Hypoxie organizmu. Poruchy transportu kyslíku. ku. Přednáška z patologické fyziologie 8. 11. 2004 Dodávka kyslíku ku Lidské tělo potřebuje kyslík v množství asi 250 ml/min v klidu (asi 350 l/den) a až 10 x víc při intenzívní tělesné činnosti Nemohou se tvořit téměř žádné rezervy dodávka kyslíku bu kám organizmu je nep etržitý d j P erušení příčinou smrti (tzv. klinická smrt) Užívané pojmy: Hypoxie označení pro stavy, kdy je v organizmu nebo v n které jeho části nedostatek kyslíku Hypoxémie snížení obsahu kyslíku v arteriální krvi Asfyxie stav, kdy je nejenom nedostatek kyslíku, ale hromadí se i CO 2 Zásoby kyslíku ku v organizmu Význam kyslíku ku pro organizmus V těle se nachází množství kyslíku, které vydrží asi na 5 minut (při spotřebě 250ml/min) Zásoby O 2 jsou představovány: - kyslíkem obsaženým v krvi (necelých 1000 ml) - v plicích (300 800 ml) - ve tkáních mimo krev je malé množství fyzikálně rozpuštěného kyslíku (ve svalech je toto množství zvýšenoo kyslík navázaný na myoglobin) Malé tkáňové zásoby dokumentuje : při zástavě cirkulace ztráta vědomí do 10 sec Největší část kyslíku spotřebovaného buňkami organizmu (85-90%) využito v aerobním metabolismu pro výrobu ATP význam: - udržení iontových gradientů na buněčných membránách - pro funkci kontraktilních buněčných elementů - pro různé syntézy v mitochondriích Další reakce spotřebovávající O 2 : hydroxylace steroidních látek, hydroxylace cizorodých látek v játrech degradace hemu (hemoxygenázou)

Esovitý tvar disociační k ivky kyslíku ku krve udržuje uje vysoký po 2 na venozním konci kapilár Kritická tenze kyslíku. ku. Tká ová hypoxie - Pro činnost buněk je rozhodující přítomnost dostatečného počtu molekul kyslíku (zejména v mitochondriích) Koncentraci kyslíku vyjadřujeme jeho parciálním tlakem, který (spolu s koeficientem rozpustnosti O 2 ve vodě) rozhoduje o množství molekul O 2 přítomných v jednotkovém objemu tkáně (ve svalech zvyšuje množství kyslíku přítomnost myoglobinu, v krvi Hb) - V bezprostředním okolí (a uvnitř) mitochondrií rozhoduje o jeho množství jen parciální tlak jsou schopny produkovat pot ebné množství ATP, když je parciální tlak kyslíku (jeho tenze ) vyšší než 0,13 kpa (1 mm Hg) kritická tenze kyslíku Tká ová tenze kyslíku ku Difúzn zní kapacita (D O2 )mikrocirkulace pro kyslík k (ml O2 /kpa/min) Tenze kyslíku ve vzduchu a v organizmu Kyslíkové gradienty v okolí kapiláry Kyslík difunduje z krve, která protéká tkáňovou mikrocirkulací do okolní tkáně, kde dochází k jeho spotřebě (V O2 ) Množství kyslíku, které difunduje do tkání z kapilár za jednotku častu a je zde spotřebováváno (mlo2/min) je určováno rovnicí: V O Axk( po 2kap po 2 = l 2 ) mitoch A velikost povrchu všech kapilár zde přítomných a perfundovaných krví k koeficient difúze l difúzní vzdálenost, tj. poloviční vzdálenost mezi dvěma kapilárami p O2kap p O2mitoch = průměrný kapilárně-mitochondriální gradient tenze kyslíku

Kyslíkový transportní mechanizmus zajišťuje potřebnou dodávku kyslíku do kapilár a udržení jeho dostatečného tlaku v kapilárách Mechanizmy zahrnují (v postnatálním období): - činnost plic, srdce, periferního oběhu a erytrocytů Celková dodávka ( nabídka ) kyslíku tkáním je vyjádřena: dodávka O 2 = Q x (1,34 x konc. Hb) x S a O 2 Q - je srdeční výdej (l/min) konc. Hb koncentrace Hb v krvi (g/l) S a O 2 frakční saturace arteriální krve kyslíkem (100% saturace = 1) S v O 2 Dodávka kyslíku tkáním je vždy větší než je jeho spotřeba tkáněmi - a to o množství kyslíku, které se vrací ve venózní krvi do pravého srdce (norm. 75%) Spotřeba kyslíku tkáněmi (V O2 ) je proto vyjádřena: V O2 = Q x 1,34 x konc. Hb x (S a O 2 -S v O 2 ) - je frakční saturace krve kyslíkem ve smíšené venózní krvi Dodávka O 2 je monitorována čidly periferními chemoreceptory v glomus caroticum a aortálních tělíscích - intersticiální buňky v kůře ledviny produkující erytropoetin Klasifikace stav hypoxie - podle p vodu Klasifikace stav hypoxie - podle mechanizm Hypoxie centrální: Idiopatická nebo vrozená z primárního postižení dých. centra Ze sekundárního postižení dýchacího centra (např. bulbární polymyelitis) Hypoxie periferní: - v důsledku změn v periferním aparátu - v srdci - v mechanice dýchání - v procesu difúze či perfúze či transportu kyslíku organizmem - akutní x chronická Patologické stavy, při kterých: je v arteriální krvi nízká tenze kyslíku (hypoxická hypoxie) je v krvi nedostatek hemoglobinu nebo obsahuje formu Hb neschopnou vázat kyslík (anemická hypoxie) snižuje se množství perfundovaných kapilár (např. při TK nebo p i vzniku A-V zkratu) (cirkulační hypoxie) dochází k poran ní tkáně, p i které je narušena mikrocirkulace (cirkulační hypoxie) zv tší se vzdálenost mezi kapilárami v d sledku edému nebo intenzívního zvyšování počtu bun k (cirkulační hypoxie) pr tok krve tkání je pomalý (cirkulační hypoxie) mitochondrie spot ebovávají méněkyslíku v d sledku svého poškození (histotoxická hypoxie)

