Дихальна недостатність - Причини та патогенез

Причини та механізми вентиляційної та паренхіматозної дихальної недостатності

Дихальна недостатність виникає при порушенні будь-якого з функціональних компонентів дихальної системи – легеневої паренхіми, грудної стінки, легеневого кровообігу, стану альвеолярно-капілярної мембрани, нервової та гуморальної регуляції дихання. Залежно від поширеності певних змін газового складу крові розрізняють дві основні форми дихальної недостатності – вентиляційну (гіперкапнічну) та паренхіматозну (гіпоксемічну), кожна з яких може бути гострою або хронічною.

Вентиляційна (гіперкапнічна) дихальна недостатність

Вентиляційна (гіперкапнічна) форма дихальної недостатності характеризується переважно загальним зниженням об'єму альвеолярної вентиляції (альвеолярна гіповентиляція) та хвилинного дихального об'єму (ХДО), зменшенням виведення CO2 з організму та, відповідно, розвитком гіперкапнії (PaCO2 > 50 мм рт. ст.), а потім гіпоксемії.

Причини та механізми розвитку вентиляційної дихальної недостатності тісно пов'язані з порушенням процесу виведення вуглекислого газу з організму. Як відомо, процес газообміну в легенях визначається:

• рівень альвеолярної вентиляції;
• дифузійна здатність альвеолярно-капілярної мембрани відносно _O2 та _CO2;
• величина перфузії;
• співвідношення вентиляції та перфузії (вентиляційно-перфузійне співвідношення).

З функціональної точки зору всі дихальні шляхи в легенях поділяються на провідні шляхи та зону газообміну (або дифузії). В області провідних шляхів (у трахеї, бронхах, бронхіолах та термінальних бронхіолах) під час вдиху відбувається поступальний рух повітря та механічне змішування (конвекція) свіжої порції атмосферного повітря з газом, що знаходився у фізіологічному мертвому просторі до наступного вдиху. Тому ця область має іншу назву - конвекційна зона. Зрозуміло, що інтенсивність збагачення конвекційної зони киснем та зменшення концентрації вуглекислого газу, перш за все, визначається інтенсивністю легеневої вентиляції та значенням хвилинного об'єму дихання (ХОДИ).

Характерно, що в міру наближення до менших поколінь дихальних шляхів (від 1-го до 16-го покоління) поступальний рух повітряного потоку поступово сповільнюється, а на межі зони конвекції взагалі зупиняється. Це пов'язано з різким збільшенням загальної сумарної площі поперечного перерізу кожного наступного покоління бронхів і, відповідно, зі значним збільшенням загального опору дрібних бронхів і бронхіол.

Наступні покоління дихальних шляхів (з 17-го по 23-тє), включаючи респіраторні бронхіоли, альвеолярні ходи, альвеолярні мішечки та альвеоли, належать до зони газообміну (дифузії), в якій відбувається дифузія газів через альвеолярно-капілярну мембрану. У зоні дифузії «макроскопічні» денні | сині гази як під час дихальних рухів, так і під час кашлю повністю відсутні (В. Ю. Шанін). Газообмін тут здійснюється лише завдяки молекулярному процесу дифузії кисню та вуглекислого газу. При цьому швидкість молекулярного руху CO2 - із зони конвекції, через всю зону дифузії до альвеол і капілярів, а також CO2 - з альвеол до зони конвекції - визначається трьома основними факторами:

• градієнт парціального тиску газів на межі зон конвекції та дифузії;
• температура навколишнього середовища;
• коефіцієнт дифузії для заданого газу.

Важливо зазначити, що рівень легеневої вентиляції та МОД майже не впливають на процес переміщення молекул CO2 та O2 безпосередньо в зоні дифузії.

Відомо, що коефіцієнт дифузії вуглекислого газу приблизно в 20 разів вищий, ніж кисню. Це означає, що зона дифузії не створює великої перешкоди для вуглекислого газу, а його обмін майже повністю визначається станом конвекційної зони, тобто інтенсивністю дихальних рухів та значенням МОД. При загальному зменшенні вентиляції та хвилинного об'єму дихання "вимиває" вуглекислого газу з конвекційної зони припиняється, а його парціальний тиск зростає. В результаті градієнт тиску CO2 _на межі конвекційної та дифузійної зон зменшується, інтенсивність його дифузії з капілярного русла в альвеоли різко падає, розвивається гіперкапнія.

В інших клінічних ситуаціях (наприклад, при паренхіматозній дихальній недостатності), коли на певному етапі розвитку захворювання спостерігається виражена компенсаторна гіпервентиляція інтактних альвеол, швидкість «вимивання» вуглекислого газу з конвекційної зони значно зростає, що призводить до збільшення градієнта тиску CO2 _на межі конвекційної та дифузійної зон та посиленого видалення вуглекислого газу з організму. В результаті розвивається гіпокапнія.

На відміну від вуглекислого газу, кисневий обмін у легенях та парціальний тиск вуглекислого газу в артеріальній крові (PaO2 ₎ залежать насамперед від функціонування зони дифузії, зокрема від коефіцієнта дифузії O2 _та стану капілярного кровотоку (перфузії), тоді як рівень вентиляції та стан зони конвекції впливають на ці показники лише незначною мірою. Тому при розвитку вентиляційної дихальної недостатності на тлі загального зниження хвилинного об'єму дихання спочатку виникає гіперкапнія і лише потім (зазвичай на пізніх стадіях розвитку дихальної недостатності) - гіпоксемія.

