1

А.Г.Чучалин, З.Р. Айсанов, А.В.Черняк, Ж.К.Науменко, С.Н.Авдеев,

Г.В.Неклюдова.

ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ Александр Григорьевич ЧУЧАЛИН

1. КРАТКИЙ ОБЗОР (З.Р. Айсанов)

1.1. Альвеолярно-капиллярный барьер

1.2. Дыхательные пути и вентиляция

1.3. Защитные механизмы дыхательной системы

2. ФИЗИКА ГАЗА (А.В.Черняк)

2.1. Давление, объем и температура газа

2.2. Водяной пар

2.3. Давление и парциальное давление

2.4. Объемы

2.5. Газы в жидкостях

2.7. Масса газа (количество газа)

2.8. Атмосферный воздух

3. СТАТИЧЕСКИЕ ЛЕГОЧНЫЕ ОБЪЕМЫ (А.В.Черняк)

3.1. Спирометрия

3.2. Измерение общей емкости легких и ее структуры

3.3. Должные значения

4. МЕХАНИКА ДЫХАНИЯ (А.В.Черняк)

4.1. Дыхательные мышцы

4.1.1. Анатомия и физиология дыхательных мышц

4.1.2. Измерение силы дыхательных мышц

4.2. Эластичность и растяжимость дыхательной системы

4.2.1. Изменение давлений во время дыхания

4.2.2. Эластичность и растяжимость легких

4.2.3. Эластические свойства грудной клетки и дыхательной системы

4.3. Сопротивление дыхательных путей

4.3.1. Типы потока воздуха в трубке

4.3.2. Сопротивление потоку воздуха в дыхательных путях

4.3.3. Факторы, определяющие сопротивление дыхательных путей

4.4. Форсированный выдох

4.5. Максимальная произвольная вентиляция легких

4.6. Работа дыхания

4.7. Патофизиологические нарушения вентиляционной способности легких

5. ВЕНТИЛЯЦИЯ И ГАЗООБМЕН В ЛЕГКИХ (А.В.Черняк)

5.1. Легочная вентиляция

5.2. Отношение респираторного обмена

5.3. Мертвое пространство и альвеолярная вентиляция

5.3.1. Мертвое пространство

2

5.3.2. Общая и альвеолярная вентиляция

5.3.3. Отношение между альвеолярной вентиляцией, альвеолярным парциальным

давлением О2 и альвеолярным парциальным давлением СО2

5.3.4. Расчет объема мертвого пространства

5.4. Уравнение альвеолярного воздуха

5.5. Гипо- и гипервентиляция

6. КРОВОСНАБЖЕНИЕ ЛЕГКИХ (Ж.К.Науменко)

6.1. Факторы, влияющие на просвет сосудов

6.1.1. Экстра-альвеолярные сосуды

6.1.2. Альвеолярные сосуды

6.1.3. Угловые сосуды

6.2. Сосудистое сопротивление в системе легочной артерии

6.2.1. Механизмы регуляции сосудистого сопротивления в легких

6.2.2. Влияние гипоксии на сосудистое сопротивление в легких

6.2.3. Нервная регуляция сосудистого сопротивления в легких

6.3. Региональные различия легочного кровотока

7. ТРАНСПОРТ ГАЗОВ КРОВЬЮ (С.Н.Авдеев)

7.1. Транспорт кислорода

7.1.1. Растворенный О2

7.1.2. Кислород, связанный с гемоглобином

7.1.3. Кислородная емкость крови и насыщение гемоглобина кислородом

7.1.4. Сатурационная кривая О2

7.1.5. Факторы, влияющие на связывание гемоглобином кислорода

7.1.6. Неактивные формы гемоглобина

7.2. Транспорт углекислого газа

7.2.1. СО2 находится в крови в трех формах

7.2.2. Сатурационная кривая СО2

7.2.3. Процессы обмена СО2 в большом и малом круге кровообращения

7.2.4. Кривая связывания СО2 проходит более вертикально, чем кривая связывания

О2

8. ДИФФУЗИЯ ГАЗОВ ЧЕРЕЗ АЛЬВЕОЛЯРНО-КАПИЛЛЯРНУЮ МЕМБРАНУ (С.Н.Авдеев)

8.1. Диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану

8.2. Распределение парциального давления в легочных капиллярах

9. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕНТИЛЯЦИИ И ПЕРФУЗИИ (Г.В.Неклюдова)

9.1. Неравномерное распределение вентиляции и перфузии в легких

9.2. Как влияет региональная неравномерность VA/Q

на общий легочный газообмен?

9.3. Механизмы регуляции неравномерности VA/Q

9.4. Гиповентилированные области и венозное примешивание. Гипервентилированные

области и альвеолярное мертвое пространство

9.5. Оценка выраженности неравномерности VA/Q

10. ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ГАЗЫ КРОВИ: НОРМАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ И

НАРУШЕНИЯ (Г.В.Неклюдова)

3

10.1. Как различит причины артериальной гипоксемии?

10.2. Гиповентиляция

11. КОНТРОЛЬ ДЫХАНИЯ (С.Н. Авдеев)

11.1. Компоненты контроля дыхания

11.1.1. Респираторные сенсоры

11.1.1.1. Периферические артериальные хеморецепторы

11.1.1.2. Центральные хеморецепторы

11.1.1.3. Внутрилегочные рецепторы

11.1.1.4. Механорецепторы грудной клетки и мышц

11.1.2. Центральный контролирующий механизм (центральный ритмогенез)

11.1.3. Эффекторная система

11.2. Интегрированные ответы контроля дыхания

11.2.1. Реакция на изменение СО2

11.2.2. Реакция на изменение О2

11.2.3. Реакция на изменение рН

12. ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ (Ж.К. Науменко)

12.1. Транспорт кислорода кровью от альвеол до капилляров тканей

12.2. Диффузия кислорода из капилляров большого круга кровообращения в клетки и их

митохондрии

12.3. Химические реакции О2 с цитохромной системой митохондрии и выработка энергии

(образование АТФ)

12.4. Нарушения обеспечения тканей О2

12.4.1. Гипоксемическая гипоксия

12.4.2. Гемическая (или анемическая) гипоксия

12.4.3. Циркуляторная гипоксия

12.4.4. Гистотоксическая гипоксия

12.5. Энергетические резервы организма при недостатке кислорода

12.6. Функциональные нарушения и смерть клетки при недостатке О2

12.7. Токсическое действие кислорода

13. ДЫХАНИЕ В НЕОБЫЧНЫХ УСЛОВИЯХ (З.Р. Айсанов)

13.1. Дыхание при подъеме на высоту

4

1. Краткий обзор (З.Р. Айсанов)

Доставка кислорода из внешней среды к тканям и выведение из них образовавшейся

углекислоты осуществляется посредством процесса газообмена. В результате процесса

вентиляции легких кислород из внешней среды поступает в альвеолярное пространство.

Вентиляция и перфузия являются основными механизмами, ответственными за

выполнение главной функции легких – газообмен. Легочная перфузия осуществляется

таким образом, чтобы обеспечить достаточный приток крови к хорошо вентилируемым

альвеолярным пространствам легких. Анатомическое строение сосудов легкого,

распределение легочного кровотока, регулирующие и приспособительные механизмы

контроля легочного кровообращения направлены на то, чтобы поддержать нормальное

соотношение вентиляции и перфузии и обеспечить адекватное содержание кислорода в

крови в различных условиях.

В настоящем разделе рассказывается о процессе дыхания, которое включает в себя:

внешнее дыхание – процесс воздухообмена между внешней средой и альвеолярным

пространством легких;

диффузию газов в легких – газообмен между воздухом в альвеолах и кровью

транспорт газов кровью

диффузию газов из кровяного русла в ткань

клеточное дыхание (потребление ими кислорода и выделение углекислоты)

1.1. Альвеолярно-капиллярный барьер

Основной функцией легких является газообмен, позволяющий кислороду поступать из

окружающей среды в кровь, а углекислоте выводиться из организма. Газы перемещаются

между кровотоком и воздухом за счет пассивной диффузии из областей с высоким

парциальным давлением, в области – с низким. Барьер между газом и кровью (альвеоло-

капиллярная мембрана) очень тонок (около 0,3 мкм), однако обладает большой суммарной

площадью (50-100 м2). В соответствии с законом Фика объем газа, пересекающего

мембрану прямо пропорционален ее площади и обратно пропорционален толщине. В

связи с этим альвеоло-капиллярная мембрана может считаться идеальной для

осуществления газообменной функции.

Очень важным для понимании газообмена является понятие парциального давления.

Парциальное давление любого газа является произведением концентрации на общее

давление. Парциальное давление увлажненного вдыхаемого воздуха составляет 20,9/100 ×

5

713 =159 мм рт ст. Когда воздух поступает в верхние дыхательные пути он согревается и

увлажняется водяными парами. Парциальное давление водяного пара при 37 градусах

составляет 47 мм рт ст. В этих условиях общее давление сухой газовой смеси составляет

760-47=713 мм рт ст. Парциальное давление (РО2) увлажненного вдыхаемого воздуха,

таким образом будет равняться 20,9/100 × 713=149 мм рт ст.

В идеальных условиях вытекающая легочная венозная кровь (которая становится

артериальной кровью системного кровотока) будет иметь то же парциальное давление

кислорода, что и альвеолярный газ, а именно 100 мм. рт. ст. Это очень близко к тому, что

происходит в здоровом легком. Однако, когда артериальная кровь достигает

периферических тканей, отмечается существенное падение РО2 на пути к митохондриям.

Движение кислорода в периферических тканях осуществляется за счет пассивной

диффузии, и РО2 в митохондриях, естественно, имеет более низкие значения, чем в

артериальной или смешанной венозной крови. На самом деле, РО2 в митохондриях может

существенно варьировать в пределах организма, т.к. оно зависит от типа ткани и уровня

потребляемого ею кислорода. Тем не менее, необходимо всегда учитывать, что

митохондрии являются основной конечной целью всей системы транспорта кислорода, и

любое падение парциального давления, вызванное например недостаточностью

газообмена, неизбежно приведет к снижению тканевого РО2.

Рис.1. Транспортная система дыхания, включающая систему внешнего дыхания, систему кровообращения и

систему клеточного дыхания.

6

На рис. 1 показан кислородный каскад, начиная с воздуха, который поступает с легкие и

заканчивая митохондриями, где кислород утилизируется. Сплошная линия обозначает

идеальную ситуацию. Важной ступенью в этом каскаде является то, что парциальное

давление кислорода по пути к альвеолам падает от 150 до 100 мм рт.ст. Причиной этого

падения является то, что в альвеолах парциальное давление газа обусловлено двумя

факторами: доставкой кислорода за счет альвеолярной вентиляции и его удаление за счет

захвата легочным кровотоком.

Но процесс вентиляции не является постоянным, а капиллярный поток носит пульсовой

характер. Однако, легочный объем достаточно велик, чтобы ослабить эти колебания.

Результатом является то, что альвеолярное РО2 колеблется в пределах 3-4 мм рт.ст. с

каждым дыхательным циклом, и значительно меньше с каждым сердечным циклом.

Таким образом, и альвеолярная вентиляция и капиллярный кровоток могут считаться

постоянными стабильными процессами с точки зрения газообмена.

Для углекислоты имеет место обратный процесс. СО2 практически отсутствует во

вдыхаемом воздухе, а уровень альвеолярного РСО2 составляет около 40 мм рт.ст. В норме

артериальное и альвеолярное РСО2 приблизительно одинаковы, в то время как РСО2

смешанной венозной крови колеблется в пределах 45-47 мм рт.ст. РСО2 тканей по всей

видимости достаточно вариабельно, и зависит, например, от состояния метаболизма. Тем

не менее, любое проявление неэффективности легких в отношении выведения СО2

приводит к повышению РСО2 в тканях.

Так как кислород, углекислота и другие газы пересекают альвеоло-капиллярный барьер

путем простой диффузии, то происходит это в соответствии с законом Фика, согласно

которому скорость переноса газа через слой ткани (Vgas) прямо пропорционален площади

ткани (А) и разнице парциальных давлений по обе стороны от нее (Р1-Р2) и обратно

пропорционален ее толщине (Т):

A

V’gas = ---- D (P1 – P2)

T

Как было отмечено ранее, площадь альвеоло-капиллярного барьера легких огромна (50-

100 м2), а толщина в некоторых составляет менее 0,3 мкм. Таким образом, характеристики

альвеоло-капиллярной мембраны идеальны для осуществления диффузии. Углекислота

переносится примерно в 20 раз быстрее кислорода через тканевые слои, так как СО2

обладает значительно большей растворимостью (24:1 при 37 градусах С). Но следует

отметить, что эти расчеты справедливы только для тканевых мембран, а не для процессов

7

потребления кислорода или выработки углекислоты легкими, в которых большую роль

играют и скорости химических реакций.

1.2. Дыхательные пути и вентиляция

Дыхательные (или воздухоносные) пути представляют собой последовательность

разветвляющихся трубок. По мере деления они становятся уже и короче, количество их

возрастает по мере проникновения в легкие. Все эти бронхи, включая терминальные

бронхиолы, представляют собой проводящие дыхательные пути. Их функцией является

функция проведения в газообменные отделы легких. Поскольку проводящие дыхательные

пути не содержат альвеолы и не участвуют в газообмене, то они представляют собой

анатомическое мертвое пространство (рис.2А).

Каждой респираторной бронхиоле сопутствует респираторная единица – ацинус. В свою

очередь каждая терминальная бронхиола делится на респираторные бронхиолы, от стенок

которых отпочковываются единичные альвеолы. Далее идут альвеолярные ходы –

структуры полностью связанные с альвеолами. Этот отдел легких, где присутствуют

альвеолы называется респираторной зоной. Отдел, расположенный дистальней к

терминальным бронхиолам называется еще переходной или респираторной зоной, т.к.

отделы респираторных бронхиол, где альвеолы отсутствуют, не выполняют

респираторной функции. Дистанция от терминальной бронхиолы до наиболее дистальных

альвеол составляет всего лишь 5 мм, тем не менее, респираторная зона составляет

большую часть легких (ее объем около 2-3 л).

А Б

Рис.2. А - Дыхательные пути человека и их вентиляция. Б - Разветвление дыхательных путей.

8

В соответствии с упрощенной моделью (рис. 2Б), первые 16 генераций, включая

терминальные дыхательные пути составляют проводящую зону. Следующие 3 генерации

составляют респираторные бронхиолы, степень снабжения альвеолами которых к

периферии возрастает (переходная зона). Далее идут три генерации альвеолярных

протоков и одна генерация альвеолярных мешочков, и они формируют истинную

респираторную зону. Но в некоторых отделах легких имеет место уменьшения количества

генераций (менее 23, от трахеи до альвеолярных мешочков), в то время как в других

отделах количество генераций может быть большим.

На периферических уровнях общая площадь поперечного сечения дыхательных путей

возрастает. Результатом этого является резкое замедление воздушного потока в области

терминальных бронхиол. В проксимальных отделах имеет место конвекционный поток.

По достижении периферии линейная скорость продвижения газа резко снижается и

дальнейший газовый транспорт осуществляется путем молекулярной диффузии. На

уровне альвеол диффузия в газовой фазе становится единственным механизмом движения

газов.

Кровеносные сосуды системы легочной артерии разветвляются так же как и

воздухоносные дыхательные пути, образуя в конечном итоге капиллярную сеть,

оплетающую альвеолы и формирующую большую площадь поверхности обмена для

альвеолярного газа.

1.3. Защитные механизмы дыхательной системы

Воздух окружающей среды наряду с газами, участвующими в газообмене, содержит и

другие газы, которые могут оказывать токсическое влияние на организм даже в

небольших концентрациях. Это двуокиси азота и углерода – NO2 и СО2, окись углерода –

СО, озон – О3 и др. В окружающей среде содержатся так же токсические вещества и

патогенные микроорганизмы. Во время дыхания частицы более крупного размера оседают

в верхних дыхательных путях. Частицы более мелкого калибра могут попадать как в

крупные, так и мелкие дыхательные пути, откуда они удаляются мерцательным эпителием

и альвеолярными макрофагами. Покрытый ресничками мерцательный эпителий

осуществляет эвакуацию слизи, содержащую чужеродные частицы, подобно конвейеру за

счет колебаний ресничек к глотке, после чего они откашливаются или заглатываются.

При таких заболеваниях, как хронический бронхит, хроническая обструктивная болезнь

легких (ХОБЛ) происходит гипертрофия слизистых желез и гиперпродукция слизи,

которая является причиной основного симптома при этих заболеваниях – кашля. Наряду с

9

отеком слизистой и сокращением гладкой мускулатуры бронхов гиперсекреция слизи

является причиной ограничения воздушного потока по дыхательным путям – обструкции,

что клинически может проявляться ощущением затрудненного дыхания (одышки или

диспноэ). Основным этиологическим фактором в развитии хронического бронхита

является курение, однако различные патогенные частицы или газы могут так же служить

причиной хронического бронхита и ХОБЛ. Причиной другого легочного заболевания –

муковисцидоза служит ген, который называется геном муковисцидоза (трансмембранный

регулятор). Этот ген вырабатывает протеин, который контролирует перемещение воды и

соли внутри и за пределами клетки в нашем организме. У людей с муковисцидозом этот

ген работает неправильно. Ген является причиной появления вязкой и клейкой слизи и

очень соленого пота, которые являются главными признаками заболевания. Поражение

дыхательных путей является причиной кашля с вязким бронхиальным секретом.

Источником образования бронхиального секрета являются бронхиальные железы,

бокаловидные клетки, эпителий терминальных бронхиол и альвеол.

Альвеолярные макрофаги фагоцитируют чужеродные вещества и подвергают их

ферментативному разрушению или изолируют фагоцитированные чужеродные вещества

от окружающей ткани. Из альвеол макрофаги мигрируют в дыхательные пути, откуда

эвакуируются из легких мукоцилиарным транспортом. Некоторые фагоцитированные

частицы могут попадать в перибронхиальную и междольковую соединительные ткани и

депонироваться в гистиоцитах, оставаясь там в течение всей жизни. Это может служить

причиной некоторых заболеваний, таких как силикоз, антракосиликоз, асбестоз и др.

Респираторный тракт, содержит так же клетки специфической противоинфекционной

защиты, такие как лимфоциты и плазматические клетки. Последние присутствуют так же

и в лимфатических узлах, особенно вблизи бронхиальных желез. Плазматические клетки,

а также эпителиальные клетки образуют в верхних дыхательных путях иммуноглобулин А

(IgA), который проявляет функциональную активность в проксимальных отделах

респираторного тракта: угнетает фиксацию бактерий к клеткам респираторного эпителия

и препятствует массивному микробному заселению слизистых, снижая риск развития

респираторных инфекций. IgA принимает так же активное участие в регуляции

иммунного ответа и усиливает фагоцитоз. В небольшой концентрации в секрете

присутствует также и IgG, который преобладает в нижних дыхательных путях и в

альвеолярном пространстве.

10

2. Физика газа (А.В.Черняк)

Основной функцией легких является газообмен, при котором кислород переходит из

окружающей среды в кровь, а углекислый газ выводится из организма. При этом

кислород, углекислый газ и все другие компоненты воздуха в альвеолах и

дыхательных путях существуют в газообразной фазе. Для описания процессов,

протекающих в дыхательной системе, принимают, что все физиологически

значимые газы - за исключением водяного пара – являются идеальными газами,

поэтому большинство количественных зависимостей для фазы газа описывается

законом для идеального газа. Важной величиной для описания переходов между

газообразной и жидкой фазами, является парциальное давление.

2.1. Давление, объем и температура газа

Воздух представляет собой смесь химически индивидуальных газов. Газ – это агрегатное

состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами

взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объем. Газ, в

котором молекулы рассматриваются как не взаимодействующие друг с другом, называют

идеальным. Воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре с большой

точностью описывается моделью идеального газа.

Газ целиком заполняет объем, в котором находится, и принимает его форму. В отличие от

твердых тел и жидкостей, объем газа (V) существенно зависит от давления (Р) и

температуры (T). Для идеального газа эту взаимосвязь можно описать с помощью

уравнения:

P V = ν R T (1),

где P – давление, V – объем, ν - число молей идеального газа, R - универсальная газовая

постоянная, Т – абсолютная температура.

Понятие абсолютной температуры было введено лордом Кельвином, в связи с чем в

Международной системе единиц (СИ) абсолютная температуры выражается в кельвинах

(К). Шкала температур Кельвина - это шкала, в которой начало отсчѐта ведѐтся от

абсолютного нуля (0 К). В медицине и в быту для измерения температуры используют

шкалу Цельсия. Взаимосвязь между двумя шкалами описывается соотношением Т (°С) =

Т (К) - 273,15; при этом изменение температуры на один градус Цельсия тождественно

изменению температуры на один Кельвин. В системе СИ давление измеряется в

килопаскалях (кПа), V - в литрах (л), ν – в молях (моль). Универсальная газовая

11

постоянная R, имеет для всех идеальных газов одинаковое значение, равное 8.31 (лкПа)

(мольК)-1

.

Для 1 моля газа уравнение (1) можно записать в виде:

V T = R (2) ν P

Из этого уравнения следует, что при одинаковой Т и Р идеальные газы, взятые в

количестве 1 моля, имеют равные объемы. При нормальных физических условиях (P =

101 кПа = 760 мм рт.ст., T = 0 o

C = 273 K) объем одного моля - молярный объем - любого

идеального газа равен 22,4 лмоль-1

.

В большинстве условий все физиологически значимые газы ведут себя как идеальные

газы, единственное достойное внимания исключение - это водяной пар.

2.2. Водяной пар

Водяной пар – газообразное состояние воды. В воздухе водяной пар, как и все другие

газы, создает определенное парциальное давление, величина которого зависит от

температуры и достижения равновесия газовой фазы с жидкой. Максимальным

парциальным давлением является давление насыщения, при котором водяной пар

находится в равновесии с жидкой фазой. Когда воздух поступает в верхние дыхательные

пути, он согревается и увлажняется водяным паром. Парциальное давление водяного

пара в альвеолах равно давлению насыщения при 37 оС, которое имеет значение 6.3 кПа

(47 мм рт.ст.).

2.3. Давление и парциальное давление

Очень важным понятием для понимания газообмена является парциальное давление.

Парциальное давление любого газа, входящего в состав газовой смеси, является тем

давлением, которое имел бы газ, если бы он один занимал объем, равный объему смеси

при той же температуре. По закону Дальтона общее давление газовой смеси является

суммой парциальных давлений еѐ компонентов (включая водяной пар):

P = P1 + P2 + + Pn + PH2O (3)

12

Уравнение для идеального газа применимо как к смеси газов (уравнение 1), заключенных

в объеме V, так и к каждому из компонентов этой смеси:

PX V = ν X R T (4),

где νX обозначает количество (число молей) газа Х.

Фракционную часть газа Х в общем количестве газовых молекул называют фракцией (FX)

или фракционной концентрацией газа Х. Второй термин, правда, менее корректный. FX

можно вычислить по формуле:

FX = νX/ν (5).

FX - безразмерная величина (система СИ). Для очень низких концентраций применяют

также другие единицы: миллионная доля, обозначается сокращением ppm (частей на

миллион) или 10-6

, или миллиардная доля, обозначается сокращением ppb (частей на

миллиард) или 10-9

.

Для определения давления водяного пара (РН2О) не применимо уравнение для идеального

газа, но согласно уравнению 3 общее давление сухой газовой смеси (смесь идеальных

газовых компонентов) можно вычислить путем простого вычитания (P – PH2O). Подставляя

это выражение в уравнение 1 получим:

(P – PH2O) V = ν R T (6).

Из уравнений 4-6 вытекает важное соотношение между фракцией и парциальным

давлением компонента Х газовой смеси при наличии водяного пара:

РХ = FX (P – PH2O) (7),

причем PH2O независимо от общего давления имеет постоянное значение, которое при

37оС достигает 6,3 кПа (см. выше). Во вдыхаемом увлажненном воздухе, где О2

составляет 20,9%, парциальное давление кислорода (PО2), таким образом, будет равняться

20,9:100 (101-6,3) = 19,8 кПа (149 мм рт.ст.).

Значения PО2 и парциального давления углекислого газа (PСО2) в альвеолярном воздухе

представлены в таблице 1.

2.4. Объемы

13

Согласно уравнению идеального газа (уравнение 10.1), объем газа (или газовой смеси)

зависит от Р и Т. Повышение давления снижает объем, а повышение температуры,

наоборот, повышает его. Кроме того, на объем влияет влажность воздуха (влажность

воздуха отражает количество водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха)

или РН2О. Таким образом, важное значение имеют условия (Р, Т, РН2О), при которых объем

газа был измерен, и которые необходимо оговаривать. В зависимости от условий

измерения выделяют три наиболее употребляемых системы:

BTPS (body temperature pressure saturated = условия организма): температура тела (37 °С =

310 K), окружающее давление (Pатм.) и полное насыщение водяным паром (РН2О = 6,3 кПа).

ATPS (ambient temperature pressure saturated = лабораторные условия): температура (Татм.)

и давление (Ратм.) окружающей среды, при полном насыщении водяным паром (РН2О =

давление насыщенного пара при Tатм.).

STPD (standard temperature pressure dry = стандартные условия): нормальные физические

условия (T = 0 o

C = 273 K, P = 101 кПа = 760 мм рт.ст.), сухой газ без водяного пара (PH2O

= 0).

Пересчет от одних условий измерения к другим не представляет существенной проблемы.

Из уравнения идеального газа для сухого газа (уравнение 6) вытекает:

ν R T V = (8).

P – PH2O

Если подставить в уравнение 8 соответствующие значения Т, Р и РН2О получаем

следующие соотношения между объемами:

VBTPS 310 Pатм. – PH2O

= ≈ 1.10* (9) VATPS Tатм. Pатм. – 6.3 VSTPD 273 Pатм. – PH2O

= ≈ 0.89* (10) VATPS Tатм. 101 VBTPS 310 101 115

= = ≈ 1.17* (11) VSTPD 273 Pатм. – 6.3 Pатм. – 6.3

*Примечание: Приблизительные числовые значения действительны для среднего давления воздуха (100 кПа

= 747 мм рт.ст.) и средней комнатной температуре (20 оС; PH2O = 2,33 кПа).

14

В клинической практике рекомендуют объем легких выражать в литрах BTPS (VBTPS). Он

приблизительно на 10% выше, чем объем легких, измеренный в лабораторных условиях

(VATPS).

2.5. Газы в жидкостях

При контакте газа с жидкостью, например в легких, молекулы газа растворяются в

жидкости. В состоянии равновесия при постоянной температуре количество газа,

растворенного в определенном объеме жидкости, прямо пропорционально парциальному

давлению этого газа над раствором (закон Генри):

CХ = αХ PХ (12),

где PХ - парциальное давление газа Х над раствором (Па), СХ – концентрация газа Х в

насыщенном растворе (мольл-1

), αХ - константа Генри для газа Х или коэффициент

растворимости (мольл-1кПа

-1).

Коэффициент растворимости зависит от природы газа Х, вида жидкости и температуры.

Закон Генри справедлив лишь для сравнительно разбавленных растворов, при невысоких

давлениях и отсутствии химического взаимодействия между молекулами растворенного

газа и жидкости (физическое растворение).

Парциальное давление газа PХ, растворѐнного в жидкости, равно парциальному давлению

газа Х, если газ находится в состоянии равновесия с жидкостью. При 37 оС в плазме крови

αО2 = 0.211 мл STPD л-1кПа

-1, а αСО2 = 5.06 мл STPD л

-1кПа

-1. При выражении в ммолях (из

уравнения 2) αО2 = 0.00943 ммольл-1кПа

-1, а αСО2 = 0.226 ммольл

-1кПа

-1. Видно, что

растворимость углекислого газа более чем в 20 раз выше, чем растворимость кислорода.

