THE COMPENSATORY ROLE OF CARDIOVASCULAR SYSTEM UNDER ACUTE HYPOXIC HYPOXIA IN HUMAN

Full Text

Гипоксия является одним из основных биологически значимых факторов, с которыми человек встречается на протяжении всей своей жизни. В одних случаях интенсивность гипоксического воздействия относительно невелика (в условиях внутриутробного развития, при физических нагрузках, первичное и вторичное диспноэ различной степени и т. д.). В других - довольно выраженная (нахождение в условиях высокогорья, выполнение водолазных и кессонных работ, высотные полеты и т. д.). В организме существуют как врожденные, так и приобретенные в течение жизни специфические и неспецифические механизмы, позволяющие осуществить срочные компенсаторные перестройки, направленные на восполнение дефицита кислорода. Важное место в этих механизмах принадлежит кислородтранспортной системе организма. Компенсаторная роль системы кровообращения при гипоксической гипоксии представляется очевидной - увеличение скорости кровотока в пределах органа или всего организма приводит и к увеличению доставки кислорода к тканям [2, 6, 16, 17]. Исходя из формулы доставки кислорода тканям [10], можно понять, что это увеличение работы кровообращения направлено на возмещение (компенсацию) снижения скорости транспорта кислорода к тканям, вызванного гипоксемией. Действительно, доставка кислорода (DO2) равна произведению содержания кислорода в артериальной крови (СаО2) на сердечный выброс (СО). Поэтому, согласно формуле, при любом снижении СаО2 произведение DO2 может оставаться неизменным за счет увеличения второго множителя СО. Однако означает ли восстановление нарушенной скорости доставки кислорода к тканям за счет увеличения скорости циркуляции крови полную компенсацию гипоксии? Достаточно ли только сохранить на нормальном уровне скорость доставки кислорода к тканям, чтобы организм смог длительное время существовать при данном уровне гипоксической гипоксии? В ряде исследований показано, что тканевое напряжение кислорода последовательно снижается по мере возрастания силы гипоксического воздействия [13, 15, 18], несмотря на все возрастающую активность системных кислородтранспортных механизмов. Даже в головном мозге - в жизненно важном органе, в пользу которого при гипоксии происходит перераспределение кровотока в организме, по мере увеличения силы гипоксического воздействия происходит нарастание тканевой гипоксии [13, 15]. Косвенным доказательством нарастания гипоксии мозга по мере усиления гипоксического воздействия является и последовательное нарастание симптомов, свидетельствующих о нарушениях деятельности мозга [1]. Все это происходит на фоне такого увеличения скорости мозгового кровотока, которое формально, то есть исходя из формулы оценки DO2, сохраняет скорость доставки кислорода к тканям мозга неизменной [13]. 30 Экология человека 2014.07 Экологическая физиология Вопрос о взаимодействии механизмов компенсации гипоксии был подробно рассмотрен в работах А. З. Колчинской [5, 6]. Автор предположила, что до определенного уровня гипоксического воздействия системы внешнего дыхания и кровообращения еще могут обеспечить поступление «достаточного» количества кислорода к тканям и участия тканевых механизмов компенсации не требуется. При дальнейшем увеличении силы гипоксического воздействия скорость поступления кислорода к тканям становится недостаточной и для компенсации гипоксии требуется участие тканевых механизмов [6]. Это представление об обеспечении «достаточного» количества кислорода, поступающего к тканям, как одном из компенсаторных механизмов поддерживается и другими авторами [3, 8]. Возникает закономерный вопрос - какое количество кислорода, поступающего тканям, является достаточным для компенсации гипоксии? Правомерна ли двухэтапная схема [6] включения сначала кислородтранспортных, а затем тканевых механизмов компенсации дефицита кислорода? И наконец, можно ли считать скоростью доставки кислорода тканям произведение СаО2 х СО? Все это, на наш взгляд, вопросы, требующие критического осмысления. Методы В исследовании принимали участие 56 практически здоровых мужчин в возрасте от 20 до 40 лет, давших письменное согласие на участие в исследовании. На проведение исследования было получено разрешение институтской комиссии по биоэтике. Проведено три серии исследований с разным уровнем гипоксического воздействия. Во время исследования испытуемый находился в кресле в положении сидя. После фоновой записи в условиях нормоксии (15 мин) испытуемый переводился на дыхание гипоксической кислородно-азотной смесью (КАС) В первой серии (n = 14) содержание кислорода в газовой смеси составляло 14 % (КАС-14), во второй серии (n = 18) - 12 % (КАС-12), в третьей (n = 24) - 8 % (КАС-8). Длительность гипоксического воздействия во всех трех сериях составляла 25 мин. У каждого из испытуемых непрерывно регистрировали интегральную реограмму тела (ИРГТ) по М. И. Тищенко [11], сатурацию крови кислородом (SpO2), скорость потребления кислорода организмом (VO2). В фоне, на 5, 10 и 25-й минутах гипоксического воздействия из локтевой вены производился забор крови для оценки напряжения кислорода (PvO2) и содержания гемоглобина (Hb). (Забор венозной крови осуществлялся для оценки не только PvO2 и Hb, но и других биохимических показателей, не являющихся предметом рассмотрения данной статьи). Регистрация ИРГТ осуществлялась компьютерным реоанализатором-монитором фирмы «Диамант» (Россия), кислородная сатурация крови - пульсок-симетром «Nonin 8500» (США), оценка напряже ния кислорода в венозной крови - анализатором ABL-330 («Radiometer», Дания). Величина потребления кислорода регистрировалась непрерывно с помощью компьютерного анализатора КАД-БШ (разработка Э. А. Бурых и Ю. С. Шадрина, ИЭФБ РАН) с датчиком кислорода KE-25 (фирма “Figaro”, Япония) и датчиком объема воздушного потока PK 80150 серии AWM700 (фирма “HoneYwell”, США). Расчет величины сердечного выброса (CO - cardiac output) производили по показателям ИРГТ согласно формуле, предложенной М. И. Тищенко [11]. Расчет CaO2 осуществляли по формуле SpO2 χ Hb χ 1,34 [10]. Величину DO2 оценивали как произведение CO χ CaO2. Рассчитывали относительные величины показателей CO, CaO2 и DO2 на 5, 10 и 25-й минуте гипоксии в % по отношению к фону. Статистическую обработку данных проводили с помощью стандартного пакета программ STATISTICA (StatSoft, США) версии 7.0. Количественные данные представлены в виде средних показателей (M) и стандартной ошибки среднего (m) при нормальном распределении показателей. Результаты Известно, что при увеличении силы гипоксиче-ского воздействия происходит нарастание уровня гипоксемии [1]. Эта закономерность обнаружилась и в настоящем исследовании. По мере увеличения силы гипоксии от КАС-14 до КАС-8 отмечалось снижение кислородной сатурации крови, оцениваемой пульсоксиметрическим методом, SpO2 от 89-93 до 57-71 % (таблица). Содержание гемоглобина при гипоксии всех уровней от КАС-14 до КАС-8 по сравнению с фоном не изменялось, поэтому содержание кислорода в артериальной крови снижалось параллельно снижению насыщения гемоглобина кислородом - в серии КАС-14 - до 96,3-91,4 % от уровня фона, в серии КАС-12 - до 86,3-78,4 %, в серии КАС-8 - до 72,6-57,9 %. Таким образом, снижение содержания кислорода в артериальной крови по сравнению с фоном составило от 4-9 % в серии КАС-14 до 27-40 % в серии КАС-8. Можно предположить, что для восстановления нарушенной скорости доставки кислорода, обусловленной снижением содержания кислорода в артериальной крови, скорость кровообращения должна возрасти на сопоставимую величину. Однако сердечный выброс даже при самом выраженном гипоксическом воздействии возрастал только на 21 % по сравнению с фоном. Соответственно этому скорость доставки кислорода тканям во всех сериях снижалась - в серии КАС-14 - до 98-88 %, в серии КАС-12 - до 89-79 %, в серии КАС-8 - до 78-70 % от уровня фона. Напряжение кислорода в венозной крови во всех трех сериях в фоне составляло 39-41 мм рт. ст. и снижалось параллельно силе гипоксического воздействия - в серии КАС-14 до 36, в серии КАС-12 - до 31, в серии КАС-8 - до 21 мм рт. ст. 31 Экологическая физиология Экология человека 2014.07 Некоторые показатели кислородного режима организма человека в динамике гипоксических воздействий разного уровня УГВ Показатель Контроль Минута гипоксического воздействия 5-я 10-я 25-я КАС-14 VO2, мл/мин 358±25 342±34 356±42 387±53 CO, мл/мин 4530 + 1231 4612±1317 4734±1289 4435±1292 CO, % к контр. 100 101,8 104,5 97,9 SpO2, % 98,2±0,2 93,5±2,4 91,7±3,1 89,9±3,6 PvO2, мм рт. ст. 39,1±2,6 37,2±2,3 36,3±2,4 35,8±2,1 Hb, г/дл 14,3±1,5 14,4±1,3 14,3±1,7 14,2±1,4 C 03 2 м / дл 18,7±2,2 18,0±2,1 17,5±2,3 17,1±2,3 CaO2, % к контр. 100 96,3 93,5 91,4 DO2 мл/мин 852±98 832±96 833±104 757±101 DO2, % к контр. 100 97,7 97,8 88,8 КАС-12 VO2, мл/мин 367±36 331±37 369±40 392±56 CO, мл/мин 4780±1334 4912±1301 4634±1129 4835±1315 CO, % к контр 100 102,7 96,9 101,1 SpO2, % 98,0±0,3 84,5±2,6 81,7±3,2 77,4±37 PvO2, мм рт. ст. 38,7±2,8 34,1±2,9 32,2±2,3 30,6±2,9 Hb, г/дл 14,5±1,6 14,5±1,4 14,6±1,7 14,4±1,4 CaO2, мл/дл 19,0±2,1 16,4±1,9 16,0±2,4 14,9±2,0 CaO2, % к контр. 100 86,3 84,2 78,4 DO2, мл/мин 908±100 805±93 741±111 720±96 DO2, % к контр. 100 88,6 81,6 79,2 КАС-8 н и /м л/ м 9 343±25 304±57 337±61 412±78 CO, мл/мин 4587±1271 4912±1292 5134±1340 5557±1414 CO, % к контр 100 107,0 111,9 121,1 SpO2, % 98,2±0.3 71±5,6 65,4±7,9 57,1±6,9 PvO2, мм рт. ст. 41,2±3,3 28,6±3,7 24,8±3,8 21,2±4,2 Hb, г/дл 13,9±2,0 14,0+2,1 14,1±1,9 13,9±2,1 CaO2, мл/дл 18,3±1,3 13,3±1,6 12,4±2,0 10,6±1,9 CaO2, % к контр. 100 72,6 67,7 57,9 DO2, мл/мин 839 653±85 636±97 589±103 DO2, % к контр. 100 77,8 75,8 70,2 Примечание. УГВ - уровень гипоксического воздействия. Обсуждение результатов Из данных таблицы следует, что даже при самом слабом уровне гипоксического воздействия (КАС-14) скорость доставки кислорода тканям незначительно, но все же уменьшается по сравнению с нормой. По мере нарастания силы гипоксического воздействия до КАС-8 DO2 еще больше уменьшается в сравнении с нормой. Тем не менее потребление кислорода организмом при всех уровнях 25-минутной гипоксии сохраняется на уровне нормы, а при воздействии КАС-8 даже увеличивается. Иными словами, гипоксия, согласно классификации А. З. Колчинской [6], остается компенсированной. По мнению автора этой классификации, если механизмы доставки не обеспечивают достаточного поступления кислорода в ткани, то включаются тканевые механизмы компенсации гипоксии. Некоторые авторы [3, 8] также утверждают, что мобилизация механизмов транспорта кислорода с кровью при гипоксии может обеспечивать достаточное поступление кислорода к мозгу, сердцу и к другим жизненно важным органам. К сожалению, термин «достаточное поступление» недостаточно точно определен и оставляет место для двух равноправных выводов. Первый состоит в том, что мобилизация транспортного механизма до определенного (достаточного) уровня вместе с мобилизацией других механизмов еще может обеспечить компенсацию гипоксии. Если мобилизация не достигает данного уровня, то, даже несмотря на активность других механизмов, полная компенсация не обеспечивается. Второй вывод заключается в том, что транспортные механизмы способны при определенном (достаточном) уровне их мобилизации обеспечить компенсацию гипоксии даже без участия других, в первую очередь тканевых, механизмов. При этом также остается не вполне ясным, каков этот уровень мобилизации - соответствующий скорости доставки в нормоксических условиях или превышающий ее. Данные, представленные в настоящем исследовании, не позволяют говорить о том, что мобилизация механизмов транспорта кислорода с кровью сама по себе (без участия других механизмов) является достаточной для компенсации острой гипоксии. Ведь скорость транспорта кислорода тканям начинает снижаться уже при относительно слабом гипоксическом воздействии (КАС-14), а по мере нарастания силы гипоксии этот дефицит доставки еще более возрастает. Это означает, что нагрузка на другие механизмы 32 Экология человека 2014.07 Экологическая физиология компенсации гипоксии по мере роста ее выраженности должна возрастать и эти механизмы мобилизуются уже при незначительных степенях гипоксии. Основным механизмом, позволяющим обеспечивать нормальный уровень потребления кислорода тканями при снижении скорости его доставки к местам протекания каскада реакций окислительного фосфориллирования, является мобилизация митохондриального резерва [7, 9] с целью повышения ферментативной активности. В этом плане реакции биологического окисления принципиально ничем не отличаются от других ферментативных реакций организма - для сохранения скорости реакции при снижении концентрации реагентов необходимо увеличение активности ферментов этих реакций [12]. Действительно, в работе [7] показано, что перестройка работы митохондриальных ферментативных комплексов происходит постепенно по мере снижения напряжения кислорода в клетках. Безусловно, следует учитывать тот факт, что оценка минутного объема кровообращения в нашем исследовании проводилась косвенным методом интегральной реографии, уступающим в точности прямым методам оценки скорости кровообращения [11]. Поэтому оценка скорости доставки кислорода тканям при гипоксии может отличаться от действительной как в большую, так и в меньшую сторону. Допустим, что скорость доставки кислорода к тканям при гипоксии сохраняется на уровне нормы при всех исследованных нами уровнях гипоксического воздействия. Меняет ли это что-то в наших рассуждениях относительно обязательного участия тканевых механизмов в компенсации гипоксии даже незначительной ее выраженности? Напряжение кислорода в митохондриях - это именно та величина, которая определяет необходимость изменения ферментативной активности для сохранения потребления кислорода на неизменном уровне. В свою очередь, напряжение кислорода в митохондриях зависит от перепада напряжений кислорода на участке «капилляр - межклеточное пространство - клетка - митохондрия». При повышении силы гипок-сического воздействия происходит последовательное уменьшение напряжения кислорода в артериальной крови и венозной крови (см. таблицу), капиллярах и тканях [18]. Следовательно, механизмы увеличения транспорта кислорода с кровью либо принципиально не могут препятствовать данному снижению, либо такое предотвращение падения напряжения кислорода в тканях при гипоксии возможно, но является энергетически невыгодным для организма. Действительно, напряжение кислорода в артериальной крови при гипоксии КАС-8 становится примерно равным 35 мм рт. ст. [13], что ниже, чем напряжение кислорода в венозной крови в нормальных условиях - около 40 мм рт. ст. [4, 10]. Следовательно, никакое увеличение активности транспортного механизма не может воспрепятствовать снижению напряжения кислорода в капиллярах и тканях по сравнению с нормальными условиями. Согласно расчетам, приводимым в работе [4], увеличение мозгового кровотока на 60 % при гипоксемии (PaO2 = 50 мм рт. ст.) несколько повышает среднее по длине капилляра напряжение кислорода, но все равно не приводит к достижению уровня, соответствующего нормоксическим условиям. На 5-й минуте гипоксии КАС-12 (см. таблицу) кислородная сатурация артериальной крови снизилась по сравнению с нормой примерно на 14 % и составила 84 %. Средний уровень напряжения кислорода на протяжении капилляра находится между значениями напряжения кислорода в артериальной и венозной крови. Логично предположить, что поскольку снизилось напряжение кислорода на артериальном конце капилляра, то для того, чтобы сохранить напряжение кислорода в капилляре на том же уровне, как и в условиях нормоксии, при гипоксии должно повыситься напряжение кислорода на венозном конце капилляра. Иными словами, напряжение кислорода в венозной крови при гипоксии КАС-12 должно быть выше такового в нормальных условиях (около 40 мм рт. ст.). Оценим, насколько должен увеличиться кровоток, чтобы напряжение кислорода на венозном конце капилляра сохранилось хотя бы на уровне нормы. При этом скорость потребления кислорода, как видно из данных, приведенных в таблице, при данном уровне кислородной сатурации артериальной крови остается неизменной. Это дает нам возможность приблизительно оценить необходимый прирост скорости кровообращения исходя из уравнения А. Фика [10]: Ю2н = Ю2г = СОн χ AVDO^ = СОг χ AVDO^, где VO2 - потребление кислорода, СО - сердечный выброс, AVDO2 - артериовенозное различие по кислороду н - при нормоксии, г - при гипоксии. Отсюда СОг / СОн = AVDO^ / AVDO2r\ Примем кислородную сатурацию венозной крови в норме при 40 мм рт. ст., исходя из уравнения диссоциации оксигемоглобина за 70 % [18]. AVDO2н составит 98 - 70 = 28 %. При снижении кислородной сатурации артериальной крови до 84 % (при условии, что кислородная сатурация венозной крови останется хотя бы неизменной) - AVDO2г составит 84 - 70 = 14 %. СОг / СОн = 28 / 14 = 2. Иными словами, скорость кровотока при вышеуказанных условиях должна возрасти в два раза. А для того чтобы напряжение кислорода на венозном конце капилляра еще и возросло по сравнению с нормой, кровоток при снижении кислородной сатурации артериальной крови до 84 % должен увеличиться более, чем в два раза. Это довольно значительная нагрузка на механизмы транспорта кислорода к тканям, и прежде всего на миокард, в котором при таких условиях гипоксемия дополнялась бы гипоксией нагрузки и необходимостью компенсаторного усиления кровоснабжения сердечной мышцы. В работе [4] 33 Экологическая физиология Экология человека 2014.07 приводятся данные о том, что улучшение транспорта кислорода в масштабе всего организма на 50 % потребует улучшения снабжения сердечной мышцы кислородом на 150-200 %. Отсюда становится понятным, что полная компенсация даже умеренной гипоксии только за счет транспортного механизма дается организму слишком дорогой ценой и даже при незначительных степенях гипоксии стратегия ее компенсации не связана с удержанием падения напряжения кислорода в капиллярной и венозной крови. Напротив, падение кислородной сатурации венозной крови происходит по мере роста силы гипоксического воздействия параллельно снижению кислородной сатурации артериальной крови (см. таблицу). Соответственно этому основная нагрузка по компенсации гипоксии ложится на тканевой механизм, который «включается» уже при незначительных степенях гипоксии и увеличивает свою активность при возрастании силы воздействия [7]. Исходя из теоретических представлений А. З. Колчинской [6], можно сделать вывод о том, что тканевой резерв компенсации гипоксии является неким стратегическим резервом второго эшелона, который вступает в действие лишь после того, как будут исчерпаны возможности механизмов первого эшелона. Однако на самом деле мобилизация тканевого резерва компенсации гипоксии - митохондриального резерва постоянно происходит даже в условиях нормоксии. Речь идет о дополнительной мобилизации энергии при повышении функциональной активности клетки или органа [14]. Кроме того, схема последовательной мобилизации сначала кислородтранспортного, а затем тканевого механизмов условна еще и потому, что мобилизация кислородтранспортного механизма сопровождается мобилизацией тканевого механизма миокарда. Можно утверждать, что компенсация гипоксемии обеспечивается распределением нагрузки на тканевые механизмы миокарда и других тканей. Чем выше степень мобилизации кислородтранспортного механизма, тем больше ограничивается капиллярная гипоксемия и тканевая гипоксия и соответственно меньшую нагрузку испытывают механизмы компенсации гипоксии всех тканей за исключением миокарда. Напротив, если минутный объем кровообращения при гипоксии не увеличивается, гипоксия всех тканей компенсируется целиком за счет тканевых механизмов, однако миокард испытывает меньшую гипоксическую нагрузку, поскольку к его тканевой гипоксии не добавляется гипоксия нагрузки. Учитывая относительно небольшое увеличение МОК в первые 15-20 минут гипоксии и более значительное увеличение при дальнейшем нарастании длительности гипоксии, можно говорить о том, что тканевой резерв компенсации гипоксии миокарда является в известном смысле стратегическим и используется не сразу, а лишь по прошествии определенного времени после начала гипоксии. Следует заметить, что рост МОК к 25-й минуте при гипоксии КАС-8 сопровождается и ростом потребления кислорода организмом. Вполне возможно, что причины, вызывающие рост потребления кислорода при гипоксии у человека по мере повышения силы и длительности гипоксического воздействия сходны с теми, которые вызывают рост потребления кислорода организмом у животных. В первую очередь речь идет о повышении мышечной активности. Очевидно, что если обеспечение потребления кислорода организмом на уровне, соответствующем нормоксическим условиям, при гипоксии возможно при небольшом повышении МОК, то рост потребления кислорода сверх этого уровня требует уже большего увеличения скорости кровообращения. Исходя из формулы А. Фика [10], можно понять, что если бы увеличения МОК при росте потребления кислорода не происходило, то увеличивалось бы артериовенозное различие по кислороду и снижалось напряжение на венозном конце капилляра и в тканях. Таким образом, именно снижение напряжения кислорода в тканях при повышении потребления ими кислорода является пусковым механизмом роста скорости кровообращения. Уточнение этого, казалось бы, очевидного вопроса вызвано утверждениями о достаточном или недостаточном количестве поступления кислорода в ткани при гипоксии [6, 8]. На наш взгляд, под достаточным количеством кислорода, поступающего в ткани, следует понимать то, которое создает уровень тканевого напряжения кислорода, являющийся достаточным для обеспечения нормальной (соответствующей условиям нормоксии) скорости потребления кислорода. Вместе с тем формула оценки доставки кислорода к тканям никак не позволяет учесть, какое количество кислорода, приносимое с артериальной кровью, поступает в ткани. Действительно, скоростью доставки кислорода в ткани называется произведение скорости кровообращения на содержание кислорода в артериальной крови. Однако в ткани поступает только часть этого кислорода, равная разности между доставляемым и уносимым с венозной кровью кислородом. Отсюда следует, что скорость поступления кислорода в ткани равна скорости его потребления. Иными словами, именно скорость потребления диктует, какое количество кислорода должно поступить в ткани, а не скорость доставки определяет скорость потребления. Скорость же поступления с артериальной кровью, на наш взгляд, более уместно назвать скоростью поступления кислорода в капилляры, а не в ткани. На наш взгляд, это уточнение является принципиальным. Оно отражает реальную последовательность транспорта кислорода в ткани - из доставляемого в капилляры кислорода лишь часть поступает в ткани в соответствии со скоростью потребления кислорода. Таким образом, увеличение скорости доставки кислорода в капилляры не является самостоятельным механизмом, способным непосредственно увеличить 34 Экология человека 2014.07 Экологическая физиология скорость потребления кислорода. Этот механизм воздействует на скорость потребления опосредованно - через повышение напряжения кислорода на протяжении капилляра и соответственно в тканях. Увеличение скорости доставки кислорода в капилляры при гипоксии в определенных пределах способно удержать капиллярное и тканевое напряжение кислорода от падения ниже той отметки, при которой тканевые механизмы уже не справляются с компенсацией гипоксии и потребление кислорода начинает падать ниже нормоксического уровня. Аналогичным образом увеличение скорости доставки кислорода в капилляры удерживает капиллярное и тканевое напряжение кислорода от падения ниже той отметки, при которой скорость потребления кислорода снижается менее того уровня, который способен удовлетворить повышенный энергетический запрос органа или ткани. Однако в обоих случаях основным механизмом, который обеспечивает как неизменность потребления кислорода при гипоксии, так и повышение этого показателя при росте энергетического запроса при нормоксии и гипоксии, является тканевой механизм - повышение митохондриальной активности за счет имеющегося резерва.

About the authors

E A Burykh

Email: edwb@newmail.ru

S I Soroko

References

Supplementary files