Таким чином, вентиляційна (гіперкапнічна) форма дихальної недостатності свідчить про збій роботи «дихального насоса». Вона може бути викликана такими причинами:

1. Порушення центральної регуляції дихання:
   • набряк головного мозку, що вражає його стовбурові відділи та область дихального центру;
   • інсульт;
   • черепно-мозкові травми;
   • нейроінфекція;
   • токсичний вплив на дихальний центр;
   • гіпоксія мозку, наприклад, при тяжкій серцевій недостатності;
   • передозування препаратів, що пригнічують дихальний центр (наркотичні анальгетики, седативні засоби, барбітурати тощо).
2. Пошкодження апарату, що забезпечує дихальні рухи грудної клітки, тобто порушення функціонування так званих «грудних міхів» (периферична нервова система, дихальні м’язи, грудна клітка):
   • деформації грудної клітки (кіфоз, сколіоз, кіфосколіоз тощо);
   • переломи ребер та хребта;
   • торакотомія;
   • порушення функції периферичних нервів (головним чином діафрагмального нерва – синдром Гійєна-Барре, поліомієліт тощо);
   • порушення нервово-м'язової передачі (міастенія);
   • втома або атрофія дихальних м’язів на тлі тривалого інтенсивного кашлю, обструкції дихальних шляхів, рестриктивних порушень дихання, тривалої штучної вентиляції легень тощо);
   • зниження ефективності діафрагми (наприклад, при її сплющенні).
3. Рестриктивні дихальні розлади, що супроводжуються зниженням м'язового об'єму:
   • виражений пневмоторакс;
   • масивний плевральний випіт;
   • інтерстиціальні захворювання легень;
   • тотальна та субтотальна пневмонія тощо.

Таким чином, більшість причин вентиляційної дихальної недостатності пов'язані з порушеннями позалегеневого дихального апарату та його регуляції (ЦНС, грудна клітка, дихальні м'язи). Серед «легеневих» механізмів вентиляційної дихальної недостатності основне значення мають рестриктивні дихальні недостатності, спричинені зниженням здатності легень, грудної клітки або плеври розправлятися під час вдиху. Рестриктивні недостатності розвиваються при багатьох гострих і хронічних захворюваннях дихальної системи. У зв'язку з цим у рамках вентиляційної дихальної недостатності виділяють особливий рестриктивний тип дихальної недостатності, найчастіше спричинений такими причинами:

• захворювання плеври, що обмежують екскурсію легені (ексудативний плеврит, гідроторакс, пневмоторакс, фіброторакс тощо);
• зменшення об'єму функціонуючої паренхіми легень (ателектаз, пневмонія, резекція легень тощо);
• запальна або гемодинамічно обумовлена інфільтрація легеневої тканини, що призводить до підвищення «жорсткості» легеневої паренхіми (пневмонія, інтерстиціальний або альвеолярний набряк легень при лівошлуночковій серцевій недостатності тощо);
• пневмосклероз різної етіології тощо.

Слід також враховувати, що гіперкапнія та вентиляційна дихальна недостатність можуть бути спричинені будь-якими патологічними процесами, що супроводжуються загальним зниженням альвеолярної вентиляції та хвилинного об'єму дихання. Така ситуація може виникнути, наприклад, при тяжкій обструкції дихальних шляхів (бронхіальна астма, хронічний обструктивний бронхіт, емфізема легень, дискінезія мембранозної частини трахеї тощо), при значному зменшенні об'єму функціонуючих альвеол (ателектаз, інтерстиціальні захворювання легень тощо) або при значній втомі та атрофії дихальних м'язів. Хоча в усіх цих випадках у розвитку дихальної недостатності беруть участь інші патофізіологічні механізми (порушення газодифузії, вентиляційно-перфузійних взаємозв'язків, капілярного кровотоку в легенях тощо). У цих випадках, як правило, йдеться про формування змішаної вентиляційної та паренхіматозної дихальної недостатності.

Слід також додати, що при гострій вентиляційній дихальній недостатності підвищення PaCO2 зазвичай супроводжується зниженням pH крові та розвитком респіраторного ацидозу, спричиненого зниженням співвідношення HCO3/H2CO3, яке, як відомо, визначає значення pH. При хронічній дихальній недостатності вентиляційного типу таке виражене зниження pH не відбувається через компенсаторне підвищення концентрації карбонатів у сироватці крові.

1. Вентиляційна (гіперкапнічна) дихальна недостатність характеризується:

1. загальна альвеолярна гіповентиляція та зменшення хвилинного об'єму дихання,
2. гіперкапнія,
3. гіпоксемія (на пізніх стадіях дихальної недостатності),
4. ознаки компенсованого або декомпенсованого респіраторного ацидозу.

2. Основні механізми розвитку вентиляційної (гіперкапнічної) форми дихальної недостатності:

1. порушення центральної регуляції дихання;
2. пошкодження апарату, що забезпечує дихальні рухи грудної клітки (периферичні нерви, дихальні м'язи, грудна стінка);
3. виражені рестриктивні розлади, що супроводжуються зниженням МОД.

Паренхіматозна дихальна недостатність

Паренхіматозна (гіпоксемічна) форма дихальної недостатності характеризується значним порушенням процесу оксигенації крові в легенях, що призводить до переважного зниження PaO2 в артеріальній крові – гіпоксемії.

Основні механізми розвитку гіпоксемії при паренхіматозній формі дихальної недостатності:

1. порушення вентиляційно-перфузійних співвідношень (//0) з формуванням право-лівого серцевого «шунтування» крові (альвеолярного шунта) або збільшенням альвеолярного мертвого простору;
2. зменшення загальної функціональної поверхні альвеолярно-капілярних мембран;
3. порушення газодифузії.

Порушення вентиляційно-перфузійних співвідношень

Виникнення гіпоксемічної дихальної недостатності при багатьох захворюваннях органів дихання найчастіше зумовлене порушенням вентиляційно-перфузійних співвідношень. У нормі вентиляційно-перфузійне співвідношення становить 0,8-1,0. Можливі два варіанти порушень цих співвідношень, кожен з яких може призвести до розвитку дихальної недостатності.