2.7. Масса газа (количество газа)

Количество газа представляет собой произведение концентрации и объема.

Для жидкой фазы на основе уравнения 12 получаем:

νХ = αX V PX (13),

где νХ представляет собой количество (число молей) только физически растворенных

молекул газа Х, но не химически связанных.

15

В газообразной фазе количество газа приводится обычно как объем (VХ) газа (например,

в газовом баллоне содержится 10 литров кислорода):

VХ = FX V (14),

где VХ по договоренности пересчитывают в соответствии с условиями измерения STPD (л

STPD).

Обычно объем легких (V) представляют в единицах измерения BTPS (формула пересчета

11) и вместо FX газа применяется его парциальное давление PX (уравнение 7). Тогда

получается:

1

VХ (STPD) = PX V(BTPS) (15).

115

2.8. Атмосферный воздух

Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество. Воздух

также содержит определенное количество водяного пара, которое может меняться, в

среднем составляя около 1%. Сухой атмосферный воздух, главным образом, состоит из

трех газов: азота (78.08 %), кислорода (20.95 %) и аргона (0.93 %). Суммарный объем

остальных газов (в том числе, так называемых, парниковых газов: углекислого газа,

метана, оксида азота, озона) не превышает 0.04 %, причем доля углекислого газа

составляет 0.039 %. В клинической практике содержанием этих газов в окружающем

воздухе можно пренебречь. Используя уравнение 7 можно рассчитать, что парциальные

давления (в кПа) газов полностью увлажненного атмосферного воздуха при температуре

тела и стандартном давлении 100 кПа будут следующими: РN2 = 73.2, РO2 = 19.6, РН2О = 6.3

и РCO2 = 0.

Гравитационное притяжение атмосферного воздуха к Земле создает атмосферное

давление, которое зависит от многих факторов, главный из которых - высота над уровнем

моря, а так же от плотности воздуха, температуры и др. При подъеме атмосферное

давление понижается, так как уменьшается столб воздуха, создающий его, однако

давление зависит от высоты нелинейно. Зависимость давления от высоты описывается

довольно сложной формулой, т. н. барометрической формулой:

Pатм. (h) = Pатм. (0) e-Mgh/RT

(16),

16

где Pатм. (h) - давление атмосферного воздуха на высоте h, кПа; Pатм. (0) – нормальное

атмосферное давление на уровне моря при температуре 15C равно 101 кПа (760 мм

рт.ст.); M - молярная масса сухого воздуха, 0.029 кг/моль; g - ускорение свободного

падения, 9,81 м/с²; R - универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль К; T - абсолютная

температура воздуха на уровне моря, 288 К; h - высота, м.

Таким образом, при подъеме давление воздуха меняется экспоненциально, уменьшаясь

примерно наполовину каждые 5,6 км. Пропорционально понижению атмосферного

давления будут уменьшаться парциальные давления газов, составляющих атмосферный

воздух (в том числе кислорода). При этом процентный состав атмосферного воздуха на

любой высоте постоянный.

17

3. Статические легочные объемы (А.В.Черняк)

При спокойном дыхании человек вдыхает и выдыхает объем воздуха, который называется

дыхательный объем. При необходимости (например, при физической нагрузке) для

увеличения объема дыхания могут привлекаться резервные объемы вдоха и выдоха.

Максимальный объем воздуха, который можно вдохнуть или выдохнуть, называется

жизненной емкостью легких. Спирометрия позволяет измерить эти объемы. После

максимально глубокого выдоха в легких еще остается воздух – остаточный объем,

оценить который возможно с помощью специальных методов (например,

бодиплетизмографии или метода разведения гелия). Легочные объемы, которые измеряют

после завершения дыхательного маневра без ограничения скорости (времени) его

выполнения, называют статическими легочными объемами.

Под термином «легочный объем», как правило, подразумевают объем газа, который

находится в легких, тогда как «дыхательный объем» - объем воздуха, который вдыхается

и выдыхается при спокойном дыхании. После спокойного выдоха в легких остается

примерно 3 л. Этот объем воздуха служит газовым амортизатором (он в несколько раз

больше дыхательного объема, благодаря этому в альвеолах поддерживается относительно

постоянное соотношение содержания кислорода и углекислого газа) и представляет собой

кислородный резерв для особых условий (например, задержка дыхания, пение и др.). Но

даже после максимально глубокого выдоха в легких еще остается воздух. Таким образом,

легочный объем представляет собой сумму мобилизуемого и немобилизуемого объемов. В

структуре легочного объема выделяют четыре объема (резервный объем вдоха,

дыхательный объем, резервный объем выдоха и остаточный объем легких) и четыре

емкости (жизненную емкость легких, емкость вдоха, функциональную остаточную

емкость и общую емкость легких). Емкостью называют сумму двух и более объемов.

Описанные легочные объемы и емкости называют «статическими», так как их измерение

не зависит от скорости изменения воздухонаполнения легких. Помимо статических

легочных объемов есть еще динамические объемы легких, измерение которых зависит от

скорости (времени) выполнения дыхательных маневров (см.форсированный выдох).

3.1. Спирометрия

Мобилизуемые легочные объемы можно измерить с помощью спирометрии. Метод был

предложен в 1846 году доктором J.Hutchinson: для измерения испытуемый вдыхал и

18

выдыхал воздух из прибора с ограниченным газовым пространством, при этом строили

график зависимости объема легких от времени или кривую объем-время (спирограмму)

(рис.3,а). Таким образом, первоначально прибор (спирометр) непосредственно измерял

объем вдыхаемого или выдыхаемого воздуха. В настоящее время на смену им пришли

приборы, непосредственно измеряющие поток воздуха на вдохе и выдохе, а объем

рассчитывают, умножая поток на время.

Рис.3. А. Схематическое изображение проведения спирометрии. Б. Спирограмма и статические легочные

объемы и емкости. Объемы легких: РОвд - резервный объем вдоха, ДО - дыхательный объем, РОвыд -

резервный объем выдоха, ООЛ – остаточный объем легких. Емкости легких представляет собой сумму

легочных объемов: ЖЕЛ – жизненная емкость легких, Евд - емкость вдоха, ФОЕ - функциональная

остаточная емкость, ОЕЛ – общая емкость легких.

19

С помощью спирометрии можно измерить следующие статические легочные объемы и

емкости (рис.3,б):

- Дыхательный объем (ДО, в англоязычных странах принята аббревиатура VТ от tidal

volume) - это объем воздуха, который вдыхается и выдыхается во время дыхательного

цикла. Окончание фазы вдоха называют конечно-инспираторным уровнем, окончание

фазы выдоха - конечно-экспираторным уровнем.

- Резервный объем выдоха (РОвыд, англ. ERV: expiratory reserve volume) - максимальный

объем воздуха, который можно выдохнуть после спокойного выдоха (конечно-

экспираторного уровня).

- Резервный объем вдоха (РОвд, англ. IRV: inspiratory reserve volume) - максимальный

объем воздуха, который можно вдохнуть после обычного спокойного вдоха (конечно-

инспираторного уровня).

- Жизненная емкость легких (ЖЕЛ, англ. VC: vital capacity) – максимальный объем

воздуха, который можно вдохнуть (ЖЕЛвд) или выдохнуть (ЖЕЛвыд), представляет собой

сумму РОвд + ДО + РОвыд.

Сумма ДО и РОвд в норме обычно составляет 60-70% ЖЕЛ, этот показатель называют

емкостью вдоха (Евд, англ. IC: inspiratory capacity).

3.2. Измерение общей емкости легких и ее структуры

Спирометрия не позволяет измерить объем воздуха, который остается в легких после

максимального выдоха, так называемый остаточный объем легких (ООЛ, англ. RV:

residual volume). Величина ООЛ зависит от эффективности сокращения экспираторных

мышц и механических свойств легких. С возрастом ООЛ увеличивается.

Емкости легких, в состав которых включен ООЛ:

- Функциональная остаточная емкость (ФОЕ, англ. FRC: functional residual capacity) -

объем воздуха в легких после спокойного выдоха. ФОЕ также называют конечным

экспираторным объемом. На уровне ФОЕ дыхательная система находится в покое,

дыхательные мышцы расслаблены. ФОЕ = РОвыд + ООЛ.

- Общая емкость легких (ОЕЛ, англ. TLC: total lung capacity) - объем воздуха,

находящийся в легких по завершении максимального вдоха. ОЕЛ представляет собой

сумму ЖЕЛ и ООЛ или ФОЕ и Евд.

Измерение ОЕЛ и ее структуры, как правило, проводят в два этапа: измеряют ФОЕ, после

чего проводят спирометрию. Оценить ФОЕ можно с помощью метода разведения газа

(рис.4) или бодиплетизмографии. Метод разведения (обычно в качестве инертного

20

индикаторного газа используют гелий) основан на простом принципе сохранения масс.

Испытуемый соединяется с закрытой системой, дыхательный контур которой содержит

известное количество гелия, в конце спокойного выдоха (объем легких равен ФОЕ) и

дышит этой газовой смесью до установления гелиевого равновесия в легких и

дыхательном контуре. Поскольку объем последнего известен, можно легко рассчитать

объем легких (рис.4).

Рис.4. Метод разведения гелия. Испытуемый связан с закрытой системой, в дыхательном контуре

(известный объем VS) которой находится индикаторный инертный газ (например, гелий) с известной

фракцией (F0). После открытия связывающего крана испытуемый дышит газовой смесью до установления

гелиевого равновесия в легких и дыхательном контуре, так что фракция инертного газа устанавливается на

уровне F1. Согласно закону сохранения масс количество гелия остается одинаковым до и после смешивания:

F0 VS = F1 (VS + VL). Если F0 и VS известны, а F1 измеряется, то неизвестный объем легких VL может быть

рассчитан. Если испытуемый открыл кран системы после спокойного выдоха и начал дышать газовой

смесью из дыхательного контура, то VL будет равен функциональной остаточной емкости (ФОЕ).

Бодиплетизмография – метод, который требует более сложного технического оснащения

(рис.5). Метод измерения основан на законе Бойля, согласно которому при постоянной

температуре объѐм газа изменяется обратно пропорционально давлению. Во время

исследования испытуемый помещается внутрь измерительного устройства - камеры

бодиплетизмографа (боди-камеры), и делает попытки вдохов и выдохов при закрытой

заслонке. Внутригрудной объем (как эквивалент ФОЕ) определяют на основании

давлений, измеренных в боди-камере (рис.5).

21

Рис.5. – Бодиплетизмография позволяет определить внутригрудной объем воздуха (VL). Метод измерения

основан на законе Бойля - взаимосвязи между давлением и объемом при постоянной

температуре:P•V=constant, т.е. P1•V1=P2•V2.

В конце выдоха поток воздуха отсутствует и альвеолярное давление (PА) равняется давлению, измеренному

в ротовой полости (Pрот). VL неизвестен. Испытуемый делает попытки вдохов и выдохов при закрытой

заслонке. Воздух, содержащийся в легких, попеременно сжимается и разрежается. При попытке вдоха объем

грудной клетки увеличивается (ΔV), а давление внутригрудного воздуха снижается (ΔP), получаем V1 =-P1•ΔV/ΔP. Если примерить закон Бойля к легким, то после ряда преобразований уравнение принимает

окончательный вид: VL = (Pатм – PН2О) •ΔPК•К/ΔPА, где К – коэффициент, полученный при калибровке

камеры.

Бодиплетизмография позволяет быстро провести несколько измерений объема легких. Это

выгодно отличает бодиплетизмографию от метода разведения гелия, при котором

повторные измерения можно проводить после определенного периода, необходимого для

возвращения альвеолярного газа в исходное состояние. Кроме того, объем легких,

измеренный с помощью бодиплетизмографии, включает весь внутригрудной объем (как

вентилируемые, так и невентилируемые отделы легких), тогда как методом разведения

гелия определяют объем, в который может проникнуть вдыхаемая газовая смесь. Разница

между показателями, полученными с помощью этих двух методов, дает важную

информацию о наличии невентилируемого воздушного пространства и позволяет

вычислить объем ”воздушной ловушки”.

3.3. Должные значения

Все легочные объемы и емкости представляют в литрах BTPS (табл.2).

Показатели статических легочных объемов и емкостей играют важную роль при оценке

функции легких у здоровых лиц и в диагностике легочных заболеваний. Интерпретация

22

результатов измерения основывается на отклонении полученных данных от нормальных

(или должных) значений, которые вычисляют с помощью уравнений должных

(зависимость объема легких от антропометрических параметров (в основном роста), пола,

возраста, расы). Вместе с тем следует принимать во внимание и индивидуальные

вариации нормы. Так, у людей с исходными показателями выше среднего уровня при

развитии легочной патологии эти показатели будут снижаться относительно исходных, но

по-прежнему могут оставаться в пределах популяционной нормы.

23

4. Механика дыхания (А.В.Черняк)

Механика дыхания - область физиологии, которая рассматривает механические силы,

обеспечивающие перемещение воздуха в альвеолы и обратно (легочную вентиляцию).

При этом активной силой является сокращение дыхательных мышц, тогда как движение

легких совершается пассивно. Силы, развиваемые дыхательными мышцами, приводят к

изменению объема легких. Однако легочная вентиляция определяется не только силой

мышечного сокращения, но и эластичностью легких и стенок грудной клетки,

сопротивлением дыхательных путей и инерционным сопротивлением, которое при

нормальной частоте дыхания составляет примерно 5% от общего сопротивления. Поэтому

в механике дыхания его обычно не учитывают.

4.1. Дыхательные мышцы

Дыхательные мышцы обеспечивают ритмичное увеличение или уменьшение грудной

полости, а размер легких следует за размерами грудной полости. Функционально

дыхательные мышцы делят на инспираторные (т.е. отвечающие за вдох): основные и

вспомогательные и экспираторные (отвечающая за выдох). При спокойном дыхании

диафрагма является единственной активной дыхательной мышцей. При усиленном

дыхании активными становятся инспираторные и экспираторные дыхательные мышцы.

4.1.1. Анатомия и физиология дыхательных мышц

Дыхательные мышцы относятся к скелетной поперечно-полосатой мускулатуре и по

своему гистологическому строению практически не отличаются от других скелетных

мышц, например, мышц конечностей. В зависимости от функции дыхательные мышцы

делят на инспираторные (основные и вспомогательные) и экспираторные (рис.6).

Основную инспираторную группу мышц составляют диафрагма, наружные межреберные

и межхрящевые мышцы, к вспомогательным относятся лестничные, грудинно-ключично-

сосцевидные, трапециевидные, большие и малые грудные мышцы. Экспираторную группу

составляют абдоминальные (внутренняя и наружная косые, прямая и поперечная мышцы

живота) и внутренние межреберные мышцы.

Диафрагма – куполообразная скелетная мышца, разделяющая грудную и брюшную

полости. При сокращении диафрагмы органы брюшной полости смещаются вниз и

вперед, и вертикальные размеры грудной полости возрастают. Кроме того, при этом

поднимаются и расходятся ребра, приводя к увеличению поперечного размера грудной

полости (рис.6А). При спокойном дыхании диафрагма является единственной активной

24

инспираторной мышцей и ее купол опускается примерно на 1-1,5 см. Повышенный тонус

наружных межреберных мышц служит исключительно для стабилизации стенки грудной

клетки. При глубоком форсированном дыхании, например при физической нагрузке,

увеличивается амплитуда движений диафрагмы (экскурсия может достигать 10 см) и

активизируются наружные межреберные и вспомогательные мышцы. Из вспомогательных

мышц у человека наиболее значимыми являются лестничные и грудинно-ключично-

сосцевидные мышцы.

Наружные межреберные мышцы (рис.6А) соединяют соседние ребра. Их волокна

ориентированы наклонно вниз и вперед от верхнего к нижнему ребру. При сокращении

этих мышц ребра поднимаются и смещаются вперед, что приводит к увеличению объема

грудной клетки в переднезаднем и боковом направлениях (рис.6Б). Так же действуют и

межхрящевые мышцы

Лестничные и грудино-ключично-сосцевидные мышцы при спокойном дыхании

практически не задействованы, однако включаются при увеличении легочной вентиляции.

При их сокращении (лестничные мышцы поднимают два верхних ребра, а вместе с ними

грудину и реберную клетку; грудино-ключично-сосцевидные поднимают I ребро и

грудину) увеличивается объем грудной клетки.

Рис.6. Дыхательные мышцы. А – Глубокий вдох. При движении диафрагмы вниз грудная клетка

увеличивает свой объем. Одновременно это движение вниз вызывает поднятие нижних краев ребер, что

существенно расширяет пространство грудной клетки. Активизируются наружные межреберные мышцы и

мышцы шеи (лестничные и грудинно-ключично-сосцевидные). Б – Сокращение наружных межреберных

мышц влияет с равной силой на соседние ребра, однако поворотный момент в большей степени приходится

25

на нижние ребра (более длинное плечо рычага), чем на верхние. Поэтому ребра поднимаются и смещаются

вперед, диаметр грудной клетки увеличивается как в переднезаднем, так и в боковом направлениях.

Внутренние межреберные мышцы действуют антагонистически по отношению к наружным межреберным

мышцам. В – Глубокий выдох. При сокращении абдоминальных мышц диафрагма поднимается вверх, объем

грудной клетки уменьшается. В активном выдохе также участвуют внутренние межреберные мышцы.

В отличие от вдоха, выдох при спокойном дыхании происходит пассивно при помощи

эластичных возвратных сил точно так же, как растянутая пружина сама возвращается в

исходное положение. К началу выдоха инспираторные мышцы еще активны и

обуславливают крайне «мягкое» возвращение объема грудной клетки и легких к

исходному (так, тяжелый предмет осторожно ставят на пол, вместо того чтобы бросить).

При физической нагрузке или при патологически осложненном дыхании выдох

становится активным. Наиболее важными и сильными экспираторными мышцами

являются абдоминальные мышцы, образующие переднебоковую стенку брюшной полости

(рис.6В). При их сокращении повышается внутрибрюшное давление, диафрагма

поднимается вверх, объем легких снижается, т.е. создается «запас» эластической энергии

для облегчения последующего инспираторного усилия. Диафрагма и мышцы живота

действуют вместе, если должно быть создано высокое внутрибрюшное давление,

например, во время родов при потугах.

В активном выдохе также участвуют внутренние межреберные мышцы. При их

сокращении ребра опускаются, и объем грудной клетки уменьшается (рис.6В). Кроме

того, сокращение этих мышц способствует укреплению межреберных промежутков; в

противном случае при напряжении мягкие ткани выпячивались бы через них.

Кроме того, экспираторные дыхательные мышцы играют важнейшую роль в таких

физиологических процессах, как чихание, кашель, рвота, дефекация.

4.1.2. Измерение силы дыхательных мышц

Сила, развиваемая дыхательными мышцами во время их сокращения, зависит от числа

активированных волокон, частоты стимуляции, длины мышц во время стимуляции и

степени свободы движения мышц. Все эти закономерности описываются соотношениями,

общими для всех скелетных мышц: сила-частота, сила-длина и сила-скорость, при этом

соотношение сила-длина является наиболее важным. Максимальная сила достигается при

оптимальной длине мышцы. Для дыхательных мышц изменение длины тесно связано с

изменением объема легких.

Силу дыхательных мышц можно оценить опосредованно, измеряя создаваемое ими

давление в результате волевой активации испытуемым или электрической/магнитной

26

стимуляции диафрагмального нерва. Наибольшее клиническое применение получил

неинвазивный метод измерения максимального инспираторного (англ. MIP) и

экспираторного (англ. MEP) давления в ротовой полости. Измерять давление в ротовой

полости следует в течение квазистатических коротких (несколько секунд) максимальных

инспираторных (проба Мюллера) и экспираторных (проба Вальсальвы) маневров.

Пробой Вальсальвы называют экспираторное усилие (т.е. попытка сильного выдоха) при

закрытых дыхательных путях (при закрытом рте и зажатом носе). После спокойного

выдоха величина давления, развиваемого дыхательными мышцами, может превышать 15

кПа. Генерируемое давление тем выше, чем больше объем легких.

При пробе Мюллера оценивают максимальное инспираторное усилие (т.е. попытка

осуществить вдох) при закрытых дыхательных путях, на уровне функциональной

остаточной емкости PA может быть снижено до -10 кПа. В отличие от экспираторного

давления, величина инспираторного давления обратно пропорциональна объему легких.

4.2. Эластичность и растяжимость дыхательной системы

Легкие и грудная клетка обладают эластическими свойствами, которые можно

исследовать с помощью кривых зависимости давления от объема (кривых давление–

объем) или кривых статического растяжения (изменения регистрируют при отсутствии

воздушного потока в дыхательных путях). Наклон кривой растяжения называется

растяжимостью (С=V/P), обратная величина 1/C называется эластичностью (Е). В

нормальных условиях у здоровых людей дыхательная система обладает максимальной

статической растяжимостью после спокойного выдоха (объем легких равен

функциональной остаточной емкости - ФОЕ). В этот момент эластическая тяга легких,

направленная внутрь, уравновешена силой грудной клетки, направленной наружу, и

дыхательная система находится в равновесии.

4.2.1. Изменение давлений во время дыхания

27

Рис.7. – Упрощенная модель легких. Легкие находятся в грудной клетке, объем которой изменяется

вследствие движения поршня (дыхательные мышцы). При сокращении диафрагмы грудная клетка

увеличивает свой объем, воздух заходит в легкие. Во время выдоха объем грудной клетки уменьшается и

воздух через трахею выходит из легких. Легкие обладают эластичностью, которая определяет скорость

выдоха и поддерживает бронхи открытыми.

Упрощенная модель легких представлена на рис. 7. Дыхательные мышцы изменяют объем

грудной клетки и создают градиент давления (разница между давлением в альвеолах -

альвеолярным или интрапульмональным давлением и давлением в ротовой полости),

в результате чего происходит движение воздуха в дыхательных путях. Во время вдоха

сокращение инспираторных мышц приводит к расширению грудной клетки. Легкие

пассивно следуют за объемным приращением грудной клетки, в результате давление в

альвеолах становится ниже атмосферного (отрицательным) и воздух заходит в легкие. На

выдохе, напротив, объем легких уменьшается, давление в альвеолах становится выше

атмосферного (положительным) и альвеолярный воздух выходит в окружающую среду. В

конце вдоха и выдоха объем грудной полости прекращает изменяться и при открытой

голосовой щели альвеолярное давление становится равным атмосферному (PA=0), поток

воздуха отсутствует. Альвеолярное давление (PA) представляет собой сумму плеврального

давления (Ppl) и давления, создаваемого эластической паренхимой легких, - давления

эластической легочной тяги (Pel):

PA = Ppl + Pel. (17)

Плевральное давление - давление в герметично замкнутой плевральной полости между

висцеральными и париетальными листками плевры. Давление внутри плевральной

полости зависит от эластичности легких и грудной клетки, усилий дыхательных мышц и

процессов фильтрации и всасывания плевральной жидкости висцеральной и париетальной

28

плеврами. Кроме того, под действием силы тяжести у здорового человека в положении

стоя существует вертикальный градиент плеврального давления: наиболее отрицательное

давление у верхушки легких и наименее отрицательное у основания. Это приводит к

разнице давления между апикальными и прилегающими к диафрагме базальными

отделами легких и, соответственно, разной воздухонаполненности легких. В положении

лежа на спине или на боку градиент меньше и совсем отсутствует в вертикальном

положении вниз головой. Плевральное давление может быть измерено манометром,

соединенным с плевральной полостью полой иглой. В клинической практике часто

применяют косвенный метод оценки величины плеврального давления - измеряют

давление в пищеводе. Пищеводное давление регистрируют с помощью катетера с

маленьким баллончиком на конце. Обычно измеряют давление в нижней трети пищевода

для того, чтобы определить давление, необходимое для растяжения большей части легких.

Изменения внутрипищеводного давления во время дыхания отражают изменения

внутриплеврального давления.

В норме плевральное давление всегда ниже атмосферного во время вдоха, а во время

выдоха может быть ниже, выше или равным атмосферному в зависимости от мышечного

усилия. При ранении стенки легкого или грудной клетки возникает пневмоторакс

(нарушение герметичности грудной клетки и сообщение плевральной полости с

окружающей средой): плевральное и атмосферное давления выравниваются, что приводит

к спадению легкого и делает невозможной легочную вентиляцию.

Разница между альвеолярным и плевральным давлениями называется

транспульмональным давлением:

Ptp = PA - Ppl (18),

величина которого в соотношении с атмосферным давлением и является основным

фактором, вызывающим движение воздуха в дыхательных путях.

В области контакта легких с диафрагмой давление называется трансдиафрагмальным (Ptd),

которое рассчитывается как разница между внутрибрюшным (Pab) и плевральным

давлениями: Ptd = Pab - Ppl. Измерение трансдиафрагмального давления представляет собой

наиболее точный способ оценки сократительной способности диафрагмы.

4.2.2. Эластичность и растяжимость легких

29

Механические свойства дыхательной системы можно описать с помощью понятий

эластичности и растяжимости. Легочная ткань обладает эластичностью, которая является

основной силой, заставляющей воздух при выдохе выходить из легких. Эластичность

также играет большую роль в поддержании просвета бронхов (рис.8). В качестве модели

легких рассмотрим эластичный баллон, например, воздушный шарик. Чтобы наполнить

шарик воздухом необходимо, чтобы давление внутри шарика (Pвнутр.) было выше, чем

внешнее давление (Pвнеш.), т.е. создать градиент давления на его стенках. Этот градиент

можно создать или повышая давление внутри шарика (рис.8А, слева), или с помощью

отрицательного давления вокруг шарика, поместив его в камеру, из которой воздух удален

насосом (рис.8А, справа).

30

Рис.8. - Кривая давление-объем эластичного баллона. А. Слева наверху внутреннее давление (Рвнутр.)

повышается, в то время как внешнее давление (Рвнеш.) остается атмосферным (Ратм.). Справа наверху Рвнеш.

понижается, а Рвнутр. остается атмосферным. В обоих случаях баллон расширяется, потому что

трансмуральная разность давления увеличивается. Б. Кривая растяжения показывает, что отношение

V/Ртрансмур., т.е. растяжимость, уменьшается с увеличением объема.

В обоих случаях наполнение шарика зависит только от разности давления на его стенках,

то есть трансмуральной разности давления Pтрансмур.:

Pтрансмур. = Pвнутр. - Pвнеш. (19)

31

Если по мере постепенного наполнения шарика воздухом регистрировать Pтрансмур. и V, то

можно построить кривую зависимости давления от объема (кривую давление–объем) или

кривую растяжения (рис.8 Б). Наклон этой кривой показывает, что при большом объеме

шарика необходимо прогрессирующее увеличение прироста трансмуральной разности

давления (Pтрансмур.), чтобы получить заданное изменение объема (V). Изменение

объема на единицу давления называется растяжимостью (С):

С = V / Pтрансмур. (20),

Обратная величина 1/C называется эластичностью (Е). Она представляет собой меру

упругости и определяет способность ткани возвращаться после растяжения в исходное

состояние (то есть к первоначальному объему). Из рис.8Б следует, что с увеличением

объема растяжимость уменьшается, а эластичность увеличивается.

Таким образом, объем заполнения воздушного шарика определяют эластичность его

стенок и трансмуральная разность давления.

