Существует четыре процесса, которые могут приводить к нарушению легочного газообмена: гиповентиляция, диффузионное ограничение, шунт и вентиляционно-перфузионная неравномерность.

ГИПОВЕНТИЛЯЦИЯ

Гиповентиляция как термин используется для обозначения тех состояний, когда альвеолярная вентиляция находится на аномально низком уровне по отношению к потреблению кислорода и продукции углекислоты. Под альвеолярной вентиляцией понимают объем газа, поступающего в альвеолы (т.е. за исключением вентиляции мертвого пространства). Гиповентиляция всегда приводит к артериальной гипоксемии (за исключением случаев, когда пациент дышит обогащенной кислородной смесью) и повышению артериального Р_СО2.

Среди причин гиповентиляции могут быть угнетение дыхательного центра различными препаратами (производные морфина, барбитураты); аномалии проводящих путей спинного мозга; поражения клеток передних рогов спинного мозга (полиомиелит); поражение иннервации респираторных мышц (синдром Гвиллиан - Барр); болезни нейромышечного узла (миастения); поражения собственно респираторных мышц (прогрессирующая мышечная дистрофия); аномалии и травмы грудной клетки; обструкция верхних дыхательных путей; ожирение и другие причины.

Можно заметить, что при всех этих состояниях сами легкие в норме. Эту группу причин необходимо отделить от тех ситуаций, когда накопление углекислоты связано с хроническим легочным заболеванием. В этом случае основным фактором, приводящим к повышению Р_СО2 является вентиляционно-перфузионная неравномерность, являющаяся причиной неэффективности легочного газообмена.

Повышение альвеолярного Р_СО2, как результат гиповентиляции, может быть рассчитано с применением уравнения альвеолярной вентиляции:

path: pictures/2f-1.png

,(1)

где К - константа. Уравнение можно преобразовать следующим образом:

path: pictures/2f-2.png

.(2)

Поскольку в нормальных легких альвеолярная (РА_СО2) и артериальная (Ра_СО2)идентичны, то можно написать:

path: pictures/2f-3.png

.(3)

Это очень важное уравнение, которое обозначает, что уровень Р_СО2 в альвеолярном газе и артериальной крови находится в обратной зависимости от альвеолярной вентиляции: например, если альвеолярная вентиляция снижается вдвое, то Р_СО2, напротив, удваивается.

Те же принципы, использованные в уравнении (1), могут быть использованы по отношению к кислороду для понимания влияния гиповентиляции на альвеолярное (а следовательно, и артериальное) Р_О2:

path: pictures/2f-4.png

,(4)

где VI - вдыхаемая альвеолярная вентиляция. Уравнение (4) выражает потребление кислорода как разницу между количеством кислорода, вдыхаемого в течение минуты (объем вдыхаемого газа x фракционную концентрацию кислорода) и выдыхаемого в течение минуты (объем альвеолярной концентрации и фракционная концентрация кислорода в альвеолярном газе).

Если посмотреть с практической точки зрения, то значение гипоксемии не столь велико по сравнению с задержкой углекислоты и последующим респираторным ацидозом. На рис. 2--7 представлено изменение газообмена, наступающее в результате гиповентиляции. Видно, что при тяжелой гиповентиляции альвеолярное Р_СО2 удваивается от 40 до 80 мм рт.ст., в то время как альвеолярное Р_О2 снижается от 10 до 60 мм рт.ст. Хотя артериальное Р_О2, вероятно, будет незначительно ниже альвеолярного, тем не менее насыщение артериальной крови кислородом будет составлять около 80%. Тем не менее развивается выраженный респираторный ацидоз - уровень артериального рН около 7,2. Это показывает еще раз, что гипоксемия играет меньшую роль, чем накопление углекислоты и респираторный ацидоз при чистой гиповентиляции.

path: pictures/2-7.png

Рис. 2-7. Газообмен при гиповентиляции. Отмечаются относительно большой подъем РСО2 и соответствующее падение рН по сравнению со средней степенью падения насыщения кислорода артериальной крови (West J.B. Pulmonary Pathophysiology - the Essen-tials. 6th ed. - Baltimore, Lippincott Williams and Wilkins, 2003).

ДИФФУЗИОННОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ

Так как кислород, углекислота и другие газы пересекают альвеолокапиллярный барьер путем простой диффузии, происходит это в соответствии с законом Фика, согласно которому скорость переноса газа через слой ткани прямо пропорциональна площади ткани (А) и разнице парциального давления по обе стороны от нее (Р₁ - Р₂) и обратно пропорциональна ее толщине (Т):

path: pictures/2f-5.png

.(5)

Как было отмечено ранее, площадь альвеолокапиллярного барьера легких огромна (50 - 100 м²), а толщина в некоторых случаях составляет менее 0,3 микрон. Таким образом, характеристики альвеолокапиллярной мембраны идеальны для осуществления диффузии.

Скорость диффузии также пропорциональна константе D, которая зависит от свойств ткани и свойств газа. Константа пропорциональна растворимости газа (Sol) и обратно пропорциональна корню квадратному из молекулярного веса (MW):

path: pictures/2f-6.png

.(6)

Это означает, что углекислота диффундирует примерно в 20 раз быстрее кислорода через тканевые слои, так как С_О2 обладает значительно большей растворимостью (24:1 при 37 ⁰;С), а корни квадратные из молекулярного веса для обоих газов различаются незначительно (1,17:1). Необходимо отметить, что эти расчеты справедливы только для тканевых мембран, а не для процессов потребления кислорода или выработки углекислоты легкими, где большую роль играет и скорость химических реакций.

Рис. 2--8 демонстрирует изменения Р_О2 крови в легочных капиллярах в норме. Расчеты основаны на законе Фика [уравнение (5)] и допущении, что диффузионные характеристики альвеолокапиллярного барьера однородны по всей длине капилляра. Показано, что время, которое кровь находится в легочных капиллярах, в норме в состоянии покоя составляет около 0,75 с.

Если альвеолокапиллярный барьер утолщается, скорость переноса кислорода снижается в соответствии с законом Фика, и скорость повышения Р_О2 замедляется. В этих условиях может измениться разница Р_О2 альвеолярного и конечно-капиллярного. Это означает, что имеет место некоторое диффузионное ограничение переноса кислорода. Важно отметить, что в большинстве случаев перенос кислорода ограничивается перфузией, и только в редких случаях может быть некоторое диффузионное ограничение.

path: pictures/2-8.png

Рис. 2-8. Временные характеристики изменения РО2 в легочных капиллярах при нормальной диффузии, сокращенном времени контакта и утолщенной альвеолокапиллярной мембране. Временные характеристики окиси углерода представлены нижней кривой (West J.B. Pulmonary Pathophysiology - the Essentials. 6th ed. - Baltimore: Lippincott Williams and Wilkins, 2003).

Для такого газа, как кислород, форма кривой диссоциации непостоянна и зависит от Р_О2 и в меньшей степени от таких факторов, как рН, Р_СО2, температура и концентрации в эритроцитах 2,3-дифосфоглицерата.

Физиологически инертные газы, такие, как азот, полностью перфузионно ограничены в переносе, в то время как перенос окиси углерода через мембрану является преимущественно лимитированным диффузией. Количество окиси углерода, захватываемого кровью, полностью зависит от диффузионной способности альвеолокапиллярного барьера.

Скорость связывания гемоглобина с кровью довольно высока (около 0,2 с) и проходит 2 стадии: 1) диффузию кислорода через альвеолокапиллярный барьер, плазму и внутрь эритроцита; 2) реакцию кислорода с гемоглобином. Хотя, на первый взгляд, эти процессы различаются существенно, тем не менее их можно описать математически одним уравнением Roughton & Forster: