导图社区 第07章 缺氧 思维导图
这是一篇有关病理生理学 人民卫生出版社 第九版 的思维导图,主要内容包含常用的血氧指标、缺氧的原因、分类和血氧变化特点等。
编辑于2021-06-13 20:28:16第七章 缺氧
第一节 常用的血氧指标
血氧分压
血氧容量
血氧含量
血红蛋白氧饱和度
第二节 缺氧的原因、分类和血氧变化特点
一、低张性缺氧
吸入氧分压降低
高原
外呼吸功能障碍
肺通气障碍
肺换气障碍
静脉血分流如动脉
房间隔或室间隔缺损
法洛四联症
二、血液性缺氧
血红蛋白含量减少
贫血
一氧化碳中毒
氧解离曲线左移
抑制红细胞糖酵解→2,3-DPG生成减少
高铁血红蛋白血症
2铁变3铁
硝酸盐腌菜
过氯酸盐及磺胺衍生物
先天病
血红蛋白与氧的亲和力异常增高
2,3-DPG减少
ph上升
血红蛋白性质改变
三、循环性缺氧
全身性循环障碍
心力衰竭
休克
局部性循环障碍
动脉硬化
血管炎
血栓形成
四、组织性缺氧
药物对线粒体氧化磷酸化的抑制
氰化物中毒
呼吸链抑制
2,4-二硝基苯酚
呼吸酶合成减少
维生素b1
维生素b2
维生素pp
线粒体损伤

第三节 缺氧时机体的功能与代谢变化
低张性缺氧为例
一、呼吸功能变化
(一)肺通气量增大
PaO,降低可刺激颈动脉体和主动脉体化学感受器,反射性兴奋呼吸中枢,使呼吸加深加快,肺泡通气量增加,称为低氧通气反应( hypoxia ventilation reaction,HVR )
意义
①呼吸加深加快可把原来未参与换气的肺泡调动起来,增大呼吸面积,提高氧的弥散,同时更多的新鲜空气进入肺泡,提高肺泡气氧分压、PaO,和 SaO,;
②呼吸深快时胸廓活动幅度增大,胸腔负压增加,促进静脉回流,回心血量增多,促使肺血流量和心输出量增加,有利于气体在肺内的交换和氧在血液的运输。
低氧通气反应是人类生来就有的特性,个体间有较大差异。低氧通气反应高者对低氧环境的习服适应能力强。反之,低氧通气反应低者的习服适应能力弱,进入高原后易患高原病
低氧通气反应的强度与缺氧程度和缺氧持续的时间有关。
肺泡气氧分压维持在60mmHg以上时,肺通气量变化不明显。
肺泡气氧分压低于60mmHg时,肺通气量随肺泡气氧分压降低而显著增加
平原人进入高原后,肺通气量立即增加(初抵4000m高原时肺通气量较平原水平约高65% ) ,4 ~7天后达到高峰(可达平原水平的5~7倍),久居高原后,肺通气量逐渐回降,仅较平原高15%左右。
这种变化的机制在于
进入高原初期肺通气反应增强是由低PaO,刺激外周化学感受器引起的,但此时的过度通气可导致低碳酸血症和呼吸性碱中毒,脑脊液中CO,分压降低, pH增高,对脑干化学感受器的刺激减弱,部分抵消外周化学感受器兴奋呼吸的作用。数日后,通过肾脏代偿性排出HCO,,脑脊液中的HCO,也逐渐通过血脑屏障进入血液,使脑组织中 pH逐渐恢复正常,解除对中枢化学感受器的抑制作用,外周化学感受器兴奋呼吸的作用得以充分发挥,肺通气量显著增加。
在高原停留一段时间后或久居高原的人,由于外周化学感受器对低氧的敏感性降低,通气反应逐渐减弱,这也是一种慢性适应性反应,因为肺通气量增加时呼吸肌耗氧量增加,可加剧机体氧的供需矛盾。
血液性缺氧.循环性缺氧及组织性缺氧时,由于动脉血氧分压正常,肺通气量无明显变化。
(二)高原肺水肿
少数人从平原快速进入2500m 以上高原时,可因低压缺氧而发生一种高原特发性疾病,高原肺水肿( high altitude pulmonary edema,HAPE) ,临床表现为呼吸困难,严重发绀,咳粉红色泡沫痰或白色泡沫痰,肺部有湿啰音等。
高原肺水肿的发生机制尚不十分明了,可能与下列因素有关:
①缺氧引起肺血管收缩,肺动脉压增高,肺毛细血管内压增高,血浆、蛋白和红细胞经肺泡-毛细血管壁漏出至间质或肺泡;
②缺氧可引起肺血管内皮细胞通透性增高,液体渗出增加;
③缺氧时外周血管收缩,肺血流量增多,液体容易外漏;
④肺水清除障碍。肺泡上皮具有主动转运清除肺泡内液体的功能。缺氧时肺泡上皮的钠水主动转运系统相关蛋白表达降低,对肺泡内钠和水的清除能力降低。
(三)中枢性呼吸衰竭
当PaO, <30mmHg时,可严重影响中枢神经系统的能量代谢,直接抑制呼吸中枢,导致肺通气量减少。
中枢性呼吸衰竭表现为呼吸抑制,呼吸节律和频率不规则,出现周期性呼吸甚至停止。
周期性呼吸( periodic breathing)表现为呼吸加强与减弱减慢甚至暂停交替出现,常见的有潮式呼吸和间停呼吸两种形式。
潮式呼吸卫称陈-施呼吸(Cheyne-Sinkes respiration) ,其特点是呼吸逐渐增强、增快,再逐渐减弱、减慢与呼吸暂停交替出现;
间停呼吸又称比-奥呼吸( Biot respiration) ,其特点是在一次或多次强呼吸后继以长时间呼吸停止之后再次出现数次强的呼吸。
二、循环系统
(一)心脏功能和结构变化
1.心率﹐
急性轻度或中度缺氧时,低氧通气反应增强,呼吸运动增强刺激肺牵张感受器,反射性兴奋交感神经,使心率加快,有利于增加血液循环对氧的运输,是机体对缺氧的一种代偿性反应。
严重缺氧可直接抑制心血管运动中枢,并引起心肌能量代谢障碍,使心率减慢。
2.心肌收缩力
缺氧初期,交感神经兴奋,作用于心脏β-肾上腺素能受体,使心肌收缩力增强。
以后,若心肌细胞本身发生了缺氧,则可降低心肌的舒缩功能,使心肌收缩力减弱。
极严重的缺氧可直接抑制心血管运动中枢,并引起心肌的能量代谢障碍和心肌收缩蛋白破坏,使心肌收缩力减弱。
3.心输出量
进人高原初期,心输出量增加,久居高原后,心输出量逐渐回降。
低张性缺氧时,心输出量增加的机制主要是交感神经兴奋使心率加快、心肌收缩力增强,以及因呼吸运动增强而致的回心血量增加。心输出量增加有利于增加对器官组织的血液供应,是急性缺氧时的重要代偿机制。
极严重的缺氧可因心率减慢、心肌收缩力减弱以及回心血量减少,使心输出量降低。
4.心律﹐
严重缺氧可引起窦性心动过缓、期前收缩,甚至发生心室颤动。PaO,过度降低可经颈动脉体反射性地兴奋迷走神经,引起窦性心动过缓。
缺氧时细胞内外离子分布改变,心肌细胞内K*减少,Na*增多,静息膜电位降低,心肌兴奋性和自律性增高,传导性降低,易发生异位心律和传导阻滞。
5.心脏结构改变﹐
久居高原或慢性阻塞性肺疾病患者,由于持久的肺动脉压升高和血液黏滞度增加,使右心室负荷加重,右心室肥大,严重时发生心力衰竭。
(二)血流分布改变
缺氧时,全身各器官的血流分布发生改变,心和脑的血流量增多,而皮肤、内脏、骨骼肌和肾的组织血流量减少。例如,到达3000m高原12小时后,脑血流量可增加33%。
缺氧时血流重新分布的机制是:
①不同器官血管的α-肾上腺素受体密度不同,对儿茶酚胺的反应性不同。皮肤、内脏和肾脏的血管α-肾上腺素受体密度高,对儿茶酚胺的敏感性较高,缺氧时交感神经兴奋、儿茶酚胺释放增多,这些部位的血管收缩明显,血流量减少。
②局部代谢产物对血管的调节。心脏和脑组织缺氧时产生大量的乳酸、腺苷、PGI,等代谢产物,这些代谢产物可引起局部组织血管扩张,从而使组织血流量增多。
③不同器官血管对缺氧的反应性不同。缺氧引起心、脑血管平滑肌细胞膜的Ca*激活钾通道(K。)和ATP敏感性钾通道(KAm)开放,钾外流增多,细胞膜超极化,Ca*内流减少,血管平滑肌松弛,血管扩张。与之相反,缺氧引起肺血管平滑肌细胞膜钾离子通道关闭,细胞膜去极化,Ca"*内流增多,肺血管收缩。
缺氧时血液重新分布有利于保证重要生命器官氧的供应,具有重要的代偿意义。但如果反应过于强烈,则可产生不利的影响。例如,平原人进入高原后,脑血流量增多,有利于保证脑的血氧供应,但如果脑血流量增加过多,超过脑室和脊髓腔的缓冲能力,则可引起颅内压显著增高,成为剧烈头痛等高原反应症状发生的重要机制。
(三)肺循环的变化
急性缺氧引起肺血管收缩, 慢性缺氧在引起肺血管收缩的同时还可引起以管壁增厚、管腔狭窄为特征的肺血管结构改建,导致持续的肺动脉高压。
1.缺氧性肺血管收缩﹐
肺循环的特点是流量大、压力低、阻力小,容量大,有利于使流经肺的血液充分氧合。肺泡气PO,降低可引起该部位肺小动脉收缩,称为缺氧性肺血管收缩( hypoxicpulmonary vasoconstriction, HPV)。HPV 的生理学意义在于减少缺氧肺泡周围的血流,使这部分血流转向通气充分的肺泡,有利于维持肺泡通气与血流的适当比例,从而维持较高的PaO,。
正常情况下,由于重力的作用,肺尖部的肺泡通气量较大,而血流量相对不足,该部位肺泡气中的氧不能充分被血液运走。
当缺氧引起较广泛的肺血管收缩导致肺动脉压升高时,肺尖部的血流增加,使这部分的肺泡通气得到更充分的利用。由此可以看出, HPR是对缺氧的一种代偿性反应。但过强的HPR,则是高原肺水肿发生的重要机制。临床研究发现,高原肺水肿患者的HPV和肺动脉压显著高于同海拔健康人。
缺氧引起肺血管收缩的机制主要在于:
①缺氧抑制肺血管平滑肌钾通道。
肺动脉平滑肌细胞上有电压依赖性钾通道(Ky)、K。和KArp ,
其中Ky是决定肺动脉平滑肌细胞静息膜电位的主要钾通道,急性缺氧可抑制该通道的开放,使K*外流减少,细胞膜去极化,电压控制的钙离子通道开放,Ca*内流增多引起血管收缩。钾通道开放剂和钙离子通道阻断剂均可抑制HPR。
②缺氧时平滑肌活性氧产生增多。
缺氧引起肺血管平滑肌细胞线粒体功能障碍,导致活性氧( reactive oxygen species ,ROS)产生增多。ROS可抑制K,通道,使Ca"*内流增多。
同时,ROS可激活肌浆网上的雷诺丁受体( ryanodine re-ceptor ,RyR),促进肌浆网释放钙,使细胞内游离钙增多,血管收缩。
③缩血管物质增多,舒血管物质减少。
缺氧时,血栓素A.,内皮素、血管紧张素Ⅱ、5-羟色胺等缩血管物质产生增多,而一氧化氮、前列环素、肾上腺髓质素心房钠尿肽等舒血管物质产生减少,导致肺血管收缩。
④交感神经兴奋。
肺小动脉α-肾上腺素受体分布密度高,与去甲肾上腺素的亲和力大,且有实验证明,随着氧分压降低,肺血管平滑肌表面的α-肾上腺素受体增多,β受体减少。缺氧时,交感神经兴奋,经α受体引起肺血管收缩。
2.缺氧性肺动脉高压﹐
慢性缺氧不仅使肺小动脉长期处于收缩状态,还可引起肺血管结构改建,表现为无肌型微动脉肌化,小动脉中层平滑肌增厚,管腔狭窄,同时肺血管壁中胶原和弹性纤维沉积,血管硬化,顺应性降低,形成持续的缺氧性肺动脉高压( hypoxic pulmonary hypertension, HPH)。持久的肺动脉高压,可因右心室后负荷增加而导致右心室肥大以致衰竭。
缺氧性肺动脉高压是肺源性心脏病和高原心脏病发生的中心环节。
急性缺氧引起的肺动脉压升高在解除缺氧后可迅速恢复正常,而慢性缺氧导致的肺动脉高压在解除缺氧后仅有部分恢复,达不到正常水平,说明HPH的发生机制包括血管收缩和结构改建两个方面,
主要机制有:
①长期缺氧可选择性抑制肺动脉K,通道α亚单位的表达,使外向性K*电流减少,细胞膜去极化, Ca*内流增加,在引起血管收缩的同时促进平滑肌细胞增殖。
②缺氧可引起缩血管物质产生增多,舒血管物质产生减少,它们在引起血管收缩的同时,可促进血管平滑肌细胞、成纤维细胞增殖,以及细胞外基质沉积。
③缺氧时细胞内ROS增多,可激活RhoA、Rho激酶,进而提高肌球蛋白轻链的磷酸化水平(MLC-P),引起平滑肌持续收缩。同时, RhoA可与缺氧诱导因子-1( hypoxia induciblefactor 1 ,HIF-1)一起,上调多种增殖相关基因的表达,促进细胞增殖。
④肺血管持续收缩,可通过细胞骨架应力变化等途径促进细胞增殖(图7-5)。
(四)组织毛细血管增生
慢性缺氧可引起组织中毛细血管增生,尤其是心脏和脑的毛细血管增生更为显著。
缺氧时毛细血管增生的机制
主要在于:缺氧时HIF-1表达增多,上调血管内皮生长因子( vascular endotheliumgrowth factor , VECF)等基因的表达,进而促进毛细血管增生。
另外,缺氧时ATP生成减少,腺苷增多,也可刺激血管生成。组织中毛细血管增生、密度增大,缩短了氧从血管向组织细胞弥散的距离,增加了组织供氧量,具有代偿意义。
三、血液系统
缺氧可使骨髓造血增强、红细胞增多及氧合Hb解离曲线右移,从而增加氧的运输和释放,在缺氧的代偿中有重要意义。
(一)红细胞和血红蛋白增多
平原人进入高原后,红细胞和血红蛋白均显著增加,缺氧程度越重,持续时间越长,红细胞和血红蛋白增加越显著。慢性缺氧时红细胞增多主要是由骨髓造血增强所致,
其机制是:
缺氧引起肾小管旁间质细胞内HIF-1表达增多,活性增高,促进促红细胞生成素( erythropoietin ,EPO)基因表达,使EPO合成释放增多。EPO主要通过调节红系的增生和分化,抑制原红细胞和早幼红细胞凋亡等途径,使红细胞生成增加。
红细胞和血红蛋白含量增多可增加血氧容量和血氧含量,增加组织的供氧量,是机体对慢性缺氧的一种重要代偿性反应。大多数人进入高原后红细胞增加到一定程度后即趋于稳定,但有少数人的红细胞会过度增多(Hb可达210~280g/L,红细胞压积可达60% ~90%)。此时,因血液黏滞度和血流阻力显著增加,导致微循环障碍,加重组织细胞缺氧,并易导致血栓形成等并发症,出现头痛、头晕、失眠等多种症状.称为高原红细胞增多症。
(二)红细胞内2,3-DPG增多、红细胞释氧能力增强
从平原进入高原后,红细胞内2,3-DPG含量迅速增高,返回平原后迅速恢复。
2,3-DPG的功能主要是调节血红蛋白与氧的亲和力:
①2,3-DPG与脱氧血红蛋白(HHIb)结合,使其空间结构稳定,从而结合氧的能力降低;
②2,3-DPC本身为酸性,2,3-DPC增多,使红细胞内pH降低,通过Bohr效应降低血红蛋白与氧的亲和力。
缺氧时,红细胞中的2,3-DPC含量增多,氧离曲线右移,有利于红细胞释放出更多的氧,供组织、细胞利用。红细胞内2,3-DPC是在糖酵解支路中产生的,其含量多少取决于糖酵解速度、二磷酸甘油酸变位酶( DPCM)和2,3-DPG磷酸酶(DPGP)的活性,以及2,3-DPG与血红蛋白的结合量。DPCM 催化它的合成, DPCP促进它的分解。
