Транспорт кислорода - интенсивная терапия
2 Транспорт кислорода
Первоочередной задачей при любом угрожающем жизни состоянии является сохранение адекватного снабжения тканей кислородом для поддержания процессов биологического окисления. В настоящей главе содержатся сведения об основных составляющих системы транспорта кислорода и механизмах, регулирующих обеспечение тканей кислородом в норме и при патологии (тяжёлые заболевания).
КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМЫ ТРАНСПОРТА КИСЛОРОДА
Основные компоненты системы транспорта кислорода показаны на рис. 2-1. Наиболее важны следующие показатели: содержание кислорода в крови, его доставка, потребление и степень утилизации. Ниже кратко рассмотрен каждый из указанных показателей.
СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА
Кислород содержится в крови в двух формах: связанный с гемоглобином (Hb) и в свободном (растворённом) состоянии. Суммарное количество газа в обеих фракциях называют содержанием кислорода в крови. Содержание кислорода в артериальной крови определяют с учётом уровня Нb, равного 140 г/л, насыщения Hb кислородом (SaO2=98%) и парциального давления O2 (pO2) в данной крови (рaО2), которое составляет 100 мм рт.ст.:
Видео: Посадка и высадка из общественного транспорта
СА = (1,3 х Нb х SaO2) + (0.003 х рaО2).
В норме СaO2, = (1,3 х 14 х 98) + (0,003 х 100) = 18,1 мл/100 мл (или объёмных процентов).
Видео: Новое оборудование перинатальному центру - от "РусГидро"
Рис. 2-1. Основные компоненты системы транспорта кислорода. Объяснение в тексте.
Первая часть уравнения (l,3 x Hb x SaO2) представляет собой содержание кислорода, соединённого с Hb, и указывает на то, что 1 г Hb связывает при полном насыщении (SaO2 = 100%) 1,3 мл кислорода. Вторая часть уравнения (0.003 х рaO2) представляет собой количество кислорода, растворённого в плазме, составляющее 0,003 мл/O2 в 1 мл плазмы.
При этом необходимо подчеркнуть, что вклад величины рaО2 в содержание кислорода в артериальной крови несуществен. Таким образом, несмотря на популярность измерения рaО2, этот показатель не отражает степень насыщения крови кислородом. Значительно более информативным для оценки оксигенации артериальной крови является показатель SaO2, a измерение рaО2 целесообразно для оценки эффективности газообмена в лёгких.
ДОСТАВКА КИСЛОРОДА
Доставка кислорода (DO2) представляет собой скорость транспорта кислорода артериальной кровью, которая зависит от величины сердечного выброса (СВ) и содержания кислорода в артериальной крови. В норме DO2 определяют при СaО2, равном 18%, и сердечном индексе, составляющем 3 л/(мин.м2) (СВ, делённый на площадь поверхности тела):
DO2 = СВ х СaO2 = СВ х (1,3 х Hb х SaO2) х 10.
Нормальное значение DO2 = 3 х (1,3 х 14 х 0,98) х 1 = 540 мл/(мин-м2) (коэффициент 10 — фактор преобразования объёмных процентов в мл/с). Если обычный показатель сердечного выброса составляет от 2,5 до 3,5 л/(мин-м2), то нормальная величина DO2 колеблется от 520 до 720 мл/(мин.м2). В табл. 2-1 приведены величины всех показателей транспорта кислорода в норме, включённых в обсуждение в этом разделе.
ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА
Потребление кислорода (VO2) является заключительным этапом транспорта кислорода к тканям и представляет собой кислородное обеспечение тканевого метаболизма. Уравнение Фика определяет потребление кислорода как производное сердечного выброса (СВ) и артериовенозной разницы в содержании кислорода (CaO2 - СvО2). При расчёте потребления кислорода мы используем насыщение гемоглобина венозной крови кислородом (SvO2), равное 73%:
VO2 = СВ (СaO2 - CvO2) = СВ (13 х Нb) х (SaO2 - SvO2)
Нормальное значение VO2 = 3 (13 х 14) х (0,97 - 0,73) = 130 мл/(мин.м2).
Выделение выражения (13 х Hb) связано с тем, что оно представляет собой отдельную часть в рассмотренной выше формуле, определяющей содержание кислорода. При нормальных значениях сердечного индекса 2,5-3,5 л/(мин.м2) величина VO2 колеблется от 110 до 160 мл/(мин.м2) (см. табл. 2-1).
ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА И СКОРОСТЬ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Большинство тканей не в состоянии запасать кислород впрок (за исключением мышечной- например, скелетные мышцы сохраняют кислород при помощи миоглобина, способного связывать до 14% общего количества кислорода в организме), поэтому поглощение кислорода из капилляров осуществляется в зависимости от метаболических потребностей в нём (кроме случаев нарушения способности извлекать кислород из капиллярной крови). Когда поглощение кислорода ухудшается, показатель VO2 будет определять скорость метаболических процессов. Такая ситуация возникает обычно у больных, находящихся в критических состояниях, и подробно описана при сепсисе, множественной травме, ожогах. Следовательно, VO2 как показатель скорости метаболических процессов в этих случаях должен быть определён у каждого больного. Более детально эти вопросы рассмотрены в главе 12.
УТИЛИЗАЦИЯ КИСЛОРОДА
Коэффициент утилизации кислорода (КУО2) представляет собой часть кислорода, поглощаемую тканями из капиллярного русла- КУО2 определяют как отношение потребления кислорода к его доставке:
КУО2 = VO2/DO2 x 100.
В норме КУО2 = 130/540 х 100= 24%.
Скорость доставки кислорода в нормальных условиях значительно превышает его потребление, в результате чего лишь малая доля доступного кислорода извлекается из капиллярной крови в обычном состоянии (в покое КУО2 = 22-32%). Это позволяет тканям приспосабливаться к снижению доставки кислорода увеличением его утилизации. КУО2 при тяжёлой мышечной работе способен повышаться до 60-80%.
КОНТРОЛЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА
Поглощение кислорода из капиллярного русла является фактором, поддерживающим КУО2 при изменениях доставки кислорода. Способность регулировать КУО2 может быть нарушена при различных заболеваниях. Более того, это может быть одним из моментов, позволяющих определить заболевание как угрожающее жизни.
Таблица 2-1 Показатели транспорта кислорода в норме
Показатель | Величина |
Доставка кислорода | 520-720 мл/(мин-м2) |
Потребление кислорода | 110-160 мл/(мин-м2) |
Коэффициент утилизации кислорода | 22-32% |
Содержание лактата в сыворотке крови | 0-4 мэкв/л |
Парциальное давление в смешанной венозной крови | 33-53 мм рт.ст. Видео: Как переходим железную дорогу? |
Насыщение гемоглобина смешанной венозной крови кислородом | 68-77% |
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ
Нормальный компенсаторный ответ на снижение кровотока проявляется в виде увеличения поглощения кислорода, достаточного для поддержания VO2 на нормальном уровне.
VO2 = СВ х Hb х 13 ( SaO2 - SvO2).
Если СВ = 3 л/(мин.м2), то VO2 = 3 х 14 х 13 х (0,97-0,73) = 110 мл/(мин.м2).
Когда СВ = 1 л/(мин-м2), VO2 = 1 х 14 х 13 х (0,97-0,37) = 109 мл/(мин.м2).
Падение сердечного выброса компенсируется увеличением разницы SaO2 - SvO2, и VO2 остаётся неизменным. Снижение SvO2 с 73 до 37% отражает увеличение экстракции кислорода. Связь между SaO2 и КУО2 является основанием для мониторирования SvO2 (см. ниже).