Hypoxická hypoxie Je způsobena: nízkým parciálním tlakem kyslíku ve vdechovaném vzduchu, především při pobytu ve vysokohorském prostředí onemocněním plic a orgánů zajišťujících jejich ventilaci a perfuzi vrozenými srdečními vadami, které způsobují pravo- levý cirkulační zkrat společné: tenze kyslíku v arteriální krvi (pao 2 ) pod norm. hodnotu (13 kpa=100mmhg) nízká tenze O 2 v arteriální krvi snižuje saturaci hemoglobinu kyslíkem a proto i obsah O 2 v krvi V mikrocirkulaci je nízká tenze kyslíku již na arteriálním konci kapilár Dále ho snižuje kapilárně-mitochondriální gradient O 2 Anemická hypoxie Důsledky hypoxické hypoxie: - postihuje všechny orgány (hypoxie celková, systémová) Klinickým projevem: centrální cyanóza odráží vysokou koncentraci desoxygenovaného Hb v arteriální a zejm. v kapilární krvi Základním dg. znakem: - nízká hodnota pao 2 zp sobí obvykle také snížení obsahu kyslíku v arteriální krvi hypoxémii - stavy, jejichž základním znakem je arteriální hypoxémie (v arteriální krvi je nízký obsah O 2, ačkoliv jeho tenze (pao 2 ) je dostatečně vysoká) P íčiny: nízká koncentrace Hb v krvi (anémie) P em na Hb na formu neschopnou p enáš et kyslí k - karboxyhemoglobin (COHb) - methemoglobin (MetHb) V mikrocirkulaci na začátku kapiláry je tenze O 2 normální, ale rychle v pr b hu kapiláry klesá (d sledkem hypoxémie) Pr m rný kapilárn -mitochondriální gradient tenze O 2 je snížen

Cirkulační hypoxie Důsledky anemické hypoxie: - postihuje celý organizmus Projevy: bledost sliznic a kůže p i anémii jasn červené zbarveníkůže a sliznic p i otrav oxidem uhelnatým (karboxyhemoglobin je jasně červený) cyanotické zbarveníkůže a sliznic p i methemoglobinémii (methemoglobin je tmavě hnědý) Příčinou - je celková nebo místní porucha oběhu Množství krve ve tkáni přitom může být: sníženo při ischemii normální až zvýšeno při stagnaci krve Složení arteriální krve je normální (jak z hlediska tenze O 2, tak i obsahu kyslíku) Snížené je množství krve (a tedy i kyslíku), které protéká tkání za jednotku času D sledek uzav ení kapiláry a prodloužen ení difúzn zní vzdálenosti na hodnoty parciáln lního tlaku kyslíku ku Při ischemii je navíc zmenšena difúzní kapacita mikrocirkulace pro O 2 a kyslík musí difundovat do větší vzdálenosti Prodloužená interkapilární vzdálenost je důsledkem kolapsu části kapilár, které přestávají být perfundovány krví Na arteriálním konci kapilár tenze O 2 normální, ale rychle se snižuje klesá pr m rný kapilárn -mitochondriální gradient tenze kyslíku P i ischemii se navíc prodlužují difúzní dráhy O 2, což nepříznivě ovlivňuje tenzi kyslíku v místech vzdálených perfundovaným kapilárám