Локальна гіповентиляція альвеол. При цьому варіанті паренхіматозної дихальної недостатності гіпоксемія виникає, якщо достатньо інтенсивний кровотік продовжується через погано вентильовані або невентильовані альвеоли. Тут знижується коефіцієнт вентиляції-перфузії (V/Q <0,8), що призводить до скидання недостатньо оксигенованої в цих ділянках легені венозної крові в ліві камери серця та системний кровообіг (венозне шунтування). Це спричиняє зниження парціального тиску O2 _в артеріальній крові – гіпоксемію.

Якщо в такій ділянці зі збереженим кровотоком відсутня вентиляція, то співвідношення V/Q наближається до нуля. Саме в цих випадках формується альвеолярний шунт серця справа наліво, через який неоксигенована венозна кров «закидається» в ліві відділи серця та аорту, зменшуючи PaO2 _в артеріальній крові. Гіпоксемія розвивається за цим механізмом при обструктивних захворюваннях легень, пневмонії, набряку легень та інших захворюваннях, що супроводжуються нерівномірним (локальним) зниженням альвеолярної вентиляції та формуванням венозного шунтування крові. У цьому випадку, на відміну від вентиляційної дихальної недостатності, загальний хвилинний об'єм вентиляції тривалий час не зменшується, і навіть спостерігається тенденція до гіпервептиляції легень.

Слід підкреслити, що на ранніх стадіях паренхіматозної дихальної недостатності гіперкапнія не розвивається, оскільки виражена гіпервентиляція інтактних альвеол, що супроводжується інтенсивним виведенням CO2 _з організму, повністю компенсує локальні порушення CO2-обміну _. Більше того, при вираженій гіпервентиляції інтактних альвеол виникає гіпокапнія, яка сама по собі посилює дихальні розлади.

Це пов'язано, перш за все, з тим, що гіпокапнія знижує адаптацію організму до гіпоксії. Як відомо, зниження PaCO2 у крові зміщує криву дисоціації гемоглобіну ліворуч, що збільшує спорідненість гемоглобіну до кисню та зменшує вивільнення O2 _у периферичних тканинах. Таким чином, гіпокапнія, що виникає на початкових стадіях паренхіматозної дихальної недостатності, додатково посилює кисневе голодування периферичних органів і тканин.

Крім того, зниження PaCO2 _{зменшує} аферентні імпульси від рецепторів каротидного синуса та довгастого мозку та знижує активність дихального центру.

Зрештою, гіпокапнія змінює співвідношення бікарбонату та вуглекислого газу в крові, що призводить до збільшення HCO3/H2CO3 та pH і розвитку респіраторного алкалозу (при якому відбувається спазм кровоносних судин і погіршується кровопостачання життєво важливих органів).

Слід додати, що на пізніх стадіях розвитку паренхіматозної дихальної недостатності порушується не тільки оксигенація крові, але й вентиляція легень (наприклад, через втому дихальних м'язів або підвищену ригідність легень через запальний набряк), виникає гіперкапнія, що відображає формування змішаної форми дихальної недостатності, що поєднує ознаки паренхіматозної та вентиляційної дихальної недостатності.

Найчастіше паренхіматозна дихальна недостатність та критичне зниження вентиляційно-перфузійного співвідношення розвиваються при захворюваннях легень, що супроводжуються локальною (нерівномірною) гіповентиляцією альвеол. Таких захворювань багато:

• хронічні обструктивні захворювання легень (хронічний обструктивний бронхіт, бронхіоліт, бронхіальна астма, муковісцидоз тощо);
• центральний рак легень;
• пневмонія;
• туберкульоз легень тощо.

При всіх перерахованих вище захворюваннях спостерігається, в різному ступені, обструкція дихальних шляхів, спричинена нерівномірною запальною інфільтрацією та вираженим набряком слизової оболонки бронхів (бронхіт, бронхіоліт), збільшення кількості в'язкого секрету (мокротиння) в бронхах (бронхіт, бронхіоліт, бронхоектазія, пневмонія тощо), спазм гладкої мускулатури дрібних бронхів (бронхіальна астма), раннє експіраторне закриття (колапс) дрібних бронхів (найбільш виражене у пацієнтів з емфіземою легень), деформація та здавлення бронхів пухлиною, стороннім тілом тощо. Тому доцільно виділити особливий - обструктивний - тип дихальної недостатності, спричинений порушенням проходження повітря через великі та/або дрібні дихальні шляхи, який у більшості випадків розглядається в рамках паренхіматозної дихальної недостатності. Водночас, при тяжкій обструкції дихальних шляхів, у ряді випадків значно знижуються легенева вентиляція та ШВЛ, і розвивається вентиляційна (точніше, змішана) дихальна недостатність.

Збільшення альвеолярного мертвого простору. Інший варіант зміни вентиляційно-перфузійних співвідношень пов'язаний з локальним порушенням легеневого кровотоку, наприклад, при тромбозі або емболії гілок легеневої артерії. У цьому випадку, незважаючи на збереження нормальної вентиляції альвеол, перфузія обмеженої ділянки легеневої тканини різко знижується (V/Q > 1,0) або взагалі відсутня. Виникає ефект раптового збільшення функціонального мертвого простору, і якщо його об'єм достатньо великий, розвивається гіпоксемія. У цьому випадку відбувається компенсаторне підвищення концентрації CO2 у повітрі, що видихається з нормально перфузованих альвеол, що зазвичай повністю нівелює порушення обміну вуглекислого газу в неперфузованих альвеолах. Іншими словами, цей варіант паренхіматозної дихальної недостатності також не супроводжується підвищенням парціального тиску CO2 _в артеріальній крові.

Паренхіматозна дихальна недостатність за механізмом збільшення альвеолярного мертвого простору та значень V/Q найчастіше розвивається при таких захворюваннях:

1. Тромбоемболія гілок легеневої артерії.
2. Синдром респіраторного дистрессу у дорослих.