Более физиологичной моделью является изолированное легкое. Если изолированное

легкое поместить в камеру и снизить давление в камере ниже атмосферного, то легкие

расширятся, их объем можно будет измерить с помощью спирометра. Объем легких

измеряют при разных уровнях давления в статических условиях в отсутствие потока и

строят кривую давление-объем (рис.9). Из кривой давление-объем видно, что кривые для

вдоха и для выдоха различны. Это различие между кривыми обозначается как гистерезис -

свойство всех эластических структур, которое заключается в том, что для поддержания

данного объема легкого во время его наполнения, требуется большее транспульмональное

давление, чем при спадении легкого. Кроме того, из рис.9 видно, что кривые не исходят из

начала координат. Это указывает на то, что даже в отсутствие растягивающего давления в

легких содержится небольшое количество воздуха (подтверждением этому служит

наличие воздуха в легких человека, извлеченных из грудной клетки при аутопсии).

32

Рис.9. - Кривая зависимости объема от давления для изолированного легкого. Нижняя кривая

образована во время ступенчатого наполнения, верхняя - ступенчатого спадения.

Статическая растяжимость зависит от размеров легких. Легкое крупных размеров

подвержено большим изменениям своего объема на единицу изменения давления, чем

маленькое легкое. В связи с этим применяют такой показатель, как удельная

растяжимость - статическая растяжимость, отнесенная к единице объема легких. В

клинической практике статическую растяжимость измеряют от уровня спокойного выдоха

(функциональная остаточная емкость - ФОЕ) при увеличении объема на 500 мл. У

здоровых взрослых людей она составляет величину около 0,2 л/см вод.ст. У детей

аналогичный показатель значительно ниже. При патологии статическая растяжимость

может как повышаться, так и понижаться. При эмфиземе легких растяжимость

повышается вследствие утраты эластической тяги. При фиброзе легких, застойной

сердечной недостаточности, геморрагии легких происходит ее снижение.

Эластичность, а значит и растяжимость, легких определяют несколько факторов. Одним

из них является содержание эластических структур в тканях (эластина и коллагена). Но

не только растяжимость отдельных эластичных волокон, но также их геометрическое

расположение определяют эластичность легочной ткани. Это является таким же

принципом, который справедлив для стенок артерий.

Дополнительным фактором является поверхностное натяжение пленки жидкости,

выстилающей альвеолы изнутри. Поверхностное натяжение жидкости - сила,

возникающая на изогнутых пограничных поверхностях между жидкой и газообразной

фазами и стремящаяся сократить поверхность альвеол до минимума, создавая

33

положительное давление и обеспечивая спадение альвеол. Для расчета давления можно

использовать закон Лапласа:

2

Ртрансмур. = (21),

r

где Ртрансмур. - трансмуральная разность давления, r - радиус пузыря и - поверхностное

натяжение жидкости на пограничной поверхности.

Для воды имеет величину 0.072 Нм-1

. Следовательно, для одной альвеолы с радиусом в

48 мкм (4810-6

м) трансмуральная разность давления оказалась бы равной 20.072/(4810-

6)=3000 Па = 3 кПа. Но в состоянии равновесия дыхательной системы трансмуральная

разность давления достигает только 0.5 кПа. Фактически существующее в легком

поверхностное натяжение уменьшается благодаря сурфактанту - поверхностно-

активному веществу - которое секретируется альвеолярными эпителиальными клетками II

типа и выстилает альвеолярную поверхность.

Сурфактант состоит из фосфолипидов (85-90%) и белков (10 %, половину из которых

составляют четыре специфических для сурфактанта протеина: SP-A, SP-B, SP-C и SP-D) а

также небольшой части угольного гидрата. В жидкости, выстилающей альвеолярное

пространство изнутри, сурфактант с помощью белка SP-A превращается в трубчатый

миелин, а липидные и протеиновые части разделяются. Под действием белков SP-B и SP-

C, липиды располагаются в виде мономолекулярного слоя, обращенного в полость

альвеолы липофильными участками. Активное поверхностное действие сурфактанта

приписывается отталкивающим межмолекулярным силам этих липофильных частей.

Иначе говоря, поскольку молекулы сурфактанта с одного конца гидрофобны, а с другого

конца гидрофильны, действующие между ними силы молекулярного отталкивания

противодействуют силам притяжения между молекулами воды, которые обуславливают

поверхностное натяжение. Кроме того, эта жидкостная пленка, выстилающая альвеолы,

сглаживает неровности альвеолярной стенки.

В легких сурфактант выполняет важные физиологические функции:

1. понижая поверхностное натяжение, увеличивает растяжимость легких и тем самым

снижает совершаемую при вдохе работу;

2. обеспечивает стабильность альвеол, препятствуя их спадению и появлению

ателектазов, и предотвращает перемещение воздуха из меньших альвеол внутрь

больших в результате более выраженного снижения поверхностного натяжения при

малых объемах;

34

3. препятствует транссудации жидкости на поверхность альвеол из плазмы капилляров

легких.

Дефицит сурфактанта приводит к расстройствам дыхания, в отсутствие интенсивной

терапии нередко вызывающим смерть (например, респираторный дистресс-синдром

новорожденных (РДСН) или острый респираторный дистресс-синдром (ОРДС) у

взрослых). Достаточно эффективно применение искусственного сурфактанта как при

РДСН, так и ОРДС.

Крепление каждой альвеолы друг с другом является еще одним фактором,

определяющим эластичность легких. Альвеолы, стремясь к спадению, растягивают

соседние альвеолы. Таким образом, коллапс имеющей меньший объем альвеолы

предотвращается посредством эластической тяги (ретракции) окружающих альвеол,

имеющих больший объем. Это эластичное взаимодействие в легочной ткани имеет

большое значение для поддержания диаметра мелких бронхов (и сосудов). Уменьшение

эластической ретракции альвеол может привести к сужению или коллапсу мелких

дыхательных путей, что приводит к увеличению сопротивления дыхательных путей.

Подобные изменения эластической ретракции легких происходят при эмфиземе легких.

4.2.3. Эластические свойства грудной клетки и дыхательной системы

Грудная стенка

Эластичными свойствами обладают не только легкие, но и грудная стенка, которая

состоит из костей грудной клетки, межреберных мышц, подлежащих мягких тканей и

париетальной плевры. Но, в отличие от растяжимости легких, которая определяется

пассивными структурными элементами и не зависит от напряжения дыхательных мышц,

растяжимость мышц грудной клетки, как и любой другой скелетной мышцы, изменяется

при напряжении. Следовательно, для измерения пассивной растяжимости грудной клетки

необходимо, чтобы дыхательные мышцы не находились в состоянии напряжения. Способ

измерения представлен на рис.10. Кривые регистрируются при ненапряженной

дыхательной мускулатуре и обозначаются как кривые растяжения покоя. После

максимально глубокого выдоха (на уровне остаточного объема легких - ООЛ)

эластическая тяга изолированной грудной стенки направлена наружу. По мере того, как

грудной объем увеличивается, направленная наружу эластическая тяга стенки снижается и

падает до нуля при объеме грудной полости около 60% жизненной емкости легких (ЖЕЛ)

(рис.10). При дальнейшем расширении грудной клетки до уровня общей емкости легких

(ОЕЛ) эластическая тяга ее стенки направляется внутрь. Растяжимость грудной клетки у

35

здорового человека примерно соответствует растяжимости легких и равна 0,2 л/см вод.ст.

Выраженное ожирение, обширный плевральный фиброз, кифосколиоз могут приводить к

изменению растяжимости грудной клетки.

36

Рис.10. - Кривые давление-объем для легких, грудной клетки и дыхательной системы дыхания в целом.

ОЕЛ: общая емкость легких; ФОЕ: функциональная остаточная емкость легких; ООЛ: остаточный объем

легких. Кривая для системы дыхания равна графической сумме кривых для легких и грудной клетки

Дыхательная система

Легкие и грудная стенка функционально связаны посредством плевральной полости, в

которой находится жидкость. Ее количество как раз достаточно, чтобы сделать

возможным скольжение листков плевры относительно друг друга без трения. Так как

жидкость не растяжима, париетальный и висцеральный листки плевры (а в сущности,

легкие и грудная клетка) сцепляются так же прочно как два влажных стекла, которые

легко передвигаются относительно друг друга, но с большим трудом могут быть

разделены.

Из рисунка 10 видно, что кривая растяжения покоя дыхательной системы в целом имеет

S-образную форму (красная кривая), становится более плоской как в верхней, так и в

нижней части. На уровне ОЕЛ эластическая тяга легких и грудной стенки суммируются,

создавая большое давление всей дыхательной системы. На уровне ООЛ направленная

наружу эластическая тяга грудной стенки значительно превосходит эластическую тягу

легких, направленную внутрь. В результате в дыхательной системе возникает суммарное

давление эластической тяги, направленное наружу. В конце спокойного выдоха (объем

легких равен функциональной остаточной емкости - ФОЕ) эластическая тяга легких,

направленная внутрь, уравновешена силой грудной клетки, направленной наружу. Таким

образом, на уровне ФОЕ дыхательная система находится в равновесии. При этом

плевральное давление (Рpl) отрицательно (около -0.5 кПа), а транспульмональное давление

(Ptp), наоборот, положительное (+0.5 кПа). На уровне ФОЕ дыхательная система проявляет

свою самую большую растяжимость.

Статическая растяжимость всей дыхательной системы наполовину меньше, чем

растяжимость легких или растяжимость грудной клетки, и равна 0,1 л/см вод.ст.

Все вышеизложенные рассуждения справедливы для статических условий, т.е. при

отсутствии воздушного потока в дыхательных путях. При дыхании эти условия

нарушаются. Поэтому при изучении механики дыхания необходимо учитывать свойства

дыхательной системы, от которых зависит сопротивление воздушному потоку.

4.3. Сопротивление дыхательных путей

Для движения воздуха по дыхательным путям необходим перепад давления (движущее

давление) между альвеолами (РА) и ротовой полостью. При вдохе РА ниже, при выдохе -

выше, чем атмосферное давление. Отношение движущего давления к объемной скорости

37

потока называют сопротивлением дыхательных путей. Сопротивление распределено в

дыхательной системе неравномерно, на долю мелких дыхательных путей с диаметром

менее 2 мм приходится менее 20 %. Сопротивление дыхательных путей определяют объем

легких, а также тонус гладкой мускулатуры и физические свойства газа.

4.3.1. Типы потока воздуха в трубке

Перед тем как перейти к сопротивлению воздушному потоку, рассмотрим, каким может

быть движение воздуха в трубке. Воздух проходит через трубку, если между ее концами

существует перепад давлений (движущее давление). По аналогии с законом Ома для

электричества, объемная скорость потока (объем воздуха, проходящего за единицу времени -

V) определяется давлением и сопротивлением:

P

R = ---------- (22),

V

где R - сопротивление, V - объемная скорость потока, Р – движущее давление.

При прохождении воздуха через трубку характеристики потока могут быть различными:

ламинарный режим (при низких скоростях линии течения параллельны стенкам трубки),

переходный (по мере возрастания скорости поток становится менее однородным с

образованием завихрений в месте бифуркации трубки) и турбулентный режим (при очень

высоких скоростях линии течения полностью теряют упорядоченность) (рис.11).

38

Рис.11. - Типы потоков воздуха в трубке: А - ламинарный поток; Б - переходный тип; В - турбулентный

поток.

В дыхательных путях могут встречаться все эти три режима, но наиболее характерным

паттерном потока в условиях дихотомического разветвления трахеобронхиального дерева

39

является переходный, тогда как ламинарным поток может быть лишь в мелких

дыхательных путях. Будет поток ламинарным или турбулентным, можно предсказать,

рассчитав число Рейнольдса (Re):

2rVd

Re = --------- (23),

η

где d - плотность газа, V — средняя скорость потока, г - радиус трубки, η - вязкость.

Когда Re более 2000 - поток турбулентный, когда Re менее 2000 - поток ламинарный. При

турбулентном потоке движущее давление пропорционально квадрату его скорости, тогда

как при ламинарном потоке особенности совершенно иные - давление пропорционально

скорости потока и описывается законом Пуазейля:

πr4

V = -------- P (24),

8ηl

где V - скорость потока, Р - движущее давление, r - радиус трубки, l - длина трубки, η –

вязкость газа. Поскольку сопротивление потоку R равно давлению, деленному на

скорость потока, можно записать:

8ηl

R = ----------- (25)

πr4

Как видно, большую роль играет радиус трубки; когда он уменьшается вдвое,

сопротивление потоку увеличивается в 16 раз!

4.3.2. Сопротивление потоку воздуха в дыхательном тракте

Главным компонентом сопротивления дыхательных путей (Raw) является трение,

оказываемое стенками трахеобронхиального дерева. Сопротивление дыхательных путей

можно рассчитать, разделив разность давлений в ротовой полости и альвеолах на

объемную скорость воздушного потока:

РА - Ррот

Raw = ---------- (26)

V

40

Объемная скорость потока и ротовое давление могут быть легко измерены, тогда как

альвеолярное давление (PA), напротив, нельзя измерить прямым методом. Однако его

можно рассчитать, исходя из значений плеврального давления (Рpl).

При одновременной регистрации с помощью пневмотахографа изменения объема легких

(V) и скорости потока (V), а также изменения плеврального давления (Рpl) (соответствуют

изменению давления в пищеводе, измеряемому с помощью баллонного катетера) можно

построить графики, представленные на рисунке 12. При спокойном медленном дыхании с

едва измеримой скоростью потока получают следующие кривые (синий цвет): объем

повышается при вдохе от точки А через точку В к точке С и плавно снижается при

выдохе, скорость потока на вдохе незначительно изменяется от нулевого значения в

начале вдоха (А) до максимального к середине вдоха (В) и снова становится нулевой в

конце вдоха (С), плевральное давление в начале вдоха (А) является отрицательным и

становится еще более отрицательным во время вдоха (В), достигая наиболее

отрицательного значения к концу вдоха (С) (рис. 12). Альвеолярное давление остается

относительно небольшим, так как небольшая интенсивность дыхания не ведет к

существенным перепадам давления вдоль дыхательного тракта.

41

Рис.12. – Изменения объема легких, скорости потока, плеврального и альвеолярного давления при очень

медленном спокойном (синие кривые) и нормальном (оранжевые и красные кривые) дыхании.

42

При более интенсивном дыхании и неизменном дыхательном объеме движущее давление

возрастает. Следовательно, для того, что бы произошел вдох, альвеолярное давление (РА)

должно быть при вдохе более отрицательным, а при выдохе – более положительным по

сравнению с медленным дыханием. При этом в любой момент дыхательного цикла

разность РА- Рpl остается примерно одинаковой, так как она определяется только

эластичностью легких, которая не зависит от активности дыхательных мышц (см. выше).

Поэтому во время интенсивного дыхания плевральное давление на вдохе также

становится более отрицательным, а на выдохе – менее (рис.12, оранжевая кривая АВ’С).

Таким образом, разность плеврального давления между голубой и оранжевой кривыми

является движущей разностью давления, т.е. альвеолярным давлением - РА. Если эту

разность разделить на соответствующее значение V, то можно определить искомое

сопротивление дыхательных путей (Raw). При спокойном дыхании движущее давление

достигает 0.1 кПа и может существенно возрастать при учащенном дыхании.

Соответственно, плевральное давление при вдохе снижается и становится еще более

отрицательным, а при выдохе возрастает и может даже стать положительным, что может

приводить к сдавлению дыхательных путей, называемому динамической компрессией. У

пациентов с повышенным сопротивлением компрессия дыхательных путей может

наблюдаться уже при спокойном дыхании.

Альвеолярное давление и сопротивление дыхательных путей можно также измерить

методом общей бодиплетизмографии.

При измерении сопротивления дыхательных путей следует учитывать, что в дыхательной

системе сопротивление распределяется неравномерно (рис.13). У взрослого при дыхании

через рот на глотку и гортань приходится около 25% общего сопротивления, на долю

внутригрудных крупных дыхательных путей (трахеи, долевых и сегментарных бронхов) -

около 80% остающегося сопротивления, остальные 20% - на долю периферических

дыхательных путей с диаметром менее 2 мм. Мелкие дыхательные пути вносят

незначительный вклад в общее сопротивление, т.к. их общая площадь поперечного

сечения велика и, следовательно, сопротивление мало. Клинически это крайне важно,

потому что заболевания легких часто начинаются с периферии. Измерение сопротивления

дыхательных путей не является в этом случае хорошим диагностическим приемом для

распознавания ранних стадий заболеваний. Должны применяться специальные

диагностические методы исследования (такие как метод вымывания азота, импульсная

осциллометрия).

43

Рис. 13. - Сопротивление потоку воздуха, оказываемое различными генерациями бронхов.

4.3.3. Факторы, определяющие сопротивление дыхательных путей

На сопротивление воздухоносных путей существенное влияние оказывает объем легких.

Бронхи растягиваются окружающей их легочной тканью и их просвет увеличивается при

увеличении объема легких, а сопротивление снижается (рис.14).. Кроме того, такие

факторы, как тонус гладкой мускулатуры, физические свойства (плотность, вязкость) газа

также влияют на аэродинамическое сопротивление.

Нормальное сопротивление дыхательных путей у взрослых на уровне ФОЕ равно

примерно 0.13 кПа/л/сек. В клинической практике часто используют величину обратную

сопротивлению - проводимость дыхательных путей (Gaw = 1/Raw).

Сопротивление может увеличиваться при сокращении гладкой мускулатуры бронхов, при

отеке бронхиальной слизистой и гиперсекреции, при снижении эластичности и

растягивающего действия легочной паренхимы на дыхательные пути, при обтурации

просвета новообразованиями или инородным телом.

44

Рис. 14. - Сопротивление дыхательных путей как функция объема легких.

4.4. Форсированный выдох

Форсированный выдох - самый простой и распространенный метод диагностики функции

легких. Максимальная скорость экспираторного потока определяется эластичностью

легких, которая обеспечивает прохождение воздуха по дыхательным путям и

поддерживает просвет бронхов открытым, а также сопротивлением и диаметром

дыхательных путей. При форсированном выдохе по мере уменьшения внутрилегочного

объема нарастает динамическая компрессия дыхательных путей, что ограничивает

скорость воздушного потока.

Исследование функции легких с помощью форсированного экспираторного маневра

впервые предложили Тиффно и Пинелли в 1947 году. Во время исследования испытуемый

делает максимально глубокий вдох и резкий максимально глубокий выдох. Максимальная

скорость экспираторного потока определяется эластичностью легких, которая

обеспечивает прохождение воздуха по дыхательным путям и поддерживает просвет

бронхов открытым, а также сопротивлением и диаметром дыхательных путей. С помощью

маневра форсированного выдоха измеряют форсированную жизненную емкость легких

(ФЖЕЛ) и показатели объемной скорости воздушного потока (объем форсированного

выдоха за 1 секунду - ОФВ1, отношение ОФВ1/ФЖЕЛ, максимальную усредненную

объемную скорость - СОС25-75, пиковую объемную скорость выдоха ПОСвыд). Из всех

показателей наиболее важным является максимальный объем воздуха, который человек

может выдохнуть за первую секунду маневра ФЖЕЛ - ОФВ1. Он более или менее

45

независим от усилия, приложенного во время маневра выдоха, и отражает свойства легких

и дыхательных путей.

У здоровых лиц разница между ЖЕЛ, измеренной при спокойной спирометрии, и ФЖЕЛ

минимальна. У больных с повышенным сопротивлением дыхательных путей маневр

ФЖЕЛ может приводить к сдавлению мелких дыхательных путей и ФЖЕЛ может быть

значительно ниже, чем ЖЕЛ. Значение ОФВ1 зависит также как ЖЕЛ (и ФЖЕЛ) от роста,

пола, возраста, расы, физического состояния (тренированности организма). Отношение

ОФВ1/ЖЕЛ абсолютно не зависит от этих факторов. У здорового человека это

соотношение составляет 75-85%, но с возрастом скорость выдоха снижается в большей

степени, чем объем легких, и отношение несколько уменьшается. У детей, наоборот,

скорости воздушных потоков высокие, поэтому соотношение ОФВ1/ЖЕЛ у них, как

правило, выше - около 90%.

Петля поток-объем

Петля поток-объем – график зависимости объемной скорости потока от объема легких,

состоит из двух половин: экспираторной и инспираторной, форма которых различна

(рис.15).

46

Рис.15. Петли поток-объем, полученные при выполнении форсированного маневра с различным усилием.

При форсированном экспираторном маневре сразу после быстрого подъема начинается

линейное снижение скорости потока вплоть до окончания выдоха. Поэтому экспираторная

кривая поток-объем обычно имеет форму почти прямоугольного треугольника,

основанием которого является ФЖЕЛ, а вершина соответствует ПОСвыд. После

достижения пика скорость потока плавно снижается и становится нулевой при

достижении остаточного объема легких (ООЛ), каждая точка этой части кривой

определяет максимальную скорость потока при данном объеме легких. При

форсированном выдохе плевральное давление становится положительным и превышает

давление в мелких дыхательных путях, что вызывает их сдавление и ограничивает

скорость воздушного потока (динамическая компрессия дыхательных путей) (рис.16).

Ограничение экспираторного потока достигается при умеренном усилии, и дальнейшее

повышение усилия увеличивает скорость потока выдыхаемого воздуха только в начальной

четверти ФЖЕЛ. При низких и средних объемах легких увеличение усилия не дает

47

прироста потока. Т.е. при форсированном выдохе у любого человека существует

ограничение максимальной скорости потока.

Рис.16. - Динамическая компрессия дыхательных путей. (А) Изменение давления в легких в конце вдоха или

выдоха, когда поток отсутствует. Давление в альвеолах (РА) и дыхательных путях (Paw) равно нулю

(атмосферному давлению). Давление эластической тяги (Pel) уравновешивается плевральным давлением

(Ppl). Трансмуральное давление (PTM) в дыхательных путях держит их открытыми. (Б) При форсированном

выдохе РА и Ppl становятся положительными. Возникает градиент давления между альвеолами и ротовой

полостью, необходимый для экспираторного потока. Сопротивление дыхательных путей приводит к

падению движущего давления по мере движения потока наружу, В результате Ppl превышает Paw, возникает

отрицательное PTM, которое сдавливает дыхательные пути (динамическая компрессия дыхательных путей) и

ограничивает скорость потока. Дальнейшее повышение экспираторного усилия не приводит к повышению

скорости потока. Точка, в которой Ppl = Paw, называется точкой равного давления. (ТРД). ТРД достигается

тем скорее, чем меньше эластичность легких и чем выше сопротивление дыхательных путей.

В отличие от выдоха, во время вдоха большее инспираторное усилие вызывает больший

поток при всех уровнях ФЖЕЛ. Инспираторная кривая поток-объем является

симметричной: максимальный инспираторный поток достигается приблизительно в

средней точке кривой.

4.5. Максимальная произвольная вентиляция легких

Максимальная произвольная вентиляция легких (МВЛ) позволяет оценить функцию

дыхательной системы в целом, включая мышечную силу. При нейромышечных и

48

неврологических заболеваниях, а также при выраженных вентиляционных нарушениях

происходит снижение МВЛ.

Функцию дыхательной системы в целом, включая мышечную силу, можно оценить с

помощью максимальной произвольной вентиляция легких (МВЛ), при измерении которой

определяют максимальный объем воздуха, который может быть перемещен за 1 минуту.

Во время исследования испытуемый дышит так часто и глубоко, как только он может.

Время измерения обычно составляет 15 секунд, за исключением процедуры определения

максимальной поддерживаемой вентиляции легких, которая занимает до 4 мин. В

последнем случае вдыхаемый газ должен содержать углекислоту для предотвращения

гипокапнии. При нейромышечных и неврологических заболеваниях, а также при

выраженных вентиляционных нарушениях происходит снижение МВЛ. У пациентов с

обструктивными нарушениями снижение МВЛ более выраженное по сравнению с

рестриктивными нарушениями, поскольку при снижении объема легких частое

поверхностное дыхание компенсирует нарушения вентиляции.

Результаты измерения существенно зависят от прилагаемого усилия и желания

испытуемого. Поэтому в настоящее время для оценки МВЛ обычно используют

эмпирическое уравнение: МВЛ = 35 ۰ ОФВ1.

4.6. Работа дыхания

При спокойном дыхании в нормальных физиологических условиях работа дыхательных

мышц составляет незначительную часть энергетических затрат организма. При

увеличении легочной вентиляции (например, при физической нагрузке) энергозатраты

резко возрастают. При заболеваниях органов дыхания работа дыхания возрастает

соответственно степени патологических нарушений.

Дыхательные мышцы, развивая силу, приводящую в движение легкие и грудную стенку,

выполняют работу, направленную на преодоление эластических и вязких

(неэластических) сопротивлений. Эту работу дыхания (W) можно рассчитать как

произведение давления в легких (P) в данный момент дыхательного цикла на их объем

(V):

W = PV (27).

Работу дыхания измеряют путем непрерывной регистрации внутриплеврального (или

внутрипищеводного) давления и сопутствующих ему изменений объема легких. Строится

49

кривая давление-объем. При спокойном дыхании во время вдоха плевральное давление

падает, объем легких становится выше ФОЕ, регистрируется кривая АБС. Работа,

затраченная на наполнение легких (вдох), равна площади под кривой и состоит из двух

компонентов:

один необходим для преодоления эластических сил (эластическое сопротивление при

растяжении легких и грудной клетки) и представлен площадью ОАЕСДО;

другой - для преодоления вязких сил (сопротивление дыхательных путей, вязкое

сопротивление ткани и инерционное сопротивление) и представлен площадью АБСЕА.

Инерционное сопротивление трахео-бронхиального воздушного столба, легких и

грудной стенки при спокойном дыхании составляет примерно 5% от общего

неэластического сопротивления. При увеличении частоты дыхания инерционное

сопротивление возрастает, однако остается относительно невеликим. Поэтому в

механике дыхания его обычно не учитывают.

Произведенная против эластических сил работа (как у металлической пружины)

«аккумулируется» и опять применяется для производства работы выдоха. Работа выдоха -

это площадь АЕСВА (рис.17), которая находится внутри площади ОАЕСДО. Отсюда

следует, что при спокойном дыхании выдох происходит пассивно.

При увеличении легочной вентиляции (например, при физической нагрузке) работа

дыхания резко возрастает. В этом случае работа выдоха не может быть обеспечена

потенциальной энергией растянутых легких и выдох становится активным процессом,

требующим работы экспираторных дыхательных мышц. При заболеваниях органов

дыхания на выдохе также должны включаться экспираторные мышцы.

50

Рис. 17. - Работа дыхания. Работа, необходимая для преодоления эластических (площадь ОАЕСДО) и вязких

(площадь АБСЕА) сил, может быть определена для каждого дыхательного цикла.

Величину энергетических затрат организма, связанных с дыханием, можно оценить по

количеству кислорода, потребляемому непосредственно дыхательными мышцами. Для

этого проводят измерение потребления кислорода в условиях, когда повышается нагрузка

исключительно на дыхательные мышцы без активации других скелетных мышц,

например, при произвольном учащении дыхания или дыхании с повышенным

содержанием СО2 в воздухе или с созданием искусственного мертвого пространства

(трубка, через которую испытуемый дышит).

В норме при спокойном дыхании потребление дыхательными мышцами кислорода и

работа дыхания составляют незначительную часть энергозатрат организма. Так,

потребление кислорода дыхательными мышцами в покое составляет около 3 млмин-1

(не

более 2-3 % общего потребления кислорода). На преодоление эластического

сопротивления приходится 65%, а неэластического - 35% всей работы дыхания. При

патологии органов дыхания работа дыхания возрастает соответственно степени

увеличения сопротивления дыхательных путей (например, при бронхиальной астме,

хронической обструктивной болезни легких) или снижения растяжимости легких

(например, при фиброзе легких). В первом случае повышается в основном неэластическая

работа дыхания (увеличение площади АБСЕА), а во втором – эластическая (увеличение

площади ОАЕСДО).

51

4.7. Патофизиологические нарушения вентиляционной способности легких

По изменениям механики дыхания можно выявить основные патофизиологические

нарушения вентиляционной способности легких: обструктивные и рестриктивные.