Способность компенсировать снижение кровотока повышением поглощения кислорода является характерной особенностью микроциркуляторного русла практически всех органов и тканей, за исключением сердца и диафрагмы. В последних высокая экстракция кислорода (60-75%) из капиллярного ложа происходит уже в норме, поэтому уровень кислорода в тканях сердца и диафрагмы весьма чувствителен даже к малым изменениям кровотока. Для того чтобы коронарное кровообращение полностью удовлетворяло бы метаболические потребности миокарда, необходима высокая объёмная скорость кровотока, поэтому нужно особое внимание при поддержании сердечного выброса у больных с поражением коронарных сосудов.
КРИВАЯ DО2 - VO2
Зависимость между доставкой и потреблением кислорода у здоровых людей представлена на рис. 2-2. Ровная часть кривой, параллельная оси абсцисс, — область, где экстракция кислорода меняется в ответ на изменение кровотока. VO2 на этом отрезке кривой не зависит от кровотока. Точка, где VO2 начинает снижаться, соответствует моменту, когда поглощение кислорода максимально и не может больше возрастать. Эта точка — критический уровень доставки кислорода [7], который представляет собой порог DO2, необходимый для адекватной оксигенации тканей.
Критический уровень DО2 наблюдается в различных клинических ситуациях- например, его значение 300 мл/(мин.м2) отмечено после операций в условиях искусственного кровообращения и у больных с острой дыхательной недостаточностью [7,8]. Однако в других исследованиях постоянного порогового уровня у больных, находящихся в критических состояниях, не выявлено [9,10]. Это указывает на необходимость индивидуального мониторинга DO2 и VO2 при тяжёлых состояниях.
ЗАВИСИМОСТЬ VO2 ОТ КРОВОТОКА
Линейная часть кривой на рис. 2-2 характеризует прямую связь между доставкой кислорода и его потреблением. В этом случае VO2 зависит от кровотока.
Потребление кислорода будет зависеть от потока крови в том случае, когда экстракция кислорода не изменяется в ответ на изменение кровотока. Эта закономерность является общей для различных тяжёлых состояний [5, 6, 9,10].
Линейная зависимость между DО2 и VO2 — показатель нарушения поглощения кислорода из системы микроциркуляции. У больных, находящихся в критических состояниях, экстракция кислорода может оставаться на одном уровне и VO2 cептическом шоке (см. рис. 15-2). В такой ситуации принципиально важным является поддержание сердечного выброса для сохранения доставки кислорода к тканям на должном уровне. Связь между доставкой кислорода и его потреблением представлена также в разделе IV.
Рис. 2-2. Зависимость потребления кислорода (VO2) от его доставки (DО2). Объяснение в тексте.
КИСЛОРОД В СМЕШАННОЙ ВЕНОЗНОЙ КРОВИ
Связь между сердечным выбросом и поглощением кислорода подтверждает высказанное выше предположение о том, что уровень кислорода в венозной крови будет изменяться пропорционально изменению сердечного выброса. Это является основной причиной использования показателя насыщения кислородом смешанной венозной крови (из лёгочной артерии) для мониторинга сердечного выброса [12,13].
ПОКАЗАТЕЛИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА В СМЕШАННОЙ ВЕНОЗНОЙ КРОВИ
Показатели, определяющие содержание кислорода в смешанной венозной крови, легко получить путём перестановки членов в уравнении Фика:
VО2 = СВ х Hb x 13 (SaO2 - SvO2), из этого следует, что SvO2 = SaO2 - (VO2/CB х 13 х Hb),
где SvCO2 — насыщение гемоглобина смешанной венозной крови кислородом.
Наиболее известным фактором в уравнении SvO2 является отношение потребления кислорода к сердечному выбросу (VO2/CB). Если доставку кислорода подставить вместо сердечного выброса, то исходное отношение превращается в коэффициент утилизации кислорода (КУО2 = VO2/DO2). Это свидетельствует о наличии обратной связи между SvO2 и показателем утилизации кислорода. В табл. 2-2 приведены основные причины сниженного содержания кислорода в смешанной венозной крови с использованием членов уравнения SvO2.