Зменшення функціональної поверхні альвеолярно-капілярної мембрани

При емфіземі легень, інтерстиціальному фіброзі легень, компресійному ателектазі та інших захворюваннях оксигенація крові може знижуватися через зменшення загальної функціонуючої поверхні альвеолярно-капілярної мембрани. У цих випадках, як і при інших варіантах паренхіматозної дихальної недостатності, зміни газового складу крові проявляються насамперед артеріальною гіпоксемією. На пізніх стадіях захворювання, наприклад, при втомі та атрофії дихальних м'язів, може розвинутися гіперкапнія.

Порушення газодифузії

Коефіцієнт дифузії кисню відносно низький, його дифузія порушується при багатьох захворюваннях легень, що супроводжуються запальним або гемодинамічним набряком інтерстиціальної тканини та збільшенням відстані між внутрішньою поверхнею альвеол і капіляром (пневмонія, інтерстиціальні захворювання легень, пневмосклероз, гемодинамічний набряк легень при лівошлуночковій серцевій недостатності тощо). У більшості випадків порушення оксигенації крові в легенях викликане іншими патофізіологічними механізмами дихальної недостатності (наприклад, зниженням вентиляційно-перфузійних співвідношень), а зниження швидкості дифузії O2 _лише посилює її.

Оскільки швидкість дифузії CO2 у 20 разів _вища, ніж O2 _, перенесення вуглекислого газу через альвеолярно-капілярну мембрану може бути порушене лише за її значного потовщення або за наявності широкого пошкодження легеневої тканини. Тому в більшості випадків порушення дифузійної здатності легень лише посилює гіпоксемію.

• Паренхіматозна (гіпоксемічна) дихальна недостатність у більшості випадків характеризується:
  • нерівномірна локальна альвеолярна гіповентиляція без зниження загальної частоти механічного об'єму,
  • тяжка гіпоксемія,
  • на початковій стадії розвитку дихальної недостатності – гіпервентиляція інтактних альвеол, що супроводжується гіпокапнією та респіраторним алкалозом,
  • на пізніших стадіях розвитку дихальної недостатності – приєднання порушень вентиляції, що супроводжуються гіперкапнією та респіраторним або метаболічним ацидозом (стадія змішаної дихальної недостатності).
• Основні механізми розвитку паренхіматозної (гіпоксемічної) форми дихальної недостатності:
  • порушення вентиляційно-перфузійних співвідношень при обструктивному типі дихальної недостатності або пошкодженні капілярного русла легень,
  • зменшення загальної функціональної поверхні альвеолярно-капілярної мембрани,
  • порушення газодифузії.

Розрізнення двох форм дихальної недостатності (вентиляційної та паренхіматозної) має велике практичне значення. При лікуванні вентиляційної форми дихальної недостатності найбільш ефективною є респіраторна підтримка, що дозволяє відновити знижений хвилинний об'єм дихання. Навпаки, при паренхіматозній формі дихальної недостатності гіпоксемія викликана порушенням вентиляційно-перфузійного співвідношення (наприклад, формуванням венозного «шунтування» крові), тому інгаляційна киснева терапія, навіть у високих концентраціях (високий FiO2), неефективна. Штучне підвищення МО (наприклад, за допомогою штучної вентиляції легень) також мало допомагає. Стабільного покращення стану при паренхіматозній дихальній недостатності можна досягти лише шляхом адекватної корекції вентиляційно-перфузійного співвідношення та усунення деяких інших механізмів розвитку цієї форми дихальної недостатності.

Клініко-інструментальна верифікація обструктивного та рестриктивного типів дихальної недостатності також має практичне значення, оскільки дозволяє обрати оптимальну тактику ведення пацієнтів з дихальною недостатністю.

У клінічній практиці часто зустрічається змішаний варіант дихальної недостатності, що супроводжується як порушенням оксигенації крові (гіпоксемія), так і загальною альвеолярною гіповентиляцією (гіперкапнія та гіпоксемія). Наприклад, при тяжкій пневмонії порушуються вентиляційно-перфузійні взаємозв'язки та формується альвеолярний шунт, тому знижується PaO2 та розвивається гіпоксемія. Масивна запальна інфільтрація легеневої тканини часто супроводжується значним підвищенням ригідності легень, внаслідок чого знижується альвеолярна вентиляція та швидкість «вимивання» вуглекислого газу, розвивається гіперкапнія.

Прогресуючому порушенню вентиляції та розвитку гіперкапнії також сприяє сильна втома дихальних м'язів та обмеження обсягу дихальних рухів при появі плеврального болю.

З іншого боку, при деяких рестриктивних захворюваннях, що супроводжуються вентиляційною дихальною недостатністю та гіперкапнією, рано чи пізно розвиваються порушення бронхіальної прохідності, знижуються вентиляційно-перфузійні співвідношення та приєднується паренхіматозний компонент дихальної недостатності, що супроводжується гіпоксемією. Тим не менш, у будь-якому випадку важливо оцінити переважні механізми дихальної недостатності.

Кислотно-лужний дисбаланс

Різні форми дихальної недостатності можуть супроводжуватися порушенням кислотно-лужного балансу, що більш характерно для пацієнтів з гострою дихальною недостатністю, в тому числі розвиненою на тлі хронічної дихальної недостатності, що триває тривалий час. Саме в цих випадках найчастіше розвивається декомпенсований респіраторний або метаболічний ацидоз або респіраторний алкалоз, що значно погіршують дихальну недостатність та сприяють розвитку тяжких ускладнень.

Механізми підтримки кислотно-лужного балансу

Кислотно-лужний баланс – це співвідношення концентрацій іонів водню (H ⁺ ) та гідроксилу (OH- ⁾ у внутрішньому середовищі організму. Кисла чи лужна реакція розчину залежить від вмісту в ньому іонів водню, показником цього вмісту є значення pH, яке є від’ємним десятковим логарифмом молярної концентрації іонів H ⁺:

PH = - [H ⁺ ].

Це означає, наприклад, що при pH = 7,4 (нейтральна реакція середовища) концентрація іонів H ⁺, тобто [H ⁺ ], дорівнює 10-7,4 ^ммоль /л. Зі збільшенням кислотності біологічного середовища його pH знижується, а зі зменшенням кислотності — збільшується.

Значення pH є одним з найбільш «жорстких» параметрів крові. Його коливання в нормі вкрай незначні: від 7,35 до 7,45. Навіть невеликі відхилення pH від нормального рівня в бік зниження (ацидоз) або підвищення (алкалоз) призводять до значної зміни окисно-відновних процесів, активності ферментів, проникності клітинних мембран та інших порушень, що чреваті небезпечними наслідками для життєдіяльності організму.

Концентрація іонів водню майже повністю визначається співвідношенням бікарбонату до вуглекислого газу:

HCO3 ^- / _H2CO3

Вміст цих речовин у крові тісно пов'язаний з процесом перенесення вуглекислого газу (CO2 ₎ з тканин до легень. Фізично розчинений CO2 _{дифундує з тканин в еритроцит, де під впливом ферменту карбоангідрази молекула (CO2)} гідратується з утворенням вугільної кислоти H2CO3 _, яка негайно дисоціює з утворенням іонів бікарбонату водню (HCO3-) ⁽ H ⁺ ):

CO ₂ + H ₂ O ↔ H ₂ CO ₃ ↔ NCO ^3- + H ⁺

^{Частина іонів HCO3-,} що накопичуються в еритроцитах, згідно з градієнтом концентрації, переходить у плазму. При цьому в обмін на ^{іон HCO3- в еритроцит потрапляє хлор (Cl-)}, через що порушується рівноважний розподіл електричних зарядів.

Іони H ^+, що утворюються внаслідок дисоціації вуглекислого газу, приєднуються до молекули міоглобіну. Зрештою, частина CO2 _може зв'язуватися шляхом безпосереднього приєднання до аміногруп білкового компонента гемоглобіну, утворюючи залишок карбамінової кислоти (NHCOOH). Таким чином, у крові, що відтікає від тканин, 27% CO2 переноситься у вигляді бікарбонату (HCO3- ⁾ в еритроцитах, 11% CO2 _{утворює} карбамінову сполуку з гемоглобіном (карбогемоглобін), близько 12% CO2 _{залишається} в розчиненій формі або у вигляді недисоційованої вугільної кислоти (H2CO3), а решта CO2 ₍ близько 50%) розчиняється у вигляді HCO3- ^у плазмі.

У нормі концентрація бікарбонату (HCO3- ⁾ у плазмі крові у 20 разів вища, ніж вуглекислого газу (H2CO3). Саме при такому співвідношенні HCO3- ^та H2CO3 підтримується нормальний pH 7,4. Якщо концентрація бікарбонату або вуглекислого газу змінюється, змінюється їх співвідношення, і pH зміщується в кислу (ацидоз) або лужну (алкалоз) сторону. За цих умов нормалізація pH вимагає активації низки компенсаторних регуляторних механізмів, які відновлюють попереднє співвідношення кислот і основ у плазмі крові, а також у різних органах і тканинах. Найважливішими з цих регуляторних механізмів є:

1. Буферні системи крові та тканин.
2. Зміни вентиляції легень.
3. Механізми ниркової регуляції кислотно-лужного балансу.

Буферні системи крові та тканин складаються з кислоти та кон'югованої основи.

При взаємодії з кислотами останні нейтралізуються лужним компонентом буфера; при контакті з основами їх надлишок зв'язується з кислотним компонентом.

Бікарбонатний буфер має лужну реакцію та складається зі слабкої вугільної кислоти (H2CO3) та її натрієвої солі - бікарбонату натрію (NaHCO3) як кон'югованої основи. При взаємодії з кислотою лужний компонент бікарбонатного буфера (TaHCO3) нейтралізує її з утворенням H2CO3, яка дисоціює на CO2 _та H2O _. Надлишок виводиться з видихуваним повітрям. При взаємодії з основами кислотний компонент буфера (H2CO3) зв'язується з надлишком основ, утворюючи бікарбонат (HCO3- ⁾, який потім виводиться нирками.

Фосфатний буфер складається з одноосновного фосфату натрію (NaH2PO4), який діє як кислота, та двоосновного фосфіту натрію (NaH2PO4), який діє як кон'югована основа. Принцип дії цього буфера такий самий, як і у бікарбонатного буфера, але його буферна ємність невелика, оскільки вміст фосфату в крові низький.

Білковий буфер. Буферні властивості білків плазми (альбуміну тощо) та еритроцитарного гемоглобіну пов'язані з тим, що амінокислоти, що вони містять, містять як кислотні (COOH), так і основні (NH2 ₎ групи та можуть дисоціювати з утворенням як водневих, так і гідроксильних іонів залежно від реакції середовища. Гемоглобін становить більшу частину буферної ємності білкової системи. У фізіологічному діапазоні pH оксигемоглобін є сильнішою кислотою, ніж дезоксигемоглобін (відновлений гемоглобін). Тому, вивільняючи кисень у тканинах, відновлений гемоглобін набуває вищої здатності зв'язувати іони H ⁺. При поглинанні кисню в легенях гемоглобін набуває кислотних властивостей.

Буферні властивості крові по суті визначаються сукупним впливом усіх аніонних груп слабких кислот, найважливішими з яких є бікарбонати та аніонні групи білків («протеїнати»). Ці аніони, що мають буферну дію, називаються буферними основами (БО).

Загальна концентрація буферних основ у крові становить приблизно <18 ммоль/л і не залежить від змін тиску CO2 _у крові. Дійсно, зі збільшенням тиску CO2 _у крові утворюється рівна кількість H ⁺ та HCO3- ^{. Білки зв'язують іони H+}, що призводить до зменшення концентрації «вільних» білків з буферними властивостями. При цьому вміст бікарбонату збільшується на таку ж величину, а загальна концентрація буферних основ залишається незмінною. І навпаки, зі зменшенням тиску CO2 у крові вміст протеїнату збільшується, а концентрація бікарбонату зменшується.