缺氧时,2,3-DPG增多的机制是
:①生成增多。低张性缺氧时氧合血红蛋白(HbO,)减少,HHb增多。Hb0,的中央孔穴小不能结合2,3-DPG,而HHb的中央空穴大可结合2,3-DPC(图7-6)。HHIb增多,对2,3-DPG的结合增加,红细胞内游离的2,3-DPG减少,使2,3-DPC对磷酸果糖激酶和DPGM的抑制作用减弱,从而使糖酵解增强,2,3-DPG生成增多。另外,缺氧时代偿性过度通气引起呼吸性碱中毒,以及由于HHb稍偏碱性,致使pH增高,激活磷酸果糖激酶使糖酵解增强,同时增强DPGM的活性,2,3-DPG合成增加。
②分解减少。pH增高可抑制DPCP的活性,使2,3-DPG分解减少(图7-7)。
四、中枢系统
脑的重量仅为体重的2% ~3% ,而脑血流量却占心输出量的15% ,脑的氧耗量占机体总氧耗量的23%。脑组织的能量主要来源于葡萄糖的有氧氧化,而脑内葡萄糖和氧的储备量很少,因此脑组织对缺氧极为敏感。一般情况下,脑组织完全缺氧15秒,即可引起昏迷;完全缺氧3分钟以上,可致昏迷数日;完全缺氧8~10分钟,常致脑组织发生不可逆损害。
急性缺氧可引起头痛、思维能力降低、情绪激动及动作不协调等。严重者可出现惊厥或意识丧失。慢性缺氧时神经精神症状较为缓和,表现为注意力不集中,记忆力减退,易疲劳,轻度精神抑郁等。缺氧引起脑组织形态学变化主要是脑细胞肿胀、变形、坏死及间质脑水肿。
缺氧引起中枢神经系统功能障碍的机制较复杂。神经细胞膜电位的降低,神经介质的合成减少、ATP的生成不足,酸中毒、细胞内游离Ca"*增多、溶酶体酶的释放以及细胞水肿等,均可导致神经系统的功能障碍,甚至神经细胞结构的破坏。极少数人进人3000m 以上高原后,可发生脑水肿,表现为剧烈头痛,共济失调和昏迷,救治不及时易致死亡。
其发生机制是:
①脑血管扩张,脑血流量增加,脑循环流体静压升高,引起液体外漏。
②脑组织能量代谢紊乱。缺氧时脑细胞氧化磷酸化过程减弱,ATP生成减少,钠泵功能障碍,细胞内钠、水潴留,脑细胞肿胀。
③血管内皮细胞损伤,脑微血管通透性增高。缺氧时的代谢性酸中毒、自由基生成增多,以及细胞因子和炎症介质等可损伤血管内皮细胞,使血管通透性增高。此外,缺氧可引起血-脑屏障紧密连接蛋白表达和分布异常,使内皮细胞间隙增大,血管通透性增高。缺氧时血管内皮生长因子(VECF)表达增多,可诱导内皮细胞紧密连接开放,增加血管壁通透性。
五、组织、细胞
(一)代偿适应性变化 缺氧时,机体除了通过增加通气量,心输出量、血红蛋白含量等器官系统水平的机制进行代偿外,还可在组织细胞层面发生一系列代偿适应性反应,以维持正常的生命活动。
1.细胞利用氧的能力增强慢性缺氧可使线粒体数量增多,表面积增大,从而有利于氧的弥散和利用。同时,线粒体呼吸链中的酶如细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶的含量增多,活性增强,提高细胞对氧的利用能力。高原世居藏族对高原缺氧环境有很强的适应能力,与移居汉族相比,藏族可以以较低的耗氧量完成同等的做功,说明藏族在组织细胞水平对氧的利用效率高,是其适应高原缺氧环境的重要机制。
2.糖酵解增强磷酸果糖激酶是糖酵解的限速酶。缺氧时,ATP生成减少,ATP/ADP比值降低,使磷酸果糖激酶活性增强,糖酵解过程加强。糖酵解通过底物磷酸化,在不消耗氧的情况下生产ATP,以补偿能量的不足。
3.载氧蛋白表达增加细胞中存在有多种载氧蛋白( oxygen carrying protein),如肌红蛋白( myoglobin , Mb)、脑红蛋白( neuroglobin ,NGB)和胞红蛋白( cytoglobin ,CCB)等。慢性缺氧时含量增多,组织、细胞对氧的摄取和储存能力增强。其中,Mb是一种广泛存在于肌细胞中的载氧蛋白,它与氧的亲和力显著高于血红蛋白。Mb的P,为1mmHg,而血红蛋白的P,约为26mmHg。当PO,为10mmHg时,血红蛋白的氧饱和度约为10% ,而肌红蛋白的氧饱和度可达70%(图7-8)。因此,肌红蛋白能有效促进氧从血液、组织间液向细胞内转移,同时具有储存氧的作用,并直接介导氧向线粒体的传递。 慢性缺氧时细胞肌红蛋白、脑红蛋白及胞红蛋白含量增多,组织、细胞对氧的摄取和储存能力增强。
4.低代谢状态缺氧时机体通过一系列调整机制,使细胞的耗能过程减弱,如糖、蛋白质合成减弱等,减少氧的消耗,以维持氧的供需平衡。 缺氧时在细胞水平发生的一系列代偿适应性反应多是通过基因水平的改变来实现的。目前已知,缺氧可诱导上百种基因的表达,这些基因统称为缺氧相关基因( hypoxia related gene ),所编码蛋白质的功能涉及红细胞生成、血管增生、血管张力调节、糖酵解,以及细胞增殖、凋亡等,在介导细胞缺氧反应中发挥重要作用。缺氧相关基因的表达受转录因子的调控,其中以HIF-1的作用最为重要。HIF-1由α和β两个亚基组成。常氧时,HIF-1α第402和564位的脯氨酸在脯氨酸羟化酶的作用下被羟化,进而经泛素化途径降解,使胞质中的HIF-1α保持在较低水平, HIF-1的功能受抑制。缺氧时,脯氨酸羟化酶的羟化作用减弱,HIF-1α的降解减少,胞质中的含量增高。HIF-1α进入细胞核与HIF-1β形成二聚体,成为有活性的转录因子,与缺氧相关基因增强子中的特异序列结合,从而增强缺氧相关基因的表达(图7-9)。
(二)损伤性变化 缺氧可引起细胞发生一些损伤性变化。
1.细胞膜损伤缺氧时ATP生成减少,细胞膜上Na*-K*-ATP酶功能降低,加上缺氧时细胞内乳酸增多,pH降低,使细胞膜通透性升高,细胞内Na',水增多,细胞水肿;细胞内Na'增多和K*减少,还可使细胞膜电位负值变小,影响细胞功能。严重缺氧时,细胞膜对Ca*的通透性增高,Ca*内流增多,同时因为细胞膜钙泵和肌浆网对钙的摄取均是主动转运过程,需水解ATP,由于缺氧时ATP减少使Ca'*的外流和被肌浆网摄取减少,使胞质Ca"*浓度增加。Ca*可抑制线粒体的呼吸功能,激活磷脂酶,使膜磷脂分解。此外,Ca"*还可激活钙依赖的蛋白水解酶,使黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶,从而增加氧自由基的形成,加重细胞的损伤。
2.线粒体损伤.急性缺氧时,线粒体氧化磷酸化功能降低,ATP生成减少。严重缺氧可引起线粒体结构损伤,表现为线粒体肿胀,脊断裂溶解,外膜破裂和基质外溢等。缺氧引起线粒体损伤的机制在于:缺氧时产生大量氧自由基诱发脂质过氧化反应,破坏线粒体膜的结构和功能;缺氧时细胞内Ca*超载,线粒体摄取钙增多,并在线粒体内聚集形成磷酸钙沉积,抑制氧化磷酸化,ATP生成减少。
3.溶酶体损伤﹐酸中毒和钙超载可激活磷脂酶,分解膜磷脂,使溶酶体膜的稳定性降低,通透性增高,严重时溶酶体可以破裂。溶酶体内蛋白水解酶逸出引起细胞自溶,溶酶体酶进入血液循环可破坏多种组织细胞,造成广泛的损伤。
第四节 治疗的病理生理学基础
一、去除病因
二、氧疗
三、防止中毒