Carbon dioxide exchange violation: features of the pathogenesis and diagnosis

Full Text

Одним из фундаментальных свойств и функций респираторной системы является осуществление газообмена в легких - насыщение крови кислородом (O2) и удаление углекислого газа (CO2) из организма. Постоянство внутренней среды организма, или гомеостаз, является обязательным условием существования всех живых организмов. С точки зрения второго закона термодинамики жизнь - это процесс или система, вектор развития которой противоположен по направлению остальным «неживым» объектам Вселенной и направлен на уменьшение собственной энтропии. CO2 - это один из ключевых метаболитов в организме, он образуется практически у всех живых существ, и удаление СО2 является одной из основных функций не только дыхания, но и жизнедеятельности. Действительно, согласно определению жизни: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» [1], обязательное условие функционирования живой клетки подразумевает обмен веществ, информации и энергии с окружающей средой. Данный постулат справедлив как для одно-, так и многоклеточных организмов. Нарушение обмена веществ, накопление продуктов обмена, нарушение целостности клеточной мембраны приводят к гибели клетки и, как это хорошо известно, cтановятся ключевым моментом в патогенезе многих заболеваний. В данной статье будет рассмотрен один из вариантов нарушения гомеостаза - гипо- и гиперкапния. Терминологически гипо- и гиперкапния означают соответственно снижение и повышение парциального давления CO2 в артериальной крови (PaCO2). Нормальные показатели СО2 в артериальной крови хорошо известны и составляют интервал в 10-35-45 мм рт. ст. Гиперкапния Известно, что показатель продукции CO2 составляет в норме у здорового взрослого человека 180-230 мл/мин [2]. По большей части этот показатель постоянный и меняется только при повышении температуры, системном воспалении или изменении характера употребляемой пищи. СО2, растворенный в венозной крови, поступает в малый круг кровообращения, где в легочной ткани происходит газообмен. Липофильность молекулы СО2 во много раз выше, чем у O2, и он с легкостью переходит через альвеолокапиллярную мембрану в альвеолярное пространство. Переход осуществляется пассивно за счет градиента давления - парциальное давление СО2 в смешанной венозной крови выше, чем в артериальной, и составляет 41-55 мм рт. ст. Парциальное давление СО2 в альвеоле составляет 30-41 мм рт. ст. Таким образом, проходя через легочные капилляры, кровь отдает СО2 в альвеолярное пространство, и парциальное давление СО2 снижается на 10 мм рт. ст. [3]. В дальнейшем удаление CO2 осуществляется за счет вентиляции легких (ВЛ). Нормальный показатель минутной вентиляции (MV) составляет 100 мл/кг в минуту, т.е. для взрослого мужчины для удаления CO2 из альвеолярного пространства требуется MV около 7-8 л в минуту. Данная потребность легко осуществляется за счет дыхательного объема (Vt) 600-800 мл и частоты дыхания (f) 12-14 в минуту (MV - это произведение Vt на f: MV=Vt¥f). Не весь объем MV участвует в вентиляции альвеол (Va), поскольку MV слагается из произведения Va и вентиляции мертвого пространства (объем легких, не участвующий в газообмене). Обычно доля вентиляции мертвого пространства не превышает 1/3 от MV. В свою очередь, объем мертвого пространства (Vd) определяется не только «нормальными участками», не участвующими в газообмене (например, крупные бронхи и трахея), но и патологическими участками, в которых отсутствует кровоток (участок тромбоэмболии). Таким образом, Va - это произведение f на разницу между Vt и Vd: Va=f¥(Vt-Vd). При формировании феномена гиповентиляции вследствие разных причин (обструктивная и рестриктивная патология легочной ткани, увеличение объема мертвого пространства) снижается показатель Va, что в свою очередь ведет к росту парциального давления CO2 в альвеоле. При снижении градиента давления обмен CO2 прекращается, однако продукция CO2 будет постоянна, что приведет к росту парциального давления в венозной крови. Поскольку ВЛ продолжается, то элиминация CO2 будет сохранена, но полноценно осуществлять удаление CO2 уже будет невозможно. Будет наблюдаться рост парциального давления в артериальной крови, что является синонимом формирования дыхательной недостаточности (ДН). Зависимость между PaCO2 и Va очевидна из этой физиологической формулы: PaCO2=K¥VCO2/Va (где K - респираторный коэффициент, VCO2 - продукция CO2). Таким образом, формирование гиперкапнии является следствием невозможности легких к удалению CO2. А нарушение элиминации CO2 связано обратной математической связью с Va, которая, в свою очередь, зависит