Histotoxická hypoxie Důsledky cirkulační hypoxie: - může působit celkově - postihnout velký počet orgánů (např. při cirkulačním šoku) - často jen lokálně (při obliteraci cév, embolizaci ) - používá se v případech intoxikace organizmu, která postihuje schopnost mitochondrií používat kyslík jako akceptor elektronů při aerobním způsobu tvorby ATP - Látky: kyanidy, kobalt a některé jiné jedy Klinickými projevy: studené a bledé (p i ischemii) cyanotické (p i stagnaci) akrálníčásti t la - V buňkách se netvoří dostatek ATP pro udržení jejich funkcí ve tkáních je nadbytek molekulárního kyslíku, protože ten není spot ebováván P i lokálním postižení bývá příznakem intenzívní bolest (p i IM, klaudikacích ) Kompenzační reakce p i stavech hypoxie arteriální krev je normálně oxygenována Existují určité mechanizmy kompenzace poruch transportu kyslíku v kapilární i venózní krvi zůstává více kyslíku než normálně (ve smíšené venózní krvi v pravém srdci je saturace Hb > 75%) zp sobuje červenou barvu kůže a sliznic, není přítomna cyanóza Protože p i aerobní tvorb ATP vzniká i teplo je p i histotoxické hypoxii snížená tolerance vůči prochladnutí vysoce účinné nap. zvýšení pr toku krve p i anémii málo účinné nap. zvýšení plicní ventilace p i nízké saturaci arteriální krve kyslíkem Kompenzační reakce mohou zajistit dostatečnou dodávku O 2 v klidu, ale vždy znamenají maximální možné dodávky O 2 tkáním tj. jsou provázeny poklesem tzv. aerobní kapacity organizmu - lze ji vyjádřit hodnotou maximální dosažitelné spot eby kyslíku p i fyzické námaze V O2 max

Klinické p íznaky hypoxie Kompenzační reakce mohou být aktivovány s různou rychlostí: během sekund např. po poklesu pao 2 jsou dýchací centra stimulována z periferních chemoreceptor a plicní ventilace se zvýší b hem n kolika sekund b hem hodin - nap. hromad ní 2,3-DPG v ERY a snížení afinity krve ke kyslíku b hem dn a týdn zvýšení počtu ERY a Hb v krvi zvýšení srdečního výdeje (tachykardie, bušení srdce, funkční šelest) zvýšení plicní ventilace (hyperventilace, dyspnoe ) bledost kůže a sliznic (při anémii nebo ischemii) cyanóza (při deoxygenovaného Hb) snížení teploty kůže (p i ischemii) zvýšení počtu ERY a Hb v krvi (p i hypoxické hypoxii) zvýšená ú nava snížená fyzická výkonnost snížená mentální výkonnost prodloužení reakční doby r zné stupn poruch v domí bolest Diagnostika Reakce bun k na hypoxii hodnoty červeného krevního obrazu hodnoty krevních plynů frekvence pulzu, TK, klaudikační index (tj. vzdálenost, kterou nemocný s ICHDK ujde, než se dostaví klaudikační bolesti) zátěžové ergometrické vyšetření p v O 2, příp. S v O 2 (u katetrizace pravého srdce) hladina laktátu (při hypoxii postihující kosterní svalstvo) Buňky mají schopnost rozpoznat koncentraci (tenzi) kyslíku při hypoxii změnit expresi některých genů (TF HIF) Zvýší se exprese genů: Jejichž produkty umožňují buňce p íjem glukózy a její využití k produkci APT (anaerobní glykolýzou) Pro angiogenní růstový faktor, VEGF, p53, erytropoetin Vlastní příčina poškození bun k hypoxií nedostatek ATP bu ka neudrží iontové gradienty porucha p enosu signál či kontraktility

Patofyziologický základ z kyslíkov kové terapie Racionální terapie spočívá v odstranění vyvolávající příčiny Ideálním cílem je obnovení dostatečně vysokých kapilárněmitochondriálních gradientů kyslíku v tkáních inhalací kyslíku je lze zvýšit - Ve vzduchu kyslík p ítomen pod tlakem 20 kpa (160 mmhg) - Zvýší-li se procento O 2 ve vzduchu (frakce O 2 v inspir. Vzduchu=F i O 2 ), může se jeho zvýšený parciální tlak p enést do krve Často cílem - saturaci Hb Málo účinné: - u hypoxémie s anatomickým P-L srdečním zkratem (krev neteče z P srdce do plic) - s funkčním P-L zkratem (protéká v plicích oblastmi, které nejsou ventilovány) - U ischemických hypoxií (spíše hyperbarická oxygenoterapie) P sobení pouze krátkodob é Hyperbarická oxygenace Toxicita kyslíku ku - vyžaduje hyperbarickou komoru - Významně se zvyšujetenze kyslíku v arteriální krvi a množství fyzikálně rozpuštěného kyslíku (význam Hb klesá) Význam zejména u otrav oxidem uhelnatým (CO) Při zraněních infikovaných anaerobními mikroorganizmy - lze jen krátkou dobu toxicita kyslíku Závisí na výšce jeho parciálního tlaku na délce expozice Toxicita je odvozena od oxidativního poškození buněk peroxidace lipidů i nitrobuněčných struktur tvorba volných radikálů

Tká ové a orgánov nové poškozen kození Člověk může dlouhodobě vdechovat kyslík bez zjevného poškození až do dvojnásobku přirozeného tlaku v atmosféře (40% O 2, F i O 2 =0,4) Vyšší tlaky poškozují plíce, erytrocyty, endotelie - např. u nedonošenců tzv. retrolentální fibroplazie - Při poškození plic dochází ke tvorby surfaktantu, se propustnost pro tekutiny a bílkoviny vznik atelektáz