Достаточно часто наблюдается их сочетание - смешанные нарушения.

Обструктивные вентиляционные нарушения

При обструктивных нарушениях ведущим патофизиологическим механизмом является

увеличение сопротивления дыхательных путей, которое приводит к снижению

экспираторного потока. Обструктивный тип вентиляционных нарушений характеризуется

снижением соотношения ОФВ1/ЖЕЛ при сохранной ЖЕЛ. Выраженность изменений

зависит как от тяжести обструктивных нарушений, так и от нозологической формы.

Причиной этого чаще всего является сужение просвета дыхательных путей при

бронхиальной астме, хронической обструктивной болезни легких, эмфиземе,

муковисцидозе, сдавлении крупных бронхов и трахеи опухолью извне, стенозировании

эндофитно растущей опухолью, рубцовой тканью, инородным телом. Например, у

пациентов с эмфиземой снижение максимального экспираторного потока является

следствием потери эластичности легких, приводящей к увеличению бронхиального

сопротивления и динамической компрессии дыхательных путей. Прогрессирование

заболевания приводит к дальнейшему снижению экспираторного потока, задержке

воздуха в альвеолах (воздушной ловушке) и гиперинфляции легких, приводящие к

снижению ЖЕЛ. Для того чтобы исключить смешанные обструктивно-рестриктивные

нарушения необходимо провести бодиплетизмографическое исследование.

Рестриктивные вентиляционные нарушения

Рестриктивные нарушения вентиляции обусловлены процессами, снижающими

растяжимость легких и, следовательно, ограничивающими наполнение легких воздухом.

В начале развития патологических нарушений объем легких еще не снижен, а скоростные

показатели и отношение ОФВ1/ЖЕЛ могут даже увеличиваться вследствие того, что

паренхима легких оказывает большее растягивающее действие на дыхательные пути:

просвет бронхов увеличивается относительно объема легких, МВЛ относительно

сохранна. При прогрессировании заболевания происходит уменьшение воздушности

легочной ткани. Это проявляется снижением ЖЕЛ и ОЕЛ, кривая поток-объем становится

высокой и узкой.

Рестриктивные нарушения могут встречаться при интерстициальных заболеваниях легких,

обширной воспалительной инфильтрации легочной ткани, гипоплазии и ателектазах

легкого, после резекции легочной ткани. К рестрикции также может приводить и

52

внелегочная патология, например, поражение грудного отдела позвоночника, ребер,

дыхательной мускулатуры; высокое стояние диафрагмы, что делает невозможным

выполнение глубокого полноценного вдоха; нарушение регуляции дыхания при угнетении

дыхательного центра наркотическими препаратами или его повреждении опухолью,

кровоизлиянием.

Для диагностики рестриктивных нарушений недостаточно спирометрического

исследования, а следует выполнить бодиплетизмографию и измерить легочные объемы.

53

5. Вентиляция и газообмен в легких (А.В.Черняк)

Легочную вентиляцию рассчитывают как произведение дыхательного объема и частоты

дыхания. Уровень легочной вентиляции и состав выдыхаемого воздуха определяют

поступление кислорода в легкие и выделение углекислого газа. Отношение выделенного

углекислого газа к поглощенному кислороду за один дыхательный цикл называют

отношением респираторного обмена или отношением газообмена.

5.1. Легочная вентиляция

Объем воздуха, поступающего в дыхательную систему или покидающего его за одну

минуту, называют минутной вентиляцией легких или легочной вентиляцией (VE) и

рассчитывают как произведение дыхательного объема (VT) и частоты дыхания (fR):

VE = VT fR (28)

Объемы вдоха и выдоха (дыхательный объем в условиях BTPS) являются практически

одинаковыми. Различия являются следствием того, что количество поступающего О2, как

правило, несколько превышает количество выдыхаемого СО2. Этими незначительными

различиями, а соответственно и различиями вентиляций, можно пренебречь и при

дальнейшем рассмотрении под символом VT подразумевать дыхательный объем,

измеренный на выдохе. Легочную вентиляцию обычно измеряют на выдохе и обозначают

VE (E от expiration – выдох). Для взрослого человека среднего сложения нормальная V

E

составляет около 8 лмин-1

.

Поступление кислорода (VО2 - количество кислорода, поступившее в организм за одну

минуту) можно вычислить, если известна легочная вентиляция и концентрация кислорода

во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе:

VО2 = V

E (FI О2 – FE О2) (29),

где FI и FE - фракции кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе.

Выделение углекислого газа (VCO2 - количество СО2, выведенное из организма за одну

минуту) можно вычислить с помощью аналогичного уравнения (фракция углекислого газа

во вдыхаемом воздухе - FI СО2 - равна нулю):

VCO2 = V

E FE CO2 (30)

54

Потребление кислорода и выделение углекислого газа измеряют в условиях STPD, а VE –

в условиях BTPS. Для пересчета необходимо внести соответствующие коррективы

(уравнение 11). Кроме того, фракция F может быть заменена парциальным давлением Р,

которое при дальнейшем рассмотрении газообмена является более предпочтительным (из

уравнения 7):

1

VО2 = V

E (PI O2 – PE O2) (31)

115

1

VCO2 = V

E PE CO2 (32)

115

Примечание: число 115 – поправочный коэффициент, если давление измеряется в кПа. Если давление

измеряется в других единицах, числовое значение будет иным.

Таким образом, для вычисления VО2 и V

CO2 в легких необходимо измерить в смешанном

выдыхаемом воздухе фракции О2 и СО2 (или их парциальные давления) и легочную

вентиляцию VE, которую определяют как собранный объем воздуха за единицу времени.

5.2. Отношение респираторного обмена

Отношение респираторного обмена или отношение газообмена (англ. RER - respiratory

exchange ratio) – это отношение выделенного через легкие углекислого газа к

поглощенному кислороду за один дыхательный цикл:

VCO2

RER = (33)

VО2

За один дыхательный цикл количество вдыхаемых молекул кислорода обычно превышает

количество выдыхаемых молекул углекислого газа. Определение RER важно для

исследования особенностей газообмена и обмена веществ. В условиях состояния

устойчивого равновесия (steady state) RER равно дыхательному коэффициенту (англ. RQ -

respiratory quotient), значения которого определяются субстратами, используемыми для

метаболических процессов, т.е. поступление О2 и выделение СО2 легкими равно

потреблению О2 и образованию СО2 клетками организма при тканевом дыхании. При

метаболизме преимущественно за счет углеводов RQ равен 1, жиров - 0,7, белков - 0,8.

55

У здорового человека в покое RER равно 0,85±0,1; RER незначительно изменяется при

мышечной работе малой и средней интенсивности и резко увеличивается при очень

интенсивной работе и гипервентиляции легких.

5.3. Мертвое пространство и альвеолярная вентиляция

Эффективность газообмена определяется уровнем альвеолярной, а не легочной (включает

и вентиляцию мертвого пространства) вентиляции. При спокойном дыхании у здоровых

людей отношение объема мертвого пространства к дыхательному объему колеблется от

0.3 до 0.35, рассчитать его можно с помощью уравнения Бора. Об эффективности

альвеолярной вентиляции можно судить по величине PaCO2, поскольку для СО2

парциальное давление в альвеолярном пространстве равно артериальному парциальному

давлению.

5.3.1. Мертвое пространство

Ротовая полость, нос, гортань, глотка, трахея, бронхи до терминальных бронхиол (т.е.

дыхательные пути по 16 генерацию включительно) известны как проводящие

дыхательные пути, которые обеспечивают подачу воздуха в респираторную зону и в

обратном направлении. Их обозначают как анатомическое мертвое пространство,

подчеркивая тем самым, что они не участвуют в газообмене, однако, проводящие

дыхательные пути выполняют ряд важнейших функций: обогрев, увлажнение и очищение

вдыхаемого воздуха.

Воздух, который поступает в альвеолы, не весь участвует в газообмене, поскольку

некоторые альвеолы не кровоснабжаются или кровоснабжаются на уровне, недостаточном

для газообмена. Это альвеолярное мертвое пространство. Сумма анатомического и

альвеолярного мертвых пространств называется физиологическим, или функциональным,

мертвым пространством. В идеальных условиях анатомическое и физиологическое

мертвое пространства равны.

5.3.2. Общая и альвеолярная вентиляция

Вентиляция легких является непрерывным процессом, при котором в легкие поступает

атмосферный воздух и выводится избыток СО2. Однако часть вдыхаемого воздуха не

достигает альвеол, где происходит газообмен (рис.18). Перед вдохом дыхательные пути

56

заполнены воздухом из альвеолярного пространства, находящимся в них в результате

предыдущего выдоха. При вдохе дыхательного объема (VT) в альвеолярное пространство

попадает и смешивается с альвеолярным воздухом, прежде всего, воздух, который

находился в мертвом пространстве (VD), и только в виде остатка (VА = VT - VD) - свежий

воздух. Остальная часть свежего воздуха остается в мертвом пространстве и выдыхается

не измененной. Так осуществляется вентиляция атмосферным воздухом альвеолярного

пространства. Таким образом, альвеолярная вентиляция (VА = VА fR) представляет собой

общую вентиляцию легких (VE = VТ fR) за вычетом вентиляции мертвого пространства

(VD = VD fR):

VА fR = VТ fR - VD fR (34),

где VА – альвеолярный объем, VТ – дыхательный объем, VD – объем мертвого

пространства, fR – частота дыхания.

Эффективность альвеолярной вентиляции зависит от частоты дыхания и дыхательного

объема: она тем ниже, чем выше частота дыхания и меньше дыхательный объем.

Рис.18. - Альвеолярный воздух и выдыхаемый воздух. Перед вдохом (1) альвеолярное и мертвое

пространства заполняются альвеолярным воздухом. После вдоха (2) дыхательного объема VТ альвеолярный

объем увеличивается на величину VТ. Часть VТ - VD = VA свежего воздуха достигла альвеолярного

пространства, остаток (VD) находится в мертвом пространстве. Часть свежего воздуха, достигшего

альвеолярного пространства, смешивается с альвеолярным воздухом (3). При выдохе наружу выходит

прежде всего воздух мертвого пространства (VD , свежий воздух), потом альвеолярный воздух (VA) (5).

Смесь обеих частей образует смешанно-экспираторный воздух (6). Концентрация газов в легких в конце

выдоха (4) равна концентрации газов перед вдохом (1).

5.3.3. Отношение между альвеолярной вентиляцией, альвеолярным парциальным

давлением О2 и альвеолярным парциальным давлением СО2

57

Состав альвеолярного воздуха точно так же зависит от альвеолярной вентиляции, как это

представлено в уравнениях 31-32 для выдыхаемого воздуха и легочной вентиляции:

1 VО2 = V

A (PI O2– PA O2) (35)

115

и 1 VCO2 = V

A (PA CO2) (36)

115

Чем интенсивнее осуществляется альвеолярная вентиляция, тем ближе состав

альвеолярного воздуха к составу вдыхаемого атмосферного воздуха. Преобразовав

уравнения 35 и 36, получим важную для понимания газообмена зависимость парциальных

давлений в альвеолярном воздухе от альвеолярной вентиляции:

PA O2 = PI O2 - 115 VО2 / V

A (37)

PA CO2 = 115 VCO2 / V

A (38)

Парциальные давления О2 и СО2 в альвеолярном воздухе можно рассчитать по

приведенным выше формулам (37 и 38). График зависимости РА О2 (или PA CO2) от

альвеолярной вентиляции имеет вид гипербол (рис.19).

Рис. 19. - Парциальные давления О2 и СО2 в альвеолярном воздухе и альвеолярная вентиляция.

58

Однако, полученные таким образом данные, как правило, недостаточно точны, поэтому

лучше измерять РА О2 и PA CO2, непосредственно анализируя порцию воздуха в конце

нормального или углубленного выдоха (как эквивалент альвеолярного воздуха). В покое

нормальные значения РА О2 и PA CO2 равны 13.3 кПа (100 мм рт.ст.) и 5.3 кПа (40 мм рт.ст.),

соответственно (табл.1).

5.3.4. Расчет объема мертвого пространства

Количество газа согласно уравнению 14 можно представить как произведение

фракционной концентрации газа (F) и объема. Во время выдоха сперва выдыхается воздух

из мертвого пространства (концентрация FI, объем VD), потом альвеолярный воздух

(концентрация FА, объем VТ-VD). Смесь обеих порций не изменяет общее количество газа

в выдыхаемом воздухе (концентрация FЕ, объем VТ) так, что:

FE VТ = FA VA + FI VD = FA (VТ-VD) + FI VD (39)

Это уравнение называется уравнением Бора.

Так как во вдыхаемом воздухе практически не содержится углекислый газ и его

количеством можно пренебречь, то уравнение применительно к фракции СО2 можно

преобразовать к следующему виду:

FA CO2 – FE CO2

VD = VT (40)

FA CO2

Это уравнение для расчета объема мертвого пространства может быть применимо к

фракции О2 и действительно для парциальных давлений, которые пропорциональны

фракционным концентрациям (уравнение 7):

VD (PE O2 - PA O2) РA CO2 – РE CO2

= = (41)

VT (PI O2 – PA O2) PA CO2

Итак, для измерения объема мертвого пространства необходимо наряду с парциальным

давлением СО2 в смешанном выдыхаемом воздухе также измерить парциальное давление

СО2 в альвеолярном воздухе (PA CO2), которое практически равно парциальному давлению

углекислого газа в артериальной крови (Pa CO2).

У здоровых людей объем анатомического мертвого пространства зависит от размеров тела

и позы. Как правило, у сидящего человека он примерно равен в миллилитрах массе тела в

59

фунтах (1 фунт = 453,6 г), т.е. около 150 мл. При спокойном дыхании объем мертвого

пространства составляет 30% дыхательного объема (табл.1) или 5% функциональной

остаточной емкости. Подставив нормальные значения объема мертвого пространства VD,

дыхательного объема VТ и частоты дыхания fR в соответствующие формулы, получаем,

что вентиляция мертвого пространства равна 2.4 лBTPS мин-1

, общая легочная вентиляция

- приблизительно 8 лBTPS мин-1

, а альвеолярная вентиляция - приблизительно 5.6 лBTPS

мин-1

(табл.1).

Объем мертвого пространства незначительно зависит от объема и частоты дыхания:

увеличение дыхательного объема сопровождается растяжением дыхательных путей, а

частота дыхания изменяет время, необходимое для диффузии газов, а также ритмические

сокращения сердца и пульсацию крупных сосудов. Изменение тонуса гладких мышц

дыхательных путей также влияет на VD.

Паттерн дыхания оказывает влияние на эффективность вентиляции легких. При

постоянной легочной вентиляции (VE) частое поверхностное дыхание представляется

неэффективным – снижается альвеолярная вентиляция в пользу вентиляции мертвого

пространства (уравнение 34), это влечет за собой рост РА СО2 (уравнение 38) и падение

РАО2 (уравнение 37). Такой паттерн дыхания часто наблюдается у пациентов с острой

легочной недостаточностью или при очень болезненном ранении ребер. Наоборот, при

постоянной VE медленное и глубокое дыхание ведет к повышению альвеолярной

вентиляции и снижению альвеолярного (и артериального) РСО2.

5.4. Уравнение альвеолярного воздуха

Измерение РА О2 и PA CO2 в образце выдыхаемого альвеолярного газа производится со

значительными погрешностями. Благодаря хорошим диффузионным свойствам СО2 (его

способность к диффузии в 20 раз превышает таковую у О2) и особому характеру

связывания СО2 в крови (дезоксигенированная кровь связывает больше СО2, чем

оксигенированная кровь, что помогает отдаче СО2 в легких), среднее PA CO2

предполагается равным артериальному парциальному давлению СО2 (Ра CO2), которое

может быть легко и точно измерено. Для определения РА О2 такой способ не подходит.

Среднее PA O2 может быть рассчитано достаточно точно с помощью деления уравнения

10.35 на уравнение 10.34 и дальнейших преобразований с учетом уравнения 10.31:

VCO2 PA CO2

RER = =

VО2 (PI O2– PA O2)

60

и далее:

PA CO2

PA O2 = PI O2 - (42)

RER

Это уравнение называется уравнением альвеолярного воздуха или уравнением идеального

альвеолярного кислорода (в этом уравнении для краткости не проводили «азотной

коррекции»). Если заменить в нем PA CO2 на Pa CO2, то получим окончательный вид

уравнения:

Pа CO2

PA O2 = PI O2 - (43),

RER

где PI O2 = (Ратм. – РН2О) FI O2, на уровне моря равно (100 – 6.3) 0.2095 = 19.6 кПа (или 149

мм рт.ст.).

5.5. Гипо- и гипервентиляция

Итак, парциальное давление газа (СО2 или О2) в альвеолярном воздухе определяется

альвеолярной вентиляцией. Поскольку для СО2 парциальное давление в альвеолярном

пространстве равно артериальному парциальному давлению, то об эффективности

вентиляции можно судить по величине Pa CO2. Выделяют три типа вентиляции:

- нормовентиляция (нормальная альвеолярная вентиляция) подразумевает нормальные

значения Pa CO2 (женщины 5.07 0.3 кПа; мужчины 5.47 0.3 кПа);

- гипервентиляция (альвеолярная вентиляция выше нормального уровня) подразумевает,

что альвеолярная вентиляция превысила метаболические потребности организма в

кислороде, артериальное PCO2 снижается ниже нормального уровня (гипокапния);

- гиповентиляция (альвеолярная вентиляция ниже нормального уровня), наоборот,

характеризуется недостаточной альвеолярной вентиляцией, в результате чего в крови

снижается количество кислорода и повышается количество углекислого газа (Pa CO2

превышает нормальный уровень - гиперкапния).

Итак, гипер- и гиповентиляция позволяют установить нижнюю и верхнюю границы

нормальных значений артериального PCO2.

Паттерн дыхания при гипо- и гипервентиляции может существенно изменяться. Выделяют

следующие паттерны дыхания (описательная характеристика типа дыхания, без ссылки на

газообмен или газы крови): эйпноэ (нормальное спокойное дыхание), тахипноэ

(учащѐнное дыхание без его углубления, частота дыхания свыше 20 мин-1

), брадипноэ

61

(редкое дыхание, частота дыхания 12 мин-1

и менее) и апноэ (временная остановка

дыхания).

К гиповентилляции могут приводить вещества (морфий или барбитураты), угнетающие

работу дыхательного центра; патологические изменения грудной клетки; паралич

дыхательных мышц; нарушения проходимости дыхательных путей или высокое

сопротивление дыханию (например, при использовании плотной газовой смеси на

больших глубинах). Также и гипервентиляция может иметь разнообразные причины.

Наряду с заболеваниями легких (пневмония, интерстициальный пневмонит,

пневмосклероз, эмболия легочной артерии, бронхиальная астма и др.), причинами

гипервентиляции являются гипоксемия (например, при пребывании на высоте),

артериальная гипотония, метаболические нарушения (например, ацидоз), неврологические

и психические расстройства, а также интоксикация. Для нормализации газового состава

крови и альвеолярного пространства необходимо выявить причины гипо- или

гипервентиляции.

62

6. Кровоснабжение легких (Ж.К.Науменко)

Давление в системе легочной артерии очень низкое по сравнению с давлением в большом

круге кровообращения (рис. 20). Считается, что нормальное систолическое давление в

легочной артерии равно 30-35 мм рт.ст., диастолическое давление – 8-10 мм рт.ст.,

среднее давление – около 20 мм рт.ст., т.е. среднее давление в системе легочной артерии

приблизительно в 6 раз ниже, чем среднее давление в большом круге кровообращения.

Поскольку давление в легочной артерии такое низкое, то на перераспределение кровотока

внутри легкого значительное влияние оказывает гидростатическое давление. Высота

легкого взрослого человека приблизительно равна 30 см, поэтому гидростатическая

разница в давлении между верхушкой легкого и его основанием равна 30 см крови, что

эквивалентно 23 мм рт.ст., т.е. имеется существенная разница давлений в капиллярах на

разных уровнях легкого.

Давление в легочной артерии сильно варьирует от систолы к диастоле (30-35 и 8-10 мм

рт.ст., соответственно), что позволяет обеспечить хороший кровоток в легочных

капиллярах.

63

Рис.20. – Большой и малый круги кровообращения.

6.1. Факторы, влияющие на просвет сосудов

Диаметр любого сосуда зависит от разницы интраваскулярного (внутрисосудистого)

давления (PIV) и периваскулярного (PI). Трансмуральное различие давлений (PIV-PI)

определяет диаметр сосуда в силу растяжимости сосудистой стенки. Так повышение

интраваскулярного давления (например, при повышении давления в левом предсердии)

приводит к расширению легочных сосудов. Снижение периваскулярного давления также

расширяет легочные сосуды. Интраваскулярное давление зависит от давления в правом

предсердии и легочной артерии, периваскулярное – от структур окружающих сосудистое

русло. Периваскулярное давление, которому подвергаются крупные экстрапульмональные

сосуды приблизительно равно плевральному давлению. Интрапульмональные сосуды

подразделяют на три типа сосудов в зависимости от периваскулярного давления: экстра-

64

альвеолярные, альвеолярные и угловые. Это функциональное разделение сосудов, а не

анатомическое. Анатомически экстра-альвеолярные сосуды являются пре- и

посткапиллярами, а альвеолярные – капиллярами.

6.1.1. Экстра-альвеолярные сосуды

Экстра-альвеолярные капилляры являются интрапульмональными сосудами, которые

подвержены влиянию интраплеврального давления и окружающей ткани, а не

альвеолярного. Экстра-альвеолярные сосуды расположены в паренхиме легкого и

окружены коллагеновыми волокнами, лимфатическими сосудами и тканью, в которой

проходят артерии, вены, венулы и артериолы. Интраплевральное давление и давление

окружающей ткани зависят от фазы вдоха и выдоха, а также определяются силой

эластической отдачи ткани легкого. Давление в периваскулярном промежуточном

пространстве, которое окружает крупные легочные артерии и вены, более отрицательное,

чем плевральное и на вдохе оно повышается. Плевральное давление на вдохе, наоборот,

снижается, что приводит к пассивному расширению экстра-альвеолярных сосудов, а на

выдохе, когда плевральное давление повышается, эти сосуды сжимаются.

6.1.2. Альвеолярные сосуды

Эти сосуды (капилляры) располагаются в межальвеолярных перегородках. Они окружены

альвеолами и их диаметр зависит от альвеолярного давления, а не от плеврального. На

вдохе, когда давление внутри альвеол повышается, капилляры сжимаются. На выдохе, из-

за поверхностного натяжения альвеолярной жидкости происходит выравнивание давлений

внутри альвеол и капилляров, но обычно давление внутри капилляров все же ниже, чем

альвеолярное, но выше, чем давление вокруг экстра-альвеолярных сосудов.

6.1.3. Угловые сосуды

Эти капилляры располагаются в толстой части альвеолярно-капиллярной мембраны

между тремя альвеолами или в пределах складок альвеолярных стенок. Угловые сосуды

отличаются от капилляров, расположенных в тонких стенках (альвеолярные сосуды) тем,

что их диаметр не зависит от альвеолярного давления и при повышении альвеолярного

давления они не сужаются.

6.2. Сосудистое сопротивление в системе легочной артерии

Сосудистое сопротивление в системе легочной артерии определяется как:

65

Артериальное легочное сопротивление – венозное легочное сопротивление _________________________________________________________________________________________________

Скорость потока в легочной артерии

В нормальных условиях сосудистое сопротивление в легких составляет 5 л ۰ мин-1

. Поток

крови определяется артерио-венозной разницей давлений приблизительно в 10 мм рт.ст.

До настоящего времени механизмы регуляции сосудистого сопротивления изучены

недостаточно полно, хотя известно, что при повышении артериального или венозного

давления в малом круге кровообращения происходит снижение сосудистого

сопротивления. Такая реакция необходима, прежде всего, для того, чтобы снизить

нагрузку на правые отделы сердца. Показано, что при физической нагрузке, когда

происходит повышение артериального и венозного давления, сосудистое сопротивление

падает.

6.2.1. Механизмы регуляции сосудистого сопротивления в легких

Известны два механизма регуляции легочного сосудистого сопротивления: 1) открытие

ранее закрытых капилляров (рекуррентные капилляры) и 2) увеличение диаметра

капилляров. В экспериментах на животных было показано, что повышение давления в

легочной артерии от 0 до 15 см вод.ст. увеличивало число открытых капилляров на

миллиметр длины альвеолярной стенки в два раза, а при повышении давления на 50 см

вод.ст. средний диаметр капилляров увеличивался приблизительно от 3.5 до 7 мкм.

Предполагают, что открытие ранее закрытых капилляров основано на свойствах плотной

сети многочисленно связанных капиллярных сегментов. Для каждого капиллярного

сегмента предопределено свое критическое давление, при котором происходит его

открытие. Увеличение диаметра капилляров очевидно связано с выпиранием капиллярной

стенки из-за повышения внутрикапиллярного давления. За счет раскрытия рекуррентных

микрососудов и расширения капилляров увеличивается площадь микроваскулярного

русла и время контакта крови с альвеолярным газом, что в свою очередь облегчает

газообмен.

Важную роль в регуляции сосудистого сопротивления играет объем легкого. При

увеличении легочного объема сосудистое сопротивление сначала падает, а затем

повышается. В норме при функциональной остаточной емкости легкого сосудистое

сопротивление минимально. Повышение легочного сосудистого сопротивления при

уменьшении объема легкого связано с уменьшением диаметра экстра-альвеолярных

капилляров, так как диаметр этих сосудов поддерживается радиальной тягой окружающей

паренхимы, поэтому наименьший диаметр этих капилляров будет при коллапсе легкого.

66

Кроме того, при уменьшении легочного объема сосудистое сопротивление чрезвычайно

чувствительно к вазоконстрикторным веществам типа серотонина, которые вызывают

сокращение гладкой мускулатуры стенки сосудов.

В нижних отделах легкого на сосудистое сопротивление оказывает влияние и извилистый

ход микрососудов. В верхних отделах легкого повышение сосудистого сопротивления

вероятно вызвано поперечными сужениями капилляров.

6.2.2. Влияние гипоксии на сосудистое сопротивление в легких

Альвеолярная гипоксия, т.е. PO2 в альвеолах менее 70 мм рт.ст., приводит к

вазоконстрикции мелких сосудов легких. В экспериментах на изолированных легких при

вентиляции альвеол различными газовыми смесями было показано, что наиболее важным

стимулом вазоконстрикции является альвеолярная гипоксия, а не снижение напряжения

кислорода в артериальной крови. В ответ на альвеолярную гипоксию происходит сужение

прекапиллярных сосудов, что приводит к повышению сопротивления. В ответ на

повышение давления (из-за повышения сопротивления прекапилляров) крупные артерии

расширяются. Вазоконстрикторное действие гипоксии на мелкие сосуды легкого

уникально, в большом круге кровообращения гипоксия напротив приводит к дилатации

микрососудов. Этот механизм регуляции кровотока направлен на то, чтобы снизить

приток крови к плохо вентилируемым альвеолам и повысить к участкам с нормальной

вентиляцией.

До настоящего времени остается не решенным вопрос о влиянии нейрогуморальных

факторов на мелкие сосуды легкого в условиях гипоксии. Такие нейрогуморальные

медиаторы как катехоламины, гистамин, серотонин, ангиотензин II, тромбоксан,

лейкотриены С4 и D4, эндотелин и др. факторы, могут повлиять на величину ответа при

гипоксии, изменяя тонус сосудов. Возможно, что имеются сложные взаимоотношения

между этими медиаторами или существует неизвестный фактор, который и несет

ответственность за вазоконстрикцию.

Степень ответа на гипоксический стимул зависит от количества гладкой мускулатуры в

стенках легочных артерий. Избыточное содержание гладкой мускулатуры в стенках

легочных артерий (например, у людей проживающих выше уровня моря) приводит к

повышенной чувствительности стенок сосудов к гипоксии. Известно, что у людей

простоциклин и окись азота снижают вазоконстрикторную реакцию в ответ на гипоксию,

что может привести к гипоксемии.

Повышение сосудистого сопротивления, вызванного гипоксией, вероятно связано с

повышением концентрации ионов водорода в плазме клеток гладкой мускулатуры и

67

частично с повышением давления диоксида углерода, поскольку он воздействует на pH.

Повышение концентрации ионов водорода в клетках гладкой мускулатуры и повышение

РСО2 – важный интрацеллюлярный сигнал, который является посредником между актином

и миозином, что изменяет сосудистый тонус.

Ингибиторы циклооксигеназы (например, индометацин) повышают вазоконстрикторный

ответ на гипоксию, а повышение давления или увеличение объема крови в левом

предсердии может предотвратить индуцированное гипоксией сужение легочных сосудов.

Существует «Са2+

-гипотеза» непосредственного влияния гипоксии на гладкую

мускулатуру сосудистых стенок. Установлено, что в условиях гипоксии увеличивается

интрацеллюлярная концентрация ионов кальция. Ионы кальция, взаимодействуя с

кальмодулином, активизируют миозин, что и приводит к сокращению гладкой

мускулатуры и вазоконстрикции.

6.2.3. Нервная регуляция сосудистого сопротивления в легких

Адренергические и холинергические эфферентные нервы были обнаружены в легочных

артериях и венах у млекопитающих. Однако иннервация легочных сосудов значительно

уступает иннервации сосудов большого круга кровообращения. Установлено, что больше

всего нервных волокон сосредоточено в крупных сосудах, а в микрососудах их

количество уменьшается. Возбуждение α-адренорецепторов вызывает вазоконстрикцию, а

β–адренорецепторов – вазодилатацию. α–адренергические механизмы вносят

незначительный вклад в регуляцию тонуса гладкой мускулатуры сосудов легкого. Блокада

α–адренорецепторов не вызывает снижения тонуса гладкой мускулатуры и не изменяет

степень ответа на гипоксию. При блокаде β–адренорецепторов повышается

вазоконстрикторный ответ на катехоламины, которые стимулируют оба типа рецепторов,

а также повышается тонус гладкой мускулатуры.

Не совсем ясно, почему при богатой иннервации сосудистой сети в легких, влияние

нервной регуляции на сосудистый тонус мало. Вероятно, что нервные механизмы

регуляции заключаются в перераспределении сосудистого сопротивления таким образом,

чтобы обеспечить адекватное регионарное и полное легочное кровообращение.

6.3. Региональные различия легочного кровотока

Распределение легочного кровотока в здоровом легком неравномерно. У человека в

вертикальном положении скорость кровотока линейно снижается к верхушке легкого. В

горизонтальном положении скорость кровотока в верхушке легкого и в его основании

будет приблизительно одинаковой, однако можно обнаружить различия в кровотоке

68

между соседними отделами легкого, расположенными выше и ниже исследуемых

участков. При физической нагрузке в вертикальном положении различия в

кровоснабжении (перфузии) верхних и нижних отделов легкого уменьшаются.

Существует трех-зональная модель распределения легочного кровотока (рис. 21).

Pа – систолическое давление в легочной артерии; PА - давление в альвеолах; PV – венозное давление.

Легкое разделено на три зоны согласно относительным величинам систолического

давления в легочной артерии, альвеолярного и венозного давлений.

В зоне 1, где PА > Pа > PV теоретически все альвеолярные капилляры закрыты. Однако

экстра-альвеолярные и угловые капилляры функционируют, кроме того, в этой области

преобладают реккурентные капилляры, которые во время систолы открываются и

включаются в процесс микроциркуляции.

В зоне 2, где Pа > PА > PV поток крови прогрессивно увеличивается от участков в легком,

где Pа = PА к участкам, где Pа > PА.

В зоне 3, где Pа > PV > PА движение крови обеспечивает разница давлений (Pа - PV). Эта

разница в пределах зоны остается постоянной, однако поток крови может быть увеличен

при повышении давления, когда включаются капилляры, способные к перерастяжению.

Именно в этой зоне создаются условия благоприятные для газообмена.

В настоящее время выделяют еще одну зону, которая находится в самой нижней области

легкого (зона 4). Это наиболее зависимая область легкого с наименьшим потоком крови. В

этой зоне альвеолы могут плохо вентилироваться из-за сужения бронхов, что ведет к

69

местной альвеолярной гипоксии, альвеолярной вазоконстрикции и повышению

сосудистого сопротивления. Кроме того, при плохой вентиляции экстра-альвеолярные

капилляры останутся спавшимися, что также приведет к повышению сосудистого

сопротивления. При периваскулярном отеке зона 4 может расширяться.

Несмотря на свою простоту 3-х зональная модель объясняет принцип распределения

легочного кровотока. Однако, есть и другие факторы, которые оказывают влияние на

распределение кровотока в здоровом легком, например, объем легкого. Кроме того, в

перераспределение кровотока свой вклад вносят и экстра-альвеолярные капилляры,

диаметр которых зависит от фазы вдоха и выдоха. Известно, что в вертикальном

положении альвеолы, расположенные в основании легкого находятся в спавшемся

состоянии под воздействием веса самого легкого, поэтому в этой области экстра-

альвеолярные капилляры очень узкие, что ведет к повышению сосудистого

сопротивления, а значит и к снижению кровотока. Влияние экстра-альвеолярных

капилляров на перераспределение кровотока возрастает при введении

вазоконстрикторных веществ (например, серотонина) или вазодилататоров (например,

изопротеренола), кроме того, повышение сосудистого сопротивления может быть вызвано

межуточным отеком легкого, когда жидкость создает «манжету» вокруг капилляра, что

повышает легочное сосудистое сопротивление.

Учитывая вышесказанное, одним из основных факторов, влияющим на распределение

кровотока в легком является гравитация, однако и негравитационные факторы вносят свой

вклад в перераспределение кровотока. В условиях эксперимента на изолированном легком

собаки было показано, что кровоснабжение в дорсо-каудальном отделе выше, чем в

вентральном, кроме того, существуют различия в кровоснабжении центральной части

легкого и его периферии.

Распределение легочного кровоток изменяется при заболеваниях легких и некоторых

заболеваниях сердечно-сосудистой системы. Нарушение кровоснабжения возникают в

месте формирования фиброзных изменений или кист легкого. При тромбоэмболии мелких

ветвей легочной артерии также возникает местное нарушение кровоснабжения легкого.

Снижение кровотока в отдельном регионе легкого при сохраненной вентиляции этого

участка является хорошим диагностическим критерием тромбоэмболии ветвей легочной

артерии. Объемные образования легкого (например, карцинома) могут уменьшать

регионарную перфузию. Сдавление основной легочной артерии извне, даже небольшим

по размерам образованием в легком, может приводить к нарушению кровоснабжения

одного из легких. При хронической обструктивной болезни легких и бронхиальной астме

также усиливается неравномерность перфузии. Даже при хорошо контролируемой

70

бронхиальной астме, у некоторых пациентов отмечается ухудшение кровоснабжения

отдельных участков легких.

При повышении давления в легочной артерии или при наличии врожденных пороков

сердца, когда имеет место сброс крови из левых отделов сердца в правые, неоднородность

распределения кровотока снижается, и, наоборот, при снижении давления в легочной

артерии (например, при врожденном пороке сердца – тетраде Фалло) отмечается усиление

неоднородности перфузии (верхушки легкого кровоснабжаются хуже оснований). При

повышении венозного легочного давления, например, при митральном стенозе, вначале

происходит уменьшение неоднородности кровоснабжения, однако по мере

прогрессирования заболевания, неоднородность перфузии усиливается, что приводит к

повышению кровоснабжения верхушек легкого и снижению оснований. Механизм этих

изменений не вполне понятен, однако считается, что периваскулярный отек приводит к

повышению сопротивления экстра-альвеолярных капилляров, а это в свою очередь ведет к

повышению неравномерности перфузии.

71

7. Транспорт газов кровью (С.Н.Авдеев)

Кровь выполняет важные задачи транспорта кислорода из легких в ткани и удаления

оттуда углекислого газа. Из-за своей незначительной физической растворимости О2

транспортируется в основном со своим транспортным протеином гемоглобином (Hb), на

котором четыре атома железа в гемме обратимо связываются с кислородом (Hb + O2 =

HbO2). Это взаимодействие описывается кривой связывания О2. Ряд факторов, таких как

СО2, pH, температура и 2.3- дифосфоглицерат влияют на афинность Hb к О2. Также и СО2

транспортируется химически связанным, как в форме НСО3-, так и посредством

образования карбомата с Hb. Кривая связывания СО2 в отличие от кривой связывания

HbO2, не имеет максимума в виде выхода на плато.

7.1. Транспорт кислорода

Кислород переносится кровью к тканям в двух формах: растворенный в плазме и

связанный с гемоглобином.

7.1.1. Растворенный О2

В крови содержится лишь незначительное количество О2, растворимого в плазме.

Согласно закону Генри, количество газа, растворенного в жидкости прямо

пропорционально его парциальному давлению и коэффициенту растворимости.

Растворимость О2 в плазме крови очень низка: при РО2 = 1 мм рт.ст. в 100 мл крови

растворяется 0,0031 мл О2.

Растворенный О2 = РаО2 0,0031 мл О2 / 100 мл крови / мм рт.ст. (44)

При нормальных физиологических условиях (РаО2 = 100 мм рт.ст.) в 100 мл крови

растворяется 0,31 мл О2, т.е. 0,31 об.%. Такое количество кислорода не в состоянии

обеспечить потребности в нем организма человека, поэтому основное значение имеет

другой способ переноса – в виде связи с гемоглобином внутри эритроцита.

7.1.2. Кислород, связанный с гемоглобином

Гемоглобин является основным протеином эритроцитов. Главной функцией гемоглобина

является транспорт О2 от легких к тканям и транспорт СО2 от тканей к легких. Каждая

молекула человеческого гемоглобина состоит из белка глобина и гема. Основной глобин

72

взрослых HbA является тетрамером, состоящим из 2-х полипептидных цепей и 2-х

полипептидных цепей (рис.22). В спиральную структуру каждой полипептидной цепи

глобина встроен гем, который является комплексным соединением 2-х валентного иона

железа Fe2+

и порфирина. Ион железа гема способен присоединять одну молекулу О2, т.е.

одна молекула гемоглобина способна связать 4 молекулы О2. Следует особо подчеркнуть

уникальные особенности иона Fe2+

гема обратимо связывать молекулу О2:

Hb + O2 HbO2 (45),

в то время как обычно при реакции изолированного Fe2+

и кислорода образуется Fe3+

.

Окисленный ион Fe3+

не способен высвобождать О2, т.е. образуется необратимая связь, а

связь иона Fe2+

гема с кислородом происходит за счет конформационных изменений

третичной и четвертичной структуры глобина, она обратима, т.е. в тканях происходит

высвобождение и утилизация О2. Гемоглобин, связанный с 4-мя молекулами О2,

называется оксигемоглобином (HbO2), а гемоглобин, не содержащий О2 или менее 4-х

молекул О2 дезоксигемоглобином (Hb). Это присоединение О2, которое проходит без

изменения степени окисления (оксидации) железа, называется оксигенацией (это не

оксидация или окисление), отщепление О2 – дезоксигенация. В 2 % случаев глобин

взрослых представляет собой HbA2, и состоит из 2 -субъединиц и 2 -субъединиц. В

отличие от глобина взрослых HbA1, глобин плода HbF состоит из двух -цепей и двух -

цепей.

Оксигенированная кровь светло-красная, тогда как дезоксигенированная – темно-

красная. Если абсолютная концентрация дезоксигенированного гемоглобина в

капиллярной крови повышается более, чем на 50 г/л, то это приводит к посинению кожи и

слизистых покровов (цианоз).

73

Рис.22. - Схема молекулы гемоглобина.

7.1.3. Кислородная емкость крови и насыщение гемоглобина кислородом

Один грамм гемоглобина способен максимально связать 1,34 мл О2. Учитывая, что

нормальное содержание гемоглобина составляет 15 г/ 100 мл, можно рассчитать, что в 100

мл крови максимально может содержаться 201 мл О2, связанного с гемоглобином. Данная

величина называется кислородной емкостью крови (КЕК):

O2-емкость крови (КЕК)= [Hb] 1,34 мл О2/ гHb / 100 мл крови (46),

где 1.34 – константа Гюффнера, которая определяет сколько мл О2 может связать 1 г

гемоглобина

Наиболее важным параметром, определяющим количество кислорода, связанного с

гемоглобином, является насыщение гемоглобина кислородом (сатурация) (SO2), который

рассчитывается по формуле:

О2, связанный с Hb

SO2 = _________________________

100 % (47)

КЕК

74

При РаО2, равном 100 мм рт.ст., насыщение гемоглобина кислородом артериальной крови

составляет около 97 %. В венозной крови (РО2= 40 мм рт.ст.) SO2 приблизительна равна 75

%.

7.1.4. Сатурационная кривая О2

Зависимость насыщения гемоглобина кислородом от парциального напряжения О2 может

быть представлена графически в виде сатурационной кривой О2 (другое частое название

кривая диссоциации оксигемоглобина). Кривая имеет S-образную форму, при этом

нижняя часть кривой (РаО2 < 60 мм рт.ст.) имеет крутой наклон, а верхняя часть (РаО2 > 60

мм рт.ст.) относительно пологая. Нижний участок кривой диссоциации оксигемоглобина

показывает, что при снижении РаО2 продолжается насыщение гемоглобина кислородом,

т.е. ткани продолжают извлекать достаточное количество О2 из крови. Верхняя пологая

часть кривой демонстрирует относительное постоянство насыщения гемоглобина

кислородом, а следовательно, и содержания кислорода в крови, независимо от изменений

РаО2 (рис.23).

Рис.23. - Параметры, влияющие на афинность гемоглобина к О2.

Положение сатурационной кривой О2 зависит от сродства гемоглобина с кислородом. При

снижении сродства гемоглобина к О2, т.е. облегчении перехода О2 в ткани, кривая

75

сдвигается вправо. Повышение сродства гемоглобина к О2 означает меньшее

высвобождение кислорода в тканях, при этом кривая диссоциации сдвигается влево.

Важным показателем, отражающем сдвиги кривой диссоциации оксигемоглобина,

является параметр Р50, т.е. такое РО2, при котором гемоглобин насыщен кислородом на 50

% (рис.24). В нормальных условиях у человека (при t= 37 oC, pH = 7,40 и PaCO2 = 40 мм

рт.ст.) Р50 = 27 мм рт.ст. При сдвиге кривой диссоциации вправо Р50 увеличивается, а при

сдвиге влево снижается.

Рис.24. - Кривая связывания О2 (оранжевая кривая). Показана зависимость между насыщением гемоглобина

О2 (SO2) и парциальным давлением О2 (РО2), поэтому кривая отражает кислородную емкость крови при

различных значениях РО2. Для сравнения приведена кривая связывания кислорода миоглобином, имеющая

форму гиперболы (зеленая кривая).

S-образная форма кривой связывания О2 обусловлена основанным на взаимодействии

четырех субъединиц, составляющих тетрамер гемоглобина. Присоединение О2 к гемму

одной субъединицы повышает афинность (сродство) для соединения О2 с остальными

субъединицами. Кривая связывания О2 мономерным миоглобином протеином

связывающим О2 в мышечных клетках, является, напротив, гиперболической (рис.24), что

можно вывести из одноступенчатой реакции Mb + O2 = MbO2.

7.1.5. Факторы, влияющие на связывание гемоглобином кислорода

76

На сродство гемоглобина к О2 оказывают влияние большое количество метаболических

факторов, к числу которых относятся рН, РСО2, температура, концентрация в эритроцитах

2,3-дифосфоглицерата (2,3-ДФГ). Снижение рН, повышение РСО2, повышение

температуры приводят к снижению сродства гемоглобина к кислороду и смещению

кривой вправо. Такие метаболические условия создаются в работающих мышцах, и такой

сдвиг кривой является физиологически выгодным, т.к. повышенное высвобождение О2

необходимо для активной мышечной работы. В противоположность этому, повышение

pH, снижение to и снижение РСО2 (такие условиях создаются в легких) смещают кривую

диссоциации оксигемоглобина вправо, снижают сродство гемоглобина к О2, т.е.

способствуют переходу деоксигенированного гемоглобина в оксигемоглобин (рис.23).

Влияние рН и РаСО2 на сатурационную кривую О2 называется эффектом Бора, который

осуществляется путем аллостерического обменного влияния [термин аллостерический

означает «связанный с другим местом» или «связанный с другим центром»] между местом

связывания Н+ и местом связывания О2.

Эффект Бора помогает как насыщению гемоглобина кислородом, так и отдаче О2 в

тканях. В легких РСО2 в крови понижается именно в связи с отдачей СО2 и при этом рН

повышается. Из-за этого повышается способность гемоглобина связывать О2. В тканях в

связи с поступлением СО2, РСО2 в крови повышается и рН понижается. Это способствует

отдаче гемоглобином кислорода и поступлению О2 в клетки. Вообще сдвиг кривой

связывания гемоглобином О2 влево благоприятствует процессам насыщения гемоглобина

кислородом в легких, так как при одинаковом РО2 достигается более высокое насыщение

гемоглобина кислородом. С другой стороны, сдвиг кривой вправо облегчает

освобождение О2 в тканях, так как при одинаковом насыщении О2 РО2, вызывающее

диффузию, повышается.

2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ) образуется в эритроцитах в процессе гликолиза, и

выполняет функцию главного энергетического субстрата (в эритроцитах отсутствуют

митохондрии, поэтому не происходят реакции окислительного фосфорилирования, и АТФ

не имеет большого значения как источник энергии). В условиях продолжительной

гипоксии (хронические заболевания легких, анемия, сердечная недостаточность)

происходит увеличение содержания 2,3-ДФГ в эритроцитах, что приводит к снижению

сродства гемоглобина к О2 и более интенсивному переходу кислорода из крови в ткани.

Снижение концентрации 2,3-ДФГ в эритроцитах (при шоке, гипофосфатемии) приводит к

сдвигу кривой диссоциации влево.

7.1.6. Неактивные формы гемоглобина

77

Способность к транспорту кислорода кровью нарушается, если гемоглобин не способен

присоединять О2. При этом, практически важными являются две формы гемоглобина.

На кривую диссоциации оксигемоглобина может оказать влияние окись углерода (СО).

СО имеет сродство к гемоглобину в 240 раз выше, чем кислород, и связываясь с

гемоглобином, образует карбоксигемоглобин (HbCO). При этом даже небольшие

количества гемоглобина могут связать большую часть Hb крови и значительно уменьшить

содержание О2 крови. Кроме того, СО сдвигает кривую диссоциации влево, что

препятствует высвобождению О2 в тканях и также усугубляет гипоксию (рис.25).

Еще одним фактором, влияющим на сродство Hb к кислороду, является метгемоглобин

гемоглобин, содержащий железо, окисленное до Fe3+

. У здорового человека общее

содержание метгемоглобина не превышает 3%, однако при приеме некоторых лекарств

(например, фенацетин, сульфаниламиды, нитроглицерин) и дефиците фермента

метгемоглобин-редуктазы, происходит образование значительных количеств

метгемоглобина. Метгемоглобинемия вызывает смещение кривой диссоциации влево, т.е

препятствует высвобождению в тканях, а при повышении концентрации метгемоглобина

более 60% происходит также и уменьшение нормального Hb, что приводит к тяжелой

гипоксии.

Рис.25. - Влияние окси углерода на связывание гемоглобином О2 крови.

78

7.2. Транспорт углекислого газа

7.2.1. СО2 находится в крови в трех формах

Углекислый газ СО2 является конечным продуктом клеточного метаболизма, СО2

образуется в тканях, диффундирует в кровь и переносится кровью к легким в виде 3-х

форм: 1) СО2, растворенный в плазме; 2) в составе бикарбоната; 3) в виде карбаминовых

соединений эритроцитов.

Количество СО2, растворимого в плазме, как и для О2 определяется законом Генри,

однако его растворимость в 20 раз выше, поэтому количество растворимого углекислого

газа довольно значительно и составляет до 5-10 % от общего количества СО2 крови.

Реакция образования бикарбоната описывается следующей формулой:

СО2 + НО2 Н2СО3 Н+ + НСО3

- (48)

Первая реакция протекает медленно в плазме и быстро- в эритроцитах, что связано с

содержанием в клетках фермента карбоангидразы. Вторая реакция - диссоциация

угольной кислоты- протекает протекает быстро, без участия ферментов. При повышении

в эритроците ионов НСО3, происходит их диффузия в кровь через клеточную мембрану, в

то время как для ионов Н+ мембрана эритроцита относительно непроницаема и они

остаются внутри клетки. Поэтому для обеспечения электронейтральности клетки, в нее из

плазмы входят ионы Сl- (так называемый хлоридный сдвиг).

Высвобождающиеся ионы Н+ связываются с гемоглобином:

Н+ + НbО2 Н

+ Нb + О2 (49)

Восстановленный гемоглобин является более слабой кислотой, чем оксигемоглобин,

таким образом, наличие восстановленного Hb в венозной крови способствует связыванию

СО2, тогда как окисление Hb в сосудах легких облегчает высвобождение углекислоты.

Такое повышение сродства СО2 к гемоглобину называется эффектом Холдейна. На долю

бикарбоната приходится до 90 % всего углекислого газа., транспортируемого кровью.

Карбаминовые соединения образуются в результате связывания СО2 с концевыми

группами аминокислот белков крови, важнейшим из которых является гемоглобин (его

глобиновая часть):

Нb NН2 + CO2 Нb NН COОH (50)

В ходе этой реакции образуется карбаминогемоглобин. Реакция протекает быстро и не

требует участия ферментов. Как и в случае с ионами Н+, восстановленный Hb обладает

79

большим сродством к CO2, чем оксигемоглобин. Поэтому деоксигенированный

гемоглобин облегчает связывание СО2 в тканях, а соединение Hb с О2 способствует

высвобождению СО2. В виде карбаминовых соединений содержится до 5% общего

количества СО2 крови.

7.2.2. Сатурационная кривая СО2

По аналогии с сатурационной кривой О2 сатурационная кривая СО2 описывает связь

между концентрацией СО2 (все три формы: физически растворенный, в составе

бикарбонатов и в соединении с белками) и парциальным давлением СО2 крови. При этом

концентрация химически связанного СО2 (особенно НСО3) превышает его физически

растворенную часть. В противоположность к сатурационной кривой О2, химически

связанная часть СО2 не достигает, однако, «значения насыщения», то есть не имеется

«емкости СО2» крови.

На кривую связывания СО2 оказывают влияние ряд факторов. Понижение рН или

повышение температуры сдвигают кривую связывания вправо. При равном же РСО2

дезоксигенированная кровь связывает значительно больше СО2, чем оксигенированная

(рис.26). Этот феномен, известный как эффект Холдейна, основывается на одинаковом

механизме с эффектом Бора, а именно, на аллостерическом обмене на гемоглобине. При

освобождении геммом места связывания кислорода происходит присоединение иона Н+ к

его месту связывания на глобине. Кроме того, часть карбамино-СО2 является зависимой

от насыщения О2 (оксилабильное карбамат-связывание). Присоединение О2 уменьшает

способность связывания СО2 в качестве карбамата.

Как и эффект Бора, также и эффект Холдейна имеет большое физиологическое значение.

Повышение парциального давления О2 в легком облегчает освобождение СО2 из

химического связанного состояния и его переход в физически растворенное состояние.

Концентрации НСО3- и карбамата понижаются, РСО2 повышается так, что СО2 может

лучше диффундировать в альвеолярный воздух. Напротив, поступление О2 в ткани

способствует увеличению связывания СО2 в крови.

80

Рис.26. - Принципы эффектов Бора и Холдейна.

В условиях артериальной крови (рН = 7.4, РСО2 = 5.3 kPa) с помощью эффекта Холдейна

при связывании 1 моля О2 освобождается 0.28 моль СО2. При RQ (отношение

выделенного СО2 и поступившего О2) равном 0.85, на 1 моль О2 образуются 0.85 моль

СО2. Как упоминалось выше, 0.28 моль есть 1/3 газа, освобождающегося через эффект

Холдейна, не требующего изменения РСО2 в крови. Ну а 2/3 освобожденного CO2

образуются в результате реакции с образованием угольной кислоты из диссоциированных

ионов Н+ и НСО3

-, которая превращается в СО2 и воду.

7.2.3. Процессы обмена СО2 в большом и малом круге кровообращения

Рисунок 27 демонстрирует процессы, которые происходят в крови, когда в тканях

образуется СО2, который выделяется легкими. Из ткани СО2 диффундирует в плазму и,

далее, в эритроциты. Из-за высокой диффузионной способности СО2 быстро происходит

полное уравнивание парциального давления между эритроцитами и плазмой.

81

Рис.27. - Реакции при поступлении СО2 в кровь (ткани, голубые стрелки) и при выделении СО2 из крови

(легкое, зеленые стрелки).

Повышение РСО2 ведет к образованию НСО3-, а именно, в размере, в котором

небикарбонатные буферы могут связывать ионы Н+, возникающие в результате реакции

СО2 + Н2О НСО3- + Н

+ (51)

Так как буферная емкость небикарбонатного буфера в эритроцитах (гемоглобин, около 60

ммоль 1-1

рН -1

) много больше, чем буферная емкость белков плазмы (белки плазмы,

около 8 ммоль 1-1

рН -1

), в эритроцитах образуется больше НСО3-, чем в плазме. К этому

надо добавить, что установление равновесия

СО2 + Н2О НСО3- + Н

+ (52)

в плазме протекает медленно. В эритроцитах, однако, имеется фермент карбоангидраза,

которая значительно ускоряет эту реакцию, так что равновесие в эритроцитах достигается

намного быстрее, чем в плазме (рис.28, шаг 12). В целом, поэтому концентрация НСО3-

в эритроцитах повышается быстрее, чем в плазме, и возникает химический градиент

НСО3-, вследствие чего НСО3

- попадает из эритроцитов в плазму. Для сохранения

электронейтральности из плазмы в эритроциты входят ионы Cl- с помощью

электронейтрального обменника.

82

Рис.28. - Различная временная потребность установления равновесия в системе СО2-НСО3

-Н

+ крови, если

она принимает в ткани СО2.

7.2.4. Кривая связывания СО2 проходит более вертикально, чем кривая связывания

О2

На рис.29 представлены сатурационные кривые О2 и СО2 в одинаковом масштабе и даны

средние значения в артериальной и смешанной венозной крови в покое. Различный

характер этих кривых позволяет сделать важные выводы, что концентрация О2 и СО2 в

крови определятся не только парциальным давлением этих газов.

83

Рис.29. - Сатурационные кривые О2 и СО2.

84

8. Диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану

(С.Н.Авдеев)

Диффузия осуществляет переход О2 и СО2 через альвеолярно-капиллярную мембрану,

которая так тонка и имеет такую большую поверхность, что представляет собой только

очень незначительное препятствие для диффузии. Проницаемость альвеолярно-

капиллярной мембраны, диффузионная способность легкого, показывает коэффициент для

проницаемости диффузионного барьера.

8.1. Диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану

Между газовой средой в альвеолярном пространстве и кровью, протекающей в легочных

капиллярах, находится альвеолярно-капиллярный барьер, включающий структуры

альвеолярного эпителия, интерстиция и капиллярного эндотелия (рис.30).