от общей MV и доли Vd. Развитие ДН, связанной с накоплением CO2 (ДН 2-го типа, или вентиляционная ДН - ВДН), всегда сопровождается не только гиперкапнией, но и гипоксемией. Механизм формирования гипоксемии при ВДН не связан вентиляционно-перфузионными нарушениями, шунтированием крови или нарушением диффузии через альвеолокапиллярную мембрану. Хотя все эти причины, порознь или вместе, могут встречаться у таких больных, но тогда корректно было бы говорить о сочетании двух типов ДН - паренхиматозной и вентиляционной. Гипоксемия у пациентов с изолированной ВДН всегда связана с накоплением CO2, что хорошо видно из упрощенного уравнения альвеолярного газа: PaO2=FiO2¥(Patm-PH20)-1,25¥PaCO2 (где PaO2 - парциальное давление О2 на поверхности альвеолы, Patm - атмосферное давление, PH20 - давление водяных паров, FiO2 - фракция кислорода во вдыхаемом воздухе) [5]. Из уравнения очевидна обратная зависимость между PaCO2 и парциальным давлением O2 в альвеоле. Действительно, при гиперкапнии увеличивается парциальное давление CO2 в альвеоле, что приводит к снижению парциального давления O2 в альвеолярном воздухе, а, как известно, переход O2 также осуществляется по градиенту давления. Позволим себе напомнить, что в альвеолярном воздухе парциальное давление O2 колеблется от 99 до 110 мм рт. ст., тогда как в смешанной венозной крови парциальное давление O2 составляет 40-50 мм рт. ст. Кроме того, следует учитывать альвеоло-артериальный градиент для O2, который в норме составляет не более 10 мм рт. ст. (но повышается только при ДН 1-го типа). Таким образом, при снижении PaO2 до 60 мм рт. ст. и менее такая альвеола перестает участвовать в газообмене (если только парциальное давление O2 в смешанной венозной крови также не снижается), так как для этого необходим градиент давления в 10 мм рт. ст. и более. К счастью, не все альвеолы находятся в одинаковых условиях, всегда есть участки легких с лучшими показателями вентиляции, где газообмен будет продолжаться. Оксигенированная кровь из хорошо вентилируемых альвеол будет смешиваться с кровью, не насыщенной O2, что будет приводить к гипоксемии и снижению сатурации гемоглобина при помощи O2 (SpO2) [6]. Немаловажным фактом в патогенезе ДН является отсутствие линейной зависимости между парциальным давлением O2 в артериальной крови и SpO2. При падении парциального напряжения O2 не происходит пропорционального падения сатурации, позже, при незначительном падении парциального напряжения O2, наблюдается резкое и значительное снижение показателя сатурации. В организме был сформирован защитный механизм для коррекции гипоксемии, который называется гипоксической вазоконстрикцией, или рефлексом Эйлера-Лильестранда. Рефлекс заключается в селективной вазоконстрикции артериолы малого круга кровообращения в ответ на снижение PaO2 [3]. Таким образом, кровоток перераспределяется в область хорошо вентилируемых альвеол и степень гипоксемии снижается. Длительная гипоксическая вазоконстрикция приводит к гипертрофии мышечного слоя, пролиферации фибробластов в стенке сосудов малого круга кровообращения, что, в свою очередь, приводит к формированию хорошо известного феномена легочной гипертензии (по классификации Вcемирной организации здравоохранения - легочная гипертензия, связанная с легочными заболеваниями). Исходом легочной гипертензии является формирование легочного сердца и правожелудочковой сердечной недостаточности (СН) [4]. Для понимания механизмов развития гиперкапнии и ДН следует остановиться на механизмах регуляции ВЛ. Как хорошо известно, ВЛ осуществляется за счет работы дыхательных мышц, которые обеспечивают амплитуду дыхания и ее частоту. Vt, который в норме у взрослого человека составляет 400-800 мл (8-10 мл/кг), с помощью усилия дыхательной мускулатуры, при максимальном вдохе можно произвольно увеличить до жизненной емкости легких в 3-5 л (а у спортсменов даже больше). Следовательно, в необходимые моменты легкие могут принять в себя объем воздуха, в 10 раз превышающий привычный [7]. Данная возможность необходима человеку для адаптации к высоким потребностям в вентиляции в период выполнения тяжелой физической работы или во время болезни. Кроме этого, способность к увеличению ВЛ осуществляется также за счет увеличения f таким образом, что максимальная ВЛ (или максимальная MV) составляет в норме 80-150 л в минуту, что также в 10 раз превышает показатель MV легких в состоянии покоя. Возможность увеличения MV легких существует благодаря хорошо развитым основным и вспомогательным дыхательным мышцам, их скоординированной работе и свойствам легочной ткани, которая имеет хорошие показатели растяжимости и низкий показатель сопротивления дыхательных путей (ДП). Любой патологический процесс, затрагивающий легочную ткань, приводит к нарушению растяжимости легких (воспаление, фиброз, отек легких и т.д.) или механизма выдоха (снижение эластичности при эмфиземе); кроме того, любой воспалительный процесс в бронхах приводит к сужению просвета ДП, что увеличивает сопротивление на вдохе и выдохе (уменьшение просвета бронха в 2 раза увеличивает сопротивление в 16 раз). Все эти изменения, приводят к повышению цены дыхания и нагрузки на дыхательную мускулатуру. Снижаются возможности для увеличения частоты и глубины дыхания, при развитии утомления дыхательных мышц пациенты начинают ощущать одышку - специальное «охранное» ощущение, которое сигнализирует человеку об усталости дыхательной мускулатуры [8]. В определенный момент заболевания, как правило, при снижении спирометрических показателей менее 1 л, у больного начинает формироваться ДН по описанным нами механизмам. Данный эпизод может носить характер острого инфекционного обострения или протекать исподволь, в любом случае будут зафиксированы рост парциального давления CO2, пропорциональное падение парциального давления O2 и SpО2. В зависимости от остроты процесса можно будет говорить о развитии острой или хронической ДН. Регуляция процесса дыхания осуществляется при участии дыхательного центра (ДЦ), который расположен в продолговатом мозге. В ДЦ поступает информация от хемо- и барорецепторов о парциальном давлении О2 и СО2, об уровне pH в спинномозговой жидкости, а также от проприорецепторов дыхательных мышц. Задачей работы ДЦ является поддержание необходимого гомеостаза - уровня О2, СО2 и pH. В случае нарастания уровня СО2, падения pH или уровня О2 ДЦ активизируется и дает команду дыхательным мышцам увеличить частоту и/или амплитуду дыхания. С другой стороны, задачами ДЦ также являются поддержание нормальной работоспособности дыхательных мышц и предотвращение их чрезмерного утомления. В случае поступления сигнала от проприорецепторов мышц в ДЦ возникает защитная реакция в виде появления ощущения одышки, которое заставляет человека прекратить нагрузку и занять наиболее выгодное положение для дыхания [8, 9]. Таким образом, у пациентов со слабостью дыхательной мускулатуры или при развитии клинической ситуации, когда дыхательные мышцы не могут обеспечить адекватной ВЛ, в условиях изменения механических свойств легочной ткани (растяжимость и сопротивление ДП) формируется ситуация, когда в ДЦ одновременно поступает сигнал и о нарушении газового состава артериальной крови, и об утомлении дыхательных мышц. В данной ситуации чаще всего происходит адаптация работы ДЦ к уровню гиперкапнии и прекращается излишняя активация дыхательных мышц. Так, организм перестает пытаться поддержать нормальный уровень pH и PaCO2 ценой сохранения функции дыхательной мускулатуры. В такой ситуации у пациента наблюдаются гиперкапния, респираторный ацидоз, при этом он не чувствует сильной одышки, так как за счет снижения активности ДЦ уменьшается нагрузка на дыхательные мышцы. Данные адаптационные изменения часто встречаются у больных с хронической ВДН. Обязательным компонентом гиперкапнии является развитие респираторного ацидоза. Молекула СО2, растворенная в крови, взаимодействует с молекулой воды с формированием угольной кислоты. Угольная кислота диссоциирует на ион водорода и ион гидрокарбоната. Накопление СО2 напрямую связано с падением pH и формированием так называемого респираторного ацидоза. В организме в ответ на падение pH формируется активация буферных систем крови. Накопление иона гидрокарбоната, связанное с усиленной реабсорбцией в почечных канальцах, приводит к дополнительному связыванию ионов водорода и изменению уровня pH в нормальную сторону. Избыток ионов гидрокарбоната практически всегда указывает на длительную гиперкапнию у пациентов с хронической ДН. Диагностика «Золотым стандартом» диагностики гиперкапнии и ДН является проведение исследования газового состава артериальной крови. Анализ дает информацию о текущем парциальном давлении О2 и СО2, уровне pH и концентрации ионов гидрокарбоната. Однако анализ дает информацию лишь о наличии ДН в текущий момент. Очень часто развитию ВДН предшествует формирование дыхательных нарушений во сне. Для диагностики ДН во сне предусмотрено два подхода - неинвазивное определение парциального давления СО2 или SpО2. Для определения уровня СО2 в динамике наиболее оптимальным методом является чрескожное измерение уровня СО2. Данная методика с большей степенью достоверности и соответствия позволяет получить данные об изменении уровня парциального давления СО2 в динамике [11]. Другим способом является неинвазивное измерение парциального давления СО2 в выдыхаемом воздухе (PetCO2). Парциальное давление в выдыхаемом воздухе соответствует парциальному давлению в альвеолярном воздухе, однако с учетом вентиляции мертвого пространства, где газообмен не происходит, парциальное давление в выдыхаемом воздухе может быть занижено. Особенно у пациентов с большим Vd в такой ситуации использование показателя PetCO2 может привести к получению псевдонормальных результатов, что приведет к неправильной тактике лечения [12]. В любом случае исследование уровня СО2 в динамике наиболее оптимально проводить ночью, во время сна. Это связано с тем, что дыхательные мышцы во сне расслаблены, а диафрагма движется с меньшей амплитудой и частотой. Измерение сатурации также имеет смысл только в динамике, ночью, во время сна. Однократное падение сатурации и изменение PaO2 может быть связано со множеством причин и не позволяет судить о степени и тяжести гиперкапнии, хотя и связано с гиперкапнией напрямую. Длительное мониторирование сатурации является оптимальным способом скрининга ДН. Технически метод является наиболее простым и позволяет выявить длительные эпизоды падения сатурации, которые у больных с факторами риска нарушения Va (хроническая обструктивная болезнь легких, ожирение, кифосколиоз, нейромышечная патология) являются ранним проявлением ДН во сне, связанной с накоплением СО2 [13]. О давности гиперкапнии позволяет судить анализ кислотно-щелочного состояния (КЩС) артериальной крови - нормальный уровень pH и избыток HCO3- говорят о скомпенсированном ацидозе, т.е. ситуации, длительностью не несколько часов, а несколько дней и более. Кроме того, высокий уровень гемоглобина будет отображать компенсаторные изменения при длительной гипоксемии, что также указывает на длительный характер течения ДН. Аналогичными признаками длительного течения хронической ДН является развитие легочной гипертензии и признаков хронического легочного сердца. Гипокапния Наряду с формированием гиперкапнии при патологии респираторной системы часто встречается и гипокапния. Гипокапния определяется как снижение парциального давления СО2 менее 35 мм рт. ст. В отличие от гиперкапнии гипокапния не всегда соответствует патологии легких, но всегда отображает состояние гипервентиляции, когда за минуту времени объем вентиляции превышает необходимый и парциальное давление СО2 в альвеоле снижается. Это приводит к увеличению градиента, по которому происходит газообмен, что, свою очередь, приводит к снижению PvCO2 (парциальное давление углекислого газа в центральной венозной крови) и затем - PaCO2. Наблюдается феномен гипокапнии. Среди причин, которые приводят к развитию гипокапнии, выделяют патологические, связанные с ДН или СН, и расстройства дыхания, которые могут иметь под собой патологическую или психологическую причину. Так, развитие гипокапнии во многих случаях наблюдается у пациентов с острой и хронической гипоксемической ДН. В данном случае гипокапния носит компенсаторный характер. При СН также может наблюдаться ДН 1-го типа за счет интерстициального и альвеолярного отека легких, который приводит к нарушению диффузионной способности альвеолокапиллярной мембраны, вентиляционно-перфузионному разобщению или шунтированию крови [14]. Кроме того, острая и хроническая СН приводят к нарушению кровоснабжения ДЦ, который теряет способность точно контролировать уровень СО2, в такой ситуации гипокапния усугубляется, часто осложняется развитием периодического дыхания Чейна-Стокса и синдромом центрального апноэ [15]. Поражение ДЦ вследствие нарушения мозгового кровообращения или наличия объемных образований также может приводить к расстройствам вентиляции разного генеза, в том числе с формированием гипокапнии и гипервентиляции. Известным проявлением невроза является гипервентиляционный синдром (ГВС), обязательным проявлением которого становится наличие гипокапнии [16]. Развитие ДН 1-го типа не связано с нарушением Va, однако всегда сопровождается гипоксемией и гипокапнией или нормокапнией. Среди причин ДН 1-го типа выделяют: дыхание воздухом с низким парциальным давлением О2 (нахождение в высокогорье), вентиляционно-перфузионное разобщение, нарушение диффузионной способности альвеолокапиллярной мембраны и шунтирование крови. Во всех случаях, за исключением тяжелых случаев шунтирования, у пациентов развивается гипоксемия, однако элиминация СО2 не нарушается и компенсаторная гипервентиляция способствует выведению чрезмерного количества СО2, что приводит к развитию гипокапнии. ДЦ не может нормализовать концентрацию СО2, так как снижение MV привело бы к ухудшению газообмена и ДН. Лишь при развитии утомления дыхательных мышц могут произойти нормализация уровня СО2 и даже развитие гиперкапнии; такое состояние, как правило, является очень серьезным осложнением и требует незамедлительной терапии и проведения респираторной поддержки. У пациентов с СН существует несколько причин для развития гипокапнии, среди них отек легких и, соответственно, перечисленные нами факторы ДН. Кроме того, падение сердечного выброса приводит к нарушению кровоснабжения структур головного мозга. В такой ситуации ДЦ не может адекватно реагировать на изменения гомеостаза и к дыхательным мышцами поступают неравнозначные импульсы, которые характеризуются периодами гипер-, гиповентиляции и апноэ. Развивается дыхание Чейна-Стокса, как правило, при анализе КЩС выявляется гипокапния. Аналогичные изменения развиваются и при поражении головного мозга иного генеза, в том числе нарушении мозгового кровообращения, наличии объемных образований. ГВС является комплексным заболеванием, к развитию которого приводят как психологические факторы, так и особенности реагирования ДЦ, у больных вследствие панических атак формируется гипервентиляция, что приводит к падению уровня СО2. Гипокапния обладает рядом симптомов - похолодание конечностей, головокружение, страх, покалывание в конечностях, которые могут негативно восприниматься пациентом, приводя к большему возбуждению и нарастанию проявлений гипокапнии. В диагностике гипокапнии важно уделять внимание поиску причины развития данного состояния. Следует обратить особое внимание на проблему ДН, которая может манифестировать легкой гипоксемией и гиперкапнией. В рутинном обследовании важно исключить наличие альвеолярной инфильтрации и патологии легочного интерстиция. При проведении исследования КЩС артериальной крови важно определять не только показатели газообмена, но и индексы оксигенации. Так, снижение показателя PaO2/FiO2 (индекс оксигенации, отношение парциального давления кислорода в артериальной крови к фракции кислорода во вдыхаемом воздухе) и рост показателя PAaO2 (альвеоло-артериалный градиент, разница между парциальным давлением кислорода в альвеолярном газе и артериальной крови) будут указывать на патологию легочных паренхимы или альвеолокапиллярной мембраны, у больных с наличием внутрилегочных или внелегочных шунтов будет отмечаться рост показателя Qs/Qt (фракция шунта, отношение крови, которая проходит через легочные и внелегочные шунты, к общему объему крови, проходящему через малый круг кровообращения). Методом выбора оценки СН является эхокардиография с определением типа СН, фракции выброса и неинвазивным определением параметров центральной гемодинамики. Важным может оказаться мониторирование уровня pro-BNP, который является высокоспецифичным маркером СН. В диагностике ГВС важны рутинная консультация психолога и проведение исследования уровня выдыхаемого СО2. Заключение Таким образом, гиперкапния является одним из ключевых проявлений ДН. Развитие гиперкапнии связано с формированием гиповентиляции вследствие обструктивной или рестриктивной патологии, роста Vd и утомления дыхательных мышц. Диагноз гиперкапнии и гиперкапнической ДН может быть основан на анализе КЩС артериальной крови или неинвазивном мониторировании парциального давления СО2. Дополнительно можно оценивать динамику изменения показателя сатурации, но она обладает меньшей специфичностью и не всегда соответствует изменению парциального давления СО2. Гипокапния, соответственно, является важной и частой находкой у больных с хронической ДН по гипоксемическому типу, но в отличие от пациентов с ВДН изменение уровня СО2 является вторичным по отношению к падению парциального давления О2. Уровень гипокапнии не может стать критерием для оценки степени тяжести гипоксемической ДН. Однако он становится важным проявлением заболеваний с расстройством центральной регуляции дыхания, у пациентов с СН гипокапния может быть связана с формированием дыхания Чейна-Стокса. Наконец, при отсутствии органической причины гипокапния может быть проявлением достаточно распространенного ГВС, который может сопровождаться развитием неприятных симптомов в виде одышки, панических атак. В отличие от больных с ДН при ГВС не будет наблюдаться снижения индекса оксигенации и альвеоло-артериального градиента.

About the authors

V. A Shtabnitskiy

N.I.Pirogov Russian National Research Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation; Research Institute of Pulmonology of FMBA of Russia

Email: Shtabnitskiy@gmail.com
117997, Russian Federation, Moscow, ul. Ostrovitianova, d. 1; 105077, Russian Federation, Moscow, ul. 11-ia Parkovaia, d. 32

References

Supplementary files