мм рт. ст. до 66 мм рт. ст.. Однако высшей границей для подъема PO2 даже при максимальном кровотоке является 95 мм рт. ст., т.к. это является парциальным давлением кислорода в артериальной крови. Соответственно, при понижении кровотока в ткани снижается и PO2 в ткани.
Влияние кровотока и скорости потребления кислорода на PO2 в ткани
2. Влияние интенсивности тканевого метаболизма на PO2 интерстициальной жидкости. Если клеткам для метаболизма потребуется больше кислорода, чем обычно, то PO2 в интерстициальной жидкости снижается. Это влияние также видно на рисунке выше, где при повышении потребления кислорода клетками прослеживается снижение PO2 в интерстициальной жидкости и повышение его при снижении потребления.
Читайте также: Ткань для обивки мебели розовая
В итоге величина PO2 ткани определяется равновесием между:
(1) скоростью транспорта кислорода кровью в ткани;
(2) скоростью потребления кислорода тканями.
в) Диффузия кислорода из периферических капилляров в клетки ткани. Клетки непрерывно потребляют кислород. Следовательно, PO2 в клетках периферических тканей постоянно ниже, чем PO2 в периферических капиллярах, поэтому нормальное PO2 внутри клеток может оказаться как низким (5 мм рт. ст.), так и довольно высоким (40 мм рт. ст.) и в среднем (при прямом измерении у низших животных) составляет 23 мм рт. ст. Обычно для полного обеспечения кислородом клеточных процессов вполне достаточно PO2, равного 1-3 мм рт. ст.
г) Диффузия двуокиси углерода из клеток периферических тканей в капилляры и из легочных капилляров в альвеолы. Кислород в клетках практически весь превращается в двуокись углерода, в результате в клетке повышается PCO2. Из-за повышения PCO2 двуокись углерода диффундирует из клеток в тканевые капилляры и переносится кровью в легкие. Там она диффундирует из легочных капилляров в альвеолы и выводится из легких.
Таким образом, в каждой точке транспортного конвейера направление диффузии двуокиси углерода прямо противоположно направлению диффузии кислорода. Но в процессе диффузии двуокиси углерода и кислорода имеется одно большое различие: скорость диффузии двуокиси углерода примерно в 20 раз выше, чем скорость диффузии кислорода, поэтому градиенты давления, необходимые для диффузии двуокиси углерода, в каждой точке намного меньше таковых для диффузии кислорода. Парциальное давление CO2 в разных точках имеет приблизительно следующие значения.
1. PCO2 внутри клетки равно 46 мм рт. ст., PCO2 в интерстициальной ткани — 45 мм рт. ст. Таким образом, градиент составляет только 1 мм рт. ст. (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже)
Связывание двуокиси углерода кровью в тканевых капиллярах (PCO2 в клетках ткани — 46 мм рт. ст., в интерстициальной жид кости — 45 мм рт ст.)
2. PCO2 в артериальной крови, поступающей в ткани, равно 40 мм рт. ст., PCO2 в венозной крови, покидающей ткани, — 45 мм рт. ст. Таким образом, PCO2 крови в тканевых капиллярах практически уравновешивается с PCO2 в интерстициальной ткани (45 мм рт. ст.).
3. PCO2 крови, поступающей в артериальный конец легочных капилляров, равно 45 мм рт. ст.;
PCO2 в альвеолярном воздухе — 40 мм рт. ст. Таким образом, для обеспечения всей необходимой диффузии двуокиси углерода из легочных капилляров в альвеолы достаточно градиента парциального давления двуокиси углерода, равного 5 мм рт. ст. Далее (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже) PCO2 в крови легочных капилляров падает и становится практически равным PCO2 в альвеолярном воздухе (40 мм рт. ст.) прежде, чем эта кровь пройдет через первую треть капилляра. Такую же картину мы наблюдали ранее при рассмотрении процесса диффузии кислорода, но только в противоположном направлении.
Диффузия двуокиси углерода из капиллярной крови в альвеолу 
Влияние кровотока и скорости метаболизма на PCO2 в периферической ткани
д) Влияние интенсивности метаболизма ткани и тканевого кровотока на PCO2 интерстициальной ткани. Капиллярный кровоток в ткани и метаболизм ткани оказывают на PCO2 действие, противоположное их влиянию на PO2 в ткани. На рисунке выше показано, что:
1. Снижение кровотока от нормального уровня до 1/4 нормы приводит к повышению PCO2 в периферической ткани от нормы 45 мм рт. ст. до 60 мм рт. ст., а повышение кровотока в 6 раз относительно нормы (точка В) снижает PCO2 в интерстициальной ткани от 45 мм рт. ст. до 41 мм рт. ст., что почти равно PCO2 во входящей в тканевые капилляры артериальной крови (40 мм рт. ст.).
2. Повышение интенсивности метаболизма ткани в 10 раз намного повышает PCO2 в интерстициальной жидкости при всех уровнях кровотока, а снижение метаболизма до 1/4 от нормального уровня вызывает падение PCO2 в интерстициальной жидкости примерно до 41 мм рт. ст., что близко к уровню PCO2 в артериальной крови (40 мм рт. ст.).
Видео физиология газообмена в легких и транспорта газов кровью — профессор, д.м.н. П.Е. Умрюхин
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021