ОКСИМЕТРИЯ
Насыщение артериальной крови кислородом можно оценить по показателям газов артериальной крови (рO2, pCO2 и рН), тогда как насыщение кислородом венозной крови необходимо измерять прямым способом. Это обусловлено S-образной формой кривой диссоциации оксигемоглобина (см. рис. 2-1). Насыщение артериальной крови кислородом (точнее, SaO2) попадает на отлогую часть кривой и может быть оценено с незначительной ошибкой. Насыщение кислородом венозной крови (точнее, SvO2), напротив, попадает на крутую часть (например, SvO2 в норме равно 68-77%) и может значительно варьировать даже при незначительной ошибке в измерении. Это является основанием для того, чтобы определять насыщение кислородом венозной крови прямым способом.
Насыщение Hb кислородом определяют с помощью спектрофотометрии. При этом различные формы Нb будут отражать свет с различной длиной волны. Для определения насыщения Hb смешанной венозной крови кислородом используют два метода.
1. Метод in vitro основан на прохождении света через образец крови, помещённый в специальную кювету. Он называется трансмиссионной спектрофотометрией и является традиционным способом измерения SvO2.
2. Исследование in vivo. Свет через катетер, находящийся в лёгочной артерии, направляют прямо в кровоток [13]. Отражённый от Hb свет через фиброоптический пучок в катетере возвращается обратно. Катетер соединён с фотодетектором, который измеряет интенсивность отражённого луча света. Этот метод называется отражательной спектрофотометрией, и с его помощью можно осуществлять постоянное наблюдение за уровнем SvO2.
Преимуществами методики in vitro являются её простота и надёжность, а также возможность определять все формы Hb, в том числе метгемоглобин и карбоксигемоглобин. Ценность метода in vivo заключается в возможности мониторирования SvO2 у постели больного. Мы используем этот способ уже в течение 3 лет в постоперационном периоде (после кардиохирургических операций) и убедились в его надёжности.
«ЛОВУШКИ»
Полагают, что у всех больных после снижения кровотока наблюдается компенсаторное увеличение экстракции кислорода. Это приводит к ошибочному мнению, что SvO2 является маркёром уровня кровотока или сердечного выброса. Следует помнить, что тяжелобольные часто не в состоянии повысить компенсаторную реакцию на снижение кровотока.
Таблица 2-2
Причины низкого уровня кислорода в смешанной венозной крови
У них количество кислорода в венозной крови будет очень мало изменяться в ответ на сдвиги сердечного выброса [10]. Достоверность изменений уровня кислорода в венозной крови при мониторировании сдвигов сердечного выброса у больных, находящихся в критическом состоянии, показана на рис. 2-3. У этих больных была диагностирована дыхательная недостаточность, вызванная респираторным дистресс-синдромом взрослых- каждая линия на рисунке отражает измерения, сделанные у одного пациента. Как видно из графиков, у больных данной группы отмечена лишь незначительная корреляция между степенью насыщения кислородом венозной крови и сердечным индексом. Это типично для пациентов с клиническими признаками шока, но может наблюдаться и у любого тяжелобольного. Таким образом, важно выявлять связь между сердечным выбросом и количеством кислорода в смешанной венозной крови у каждого больного перед тем, как использовать показатели SvO2 или paO2 для мониторирования изменений DО2 или VO2.
МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА
Компоненты системы транспорта кислорода определяют снабжение им тканей, но не дают информации об адекватности этого снабжения. Более того, нормальный уровень потребления кислорода не обязательно является адекватным, например, тогда, когда скорость метаболических процессов значительно повышена. Если скорость обмена веществ в тканях превышает скорость снабжения их кислородом, то ткани переключаются на анаэробный тип дыхания и вырабатывают молочную кислоту. Таким образом, концентрация лактата в сыворотке крови может быть использована для оценки баланса между VO2 и метаболической потребностью в кислороде.
Рис. 2-3.Связь между насыщением кислородом смешанной венозной крови (лёгочная артерия, определение SvO2) и сердечным индексом у больных с респираторным дистресс-синдромом взрослых. Объяснение в тексте.
КИНЕТИКА ЛАКТАТА
Молочная кислота является конечным продуктом анаэробного дыхания (гликолиза), но также образуется и при аэробных процессах. В норме выработка молочной кислоты составляет около 1 мэкв/(кгч) [14], или 1800 мэкв/сут у взрослого человека с массой тела 70 кг. Молочная кислота проникает через клеточную мембрану и попадает в капиллярную кровь. Анионы лактата используются в печени для синтеза гликогена (цикл Кори). Почки могут «очищать» кровь от лактата, но почечный клиренс молочной кислоты незначителен до тех пор, пока содержание лактата в крови ниже 6-7 мэкв/л [14].
РЕКОМЕНДАЦИИ
Уровень лактата в сыворотке крови можно измерить в верхней полой вене, лёгочной артерии или периферических артериях [16]. Возможна оценка концентрации молочной кислоты и в цельной крови в течение нескольких секунд, которая требует только несколько микролитров крови [14]. В обычных условиях содержание лактата в сыворотке крови не превышает 2 мэкв/л [14], но у больных, находящихся в отделениях интенсивной терапии, его уровень может достигать 4 мэкв/л [14,15]. Скорость выведения лактата из крови может помочь различить его нормальную и патологическую продукцию. Так, например, период полувыведения молочной кислоты в норме составляет 1 ч, а при патологии — более 2 ч.
ДОСТОВЕРНОСТЬ
При использовании сывороточного лактата в качестве маркёра тканевой ишемии основной проблемой становятся чувствительность и специфичность этого теста.
Чувствительность. Чувствительность данного теста не известна. Однако не вызывает сомнений, что он малочувствителен в отношении тканевой ишемии. По-видимому, в ишемизированных тканях будет снижен венозный отток, входящий в обш.ий венозный пул, и это будет уменьшать (в результате разведения) концентрацию лактата, образующегося в тканях. На самом деле значительное снижение притока крови в орган (ишемия) уменьшает отток, способствующий в том числе и образованию общего венозного пула, и увеличивает разведение «истекающей» из органа молочной кислоты. Это ограничивает применение сывороточного лактата в качестве маркёра местной ишемии.
Специфичность. Здесь основной проблемой является роль печёночной недостаточности в поддержании повышенной концентрации лактата. Печёночная недостаточность сама по себе не приводит к увеличению выработки молочной кислоты [18]. Однако при уменьшении клиренса лактата одновременно с повышенным его превращением (оно наблюдается при шоковых состояниях) возможно участие печени в увеличении содержания молочной кислоты в сыворотке крови. Печёночный клиренс лактата может поддерживаться при снижении печёночного кровотока до значений 70% нормы или при падении рО2 в венозной крови печени до 24 мм рт.ст. Это означает, что печень играет незначительную роль в накоплении молочной кислоты, когда уменьшен кровоток, если только рO2 в венозной крови не падает до низкого уровня. В настоящее время общепризнано, что накопление лактата в крови отражает увеличение его продукции, а не сниженный клиренс.
Некоторые нарушения, наблюдаемые в клинике, связывают с повышением уровня молочной кислоты в сыворотке крови без выраженной ишемии органов. Сюда относятся дефицит тиамина, бактериальная пневмония, генерализованные тонико-клонические судороги, респираторный алкалоз и политравма [14,16]. Эти состояния следует иметь в виду у больных с повышенным содержанием лактата в сыворотке крови.
РЕЗЮМЕ
Содержание лактата в сыворотке крови можно использовать для определения программы лечения в тех случаях, когда VO2 соответствует уровню тканевого метаболизма. Повышение содержания молочной кислоты выше 4 мэкв/л, продолжающееся в течение нескольких часов, расценивают как доказательство тканевой ишемии. Однако и нормальная концентрация лактата в сыворотке крови, вероятно, не исключает ишемии тканей. Когда подозревают неадекватную оксигенацию тканей, но уровень лактата нормальный, необходимо проведение серийных исследований.
Для получения более полной информации об использовании сывороточного лактата, в частности при шоке, см. главу 12.
ЛИТЕРАТУРА
Snyder JV, Pinsky MR, eds. Oxygen transport in the critically III. 2nd ed. Chicago: Year Book Medical Publishers, 1987.
Dantzger DR. ed. Cardiopulmonary critical care. Orlando: Grime & Stratton, 1986.
ОБЗОРЫ
- Shoemaker WC. Pathophvsioiogy, monitoring, outcome prediction, and therapy of shock states. Crit Care Clin 1987- 3:307-358.
- Shoemaker WC. Relationship of oxygen transport patterns to the pathophysiology and therapy of shock states. Intensive Care Med 1987- 23:230-243.
- Fahey JT, Lister G. Oxygen transport in low cardiac output states. J Crit Care 1987- 2:288-305.
- Schumacher FT, Cain SM. The concept of critical oxygen delivery. Intensive Care Med 1987- 13:223-229.
- Rackow EC, Astiz M, Weil MH. Cellular oxygen metabolism during sepsis and shock. JAMA 1988- 259:1989-1993.
- Dantzger D. Oxygen delivery and utilization in sepsis. Crit Care Clin 1989: 5:81-9.
- Komatsu Т, Shibutani К, Okamoto К, et al. Critical level of oxygen delivery after cardiopulmonary bypass. Crit Care Med 1987- 15:194-197.
- Rashkin MC, Bosken С, Baughman RP. Oxygen delivery in critically ill patients. Relationship to blood lactate and survival. Chest 1985- 87:580-584.
- Mohsenifar Z, Goldbach P, Tashkin DP, et al. Relationship between 0- delivery and 0- consumption in the adult respiratory distress syndrome. Chest 1983- 84:267-272.
- Danek SJ, Lynch JP, Weg J, Dantzger DR. The dependence of oxygen uptake on oxygen delivery in the adult respiratory distress syndrome. Am Rev Respir Dis 1980- 122:387-395.
- Astiz ME, Rackow EC, Kaufman B, et al. Relationship of oxygen delivery and mixed venous oxygenation to lactic acidosis in patients with sepsis and acute myocardial infarction. Crit Care Med 1988: 16:655-662.
КОНТРОЛЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ КИСЛОРОДА
КИСЛОРОД В СМЕШАННОЙ ВЕНОЗНОЙ КРОВИ
- Kandei G, Aberman A. Mixed venous oxygen saturation. Its role in the assessment of the critically ill. Arch Intern Med 1983- 343:1400-1402.
- Birman H, Haq A, Hew E, Aberman A. Continuous monitoring of mixed venous oxygen saturation in hemodynamically unstable patients. Chest 1984- В§6:753-756.
- Mizock BA. Lactic acidosis. Disease-A-Month 1989- 5:235-300.
- Haijamae H. Lactate metabolism. Intensive Care World 1987- 4:118-121.
- Weil MB, Michaels S, Rackow E. Comparison of blood lactate concentrations in central venous, pulmonary artery, and arterial blood. Crit Care Med 1987- 15:489-490.
- dark L Jr, Noyes LK, Grooms ТА, Moore MS. Rapid micro-measurement of lactate in whole blood. Crit Care Med 1984- 12:461-464.
- Kruse JA, Zaidi-SAJ, Carlson RW. Significance of blood lactate levels in critically ill patients with liver disease. Am J Med 1987- 83:77-82.
- Tashkin DP, Goldstein PJ, Simmons DH. Hepatic lactate uptake during decreased liver perfusion and hypoxemia. Am J Physiol 1972- 223:968-974.
Содержание