Рис.30. - Альвеолярно-капиллярная мембрана. Показаны легочное интерстициальное пространство с

капилляром, проходящим между двумя альвеолами. Капилляр выпячивается в просвет расположенной

85

справа альвеолы через ее тонкую (газообменную) стенку. Интерстициальное пространство сливается с

толстой стенкой левой альвеолы.

Процесс переноса О2 и СО2 через альвелярно-капиллярную мембрану осуществляется

путем простой физической диффузии, т.е. из области высокого парциального давления в

область низкого парциального давления. Диффузия газов описывается законом Фика

(законом диффузии), в соответствие с которым, скорость переноса газов через мембрану

прямо пропорциональна 1) площади этой мембраны, 2) разнице парциального давления по

обе стороны мембраны, 3) константе диффузии (диффузионной способности) и обратно

пропорциональна 4) толщине мембраны:

Vg = S DМ (P1 - P2) / d (53)

где Vg - скорость переноса газов, S - площадь мембраны, DМ - диффузионная способность

мембраны, (P1 - P2) - разница парциального давления газа по обе стороны мембраны, d -

толщина мембраны.

В свою очередь, диффузионная способность мембраны зависит от растворимости газа и от

его молекулярной массы:

DМ = / MМ (54)

где - растворимость газа, MМ - молекулярная масса, - константа. Подставляя

уравнение 54 в уравнение 53 получаем:

Vg = S (P1 - P2) / d MМ (55)

Общая площадь альвеолярно-капиллярной мембраны у человека составляет около 50-100

м2, а ее толщина приблизительно равна 0.5 мкм. Растворимость СО2 значительно выше,

чем у О2, поэтому скорость переноса СО2 примерно в 20 раз выше по сравнению с О2

(рис.31).

86

Рис.31. - Количество диффундирующего газа (Vg) прямо пропорционально площади слоя ткани (S),

константе диффузии (D), разнице парциальных давлений газа (Р) по обе стороны диффузионного барьера и

обратно пропорционально толщине слоя (d). Константа диффузии в свою очередь пропорциональна

растворимости газа (а) и обратно пропорциональна квадратному корню из его молекулярной массы (ММ).

Перенос газов через мембрану можно рассматривать как определенное препятствие для

движения газов (диффузионное сопротивление). Изучая перенос О2 в легких, необходимо

обратить внимание, что существует еще один фактор, препятствующий переходу газов в

кровь - скорость реакции кислорода с гемоглобином. Диффузионная способность легких

может быть разделена на два компонента: 1) диффузия через альвеолярно-капиллярную

мембрану и мембрану эритроцита и 2) реакция с гемоглобином (рис.32). Оба этих

компонента могут обозначены как «сопротивления» для переноса О2. Общая сумма

сопротивлений может быть представлена как (уравнение Ругтона-Форстера):

1/DL = 1/DM + 1/ Vc (56)

где DL - диффузионная способность легких, DМ - диффузионная способность мембраны,

- скорость реакции О2 с гемоглобином, Vc - объем капиллярной крови.

87

Рис.32. Диффузионная способность легких может быть разделена на два компонента: 1) диффузия через

альвеолярно-капиллярную мембрану и мембрану эритроцита и 2) реакция с гемоглобином.

Данное уравнение полезно для демонстрации факторов, от которых зависит

диффузионная способность легких. Так, диффузионная способность легких может быть

уменьшена при снижении диффузионной способности альвеолярно-капиллярной

мембраны (утолщение мембраны или уменьшение ее площади), при снижении скорости

связывая О2 с гемоглобином (анемия) и при уменьшении объема крови в капиллярах

легких (эмболия сосудов легких). Диффузия кислорода может также быть снижена при

уменьшении разницы парциального давления газа по обе стороны альвеолярно-

капиллярной мембраны, например при снижении парциального напряжения О2 в

альвеолярном воздухе (в условиях высокогорья) и при уменьшении времени прохождения

эритроцитов через капилляры в легких.

В клинической практике измерение диффузионной способности легких проводят на

основе ингаляции человеком небольших, безопасных для здоровья, концентраций

угарного газа СО (концентрация СО около 0,3 %); существует несколько методов оценки

диффузионной способности: метод одиночного вдоха, метод устойчивого состояния,

метод возвратного дыхания. В покое диффузионная способность легких для СО

составляет 25 мл/мин мм рт.ст., а при физической нагрузке увеличивается в 2-3 раза.

88

8.2. Распределение парциального давления в легочных капиллярах

При контакте с альвеолярной мембраной кровь в капиллярах легких непрерывно получает

О2, вследствие чего парциальное давление О2 вдоль капиллярной контактной поверхности

от значения в смешанной венозной крови (около 40 мм рт.ст.) в начале капилляра

повышается до более высокого значению в конце капилляра (100 мм рт.ст.). Уже в первой

трети капилляра РО2 в эритроците становится практически таким же, как в альвеолярном

воздухе (рис.33).

При тяжелой физической нагрузке легочный кровоток сильно возрастает, и время

прохождения эритроцитов через капилляры (в условиях покоя оно составляет около 0,75

с) может уменьшаться в три раза. Таким образом, сокращается время, отводимое для

оксигенации, но даже в этих условиях у здоровых людей, дышащих нормальным

атмосферным воздухом, РО2 в конечных отрезках капилляров обычно практически не

снижается.

Однако, если диффузия кислорода нарушена вследствие значительного утолщения

альвеолярно-капиллярного барьера, скорость увеличения РО2 в эритроцитах снижается, и

за время их прохождения через капилляры легких оно может не уравниваться с РО2 в

альвеолярном воздухе. В таких случаях разница между РО2 в альвеолярном воздухе и в

крови конечных отрезков капилляров может быть достаточно большой.

89

Рис.33. - Процесс перехода О2 в кровь, движущуюся по легочному капилляру. При тяжелой физической

нагрузке уменьшается время, в течение которого может происходить оксигенация.

90

9. Распределение вентиляции и перфузии (Г.В.Неклюдова)

9.1. Неравномерное распределение вентиляции и перфузии в легких

Основной функцией легких является газообмен, позволяющий кислороду поступать из

окружающей среды в кровь, а углекислоте выводиться из организма. Парциальное

напряжение кислорода (PO2) в альвеолярном воздухе зависит от соотношения между двумя

процессами: постоянного восполнения при альвеолярной вентиляции и поступления О2 в

кровь легочных капилляров, то есть зависит от отношения вентиляции и перфузии.

Поскольку скорость удаления О2 из легких зависит от потребления О2 тканями и в покое

меняется незначительно, то PO2 в альвеолах определяется преимущественно альвеолярной

вентиляцией. Это характерно и для PСO2.

Газообмен наиболее эффективен, если альвеолярная вентиляция (VA) и капиллярная

перфузия (Q) распределены равномерно по отношению друг к другу. Перфузия

распределена неравномерно от верхушек до базальных отделов легких (рис.34). Под

действием силы тяжести объемная скорость кровотока в базальных отделах выше, чем в

вышерасположенных участках легких. Аналогичная ситуация характерна и для

вентиляции: верхние участки легких вентилируются хуже, чем нижние. Неравномерность

альвеолярной вентиляции обусловлена также гравитационным фактором, разницей

транспульмонального давления в верхних и нижних отделах грудной клетки. В

вертикальном положении в нижних отделах легких это давление выше примерно на 8 см

вод.ст. (0,8 кПа). Разность альвеолярной вентиляции в верхних и нижних участках легких

выражена в меньшей степени, чем перфузия, то есть перфузия ограничена в большей

степени, чем вентиляция. Таким образом, в вертикальном положении вентиляционно-

перфузионное отношение (VA/Q) в верхних участках легких выше, чем в нижних

(рис.34). В положении лежа VA/Q в передних участках легких выше, чем в задних, что

также обусловлено силой собственного веса, однако градиент VA/Q в данных условиях

меньше, так как растягивание легкого в положении лежа незначительно. Кроме того,

имеется и случайное распределение VA/Q, которое определяется анатомической

гетерогенностью структур как легочных сосудов, так и бронхов, различиями в количестве

сурфактанта, величинах интерстициального давления в отдельных участках и другими

факторами. Среди основных факторов, оказывающих влияние на вентиляционно-

перфузионные отношения, можно выделить следующие: положение тела, возраст

(распределение региональной перфузии становится более равномерным с возрастом, как

91

результат изменения механических свойств легочной ткани), растяжение легких. Поэтому

даже в здоровом легком имеется неравномерное распределение VA/Q. При физической

нагрузке вентиляционно-перфузионное распределение становится более равномерном.

Рис.34. - Распределение вентиляции-перфузии в легком. Под действием силы тяжести перфузия (Q) и

альвеолярная вентиляция (VA) увеличиваются сверху вниз. Перфузия и вентиляция представлены на

единицу объема легкого на различной высоте легкого. С высотой перфузия варьирует больше, чем

вентиляция, поэтому VA/Q уменьшается сверху вниз. Значения РО2 и РСО2 показаны на примере трех

альвеолярных участков.

Описание и анализ концепции неравномерности распределения вентиляционно-

перфузионных отношений целесообразно представить в виде трехкомпонентной модели.

Легкое может быть представлено, состоящим из 3-х отделов: невентилируемый отдел,

неперфузируемый отдел и отдел, который нормально вентилируется и перфузируется

(идеальный).

За нормальную среднюю величину вентиляционно-перфузионного отношения

принимают значения, находящиеся в диапазоне 0,8–1,0. Области легких, в которых VA/Q

выше среднего значения, называют гипервентилируемыми и, наоборот, участки с

меньшим значением VA/Q - гиповентилируемыми участками. Поэтому в вертикальном

положении верхние участки легкого гипервентилированы.

9.2. Как влияет региональная неравномерность VA/Q

на общий легочный

газообмен?

Рассмотрим два участка легких. Первый участок – гипервентилированный, второй –

гиповентилированный. В первом участке РО2 в альвеолярном пространстве и конечно-

капиллярное РО2 имеют высокие значения и близки к значениям парциального

напряжения во вдыхаемом воздухе. Во втором участке – эти параметры имеют низкие

92

значения, близкие к венозным. Поскольку выдыхаемый воздух представляет собой смесь

из обоих участков легких, а гипервентилируемый участок вносит больший вклад в его

состав, то смешанное альвеолярное РО2 ближе к РО2 первого, гипервентилированного

участка. В крови ситуация обстоит по-другому. Кровь, оттекающая от обоих участков

легких, имеет РО2 ближе к РО2 гиповентилированного участка, поскольку

гиповентилируемая или гиперперфузируемая область больше способствует смешиванию.

РО2 в альвеолярном пространстве от верхушек к основанию легких резко падает, в то

время, как РСО2 значительно медленнее повышается. В вертикальном положении РО2

изменяется приблизительно на 40 мм рт.ст. от основания к верхушке легкого, в то время

как РСО2 меняется гораздо меньше, снижается примерно на 14 мм рт.ст. Показатель pH в

области верхушек более высокий из-за низкого уровня РСО2. Основная часть крови

омывает основания легких, где РО2 невелико, поэтому РО2 в артериальной крови

снижается. Аналогично РСО2 в артериальной крови будет выше, так как в основании

легких оно больше, чем в верхушке.

Кроме того, высокое вентиляционно-перфузионное отношение в отдельной легочной

единице приводит к сравнительно небольшому повышению оксигенации крови, тогда как

низкое вентиляционно-перфузионное отношение вызывает ее резкое падение. Это

объясняется формой кривой насыщения крови кислородом. Таким образом, смешивание

крови от легочных единиц с различными вентиляционно-перфузионными отношениями

приводит к снижению концентрации О2 по сравнению с единицами с нормальным

вентиляционно-перфузионным отношением.

Итак, несмотря на то, что в каждой конкретной легочной единице РО2 в альвеолярном

пространстве и в крови легочных капилляров имеют одинаковые значения, то есть

отсутствует альвеоло-капиллярная разность РО2, для легких в целом кровь, оттекающая от

различных участков легких с разным соотношением VA/Q, смешивается, что приводит к

возникновению альвеоло-артериальной разницы для О2 (AaDO2). Кроме того, возникает

артерио-альвеолярная разница для СО2 (aADCO2), причем aADCO2 меньше, чем AaDO2 Это

объясняется тем, что кривая связывания СО2 кровью имеет более линейный характер и

проходит более вертикально по сравнению с кривой связывания кислорода кровью

(рис.29). Приток крови из гиповентилированных областей мало повышает парциальное

давление СО2.

В результате при нарушении вентиляционно-перфузионных отношений отмечается

нарушение эффективности переноса не только О2, но и СО2, что проявляется в развитии

гипоксемии и гиперкапнии. Однако у больных достаточно долго РСО2 в артериальной

крови остается нормальны. Это объясняется тем, что повышение РСО2 приводит к

93

стимуляции дыхания за счет активации хеморецепторов, в результате чего, вентиляция

усиливается, РСО2 в артериальной крови приближается к нормальным значениям. Следует

отметить, что повысить РО2 в артериальной крови таким же способом трудно, поэтому при

гипервентиляции РО2 в артериальной крови повысится незначительно. Это связано с

формой кривых насыщения крови кислородом и углекислотой.

9.3. Механизмы регуляции неравномерности VA/Q

Степень региональной неравномерности VA/Q·была бы более выражена, если бы не

существовали физиологические механизмы регуляции вентиляционно-перфузионных

отношений. Основное значение имеет гипоксическая вазоконстрикция легочных сосудов

(рефлекс Эйлера-Лильестранда). В гиповентилируемых участках, в которых соотношение

VA/Q снижено, при низком содержании кислорода (гипоксия) в альвеолярном воздухе,

отмечается повышение тонуса гладкой мускулатуры легочных сосудов и вазоспазм

легочных сосудов с увеличением сосудистого сопротивления, что приводит к сокращению

перфузии и, следовательно, к повышению VA/Q. В гипервентилируемых участках

разыгрывается обратный сценарий событий. К упомянутым механизмам также относится

вазоконстрикция в легких при повышении в альвеолах парциального давления

углекислого газа, бронхоконстрикция – при снижении альвеолярного парциального

давления углекислого газа. Таким образом, вазоконстрикция легочных сосудов и

бронхиальная реакция являются механизмами, способствующими нормализации

газообмена в легких, направленного на поддержание адекватных метаболизму уровней

РО2, РСО2 и рН артериальной крови.

Нарушение сопряжения между вентиляцией и перфузией приводит к нарушению

газообмена и развитию артериальной гипоксемии. Среди других причин развития

гипоксемии нарушение вентиляционно-перфузионных отношений оказывает наибольшее

воздействие на артериальную оксигенацию.

9.4. Гиповентилированные области и венозное примешивание.

Гипервентилированные области и альвеолярное мертвое пространство

В здоровом легком имеются участки с разной степенью выраженности гипер – и

гиповентиляции. Крайняя степень выраженности нарушений VA/Q сводится к двум

вариантам: области легких без вентиляции (VA/Q = 0), то есть перфузируемые альвеолы

94

без вентиляции, которые обозначают как шунты, и области легких без перфузии (VA/Q →

∞), которые называют альвеолярным мертвым пространством.

Как венозное примешивание и вентиляция альвеолярного мертвого пространства влияют

на газы артериальной крови?

На рисунке 35 представлена модель нормального распределения VA/Q в «идеальном

легком». Согласно представленной модели нормальный газообмен в легких

осуществляется при следующих показателях: РО2 в альвеолярном пространстве обоих

легких и в артериальной крови составляет 100 мм рт.ст., РО2 в смешанной венозной крови

– 40 мм рт.ст.; РСО2 в альвеолярном пространстве обоих легких и в артериальной крови –

40 мм рт.ст., РСО2 в смешанной венозной крови – 40 мм рт.ст.

95

Рис.35. - Нормальное распределение VA/Q (идеализированный пример). Принимаем, что общая вентиляция

составляет 4,2 л/мин и кровоток – 5 л/мин, соответственно, в каждом легком VA составляет по 2,1 л/мин и

Q - по 2,5 л/мин. При нормальном распределении VA/Q каждое легкое выводит по 100 мл/мин СО2,

продуцируемого в результате метаболизма и потребляет по 125 мл/мин О2. РаСО2 составит 40 мм рт.ст., а

РаО2 – около 100 мм рт.ст.

Рассмотрим модель, когда в одном из легких VA/Q = 0 за счет выраженного снижения

вентиляции при постоянном кровотоке (рис.36). Кровоток будет соответствовать

96

нормальному значению (5 л/мин) и распределяться между двумя легкими. Вентиляция

будет оставаться на нормальном уровне (4,2 л/мин) за счет вентиляции одного легкого (на

модели - правое легкое). Поэтому VA/Q правого легкого составит 4,2/2,5 = 1,68, а левого

легкого – 0/2,5 = 0. Полное VA/Q будет в норме (4,2/5 = 0,84). При полном прекращении

вентиляции РО2 и РСО2 в альвеолярном пространстве и в крови конечных отрезков

капилляров будут такими же как и в смешанной венозной крови (в левом легком РАО2 =

РvО2 = 29 мм рт.ст. и РА СО2 = Рv СО2 = 51 мм рт.ст.; тогда как в правом легком РАО2 = 100 мм

рт.ст. и РАСО2 = 40 мм рт.ст.). Будет отмечаться повышение РСО2 в артериальной крови (на

модели РаСО2 = 46 мм рт.ст.) и, следовательно, развитие респираторного ацидоза, а также

выраженное снижение РО2 в артериальной крови (на модели РаО2 = 40 мм рт.ст.), развитие

гипоксемии. Таким образом, даже при выраженных нарушениях V·A/Q

·, обусловленных

шунтом, легкие могут выводить 200 мл/мин СО2 и получать 250 мл/мин О2, но весьма

дорогой ценой.

97

Рис.36. - Модель шунта.

Шунт (венозное примешивание) значимо влияет на парциальное давление О2 и мало

изменяет парциальное давление СО2.

В венозном примешивании принимают участие и анатомические шунты. Анатомические

шунты – сосуды, которые несут кровь в артериальное русло, обходя вентилируемые

участки легких. Примером анатомического шунта в нормальных условиях являются

98

бронхиальные артерии. Кровь по бронхиальным артериям притекает к бронхам, отдает

кислород и затем поступает в легочные вены, которые несут артериальную кровь, что

приводит к притоку венозной крови в артериальную. Другим примером небольшого

шунта в нормальных условиях является тибезиевы вены, по которым небольшой объем

венозной крови из коронарного кровообращения поступает в полость левого желудочка

сердца. В нормальных условиях объем венозного примешивания за счет анатомических

шунтов не превышает 2% сердечного выброса. Увеличение этого показателя может быть

обусловлено внутрилегочными шунтами, например при легочных сосудистых аномалиях,

ателектазе, или внутрисердечными шунтами, например при врожденных пороках сердца

(тетрада Фалло) за счет патологического сообщения между правыми и левыми камерами

сердца.

Поскольку по шунтам кровь течет в обход вентилируемых альвеол, то важным следствием

шунтового кровотока является невозможность устранить гипоксемию вдыханием 100%

О2. Ингаляция 100% кислорода является очень чувствительным методом выявления даже

незначительного шунта.

Вентиляция альвеолярного мертвого пространства включает в себя вентиляцию альвеол

без перфузии и у здоровых лиц составляет от 3 до 12% общей альвеолярной вентиляции.

Рассмотрим модель, когда в одном из легких VA/Q → ∞ за счет перекрывания кровотока

в нем (рис.37). Q будет оставаться на нормальном уровне (5 л/мин), но протекать только

через легкое с сохранным кровотоком (на модели - правое легкое). VA будет

соответствовать нормальному значения (4,2 л/ми) и распределяться между двумя легкими.

Поэтому VA/Q правого легкого составит 2,1/5=0,42, а левого легкого – 2,1/0 → ∞.

Полное

VA/Q будет в норме (4,2/5 = 0,84). При полном прекращении кровотока РО2 и РСО2 в

альвеолярном пространстве будут такими же как во вдыхаемом воздухе (в левом легком

РАО2 = РIО2 = 149 мм рт.ст. и РАСО2 = РIСО2 = 0 мм рт.ст.; тогда как в правом легком РАО2 =

51 мм рт.ст. и РАСО2 = 80 мм рт.ст.). Будет отмечаться выраженное повышение РСО2 в

артериальной крови (на модели РаСО2 = 80 мм рт.ст.) и, следовательно, развитие

респираторного ацидоза, а также выраженное снижение РО2 в артериальной крови (на

модели РаО2 = 51 мм рт.ст.), развитие гипоксемии. Таким образом, даже при выраженных

нарушениях VA/Q, обусловленных вентиляцией альвеолярного мертвого пространства,

легкие могут выводить 200 мл/мин СО2 и получать 250 мл/мин О2, но весьма дорогой

ценой.

99

Рис.37. - Модель вентиляции альвеолярного мертвого пространства.

Альвеолярная вентиляция мертвого пространства в одинаковой степени влияет на

парциальные давления О2 и СО2.

9.5. Оценка выраженности неравномерности VA/Q

100

Неравномерность вентиляционно-перфузионных отношений может быть оценена с

помощью показателя альвеолярно-артериальной разницы по РО2. Для расчета РО2 в

альвелярном пространстве используют уравнение альвеолярного газа (уравнения 42 и 43).

Альвеолярно-артериальная разница РО2 увеличивается с возрастом:

AaDO2 = 2.5 + 0.21 • возраст (год) (57)

С возрастом увеличение AaDO2 cвязано в основном со снижением артериального РО2,

альвеолярное РО2 значимо не меняется.

Существует возможность оценить вклад участков как с повышенным, так и пониженным

вентиляционно-перфузионным отношением.

Для оценки роли участков с низким вентиляционно-перфузионным отношением

рассчитывают физиологический шунт:

QS CIO2 - CaO2

= , (58), QT CIO2 - CVO2

где QS – поток шунтируемой крови; QT – общий объем кровотока, CIO2 – концентрация O2

в крови, оттекающей от «идеальных» альвеол, она рассчитывается исходя из «идеального»

альвеолярного РО2 и кривой связывания О2 кровью; CaO2– содержание O2 в артериальной

крови, CVO2 – содержание O2 в смешанной венозной крови.

Вклад участков легких с высоким вентиляционно-перфузионным отношением в

нарушение газообмена оценивается с помощью расчета физиологического

(функционального) мертвого пространства. Для этого используется уравнение Бора

(уравнение 10.40) в следующем виде:

VD Ра CO2 – РE CO2

= VT Pа CO2

где VD – объем физиологического мертвого пространства; VT – дыхательный объем; PECO2

– парциальное напряжение СО2 в выдыхаемом воздухе.

101

10. Параметры, характеризующие газы крови: нормальные значения и

нарушения. (Г.В.Неклюдова)

Для оценки функционального состояния легких важное клиническое значение имеют

следующие параметры артериальной крови: парциальное давление кислорода и

углекислого газа (РО2, РСО2), концентрация или насыщение крови кислородом, значение

рН. В норме, в условиях покоя, РО2 в артериальной крови в среднем составляет около 90

мм рт.ст., РаСО2 - 40 мм рт.ст., рН – 7,40, при этом альвеоло-артериальная разница РО2

составляет 10 мм рт.ст, артерио-альвеолярная разница РСО2 – 1 мм рт.ст. В смешанной-

венозной крови эти показатели имеют следующие значения: РvО2 – 40 мм рт.ст., РvСО2 – 46

мм рт.ст., рН – 7,37.

Нарастание неравномерности вентиляционно-перфузионных отношений приводит к

артериальной гипоксемии. Гипоксемия характеризуется снижением артериального РО2 и

насыщения артериальной крови О2. Неравномерность VA/Q оказывает влияние на

артериальное парциальное давление СО2, но меньшее, чем на артериальное РО2.

10.1. Как различить причины артериальной гипоксемии?

Артериальная гипоксемия может быть следствием как легочных, так и внелегочных

нарушений.

Неравномерность VA/Q является одной из основных причин артериальной гипоксемии,

при которой увеличивается альвеоло-артериальная разница для О2.

Для выявления шунта (венозного примешивания) проводят тест с короткосрочной

ингаляцией 100% кислорода и измеряют РаО2. При существовании шунта РО2 в

артериальной крови не меняется, так как по шунтам кровь течет в обход вентилируемых

альвеол. При гиповентиляции РО2 повышается при дыхании кислородом, поскольку плохо

вентилируемые альвеолы получают дополнительное количество кислорода, что улучшает

поступление кислорода в кровь. Ожидаемые парциальные напряжения О2 в альвеолярном

газе и артериальной крови в «идеальном легком», при вентиляционно-перфузионном

дисбалансе и при наличии шунта представлены в табл.3.

Отличить нарушения диффузионной способности легких от неравномерности

вентиляционно-перфузионных отношений сложно, поскольку оба патологических

изменения приводят к гипоксемии с повышением альвеоло-артериальной разницы для О2.

В результате того, что СО2 гораздо лучше проникает из крови в альвеолярное

пространство, то при диффузионных нарушениях практически не повышается артерио-

102

альвеолярная разница для СО2. Также при дыхании чистым кислородом наблюдается

повышение РО2 в артериальной крови, так как повышается альвеолярно-артериальная

разность по кислороду, что облегчает поступление О2 в кровь. Таким образом, оба вида

нарушений имеют схожие черты, которые трудно отличить друг от друга без учета

клинической картины и анамнеза заболевания.

10.2. Гиповентиляция

При гиповентиляции развивается артериальная гипоксемия и артериальная гиперкапния,

что находит свое отражение в снижении РО2 и повышении РСО2. При гиперкапнии

компенсанорные механизмы приводят к учащению и углублению дыхания, что

способствует удалению СО2 из организма. Однако в ряде случаев (при нарушениях ЦНС,

слабости дыхательных мышц и других патологических состояниях) повышение РаСО2

может сохраняться. Повышение концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе

уменьшает или устраняет артериальную гипоксемию, в то время как РаСО2 может

оставаться на прежнем уровне или повышаться дальше, поэтому назначение кислорода с

терапевтической целью при гиповентиляции должно осуществляться с осторожностью и

под контролем РСО2 в артериальной крови.

Следствием развития гиповентиляции могут быть следующие нарушения.

Гиповентиляция в результате снижения РО2 в альвеолярном воздухе приводит к

гипоксической вазоконстрикции, что является причиной развития легочной гипертензии и

повышения нагрузки на правые отделы сердца с развитием cor pulmonale. Артериальная

гипоксемия может приводить к гипоксической тканевой гипоксии и к дилатации сосудов

мозга с повышением перфузии мозга и давления ликвора. Артериальная гиперкапния

кроме аналогичного влияния на перфузию мозга и давление ликвора приводит к развитию

респираторного ацидоза.

103

11. Контроль дыхания (С.Н. Авдеев)

Под контролем дыхания понимают способность легочной вентиляции приспосабливаться

к потребностям обмена веществ организма. Медуллярные респираторные нейроны

посылают ритмические импульсы, характер которых может изменяться благодаря ряду

афферентных влияний различной продолжительности и интенсивности. Особенно хорошо

описаны афферентные влияния с периферических и центральных хеморецепторов и

механорецепторов грудной клетки и скелетных мышц.

Вентиляция находится под постоянным центральным контролем и настраивается для

обеспечения нужных значений рН и РаО2. Данная контролирующая система гомеостаза

требует для своей работы систему сенсоров, центральный контролирующий механизм и

систему эффекторов (рис.38). Ответ на изменения химического состава крови,

механическую нагрузку, скорость метаболизма и др. дает возможность респираторной

системе адаптироваться к специальным физиологическим обстоятельствам, таким, как

сон, физическая нагрузка, подъем на высоту, а также к таким патологическим состояниям,

таким как астма, хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), прием

медикаментозных препаратов и неврологические заболевания.

Рис.38. - Компоненты респираторного контроля. Информация от периферических сенсоров посылается к

центральному контролирующему механизму, а из него сигналы идут к эффекторам – дыхательным

104

мышцам. При изменении вентиляции дыхательные мышцы снижают раздражение сенсоров (механизм

отрицательной обратной связи).

11.1. Компоненты контроля дыхания

11.1.1. Респираторные сенсоры

Афферентный вход в центральную систему обеспечивается, в основном, четырьмя

группами нейрорецепторов: (1) периферическими артериальными хеморецепторами; (2)

центральными хеморецепторами; (3) внутрилегочными рецепторами; (4)

механорецепторами грудной клетки и скелетных мышц.

11.1.1.1. Периферические артериальные хеморецепторы

Периферические артериальные хеморецепторы состоят из каротидных и аортальных

телец. Физиологическую роль аортальных телец у человек довольно сложно выяснить, но,

по-видимому, она довольно незначительна. Наибольшее физиологическое значение имеют

каротидные тельца. Они локализуются в месте бифуркации общей сонной артерии, и

имеют размеры около 1,5 2,0 3,7 см, а вес одного каротидного тельца составляет

около 10,6-12,6 мг (рис.39). Они кровоснабжаются из системы наружной сонной артерии,

и получают иннервацию от сонной синусной ветви (нерв Геринга) глоссо-фарингеального

нерва.

105

Рис.39. - Локализация каротидных телец и аортальных телец по отношению к сонным артериям и дуге

аорты.

Каротидные тельца состоят из двух различных типов клеток: гломусных клеток (I-го типа)

и поддерживающих клеток (II-го типа) (рис.40). К обоим типам клеток подходят сонные

синусные нервы, которые содержат и симпатические и парасимпатические компоненты, а

также афферентные (сенсорные) и эфферентные (моторные) нервы. Афферентные

нейроны имеют чашеобразные окончания на гломусных клетках. К поддерживающим

клеткам подходят немиелинизированные нервные волокна. Эфферентные нейроны

(симпатическая иннервация) в основном имеют свои окончания на кровеносных сосудах,

и регулируют тонус сосудов, кровоснабнажающих каротидные тельца. Каротидные тельца

характеризуются необычно высоким кровоснабжением (2 литра/мин на 100 грамм ткани),

что дает им уникальную возможность удовлетворять свои потребности в кислороде

только за счет его растворимых форм, в то время как все другие ткани организма зависят

от кислорода, связанного с гемоглобином. Кроме того, РаО2 является специфичным

106

сигналом для гломусных клеток. Поэтому, каротидные тельца нечувствительны к

состояниям, при которых снижается содержание кислорода в артериальной крови, но не

снижается РаО2, например, таких как анемия или отравление угарным газом.

Действительно, при отравлении угарным газом, независимо от тяжести интоксикации, нет

признаков и симптомов респираторной стимуляции, например, таких, как ощущение

диспное и гипервентиляция.

Рис.40. - Каротидные тельца состоят из двух различных типов клеток: гломусных клеток (I-го типа) и

поддерживающих клеток (II-го типа). Гломусные клетки содержат катехоламины (норадреналин и допамин).

При экспозиции к гипоксии они высвобождают нейротрансмиттеры, которые стимулируют чащеобразные

окончания волокон сонного синусного нерва (нерв Геринга) глоссофарингеального нерва. Поддерживающие

клетки окружают клетки I типа и выполняют функции поддержки.

107

Каротидные тельца реагируют на изменения РаО2 и концентрации ионов водорода ([H+]).

Интенсивность ответа гломусных клеток на выраженность артериальной гипоксемии и

ацидоз варьирует в нелинейной форме. Наибольший ответ наблюдается в ответ на

гипоксемию, особенно при снижении РаО2 60 мм рт.ст., с этого момента происходит

выраженное повышение минутой вентиляции (VE) (рис.41). Данное повышение VE, в

первую очередь, связано с повышением дыхательного объема (VТ), т.е. глубины дыхания,

а не с его учащением. У млекопитающих каротидные тельца ответственны за 90%

вентиляционного ответа на гипоксемию, а вклад аортальных телец составляет лишь 10%.

Каротидные тельца также ответственны за 20-50% вентиляционного ответа на

гиперкапнию и ацидоз, в то время как остальные 50-80% ответа приходятся на

центральные хеморецепторы.

Рис.41. - Слева, A: каротидное тельце отвечает на изменения PО2, PСО2 и pH в артериальной крови. Импульсы

доставляются в ЦНС через сонный синусовый нерв (нерв Геринга). Справа, B: процент максимального

ответа частоты импульсов каротидного тельца на артериальное PО2. Максимальный ответ происходит при

снижении PаО2 до 60 мм рт.ст., эта зависимость носит нелинейный характер.

У человека двусторонняя резекция каротидных телец или эндартеэктомия сонных артерий

приводит к снижению VE в покое, повышению РаСО2 в покое на 2-4 мм рт.ст., и заметно

снижает вентиляционный ответ на гипоксемию в покое и при физических нагрузках. У

данных пациентов также происходит снижение вентиляционного ответа на гиперкапнию

на 30%. Одностороннее повреждение каротидных телец не приводит к снижению

периферической хеморецепции либо уменьшает ее незначительно.

11.1.1.2. Центральные хеморецепторы

108

Тот факт, вентиляционный ответ на повышение РаСО2 сохраняется у экспериментальных

животных с денервацией периферических хеморецепторов, дает основание предполагать,

что в головном мозгу находятся рецепторы, которые реагируют на измерение

концентрации СО2 или ионов водорода. Предполагается, что центральные хеморецепторы

локализуются на вентральной поверхности продолговатого мозга. Стимуляция этих

рецепторов приводит к повышению скорости и интенсивности инспираторного

градиентного сигнала, и, в конечном итоге, к учащению дыхания. Центральные

хеморецепторы первично реагируют на изменение концентрации ионов [H+] в

цереброспинальной жидкости (ЦСЖ) и интерстициальной жидкости продолговатого

мозга. Центральные хеморецепторы локализованы в различных участках ствола головного

мозга, включая вентральную поверхность продолговатого мозга, более глубокие зоны

около nucleus tractus solitarius и ростральные участки около locus ceruleus. Важной

молекулой, вовлеченной в центральную хеморецепцию, и играющей роль сенсорной

молекулой рН является имидазол-гистидин. Он обнаружен в протеинах, локализованных в

рН-сенсорных зонах, таких как ионные каналы, ионные транспортные протеины, энзимы и

рецепторы.

Ионы [H+] входят и выходят из СМЖ и экстрацеллюлярной жидкости в непосредственной

близости от центральных хеморецепторов как результат диссоциации СО2 и как результат

прямой диффузии [H+] из кровотока. Повышенные концентрации СО2 быстро проходят

через гемато-энцефалический барьер, потому что мембраны хорошо проницаемы для СО2,

затем СО2 превращается в угольную кислоту (Н2СО3), которая быстро диссоциирует на

ионы [H+] и НСО3

. Это приводит к повышению концентрации [H

+] в ЦСЖ и интерстиции,

параллельному повышению РаСО2. Повышение концентрации [H+] оказывает прямое

действие на центральные хеморецепторы. И, наоборот, снижение РаСО2 и [H+] подавляет

минутную вентиляцию.

Вентиляционный ответ на повышение РаСО2 может быть разделен на начальную быструю

фазу (в течение секунд) благодаря относительно быстрой ацидификации ЦСЖ, и

медленную фазу (в течение минут), что связано с образованием ионов [H+] в более высоко

забуференном интерстиции. В дополнение к этому, по сравнению с быстро проникающей

через мембраны СО2, ионы [H+] проникают из крови через гемато-энцефалический барьер

более медленно (минуты-часы). Как результат, изменения рН артериальной крови

вызывают более медленные и менее выраженные изменения вентиляции (рис.42).

Изолированные изменения РаСО2 оказывают выраженный острый эффект на вентиляцию,

но только небольшой хронический эффект. Это происходит вследствие того, что

хроническое повышение РаСО2 сопровождается включением компенсаторных механизмов

109

со стороны почек задержке НСО3. Эти НСО3

постепенно проникают через гемато-

энцефалический барьер и в ЦСЖ, где они связываются с избыточным количеством ионов

[H+], образующихся из-за повышения РаСО2, что ослабляет их влияние на вентиляцию.

Рис.42. - Влияния повышения артериального PСО2, острые (сплошная линия) и хронические (точечная

линия), на альвеолярную вентиляцию. Вторая абсцисса показывает взаимоотношения между снижением

артериального pH (пунктирная линия) и альвеолярной вентиляцией. Острые изменения PСО2 оказывают

большее влияние на альвеолярную вентиляцию, чем хронические изменения.

110

11.1.1.3. Внутрилегочные рецепторы

Внутрилегочные рецепторы представлены в дыхательных путях и легочной паренхиме.

Все они иннервируются блуждающим нервом, при этом миелинизированные волокна

подходят к рецепторам дыхательных путей, а немиелинизированные С волокна к

рецепторам легочной паренхимы. Рецепторы дыхательных путей делятся на медленно

адаптирующиеся рецепторы (МАР), также известные как рецепторы растяжения, и быстро

адаптирующиеся рецепторы (БАР). Рецепторы легочной паренхимы называются

юкстакапиллярными рецепторами.

МАР находятся среди гладких мышц дыхательных путей и ответственны за рефлекс

Геринга-Бреера. Активация МАР также приводит к релаксации гладких мышц, т.е. к

дилатации дыхательных путей. Рефлексом Геринга-Бреера называется пролонгация

времени выдоха и уменьшение частоты дыхания в ответ на чрезмерную инфляцию легких.

У человека данный рефлекс включается только при очень высоких дыхательных объемах

(VT > 3 литра) и имеет протективную роль при избыточной легочной инфляции. Таким

образом, МАР предотвращают избыточное повышение конечно-экспираторного объема

легких, что приводит к снижению длины покоя инспираторных мышц и дает им

возможность функционировать на более выгодной порции их кривой "длина-напряжение".

БАР локализуются между эпителиальными клетками и являются ирритантными

рецепторами, отвечающими на повреждающие стимулы, такие как пыль, сигаретный дым

и гистамин. Они, в основном, находятся в области карины и главных бронхов, и являются

кашлевыми рецепторами. БАР иннервируются миелинизированными нервными

волокнами и имеют более высокую скорость адаптации, чем МАР. Во время нормального

дыхания выход сигнала от БАР не зависит от фаз вдоха или выдоха, поэтому данные

рецепторы в условиях покоя не оказывают заметного влияния на дыхание. Однако,

экспериментальные исследования на животных показали, что активация БАР происходит

при условиях, приводящих к повышению сопротивления дыхательных путей или

снижению растяжимости легких. Таким образом, основной функцией БАР является

обнаружение патофизиологических изменений в дыхательных путях. БАР также

ответственны за повышение вентиляции и формирование "вздохов" - более глубоких

дыхательных объемов, что регулярно происходит во время нормального дыхания и

позволяет предотвратить развитие ателектазов легких. Активация БАР может быть

связана с такими ощущениями как "заложенность в грудной клетке" и частое

поверхностное дыхание у больных с бронхиальной астмой.

Рецепторы легочной паренхимы иннервируются немиелинизированными С волокнами

блуждающего нерва. Они носят название юкстакапиллярных рецепторов из-за своего

111

расположения вблизи капилляров в стенке альвеол. У животных эти рецепторы реагируют

на гиперинфляцию легких и на химические вещества, находящиеся в легочной

циркуляции, и могут быть связаны с развитием одышки при состояниях, приводящих к

развитию интерстициального отека легких (например, при сердечной недостаточности).

Стимуляция немиелинизированных С волокон также приводит к развитию частого

поверхностного дыхания, бронхоконстрикции и повышенной продукции бронхиального

секрета.

В целом, патологический паттерн дыхания, наблюдающийся при некоторых заболеваниях

(например, при бронхиальной астме, пневмонии, сердечной недостаточности,

тромбоэмболии легочной артерии) связан преимущественно со стимуляцией рецепторов

легочной паренхимы, а не с изменениями легочной механики или газов артериальной

крови.

11.1.1.4. Механорецепторы грудной клетки и мышц

Механорецепторы это тип сенсоров, отвечающих на изменения длины, напряжения или

движение. Основными механорецепторами грудной клетки являются мышечные веретена

и сухожильные тельца поперечно-полосатых скелетных мышц и проприорецепторы

суставов. Мышечные веретена реагируют на изменение длины мышц и ответственны за

рефлекторное сокращение скелетных мышц в ответ на их растяжение. Афференты

мышечных рецепторов участвуют в определении уровня и времени активности

дыхательного центра. Данные рецепторы также могут играть роль в повышении минутной

вентиляции во время ранних фаз физической активности. В диафрагме мышечных веретен

практически нет.

Сухожильные тельца реагируют на изменение силы сокращения скелетных мышц,

участвующих в дыхании. Эти рецепторы оказывают тормозящий эффект во время вдоха.

Они также важны для координации сокращения дыхательных мышц во время дыхания в

условиях покоя и при нагрузке на респираторный аппарат.

Проприорецепторы суставов отвечают на движение грудной клетки оказывают влияние на

уровень и время активности дыхательного центра. Афференты проприорецепторов

подходят к мотонейронам диафрагмальных нервов и влияют на их импульсную

активность. Они также оканчиваются на респираторных нейронах в дорзальной группе

нейронов и nucleus retroambiguus, благодаря чему проприорецепторы оказывают влияние

на время вдоха и выдоха.

112

Механорецепторы грудной клетки и скелетных мышц также участвуют в формировании

ощущения одышки в тех ситуациях, когда дыхательное усилие повышено вследствие

механизма несоответствия "длина-напряжение" дыхательных мышц.

11.1.2. Центральный контролирующий механизм (центральный ритмогенез)

Центральный контролирующий механизм делится на две части: одна находится в стволе

головного мозга (непроизвольная регуляция), другая - в коре головного мозга

(произвольная регуляция). Стволовая часть контролирующего механизма, в свою очередь,

подразделяется на пневмотаксический, апнейстический и медуллярный центры.

Пневмотаксический центр состоит из nucleus parabrachialis и nucleus Kolliker-Fuse в мосте

головного мозга. Данный центр участвует в автоматическом дыхании, т.е. определяет

время переключения с вдоха на выдох, обеспечивая тоническое поступление сигналов в

инспираторный центр. Данный центр модулирует респираторный ответ на такие стимулы,

как гиперкапния, гипоксемия, раздувание легких, и, в первую очередь, регулирует

длительность фазы вдоха.

Апнейстический центр расположен в нижних отделах моста и функционирует как

источник импульсов, прерывающих фазу вдоха, т.е. как "инспираторный выключатель".

Повреждение данного центра приводит к апнейстическому дыханию, которое

представляет собой ритмичное дыхание, в продолжительной фазой вдоха и короткой

фазой выдоха. Апнейстическое дыхание можно искусственно создать у лабораторных

животных при пересечении головного мозга между пневмотаксическим центром и

нижним отделом ствола мозга в комбинации с билатеральной ваготомией.

Медуллярный центр можно разделить на инспираторную дорзальную группу нейронов и

экспираторную вентральную группу нейронов. Как следует из названия, все эти

структуры находятся в продолговатом мозге (medulla oblongata). Инспираторная

дорзальная группа нейронов локализована в области nucleus tractus solitarius, ее роль

состоит в интеграции импульсов от висцеральных афферентов из верхних дыхательных

путей, интраартериальных хеморецепторов и легочной паренхимы, проходящих через 5-й,

9-й и 10-й черепные нервы, соответственно. Дорзальная группа также, возможно, является

местом проекции проприоцептивных афферентов от дыхательных мышц и грудной

клетки. Таким образом, инспираторная дорзальная группа нейронов это процессинговый

центр респираторных рефлексов и место происхождения нормального ритмогенеза,

состоящего из повторяющихся вспышек инспираторных потенциалов действия. Точный

механизм генерации респираторного ритма пока не выяснен.

113

Теорию, объясняющую респираторный ритмогенез можно представить следующим

образом. Вдох начинается при внезапном прекращении ингибиторных (тормозящих)

импульсов к дорзальной группе нейронов. Затем следует повышение инспираторной

активности мотонейронов в форме медленно нарастающей волны сигналов, которая

внезапно прекращается вследствие срабатывания механизма инспираторного выключения.

Это прекращение инспираторной активности происходит при достижении критического

порога. Во время ранней фазы выдоха происходит еще один всплеск инспираторной

нейрональной активности, которую относят к постинспираторной инспираторной

активности (ПИИА). ПИИА не удлиняет фазу вдоха, но однако замедляет скорость выдоха

в начальную фазу выдоха. Нейроны, генерирующие ПИИА могут зависеть от механизмов,

отличных от тех, что ответственны за основную инспираторную активность.

Вентральная группа нейронов состоит из инспираторных и экспираторных нейронов, и

локализуется рострально от двойного ядра (nucleus ambiguus) и каудально от nucleus

retroambiguus. Вентральная группа иннервирует респираторные эффекторы

дыхательные мышцы через диафрагмальные и межреберные нервы и абдоминальные

респираторные мотонейроны. Выход сигналов из вентральной группы усиливается при

необходимости более энергичного выдоха, например при физической нагрузке или при

состояниях, связанных с повышенным сопротивлением дыхательных путей (при

бронхиальной астме, ХОБЛ).

Кора головного мозга играет важную роль в произвольной регуляции дыхания, и

позволяет контролировать процесс дыхания при сложных поведенческих ситуациях,

например таких, как разговор, пение, кашель, произвольная задержка дыхания и других

видах деятельности.

11.1.3. Эффекторная система

Эффекторная система состоит из нервных путей и скелетных мышц, которые вовлечены в

выполнение фаз вдоха и выдоха. Нервные пути спинного мозга связывают респираторные

центры головного мозга и спинного мозга с дыхательными мышцами, и подразделяются

на нисходящие и восходящие пути. Нисходящие пути соединяют дорзальные и

вентральные группы нейронов с вентролательными трактами спинного мозга,

диафрагмальными нервами, межреберными и абдоминальными дыхательными мышцами.

Эти пути используются для торможения активности экспираторных мышц во время вдоха

и торможения инспираторных мышц во время выдоха. Восходящие пути соединяют

дыхательные мышцы с более высокими структурами ствола головного мозга.

Повреждение восходящих путей (например, после билатеральной чрескожной

114

цервикальной кордотомии или операций на передних отделах спинного мозга) может

привести к респираторным проблемам в виде апное во время сна.

С практических позиций, дыхательные мышцы (ДМ) можно разделить на инспираторные

и экспираторные мышцы. Задачей инспираторных дыхательных мышц является экспансия

(расширение) грудной клетки, что также вносит свой вклад в развитие отрицательного

внутригрудного давления, а также препятствие коллапсу верхней части грудной клетки во

время вдоха вследствие отрицательного давления, создаваемого диафрагмой.

При спокойном дыхании у здорового человека экспираторные дыхательные мышцы не

участвуют в дыхании, однако, при высокой минутной вентиляции или при большой

нагрузке на аппарат дыхания, активное сокращение абдоминальных мышц ведет к

краниальному смещению диафрагмы и уменьшению внутригрудного объема.

11.2. Интегрированные ответы контроля дыхания

Разделение системы контроля дыхания на компоненты, приведенное выше помогает

помочь в понимании способности легочной вентиляции приспосабливаться к

потребностям обмена веществ организма. В основе ответа вентиляции на различные

физиологические и патологические процессы лежит слаженная, т.е интегрированная

работа всех компонентов системы контроля дыхания. Рассмотрим ответ респираторной

системы на три клинически важных респираторных стимула: изменения РаСО2, РаО2 и рН.

11.2.1. Реакция на изменение СО2

При условиях сохранности системы контроля дыхания артериальное РСО2 является

относительно стабильным параметром, лишь с небольшими колебаниями. Вентиляция

увеличивается по мере повышения продукции СО2. Этот ответ находит отражен на

кривых зависимости альвеолярной вентиляции от уровней РаСО2 (рис.42). Во время

физической нагрузки, несмотря на повышение продукции СО2, не происходит нарастания

гиперкапнии.

При увеличении концентрации СО2 в артериальной крови повышается объем

альвеолярной вентиляции. Отношение между артериальным РСО2 и минутной

вентиляцией, или, так называемая кривая зависимости вентиляции легких от СО2,

показывает, что при увеличении РаСО2, вентиляция может повышаться от 8 до 10 раз.

Выше этой области вентиляция опять уменьшается, как следствие наркотического

действия СО2. Острые изменения PаСО2 оказывают большее влияние на альвеолярную

вентиляцию, чем хронические изменения.

115

Существует важное взаимодействие между гиперкапническим и гипоксемическим

вентиляционными ответами. Выраженность вентиляционного ответа на повышение РаСО2

выше в условиях более низкого РаО2 (рис.43). Несмотря на то, что у большинства

здоровых индивидуумов РаСО2 в покое составляет около 40 мм рт.ст., существует

значительная генетическая вариабельность по чувствительности к изменениям СО2 и О2.

Генетические различия могут объяснить различия в напряжении газов артериальной крови

у пациентов ХОБЛ. Гиперкапнический вентиляционный ответ имеет тенденцию к

снижению с возрастом человека и при проведении физических тренировок. Беременность

ассоциирована с повышением минутной вентиляции в покое, в первую очередь, из-за

повышения дыхательного объема. Это происходит уже в первом триместре беременности

и затем сохраняется относительно постоянно до родоразрешения. Причиной этой

гипервентиляции является повышенный уровень прогестерона в крови.

Нарушения ответа системы контроля дыхания на СО2 может произойти при различных

заболеваниях (повреждения ЦНС, гипотиреоидизм и др). Если причины не находят, то

речь может идти о первичной альвеолярной гиповентиляции.

Рис.43. - Несколько линий, показывающий различия вентиляционного ответа на PaСО2 при разных

фиксированных значениях альвеолярного PО2. Гипоксемия усиливает угол вентиляционного ответа на PaСО2.

BTPS = коррекция для температуры тела, давления и влажности.

11.2.2. Реакция на изменение О2

116

Вентиляционный ответ на гипоксемию варьирует в зависимости от уровня РаСО2 и также

зависит от генетической предопределенности индивидуума. Гипоксемический

вентиляционный ответ снижается у пожилых и после регулярных физических тренировок.

Вентиляционный ответ на снижение РаО2, от отличие от ответа на повышение РаСО2, имеет

не линейный характер, а экспотенциальный (рис.44). Увеличения минутной вентиляции не

происходит до того момента, пока РаО2 не упадет до < 60 мм рт.ст. Начиная от этой точки

дальнейшее снижение РаО2 приводит к выраженному повышению VE. Однако, если

добавить СО2 в инспираторную смесь, но наблюдается более значительное усиление

гипоксемического вентиляционного ответа (рис.44). И, наоборот, если РаСО2 снижается во

время тестирования, то наблюдается ослабление вентиляционного ответа. Такую

ситуацию можно наблюдать в клинике: у больного с выраженной гипоксемией нет

ощущения одышки при наличии гиперкапнии. У таких пациентов имеет место низкая

центральная инспираторная активность и необходимо исключить обратимые состояния

(передозировка опиатов и седативных препаратов, гипотиреоидизм).

Рис.44. - Кривые вентиляционного ответа при трех различных уровнях альвеолярного CO2. Когда PAСО2 36

мм рт.ст., увеличения вентиляции почти не происходит пока PaО2 не снизится до 50 мм рт.ст.

117

11.2.3. Реакция на изменение рН

Вентиляция усиливается при снижении рН артериальной крови (в норме около 7.4),

например, при метаболическом ацидозе/ацидемии и подавляется при повышении рН, т.е.

при алкалозе/алкалемии (рис.42). Этот ответ, в первую очередь, опосредуется через

периферические хеморецепторы. При любом уровне РаО2 каротидные тельца отвечают на

повышение концентрации ионов [H+] путем усиления импульсной активности гломусных

клеток, и наоборот. В клинических условиях, признаки гипервентиляции при развитии

метаболического ацидоза легко не заметить. Это происходит потому, что первичный

механизм компенсации включает повышение дыхательного объема, что клинически более

сложно увидеть, по сравнению с повышением частоты дыхания.

При развитии метаболического ацидоза респираторная компенсация на повышенные

концентрации НСО3 проявляется в виде снижения альвеолярной вентиляции. Это

приводит к повышению РаСО2, т.е. к респираторному ацидозу, что нормализует рН

артериальной крови.

118

12. Тканевое дыхание (Ж.К.Науменко)

Тканевое дыхание - это процесс доставки кислорода к тканям, его потребление, а также

образование и выделение СО2 из ткани. При недостатке О2 происходят нарушения

функции клеток и тканей. Процесс доставки кислорода к тканям проходит несколько

этапов:

1. перенос кислорода кровью из альвеол до капилляров тканей;

2. диффузия кислорода из капилляров большого круга кровообращения в клетки и их

митохондрии;

3. химические реакции О2 с цитохромной системой митохондрии и выработка энергии

(образование АТФ)

12.1. Транспорт кислорода кровью от альвеол до капилляров тканей

Из альвеолы О2 путем диффузии через альвеолярно-капиллярную мембрану попадает в

легочной капилляр и переносится кровью двумя способами:

1. растворенным в плазме крови;

2. связанным с гемоглобином.

Количество О2 в кровотоке определяется количеством гемоглобина в крови, процентом

гемоглобина, связанного с О2 и минутным объемом кровообращения (МОК).

Растворенный кислород можно рассчитать, используя закон Генри (см. раздел: «

Транспорт газов кровью», уравнение 44), т.е. количество растворенного кислорода

пропорционально парциальному давлению О2 (PaO2). Для каждого 1 мм рт ст. имеется

0.0031 млО2/дл(100 мл крови). В растворенном виде переносится лишь незначительное

количество О2.

Основным переносчиком кислорода является гемоглобин (Hb). Максимальное количество

кислорода, которое способен связать гемоглобин при его полном насыщении называется

емкостью крови (кислородная емкость крови) (см. раздел: «Транспорт газов кровью»,

уравнение 46).

Гемоглобин является главной транспортной системой для О2. Каждый грамм гемоглобина

способен связать 1.34 мл О2. Это означает, что при нормальной концентрации

гемоглобина в крови (около 150 г/л) содержание кислорода равно 20 мл/100 мл крови (15

г/100 мл x 1.34 = 20 мл/100 мл крови).

Количество кислорода, доставляемого к тканям, будет определяться содержанием

кислорода в артериальной крови и кровоснабжением (МОК). В свою очередь, содержание

119

О2 в артериальной крови (CaO2) определяется произведением кислородной емкости крови

(КЕК) и артериальным насыщением крови О2 плюс растворенный кислород:

CaO2= 1.34×Hb× SO2/100+(PaO2 × 0.0031) (59),

где SO2 - степень насыщения артериальной крови кислородом (см раздел «Транспорт газов

кровью», уравнение 47):

Вклад величины РаО2 в содержание О2 в артериальной крови несущественное и составляет

при нормальном гемоглобине 1% от первого, поэтому часто используют только первую

часть формулы

Учитывая вышесказанное, объем кислорода, доставляемого к тканям в единицу времени

(DО2) является интегральным показателем и зависит от содержания О2 в крови и МОК (Q)

(Q – это объем крови прокачиваемый сердцем в минуту):

DО2 = СаО2 × Q (60)

Заключительным этапом транспорта кислорода является потребление кислорода тканями

(VО2). Поступающий кислород должен максимально обеспечить потребность тканей,

однако весь связанный с Hb кислород никогда не используется, поэтому в венозной крови

он всегда определяется. Потребление кислорода можно рассчитать с помощью правила

Фика (хотя его часто называют уравнением Фика, по сути это закон сохранения вещества).

VО2 равно произведению МОК и артерио-венозной разницы в содержании О2 (СаО2 – CvО2)

(уравнения 61 и 62):

VО2 = Q × (СаО2 – CvО2) (61)

или

VО2 = Q × (1.34 × Hb) × (SО2 – SvО2)/100 (62),

где СаО2 – содержание кислорода в артериальной крови (млО2/л), CvО2 - содержание

кислорода в смешанной венозной крови (млО2/л), SО2 – насыщение кислородом

артериальной крови (%), SvО2 - насыщение кислородом смешанной венозной крови (%).

В клинической практике содержание О2 в смешанной венозной крови измеряют,

катетеризируя правые отделы сердца. Содержание кислорода в артериальной крови

определяют на основании анализа газов артериальной крови.

Теоретически величина DО2 является максимумом потребления кислородаVО2 . Однако

ткани не могут использовать весь доставленный кислород, и в стабильном состоянии

доставка кислорода примерно в 4 раза превышает потребление. Коэффициент тканевой

120

экстракции кислорода (КеО2) определяется как выраженное в процентах отношение VО2 к

DО2:

КеО2 = VО2 / DО2 × 100% (63)

В норме около 25% О2 экстрагируется из артериальной крови тканями, а остальной

кислород возвращается к сердцу в составе смешанной венозной крови. Это позволяет

тканям приспосабливаться к снижению DО2 за счет увеличения его утилизации. КеО2

может повышаться до 60-80% при тяжелой мышечной работе.

Соотношение потребления кислорода и его доставки в различных органах не одинаково.

Особенно высокий расход (низкое кровоснабжение по отношению к потреблению О2)

имеют миокард и скелетные мышцы при работе. Низкими являются значения экстракции

О2 для кожи и почек, потому что в этих органах помимо доставки кислорода к клеткам

кровоснабжение выполняет и другие функции. Кроме того, и внутри органов имеются

региональные различия в потребности и использовании О2. Так, например, серое вещество

мозга (нервные клетки) имеют более высокую потребность в О2 и более высокое

кровоснабжение, чем белое вещество (нервные волокна).

Большинство тканей не могут запасать кислород впрок (за исключением мышечной ткани,

способной сохранять кислород при помощи миоглобина), поэтому поглощение кислорода

из капилляров зависит от метаболических потребностей (кроме случаев, когда нарушается

способность извлекать кислород из капиллярной крови).

12.2. Диффузия кислорода из капилляров большого круга кровообращения в клетки

и их митохондрии.

Процесс поступления О2 из тканевых капилляров в клетки происходит путем диффузии

по градиенту давления. Этот процесс происходит согласно основным диффузионным

законам, также как и в легком. Однако, есть и свои особенности. В легких, стенка альвеол,

граничащая с капиллярами и отделяющая кровь от альвеолярного воздуха, очень тонкая,

поэтому сама практически не использует О2. В тканях, многочисленные клеточные слои

сами потребляют О2. Диффузионное расстояние в ткани относительно большое, поэтому

потребление О2 каждой отдельной клеткой увеличивается по мере удаления ее от

капилляра. Кроме того, содержанием О2 в капиллярной крови снижается при протекании

ее вдоль самого капилляра. В венозном конце капилляра содержание кислорода должно

быть достаточным для обеспечения всех, даже далеко расположенных от капилляра

клеток. При недостаточном количестве кислорода именно в этих участках, в первую

121

очередь, возникают аноксические зоны (зоны без кислорода). Схематически этот процесс

можно представить в виде модели цилиндра Крога (капилляр с окружающими клетками)

(рис.45).

Рис.45 - Тканевой цилиндр Крога.

(Из кн. В.И.Бураковский, Л.А.Бокерия"Гипербарическая оксигенация в сердечно-сосудистой хирургии", М.,

"Медицина" 1974 г.).

Заключительным этапом транспорта кислорода являются процессы окисления, которые

происходят в митохондриях клеток, в результате чего вырабатывается энергия в виде

АТФ. Самое низкое митохондриальное РО2, при котором цитохромоксидаза сохраняет

свою активность лежит в очень низких пределах (0.01–0.1 кПа). Только ниже этих

значений наступает ограничение процессов окисления, ведущих к освобождению энергии

и переходу ее в доступную для организма форму.

122

12.3. Химические реакции О2 с цитохромной системой митохондрии и выработка

энергии (образование АТФ)

Внутриклеточное окисление (дыхание) сопряжено с фосфорилированием АДФ.

Окислительное фосфорилирование - многоступенчатый процесс, осуществляемый

посредством транспорта электронов и протонов по макромолекулам, сосредоточенным в

биологических мембранах. Благодаря мембранной организации эти макромолекулы

образуют строго упорядоченную систему переноса электронов и протонов, называемую

дыхательной цепью. У человека дыхательная цепь локализована во внутренней мембране

митохондрии - клеточной органеллы, специально приспособленной к окислительному

фосфорилированию. Важнейшая роль в качестве предварительной стадии окислительного

фосфорилирования принадлежит циклу Кребса (рис.46). От него начинаются пути многих

биосинтетических процессов (синтез углеводов, липидов, белков и других сложных

органических соединений). В реакциях цикла Кребса образуются СО2, Н+ и электроны,

восстанавливающие НАД+ до НАДН. Основное назначение цикла Кребса в клеточном

дыхании состоит в повышении выхода свободной энергии из органических соединений

путем катализа расщепления воды для образования большего количества протонов и

электронов, поставляемых далее в дыхательную цепь. Завершающим этапом

функционирования митохондрии является генерация АТФ, осуществляемая встроенным

во внутреннюю мембрану специальным макромолекулярным комплексом. Этот комплекс,

называемый АТФ-синтетазой, как раз и катализирует синтез АТФ путѐм конверсии

энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов водорода в энергию

макроэргической связи молекулы АТФ.

Рис.46. - Клеточное дыхание. В результате внутриклеточного окисления (дыхания) происходит выработка

энергии в виде АТФ.

123

12.4. Нарушения обеспечения тканей О2

Недостаточное снабжение тканей кислородом называется тканевой гипоксией. Она может

быть обусловлена различными причинами (рис.47):

1. Низким РО2 в артериальной крови, например при заболеваниях легких.

(«гипоксемическая или гипоксическая гипоксия»);

2. Пониженной способностью крови переносить кислород, например, при анемии или

отравлении угарным газом («гемическая гипоксия»);

3. Уменьшением кровоснабжение тканей – либо во всем организме (например, при

шоке), либо при местной закупорке сосудов («циркуляторная гипоксия»);

4. Отравление ядовитыми веществами, подавляющими способность тканей

использовать О2 (например, отравление циамидами) («гистотоксическая гипоксия»).

Рис.47 - Причины тканевой гипоксии.

12.4.1. Гипоксемическая гипоксия.

Гипоксемическая гипоксия может быть обусловлена рядом причин:

1. Снижением парциального давления О2 во вдыхаемом воздухе (например, при

снижении барометрического давления на больших высотах или при ингаляции

отравляющих газов, или при нахождении вблизи огня из-за поглощения О2 при горении).

124

2. Общей гиповентиляцией легких (при гиповентиляции в альвеолах увеличивается

парциальное давление СО2, а содержание О2 снижается).

3. Нарушение транспорта газов через альвеолярно-капиллярную мембрану (см. раздел

«Диффузия газов через альвеолярно-капиллярную мембрану»).

4. Нарушение вентиляционно-перфузионных отношений. Вентиляционно-

перфузионный дисбаланс, т.е.нарушение вентиляционно-перфузионных отношений

является наиболее частым механизмом, ведущим к развитию гипоксемии. Среднее

значение VA/Q в нормальных легких составляется 0.8-1.0. При заболеваниях легких

отношение VA/Q может меняться от 0 (перфузируемые, но не вентилируемые альвеолы

или шунт) до бесконечности (вентилируемые, но не перфузируемые альвеолы или мертвое

пространство). Неравномерность вентиляционно-перфузионных отношений может

увеличиваться с возрастом, изменяться при разном положении тела, при заболеваниях

легких (см. раздел «Распределение вентиляции и перфузии»).

5. Шунтирование крови. При шунтировании обедненная кислородом венозная кровь

либо полностью минует легочное циркуляторное русло – анатомический шунт (например

при внутрисердечных или внутрилегочных сосудистых дефектах) или проходит в

участках легких, где отсутствует газообмен (например, в зоне полного ателектаза.). В этой

зоне вентиляционно-перфузионное отношение равно 0 (истинный или абсолютный шунт).

В норме величина легочного шунта не превышает 5% от сердечного выброса и

обусловлена наличием бронхиальной легочной циркуляции (сосудистой системы,

кровоснабжающей бронхи), благодаря которой, оксигенированная в легких кровь

возвращается в левые отделы сердца неоксигенированной (анатомический шунт) (см.

раздел «Распределение вентиляции и перфузии»).

6. Снижение парциального давления кислорода в смешанной венозной крови

(снижение парциального давления О2 в смешанной венозной крови не является

самостоятельной причиной гипоксемии, если отсутствуют другие причины нарушения

газообмена).

12.4.2. Гемическая (или анемическая) гипоксия

Гемическая гипоксия характеризуется снижением кислородной емкости крови, падением в

ней гемоглобина (например, при анемии) или же связана с изменениями состояния

гемоглобина, например превращением его в метгемоглобин (при отравлении бертолетовой

солью, мышьяковистым водородом) или в карбоксигемоглобин (при отравлении угарным

газом).

125

12.4.3. Циркуляторная гипоксия

Недостаточный приток крови к ткани приводит к малокровию в этой области, т.е. к

ишемии. В то время как первые два нарушения всегда касаются всего организма, гипоксия

при ишемии носит изолированный характер и касается отдельных органов и тканей. К

ишемии могут приводить:

1. Сдавление приводящей артерии извне (компрессионная ишемия).

2. Закупорка артерии тромбом или эмболом (обтурационная ишемия).

3. Спастическое сужение или закрытие артерии.

4. Местное нарушение кровообращения, связанное с венозным застоем (застойная

гипоксия).

5. Функциональное несоответствие между притоком артериальной крови и функцией

соответствующего органа.

При недостаточном притоке крови нарушаются процессы транспорта как кислорода, так и

других веществ. Возникающая в этих условиях гипоксическая вазодилятация

способствует повышению перфузии и может приводить к повышению поступления О2 в

гипоксические участки ткани.

12.4.4. Гистотоксическая гипоксия

В типичном виде тканевая гипоксия наблюдается при отравлении цианистыми

соединениями, а также хлороформом, фосфором, мышьяком. Например, при отравлении

цианидами угнетается взаимодействие кислорода с дыхательным ферментом

цитохромоксидазой. При этом содержание О2 как в артериальной, так и в венозной крови

может быть высоким, а потребление его тканями - очень низким.

12.5. Энергетические резервы организма при недостатке кислорода

При недостаточном поступлении кислорода клетка мобилизует свои дополнительные

возможности для получения энергии. В этом случае возможны три пути получения

энергии:

− использование резервного О2;

− анаэробный гликолиз;

− расщепление богатых энергией фосфатов (АТФ, креатинфосфат).

В качестве резерва организм может накапливать около 1.5 л О2 (примерно 400 мл в

легочном воздухе; 50 мл физически растворяется в тканях; 800 мл связано с

гемоглобином, 250 мл в миоглобине).

126

Анаэробный гликолиз (рис.48) – это процесс расщепления глюкозы под действием

различных ферментов, который не требует участия кислорода. Для распада и частичного

окисления молекулы глюкозы необходимо согласованное протекание одиннадцати

последовательных реакций. При гликолизе одна молекула глюкозы дает возможность

синтезировать две молекулы АТФ. Гликолиз не является мембранозависимым процессом

в отличие от окислительного фосфорилирования. Он происходит в цитоплазме. Однако

ферменты гликолиза связаны со структурами цитоскелета. Конечным продуктом

метаболизма глюкозы в анаэробных условиях является лактат (молочная кислота). Это

приводит к метаболическому ацидозу – лактоацидозу (лактоацидоз - закисление крови

вследствие накопления лактата). В физиологических условиях молочная кислота наиболее

часто образуется в мышцах при интенсивной мышечной работе. Если проделанная работа

превышает величину, при которой поставляется достаточное количество О2 (достигается

так называемый анаэробный порог), то накопившаяся молочная кислота ограничивает

общую продолжительность работы.

При всех видах гипоксии ткани энергетически богатые фосфаты (например, АТФ,

креатинфосфат) могут служить в качестве энергетического резерва.

Рис.48 - Анаэробный гликолиз.

127

12.6. Функциональные нарушения и смерть клетки при недостатке О2

Последствия ишемии и кислородного голодания связаны с чувствительностью

соответствующих тканей к недостатку кислорода, а также с продолжительностью

возникших расстройств и с особенностями ангиоархитектоники. Наименее чувствительны

к гипоксии кожа, мышцы и кости. Очень чувствительны к аноксии клетки мозга и

особенно клетки коры головного мозга. Ишемия некоторых областей коры головного

мозга сравнительно рано влечет за собой необратимые изменения в виде размягчений.

Любая форма ишемии может давать демиелинизацию.

Чем продолжительнее ишемия, чем она полнее и острее, тем значительнее ее последствия,

если к тому же она не может быть устранена по условиям ангиоархитектоники, когда,

например, артериальные коллатерали неразвиты или когда низкое кровяное давление

препятствует развитию коллатерального кровообращения. Чувствительность к аноксии

резко снижается в условиях гипотермии.

При остром прекращении поступления О2 наступает ряд изменений, ведущих в конечном

итоге к прекращению функционирования клетки. Некоторое время после начала аноксии

способность к функции остается сохраненной. Потом начинаются нарушения, которые

ведут к полному прекращению функций: сверхжизненное время. Если аноксия

устраняется, то в течение некоторого периода выше этого времени возможно оживление

клетки без необратимых нарушений – время оживления. Если аноксия продолжается

дольше, то оживление возможно, но с сформировавшимися у клеток нарушениями, пока,

наконец, не наступает смерть клетки.

Длительность сверхжизненного времени и времени оживления различны у разных органов

и зависят от соотношения потребления энергии и энергетического резерва клеток. Судьба

всего организма определяется чувствительностью к недостатку О2 его жизненно важных

органов (особенно мозга и сердца). Продление сверхжизненного времени отдельных

органов может быть достигнуто с помощью перфузии растворами, которые обратимо

уменьшают обмен веществ (например, растворы, которые применяются при открытых

операциях на сердце).

Из сказанного становится понятным, что остановка сердца является более угрожающей

ситуацией для организма, чем остановка дыхания. Так как при последнем еще могут быть

использованы резервы О2 из крови и альвеолярного воздуха, тогда как при прекращении

кровоснабжения в распоряжении ткани находится лишь исключительно скудный запас О2.

12.7. Токсическое действие кислорода

128

Молекулярный кислород – мощный окислитель, поэтому может оказывать токсическое

действие. Например, прямое взаимодействие кислорода с липидами вызывает появление

ядовитых перекисей и нарушает структуру клеток. Активные соединения кислорода могут

повреждать белки и нуклеиновые кислоты. В процессе эволюции и приспособления к

жизни в кислородной среде появились мощные антиоксидантные механизмы,

защищающие клетку от разрушительного действия кислорода. Однако в чистом виде, да

еще под давлением О2 оказывается губительным для клеток. Если же клетка исходно

повреждена каким-либо внешним фактором, то защитные механизмы отказывают в

первую очередь, и тогда кислород начинает вредить даже при обычной атмосферной

концентрации. Поэтому в лечебных целях кислород необходимо применять с

осторожностью. При отравлении кислородом наряду с общими симптомами

(беспокойство, летаргия, анорексия), прежде всего, наступают нарушения функции легких

(диспное, воспаление дыхательных путей с кашлем и болями). При длительной

экспозиции высоких доз О2 повышается проницаемость альвеолярного эпителия и

эндотелия сосудов с накоплением жидкости в интерстиции (интерстициальный отек) или

в альвеолах легкого (альвеолярный отек). У пациентов, которые получали чистый О2

более 36 часов вследствие этих нарушений происходило падение РаО2 артериальной

крови. Если чистый О2 подается при повышенном давлении, возникают симптомы со

стороны центральной нервной системы, особенно часто наблюдаются судороги. У

новорожденных искусственное введение чистого О2 ведет к изменению сосудов глаз,

последствием чего может быть слепота.

129

13. Дыхание в необычных условиях (З.Р. Айсанов)

Большая часть населения нашей планеты живет в местах, высота которых над уровнем

моря не превышает 3000 м. Тем не менее человек может подниматься на высоты от 5 до 8

км над уровнем моря без применения специальных технических средств. Подъем на

большую высоту и спуск под воду требует применения вспомогательных средств и ставят

дыхательную систему в особые условия. Люди способны нырять на десятки метров при

задержке дыхания, а использование дыхательных аппаратов позволяет погружаться на

различные глубины. В таких условиях организм реагирует выработкой различных

приспособительных реакций, которые рассматривались в предыдущих разделах.

13.1. Дыхание при подъеме на высоту

С увеличением высоты над уровнем моря падает барометрическое давление и

парциальное давление О2, однако насыщение альвеолярного воздуха водяными парами

при температуре тела не изменяется. Высотная гипоксия оказывает влияние на тканевой

метаболизм и ограничивает подъем на большую высоту. С целью улучшения обеспечения

кислородом организм человека вырабатывает адаптационные приспособительные реакции

с целью улучшения обеспечения его кислородом (такие, как повышение вентиляции и

полицитемия).

На высоте 20 000 м содержание О2 во вдыхаемом воздухе падает до нуля. Если жители

равнин поднимаются в горы, гипоксия увеличивает у них вентиляцию легких, стимулируя

артериальные хеморецепторы. Изменения дыхания при высотной гипоксии у разных

людей различны. Возникающие во всех случаях реакции внешнего дыхания определяются

рядом факторов: 1) скорость, с которой развивается гипоксия; 2) степень потребления О2

(покой или физическая нагрузка); 3) продолжительность гипоксического воздействия.

Первоначальная гипоксическая стимуляция дыхания, возникающая при подъеме на

высоту, приводит к вымыванию из крови СО2 и развитию дыхательного алкалоза. Это, в

свою очередь, вызывает увеличение рН внеклеточной жидкости мозга. Центральные

хеморецепторы реагируют на подобный сдвиг рН в цереброспинальной жидкости мозга

резким снижением своей активности, что затормаживает нейроны дыхательного центра

настолько, что он становится нечувствительным к стимулам, исходящим от

периферических хеморецепторов. Довольно быстро гиперпноэ сменяется непроизвольной

гиповентиляцией, несмотря на сохраняющуюся гипоксемию. Подобное снижение

130

функции дыхательного центра увеличивает степень гипоксического состояния организма,

что чрезвычайно опасно, прежде всего для нейронов коры большого мозга.

При акклиматизации к условиям высокогорья наступает адаптация физиологических

механизмов к гипоксии. К основным факторам долговременной адаптации относятся:

повышение содержания СО2 и понижение содержания О2 в крови на фоне снижения

чувствительности периферических хеморецепторов к гипоксии, а также рост

концентрации гемоглобина.

По мере возрастания высоты над уровнем моря понижается барометрическое

давление и как следствие падает РО2. В процессе акклиматизации человека при

подъеме на высоту центральную роль играет адаптация механизмов поддержания

кислородного транспорта. Основным адаптационным механизмом является

гипервентиляционный ответ, который проходит 3 фазы:

острый ответ на гипоксию, появляющийся с первых секунд подъема на высоту и

продолжающийся до нескольких часов;

вентиляционная акклиматизация или отсроченный ответ, который наступает при

пребывании в высокогорье от нескольких часов до нескольких недель;

деакклиматизация вентиляции при восстановлении нормоксии.

Острая гипоксия вызывает повышение вентиляции в течение нескольких секунд. Этот

ответ возникает как результат стимуляции каротидных телец вследствие артериальной

гипоксемии. Гипервентиляция вызывает уменьшение РСО2 в крови и как результат

снижение рН цереброспинальной жидкости, что может привести к угнетению дыхания. Но

в ответ на тканевую гипоксию и гипокапнию вырабатываются метаболические кислоты

(главным образом молочная), что вызывает положительный вентиляционный ответ.

Вентиляционная акклиматизация к длительной гипоксии - зависимое от времени

повышение уровня гипервентиляции, которая в большинстве случаев формируется в

течение 2 суток и полностью завершается к 7-10-му дню. Прогрессирующая

гипервентиляция обусловлена двумя основными процессами: «восстановлением» ЦНС

после гипоксии и оптимизацией чувствительности каротидных хеморецепторов к

гипоксическим стимулам. К факторам долговременной адаптации относится также рост

концентрации гемоглобина.

Деакклиматизация характеризуется тем, что гипервентиляция возникает в ответ на

гипоксию после того, как гипоксический стимул устранен, сохраняется в течение 1-2

суток и только после этого возвращается к нормовентиляции.

131

При высотной акклиматизации, вероятно, важен еще один механизм - полицитемия

(повышение содержания эритроцитов в крови), сопровождающаяся увеличением

концентрации гемоглобина. Повышение выработки эритроцитов вызвано гипоксемией,

которая стимулирует выброс из почек гемопоэтина - активатора кроветворной функции

костного мозга.

Улучшение поступления О2 осуществляется при гипервентиляции вследствие стимуляции

дыхания и периферических артериальных хеморецепторов при артериальной гипоксемии.

Однако при гипервентиляции элиминируется так же большое количество СО2, вследствие

чего в артериальной крови развивается респираторный алкалоз (понижается значение PCO2

и повышается значение pH), что оказывает угнетающий эффект на регуляцию дыхания.

Во время авиаперелетов, давление в салоне самолета поддерживается на уровне более

низком, чем в обычных равнинных условиях, но более высоком, чем в условиях

высокогорья (3000 м над уровнем моря). Поэтому у здоровых лиц во время полета не

отмечается компенсаторного повышения уровня вентиляции, в то время как у больных с

легочной патологией может потребоваться кислородная поддержка.

Длительное пребывание на высоте (от нескольких дней до нескольких недель) приводит к

тому, что респираторный алкалоз начинает компенсироваться вследствие выведения

почками ионов HCO3-. Это приводит к уменьшению угнетающего воздействия алкалоза на

гипервентиляцию и усилению гипервентиляции.

Помимо этого, следствием акклиматизации является и полиглобулия, возникающая из-за

того, что гипоксия стимулирует образование в почках эритропоэтинов.

При подъеме на большие высоты в первую очередь у человека возникают

неврологические нарушения, так как ЦНС обладает наибольшей чувствительностью к

гипоксии. Именно чувствительность ЦНС определяет тот максимальный уровень высоты,

на которую человек может подняться без дополнительной кислородной поддержки. Кроме

этого, происходят так же процессы изменения кровообращения головного мозга.

Вазодилатация сосудов головного мозга и увеличение кровотока являются следствием

возникающей при подъеме на высоту гипоксии, при которой напряжение кислорода в

артериальной крови PаO2 снижается примерно до уровня 10 кПа.

В этих условиях повышение уровня артериального PCO2 приводит к гипервентиляции и

повышению выведения углекислоты, вследствие чего напряжение СО2 в артериальной

крови падает. Это в свою очередь ведет к церебральной вазоконстрикции. Таким образом,

два противоположных механизма оказывают влияние на мозговое кровообращение:

вазодилатационный, обусловленный действием гипоксии и вазоконстрикторный –

вследствие гипокапнии. Преобладание того или иного фактора может зависеть от многих

132

факторов, в том числе и от индивидуальных. Почечный механизм компенсации алкалоза и

снижения рН при длительном пребывании человека в условиях высокогорья,

уменьшающий вазоконстрикторные эффекты, является одним из приспособительных

механизмов толерантности к большим высотам.

Частыми симптомами во время пребывания в горах являются головная боль, томление,

тошнота. Возрастание сопротивления сосудов малого круга кровообращения может быть

обусловлено вазоконстрикцией вследствие гипоксии, а так же повышением вязкости

крови в результате развития вторичной полицитемии. Все вышеперечисленные симптомы

чаще возникают при подъеме на большие высоты (выше 4500 м над уровнем моря).

Толерантность к высоте во многом зависит от индивидуальных особенностей организма и

его способности к акклиматизации.

133

Таблица 1.

Нормальные значения, характеризующие дыхание и газообмен у молодых людей со здоровыми легкими в

покое.

Параметры Обозначение Нормальное значение Единицы измерения

Поступление О2 VО2 0.31

14 лSTPD мин

-1

ммоль мин-1

Выделение СО2 VСО2 0.26

12 лSTPD мин

-1

ммоль мин-1

Дыхательный коэффициент RQ 0.84 -

Дыхательный объем VT 0.5 лBTPS

Объем мертвого пространства VD 0.15 лBTPS (В покое: 30% от VT)

Частота дыхания fR 16 мин-1

Легочная вентиляция

(измеренная на выдохе) V

E 8 лBTPS мин

-1

Альвеолярная вентиляция VA 5.6 лBTPS мин

-1

Вентиляция мертвого пространства VD 2.4 лBTPS мин

-1

Смешанно-экспираторная

фракция О2

FE O2 0.163 -

Смешанно-экспираторная

фракция СО2

FE CO2 0.040 -

Альвеолярное PО2 PA O2 13.3

100

кПа

мм рт.ст.

Альвеолярное РСО2 PA CO2 5.3

40

кПа

мм рт.ст.

Сердечно временной объем

(минутный объем) Q

6.2 л мин

-1

Примечание: Данные имеют значительный разброс. Дыхание воздухом (Ратм. = 100 кПа).

Таблица 2.

Нормальные значения параметров, характеризующих механику дыхательной системы, для мужчин и

женщин возрастом в 25 лет*.

Параметры Обозначение Нормальное значение

Мужчины Женщины

Единицы

Общая емкость легкого ОЕЛ 7,3 5,4 л

Жизненная емкость легких ЖЕЛ 5,6 4,0 л

Форсированная жизненная

емкость легких

ФЖЕЛ 5,4 4,0 л

Остаточный объем легких ООЛ 1,6 1,4 л

Функциональная остаточная

емкость легких

ФОЕ 3,3 2,8 л

Объем форсированного выдоха за

1 секунду

ОФВ1 4,5 3,5 л

Пиковая объемная скорость

выдоха

ПОСвыд 10,1 7,5 л сек-1

Максимальная вентиляция легких

(при частоте дыхания - 30 мин-1

)

МВЛ 110 100 л мин-1

Растяжимость дыхательной

системы (легкие + грудная клетка)

CL+Th 1,3 л кПа-1

Растяжимость грудной клетки CTh 2,6 л кПа-1

Растяжимость легких CL 2,6 л кПа-1

Сопротивление дыхательных

путей

Raw 0,30 кПа л-1 сек

Примечание: * Данные представлены для мужчины с ростом 180 см и для женщин – 170 см. Нормальные значения

рассчитаны по уравнениям должных Европейского Сообщества Угля и Стали, 1993 г. Все объемы даны в системе BTPS.

Значения растяжимости относятся к положению равновесия дыхательной системы (функциональная остаточная емкость

легких). Некоторые приведенные величины будут обсуждаться дальше.

134

Таблица 3.

Влияние вдыхания 21% и 100 % кислорода на среднее парциальное напряжение кислорода в альвеолярном

газе, артериальной и смешанной венозной крови в легких с «идеальным» газообменом, при вентиляционно-

перфузионном дисбалансе, при наличии шунта справа-налево.

Параметры Идеальный газообмен Вентиляционно-перфузионный

дисбаланс

Шунт справа-налево

21% 100% 21% 100% 21% 100%

PAO2 101 673 106 675 114 677

PaO2 101 673 89 673 59 125

P(A-a)O2 0 0 17 2 55 552

PvO2 40 51 40 51 40 42