Якщо змінюється вміст нелетких кислот у крові (молочна кислота при гіпоксії, ацетооцтова та бета-гідроксимасляна кислоти при цукровому діабеті тощо), загальна концентрація буферних основ відрізнятиметься від норми.

Відхилення вмісту буферних основ від нормального рівня (48 ммоль/л) називається надлишком основ (НО); у нормі він дорівнює нулю. При патологічному збільшенні кількості буферних основ НО стає позитивним, а при зменшенні — негативним. В останньому випадку правильніше використовувати термін «дефіцит основ».

Таким чином, показник BE дозволяє судити про зрушення «резервів» буферних основ при зміні вмісту нелетких кислот у крові та діагностувати навіть приховані (компенсовані) зрушення кислотно-лужного балансу.

Зміни легеневої вентиляції є другим регуляторним механізмом, що забезпечує сталість pH плазми крові. Коли кров проходить через легені, в еритроцитах і плазмі крові відбуваються реакції, протилежні описаним вище:

H ⁺ + HCO3 ^- H2CO3 ↔ CO2 + H2O.

Це означає, що при видаленні CO2 з крові зникає _{приблизно} еквівалентна кількість іонів H ⁺. Отже, дихання відіграє надзвичайно важливу роль у підтримці кислотно-лужного балансу. Так, якщо внаслідок порушення обміну речовин у тканинах підвищується кислотність крові та розвивається стан помірного метаболічного (недихального) ацидозу, рефлекторно (дихальний центр) збільшується інтенсивність легеневої вентиляції (гіпервентиляція). В результаті видаляється велика кількість CO2 і, відповідно, іонів водню (H ⁺ ), завдяки чому pH повертається до початкового рівня. І навпаки, збільшення вмісту основ (метаболічний недихальний алкалоз) супроводжується зниженням інтенсивності вентиляції (гіповентиляція), тиск CO2 _та концентрація іонів H ⁺ збільшуються, а зсув pH у лужний бік компенсується.

Роль нирок. Третім регулятором кислотно-лужного балансу є нирки, які виводять іони H ⁺ з організму та реабсорбують бікарбонат натрію (NaHCO3). Ці важливі процеси здійснюються переважно в ниркових канальцях. Використовуються три основні механізми:

Обмін іонів водню на іони натрію. Цей процес базується на реакції, активованій карбоангідразою: CO2 ₊ H2O ₌ H2CO3 _; утворений вуглекислий газ (H2CO3) дисоціює на іони H ₊^та HCO3- ^{. Іони вивільняються в просвіт канальців, а на їхнє місце з канальцевої рідини надходить еквівалентна кількість іонів натрію (Na+} ). В результаті організм звільняється від іонів водню та одночасно поповнює свої запаси бікарбонату натрію (NaHCO3), який реабсорбується в інтерстиціальну тканину нирки та потрапляє в кров.

^{Ацидогенез. Обмін} іонів H+ на іони Na ⁺ відбувається подібним чином за участю двоосновного фосфату. Іони водню, що вивільняються в просвіт канальця, зв'язуються аніоном HPO4 ^2-, утворюючи одноосновний натрійфосфат (NaH2PO4). Одночасно еквівалентна кількість іонів Na ⁺ потрапляє в епітеліальну клітину канальця та зв'язується з іоном HCO3-, ^{утворюючи} бікарбонат Na ⁺ (NaHCO3). Останній реабсорбується та потрапляє в загальний кровотік.

Амоніагенез відбувається в дистальних ниркових канальцях, де аміак утворюється з глутаміну та інших амінокислот. Остання нейтралізує HCl сечі та зв'язує іони водню, утворюючи Na ⁺ та Cl- ^. Реабсорбований натрій у поєднанні з іоном HCO3- ^також утворює бікарбонат натрію (NaHCO3).

Таким чином, у канальцевій рідині більшість іонів H ⁺, що надходять з канальцевого епітелію, зв'язуються з іонами HCO3- ^, HPO42- ^та виводяться з сечею. Одночасно еквівалентна кількість іонів натрію потрапляє в канальцеві клітини з утворенням бікарбонату натрію (NaHCO3), який реабсорбується в канальцях та поповнює лужний компонент бікарбонатного буфера.

Основні показники кислотно-лужного балансу

У клінічній практиці для оцінки кислотно-лужного балансу використовуються такі показники артеріальної крові:

1. pH крові – це негативний десятковий логарифм молярної концентрації іонів H ⁺. pH артеріальної крові (плазми) при 37°C коливається у вузьких межах (7,35-7,45). Нормальні значення pH ще не означають відсутності кислотно-лужного балансу та можуть зустрічатися при так званих компенсованих варіантах ацидозу та алкалозу.
2. PaCO2 – це парціальний тиск CO2 _в артеріальній крові. Нормальні значення PaCO2 _{становлять35-45} мм рт. ст. у чоловіків і 32-43 мм рт. ст. у жінок.
3. Буферні основи (БО) – це сума всіх аніонів крові з буферними властивостями (головним чином бікарбонатів та білкових іонів). Нормальне значення БО в середньому становить 48,6 моль/л (від 43,7 до 53,5 ммоль/л).
4. Стандартний бікарбонат (СБ) – це вміст бікарбонат-іона в плазмі. Нормальні значення для чоловіків становлять 22,5-26,9 ммоль/л, для жінок – 21,8-26,2 ммоль/л. Цей показник не відображає буферного ефекту білків.
5. Надлишок основ (НО) – це різниця між фактичним значенням вмісту буферних основ та їх нормальним значенням (нормальне значення становить від -2,5 до +2,5 ммоль/л). У капілярній крові значення цього показника становлять від -2,7 до +2,5 у чоловіків та від -3,4 до +1,4 у жінок.

У клінічній практиці зазвичай використовуються 3 показники кислотно-лужного балансу: pH, PaCO2 _та BE.

Зміни кислотно-лужного балансу при дихальній недостатності

За багатьох патологічних станів, зокрема при дихальній недостатності, у крові може накопичуватися така велика кількість кислот або основ, що описані вище регуляторні механізми (буферні системи крові, дихальна та видільна системи) більше не можуть підтримувати pH на постійному рівні, і розвивається ацидоз або алкалоз.

1. Ацидоз – це порушення кислотно-лужного балансу, при якому в крові з’являється абсолютний або відносний надлишок кислот і підвищується концентрація іонів водню (pH < 7,35).
2. Алкалоз характеризується абсолютним або відносним збільшенням кількості основ та зменшенням концентрації іонів водню (pH > 7,45).

За механізмами виникнення розрізняють 4 типи порушень кислотно-лужного балансу, кожен з яких може бути компенсованим і декомпенсованим:

1. респіраторний ацидоз;
2. респіраторний алкалоз;
3. нереспіраторний (метаболічний) ацидоз;
4. нереспіраторний (метаболічний) алкалоз.

Аспіраційний ацидоз

Респіраторний ацидоз розвивається при тяжких загальних порушеннях легеневої вентиляції (альвеолярна гіповентиляція). Основою цих змін кислотно-лужного балансу є підвищення парціального тиску CO2 _в артеріальній крові (PaCO2 ₎.

При компенсованому респіраторному ацидозі pH крові не змінюється завдяки дії компенсаторних механізмів, описаних вище. Найважливішими з них є 6-карбонатний та білковий (гемоглобіновий) буфер, а також нирковий механізм вивільнення іонів H ⁺ та затримки бікарбонату натрію (NaHCO3).

У разі гіперкапнічної (вентиляційної) дихальної недостатності механізм посилення легеневої вентиляції (гіпервентиляції) та виведення іонів H ⁺ та CO2 при респіраторному ацидозі не має практичного значення, оскільки у таких пацієнтів за визначенням спостерігається первинна легенева гіповентиляція, спричинена тяжкою легеневою або позалегеневою патологією. Вона супроводжується значним підвищенням парціального тиску CO2 у крові – гіперкапією. Завдяки ефективній дії буферних систем і, особливо, в результаті включення ниркового компенсаторного механізму затримки бікарбонату натрію, у пацієнтів спостерігається підвищений вміст стандартного бікарбонату (СБ) та надлишку основ (НО).

Таким чином, компенсований респіраторний ацидоз характеризується:

1. Нормальні значення pH крові.
2. Збільшення парціального тиску CO2 _у крові (PaCO2 ₎.
3. Збільшення стандартного бікарбонату (SB).
4. Збільшення надлишку основи (BE).

Виснаження та недостатність компенсаційних механізмів призводить до розвитку декомпенсованого респіраторного ацидозу, при якому pH плазми знижується нижче 7,35. У деяких випадках рівні стандартного бікарбонату (SB) та надлишку основ (BE) також знижуються до нормальних значень, що свідчить про виснаження резерву основ.

Респіраторний алкалоз

Вище було показано, що паренхіматозна дихальна недостатність у деяких випадках супроводжується гіпокапнією, спричиненою вираженою компенсаторною гіпервентиляцією інтактних альвеол. У цих випадках респіраторний алкалоз розвивається внаслідок посиленого видалення вуглекислого газу внаслідок порушення зовнішнього дихання за типом гіпервентиляції. В результаті збільшується співвідношення HCO3 ^- / H2CO3 і, відповідно, підвищується pH крові.

Компенсація респіраторного алкалозу можлива лише на тлі хронічної дихальної недостатності. Її основним механізмом є зниження секреції іонів водню та пригнічення реабсорбції бікарбонату в ниркових канальцях. Це призводить до компенсаторного зниження стандартного бікарбонату (СБ) та до дефіциту основ (негативне значення BE).

Таким чином, компенсований респіраторний алкалоз характеризується:

1. Нормальне значення pH крові.
2. Значне зниження pCO2 у крові.
3. Компенсаторне зниження стандартного бікарбонату (СБ).
4. Дефіцит компенсаторної бази (від'ємне значення BE).

При декомпенсації респіраторного алкалозу pH крові підвищується, і раніше знижені значення SB та BE можуть досягати нормальних значень.

Нереспіраторний (метаболічний) ацидоз

Нереспіраторний (метаболічний) ацидоз – найважча форма порушення кислотно-лужного балансу, яка може розвинутися у пацієнтів з дуже тяжкою дихальною недостатністю, тяжкою гіпоксемією крові та гіпоксією органів і тканин. Механізм розвитку нереспіраторного (метаболічного) ацидозу в цьому випадку пов'язаний з накопиченням у крові так званих нелетких кислот (молочної, бета-гідроксимасляної, ацетооцтової тощо). Нагадаємо, що крім тяжкої дихальної недостатності, нереспіраторний (метаболічний) ацидоз може бути спричинений:

1. Тяжкі порушення тканинного метаболізму при декомпенсованому цукровому діабеті, тривалому голодуванні, тиреотоксикозі, лихоманці, гіпоксії органів на тлі тяжкої серцевої недостатності тощо.
2. Захворювання нирок, що супроводжуються переважним ураженням ниркових канальців, що призводить до порушення виведення іонів водню та реабсорбції бікарбонату натрію (нирковий канальцевий ацидоз, ниркова недостатність тощо)
3. Втрата великої кількості основ у вигляді бікарбонатів з травними соками (діарея, блювання, стеноз пілора, хірургічні втручання). Прийом деяких ліків (хлорид амонію, хлорид кальцію, саліцилати, інгібітори карбоангідрази тощо).

При компенсованому нереспіраторному (метаболічному) ацидозі в процес компенсації включається бікарбонатний буфер крові, який зв'язує кислоти, що накопичуються в організмі. Зниження вмісту бікарбонату натрію призводить до відносного збільшення концентрації вугільної кислоти (H2CO3), яка дисоціює на H2O та CO2. ^{Іони H+ зв'язуються з білками, насамперед з гемоглобіном, завдяки чому Na+}, Ca2 ⁺ та K ⁺ залишають еритроцити в обмін на катіони водню, що надходять до них.

Таким чином, компенсований метаболічний ацидоз характеризується:

1. Нормальний рівень pH крові.
2. Знижений рівень стандартних бікарбонатів (SB).
3. Дефіцит буферних основ (від'ємне значення BE).

Виснаження та недостатність описаних компенсаторних механізмів призводять до розвитку декомпенсованого нереспіраторного (метаболічного) ацидозу, при якому pH крові знижується до рівня менше 7,35.

Нереспіраторний (метаболічний) алкалоз

Нереспіраторний (метаболічний) алкалоз нетиповий для дихальної недостатності.

Інші ускладнення дихальної недостатності

Зміни газового складу крові, кислотно-лужного балансу, а також порушення легеневої гемодинаміки у важких випадках дихальної недостатності призводять до тяжких ускладнень з боку інших органів і систем, включаючи мозок, серце, нирки, шлунково-кишковий тракт, судинну систему тощо.

Гостра дихальна недостатність більше характеризується відносно швидко розвиваються важкими системними ускладненнями, переважно спричиненими тяжкою гіпоксією органів і тканин, що призводить до порушень їх метаболічних процесів і функцій. Виникнення поліорганної недостатності на тлі гострої дихальної недостатності значно підвищує ризик несприятливого результату захворювання. Нижче наведено далеко не повний перелік системних ускладнень дихальної недостатності:

1. Серцево-судинні ускладнення:
   • ішемія міокарда;
   • серцева аритмія;
   • зниження ударного об'єму та серцевого викиду;
   • артеріальна гіпотензія;
   • тромбоз глибоких вен;
   • ТЕЛА.
2. Нейром'язові ускладнення:
   • ступор, сопор, кома;
   • психоз;
   • марення;
   • полінейропатія критичного стану;
   • контрактури;
   • м'язова слабкість.
3. Інфекційні ускладнення:
   • сепсис;
   • абсцес;
   • нозокоміальна пневмонія;
   • пролежні;
   • інші інфекції.
4. Шлунково-кишкові ускладнення:
   • гостра виразка шлунка;
   • шлунково-кишкова кровотеча;
   • пошкодження печінки;
   • недоїдання;
   • ускладнення ентерального та парентерального харчування;
   • безкам'яний холецистит.
5. Ускладнення з боку нирок:
   • гостра ниркова недостатність;
   • електролітні порушення тощо.

Також необхідно враховувати можливість розвитку ускладнень, пов'язаних з наявністю інтубаційної трубки в просвіті трахеї, а також із здійсненням штучної вентиляції легень.

При хронічній дихальній недостатності тяжкість системних ускладнень значно менша, ніж при гострій недостатності, а на перший план виходить розвиток 1) легеневої артеріальної гіпертензії та 2) хронічного легеневого серця.

Легенева артеріальна гіпертензія у пацієнтів із хронічною дихальною недостатністю формується під дією кількох патогенетичних механізмів, основним з яких є хронічна альвеолярна гіпоксія, що призводить до розвитку гіпоксичної легеневої вазоконстрикції. Цей механізм відомий як рефлекс Ейлера-Лільєстрейда. В результаті цього рефлексу локальний легеневий кровотік адаптується до рівня інтенсивності легеневої вентиляції, тому вентиляційно-перфузійний зв'язок не порушується або стає менш вираженим. Однак, якщо альвеолярна гіповентиляція виражена у значній мірі та поширюється на великі ділянки легеневої тканини, розвивається генералізоване підвищення тонусу легеневих артеріол, що призводить до збільшення загального опору легеневих судин та розвитку легеневої артеріальної гіпертензії.

Формуванню гіпоксичної легеневої вазоконстрикції також сприяють гіперкапнія, порушення бронхіальної прохідності та ендотеліальна дисфункція. Особливу роль у розвитку легеневої артеріальної гіпертензії відіграють анатомічні зміни в легеневому судинному руслі: стиснення та запустіння артеріол і капілярів внаслідок поступово прогресуючого фіброзу легеневої тканини та емфіземи легень, потовщення судинної стінки внаслідок гіпертрофії м'язових клітин медії, розвиток мікротромбозу в умовах хронічних порушень кровотоку та підвищеної агрегації тромбоцитів, рецидивна тромбоемболія дрібних гілок легеневої артерії тощо.

Хронічна легенева хвороба серця розвивається природним чином у всіх випадках тривалих захворювань легень, хронічної дихальної недостатності та прогресуючої легеневої артеріальної гіпертензії. Однак, згідно з сучасними уявленнями, тривалий процес формування хронічної легеневої хвороби серця включає виникнення низки структурних та функціональних змін у правих камерах серця, найбільш значними з яких є гіпертрофія міокарда правого шлуночка та передсердя, розширення їх порожнин, кардіальний фіброз, діастолічна та систолічна дисфункція правого шлуночка, формування відносної недостатності тристулкового клапана, підвищення центрального венозного тиску та застій у венозному руслі великого кровообігу. Ці зміни зумовлені формуванням легеневої гіпертензії при хронічній дихальній недостатності, стійким або тимчасовим збільшенням постнавантаження на правий шлуночок, підвищенням внутрішньоміокардіального тиску, а також активацією тканинних нейрогормональних систем, вивільненням цитокінів та розвитком ендотеліальної дисфункції.

Залежно від відсутності або наявності ознак правошлуночкової серцевої недостатності розрізняють компенсовану та декомпенсовану хронічну легеневу хворобу серця.

Гостра дихальна недостатність найбільше характеризується виникненням системних ускладнень (серцевих, судинних, ниркових, неврологічних, шлунково-кишкових тощо), які значно підвищують ризик несприятливого результату захворювання. Хронічна дихальна недостатність більше характеризується поступовим розвитком легеневої гіпертензії та хронічного легеневого серця.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ]