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缺氧 Hyposia 倪秀雄 1 掌握缺氧的概念2 掌握各种类型缺氧的原因和主要特点3 熟悉缺氧时机体的主要机制和代谢变化4 了解影响机体缺氧耐受性的因素5 掌握缺氧的治疗方法和氧中毒的预防 目的要求 氧是生命活动的第一需要物质 氧气的运输与利用 氧的供应呼吸功能 血红蛋白血液循环 细胞摄取氧 线粒体功能 缺氧的概念 由于供氧不足或组织利用氧障碍导致机体功能 代谢和形态改变的病理过程称为缺氧 hypoxia 学习内容 第一节缺氧概念与血氧指标第二节缺氧的类型 原因和发病机制第三节缺氧对机体的影响第四节影响机体缺氧耐受性的因素第五节氧疗与氧中毒 常用血氧指标 血氧分压血氧容量血氧含量动 静脉血氧差血氧饱和度 血氧分压 partialpressureofoxygen PO2 概念 是指物理溶解于血液中的氧所产生的张力 又称血氧张力 oxygentension 正常值 动脉血氧分压 PaO2 约为100mmHg 13 3kPa 静脉血氧分压 PvO2 约为40mmHg 5 32kPa 血氧容量 oxygenbindingcapacity CO2max 概念 氧分压为150mmHg 二氧化碳分压为40mmHg 温度38 时 体外100ml血液内血红蛋白 所结合氧的最大毫升数 此时 每克Hb可结合1 34ml氧正常值 动脉血和静脉血氧容量约200ml L 20ml 影响因素 血液中Hb的质 与O2结合的能力 和量 血氧含量 oxygencontent CO2 概念 指100ml血液中实际含有的氧量 包括物理溶解的和与Hb结合的氧量 全身1500ml 每分钟250ml 正常值 动脉血氧含量 CaO2 约190ml L 19ml 静脉血氧含量 CvO2 约140ml L 14ml 影响因素 血氧分压血氧容量 Hb的质和量 动 静脉血氧含量差 CaO2 CvO2 概念 即动脉血氧含量减去静脉血氧含量所得的毫升数反映组织对氧的消耗量正常值 50ml L 5ml 血氧饱和度 oxygensaturation SO2 概念 指Hb结合氧的百分数 SO2 氧含量 溶解氧量 氧容量 血氧含量 血氧容量正常值 动脉血氧饱和度 SaO2 约93 98 静脉血氧饱和度 SvO2 约70 75 影响因素 取决于氧分压的高低氧解离曲线 oxygendissociationcurve 血氧分压与血氧饱和度的关系 氧解离曲线 血红蛋白在标准状态下的氧解离曲线及其影响因素 缺氧的类型 原因和发病机制 由于肺泡氧分压降低 或静脉血分流入动脉 以致PaO2降低 动脉血氧含量减少 组织供氧不足 又称乏氧性缺氧 hypoxichypoxia 一 低张性缺氧hypotonichypoxia 1 原因 吸入气氧分压低吸入气氧分压低 PaO2随之降低 如意外事故 高原等外呼吸功能障碍肺通气和 或换气功能降低 血液通过肺摄取的氧减少 PaO2和CaO2降低 由呼吸功能障碍而引起的缺氧 又称呼吸性缺氧 respiratoryhypoxia 静脉血分流入动脉 静脉血掺杂 右心的静脉血可部分经室缺处流入左心 肺动静脉血功能性或解剖性分流增加 病例1 阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征 obstructivesleepapnea hypopneasyndrome OSAHS 概念 是指睡眠时上气道塌陷 阻塞 引起呼吸暂停和通气不足 表现 患者睡眠时严重打鼾 出现反复的呼吸暂停 血氧饱和度降低 高碳酸血症和睡眠结构紊乱 危害 白天嗜睡 心脑肺血管并发症乃至多脏器损害 严重影响患者的生活质量 2 血氧变化特点 动脉血氧分压 血氧容量 动 静脉血氧含量差 紫绀 皮肤黏膜 降低 正常 慢性缺氧时 单位容积血液内红细胞数和血红蛋白量增多 氧容量增加 正常或降低 静脉血氧分压 氧饱和度和氧含量 降低 动脉血氧饱和度 动脉血氧含量 降低 降低 发绀 cyanosis 概念 毛细血管血液中还原血红蛋白浓度达到或超过5g dl时 可使皮肤和黏膜呈青紫色的现象 称为发绀 缺氧不一定有发绀 发绀不一定有缺氧 血红蛋白过多或过少时 发绀与缺氧常不一致 重度贫血患者 血红蛋白可降至50g L 5g dl 以下 出现严重缺氧 但不会发生紫绀 红细胞增多时 血中还原血红蛋白超过50g L 5g dl 出现发绀 但可无缺氧症状 紫娃 高原5100m 先天性心脏病 二 血液性缺氧 hemichypoxia 是指由于血红蛋白量减少或性质改变 致血液携氧能力降低而导致的缺氧 由于以物理状态溶解在血液内的氧不受血红蛋白的影响 因此动脉血氧分压正常 故又称为等张性缺氧 isotonichypoxia 1 原因 血红蛋白数量减少 贫血 anemia 血红蛋白性质改变 一氧化碳中毒特点 不知不觉中毒 病例2 樱桃红色 病例3 Hb CO CO Hb亲和力 Hb O2 高铁血红蛋白血症 methemoglobinemia 亚硝酸盐 过氯酸盐及磺胺衍生物等氧化剂可使血红素中的二价铁氧化成三价铁 形成高铁血红蛋白 methemoglobin HbFe3 OH 导致高铁血红蛋白血症 肠源性发绀 enterogenouscyanosis 当血液中HbFe3 OH达到1 5g dl时 皮肤 黏膜可出现青紫颜色 称为肠源性紫绀 病例4 Fe3 不能携氧 Fe2 O2不易解离 高铁血红蛋白血症 血红蛋白与氧的亲合力异常增高 输入大量库存血 RBC2 3 DPG 输入大量碱性液体 pH升高通过Bohr效应增强Hb与O2的亲和力 Hb O2亲和力异常 氧离曲线左移 氧不易释出 2 血液性缺氧血氧变化特点 动脉血氧分压 血氧容量 动 静脉血氧含量差 皮肤黏膜 正常 正常 降低 正常或降低 动脉氧饱和度 动脉血氧含量 降低 降低 降低 苍白 青石板色 樱桃红色 三 循环性缺氧 circulatoryhypoxia 由于血流速度减慢 血流量减少 单位时间内供给组织的氧量减少而引起的缺氧 又称低血流性缺氧 hypokinetichypoxia 分类 局部性的 如血管狭窄或阻塞全身性的 如心力衰竭 休克缺血性缺氧 ischemichypoxia 淤血性缺氧 stagnanthypoxia 1 原因 缺血性缺氧因动脉血液灌流不足引起的缺氧局部性如动脉血栓形成 动脉粥样硬化以及血管痉挛等 全身性血液循环障碍常见于休克淤血性缺氧静脉回流障碍引起的组织器官血液淤滞而导致的缺氧见于静脉栓塞或受压 局部性 和心力衰竭 2 血氧变化特点 动脉血氧分压 血氧容量 动 静脉血氧含量差 皮肤黏膜 正常 增高 正常 动脉氧饱和度 动脉血氧含量 正常 正常 易出现发绀 静脉血氧分压 氧饱和度和氧含量 降低 四 组织性缺氧 histogenousanoxia 由于组织细胞利用氧的能力障碍而引起的缺氧称为组织性缺氧 1 原因 线粒体功能受抑制 某些药物或毒物阻断呼吸链 病例5 呼吸酶合成减少 辅酶缺乏 VB1 VB2 VPP线粒体损伤 高温 放射线 病例6 细菌毒素 2 血氧变化特点 动脉血氧分压 血氧容量 动 静脉血氧含量差 皮肤黏膜 正常 降低 正常 动脉氧饱和度 动脉血氧含量 正常 正常 鲜红 静脉血氧分压 氧饱和度和氧含量 增高 各型缺氧的血氧和皮肤黏膜改变 缺氧类型 PaO2 SaO2 血氧容量 血氧含量 动静脉血氧含量差 皮肤黏膜 乏氧性缺氧 N N或 发绀 血液性缺氧 N N或 N或 或N 苍白 咖啡 樱桃红 循环性缺氧 N N N N 苍白发绀 组织性缺氧 N N N N 鲜红色 临床上常为混合性缺氧 失血性休克 失血 循环障碍 肺功能衰竭 内毒素血症 血液性缺氧 循环性缺氧 低张性缺氧 组织性缺氧 缺氧时对机体的影响 代偿变化损伤表现 呼吸系统循环系统血液系统中枢神经系统组织细胞 一 呼吸系统 早期 PaO2 呼吸深快 严重 PaO2 呼吸中枢 慢性 外周化学感受器对缺氧敏感性 肺水肿 急性 代偿 失代偿 低氧通气反应 hypoxicventilationreaction HVR 主动脉体颈动脉体 肺通气 肺泡通气量 PaO2 PaO2 PaCO2 CO2对中感器 肺血流量 心输出量 胸廓运动 胸内负压 静脉回流 氧摄取 氧运输 参与呼吸的肺泡数 呼吸面积 氧弥散 肺血管收缩 局部血流量 肺动脉压 肺上部血流 通气 血流 PaO2 肺泡气氧分压与肺通气量之间的关系 0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 80 100 肺泡气氧分压 mmHg 通气量 L min 呼吸系统的损伤性变化 中枢性呼吸衰竭严重的急性缺氧可直接抑制呼吸中枢 出现周期性呼吸 呼吸减弱甚至呼吸停止 PaO2过低可直接抑制呼吸中枢 当PaO2 30mmHg时 缺氧对呼吸中枢的直接抑制作用超过PaO2降低对外周化学感受器的兴奋作用 发生中枢性呼吸衰竭 表现为呼吸抑制 呼吸节律不规则 通气量减少 高原肺水肿 highaltitudepulmonaryedema HAPE 少数人从平原快速进入3000m以上高原时 发生高原肺水肿 发病率1 左右 表现为呼吸困难 发绀 咳嗽 咳白色或粉红色泡沫痰 肺部出现湿罗音等 发病高峰在进入高原后48 72小时 多于夜间发病 寒冷 劳累 肺部感染 过量吸烟饮酒 精神紧张等可诱发高原肺水肿 发病机制 缺氧引起肺内小动脉不均匀收缩 局部肺毛细血管内压过高肺血管内皮细胞通透性增强 液体渗出与ROS VEGF IL 1 TNF 等增多有关交感 肾上腺髓质系统兴奋性增强 外周血管收缩 肺血流量增多肺水清除障碍 肺泡上皮的钠水主动转运功能降低液体漏出 渗出增多 引起肺水肿 二 循环系统 低张性缺氧引起的代偿性心血管反应 主要表现为 1 输出量增加2 血流分布改变3 肺血管收缩4 毛细血管增生 1 心输出量增加 PaO2 化学感受器 呼吸运动 肺牵张反射 交感N 迷走N 心血管中枢 受体 血管扩张血压下降 压力感受器 心率 心收缩性 静脉回流量 CO2 蓝斑 儿茶酚胺 2 血流分布改变 缺氧 交感神经兴奋 血管收缩 局部组织乳酸 腺苷等代谢产物堆积 血管扩张 皮肤 腹腔内脏 心 脑 机制 细胞外液pH下降缺氧时PO2下降刺激颈动脉体和主动脉体化学感受器反射性引起脑血管扩张代谢产物的作用 脑血管扩张 脑血流量增加 冠脉血流量增加 机制 交感神经兴奋心肌收缩力增强 心室内压升高 主动脉压增高 冠状血管灌流压增高以 肾上腺素能受体占优势的小冠状动脉扩张局部代谢产物的扩张作用缺氧 ATP 腺苷 腺苷脱氨酶活性 腺苷 3 缺氧性肺血管收缩 hypoxicpulmonaryvasoconstriction HPV 肥大细胞肺泡巨噬细胞血管内皮细胞 交感神经 受体 缩血管 组胺 H1 白三烯 TXA2 PGF2a 组胺 H2 PGI2 PGE1 扩血管 细胞膜对Na Ca2 通透性 Na Ca2 内流 兴奋性收缩性 活性氧增多 缺氧时血管平滑肌细胞中线粒体ROS生成增多 抑制电压依赖性钾通道 Kv 功能 细胞膜去极化 钙内流增多 细胞内游离钙 Ca2 i 水平增高 另外 ROS可促进肌浆网钙释放 使 Ca2 i增高 引起平滑肌收缩 AMP ATP比值增高 缺氧时血管平滑肌细胞ATP生成减少 AMP ATP比值增高 可激活 AMP激活的蛋白激酶 AMPactivatedproteinkinase AMPK 通过环腺苷二磷酸核糖 cyclicADPribose cADPR 激活雷诺丁受体 Ryanodinereceptor RyR 促进肌浆网钙释放 RhoA Rho激酶 Rhokinase ROCK 信号通路活化 缺氧时 细胞内ROS水平增高通过激活RhoA ROCK 提高肌球蛋白轻链 Myosinlight chain MLC 磷酸化 MLC P 水平 引起平滑细胞持续收缩 有关HPV的研究进展 缺氧 肺血管收缩 Kv Ca2 i ROS 增殖 收缩 平滑肌细胞 NOX AMP ATP AMPK RhoA ROCK ROS Ca2 cADPR HIF1 RyR 钙通道 H2O2 MLC P 缺氧作用于肺血管平滑肌细胞引起收缩 4 毛细血管增生 长期慢性缺氧可促使毛细血管增生 尤其是脑 心脏和骨骼肌的毛细血管增生更显著 毛细血管的密度增加可缩短血氧弥散至细胞的距离 增加对细胞的供氧量 具有代偿意义 机制 腺苷可刺激血管生成缺氧时ATP生成减少 腺苷形成增多血管内皮生长因子产生和释放 缺氧时循环系统的损伤性变化主要表现为 缺氧性肺动脉高压心肌的收缩与舒张功能降低心律失常静脉回流减少 1 肺动脉高压 机制 肺泡缺氧 肺血管收缩 慢性缺氧 肺小动脉长期处于收缩状态 肺血管中膜平滑肌肥大 血管硬化 形成稳定的肺动脉高压 红细胞增多 血液黏度增高 增加肺循环阻力 长期肺动脉高压可导致右心室肥大 肺源性右心衰竭 缺氧性肺动脉高压的发生机制 细胞因子血管活性物质细胞外基质 缺氧 肺血管改建 肺血管收缩 肺动脉高压 Kv Ca2 i 成纤维细胞增殖 内皮细胞 ROS 增殖 收缩 平滑肌细胞 其他细胞 NOX AMP ATP AMPK RhoA ROCK ROS Ca2 cADPR HIF1 RyR 钙通道 H2O2 MLC P 红细胞增多 血液粘度增加 2 心肌收缩与舒张功能降低 心肌缺氧可降低心肌的舒缩功能 甚而发生变性 坏死 ATP减少心肌细胞损伤外周阻力增大 3 心律失常 严重缺氧可引起窦性心动过缓 期前收缩 甚至室颤致死 机制 影响心肌自律细胞功能的稳定性增加异常的自律性活动传导阻滞复极化不一致 4 静脉回流减少 脑严重缺氧时 呼吸中枢的抑制使胸廓运动减弱 可导致静脉回流减少乳酸 腺苷 扩张外周血管回心血量减少 使心输出量减少 而引起循环衰竭 三 血液系统 缺氧时血液系统的代偿性反应主要有红细胞增多和血红蛋白氧解离曲线右移 向组织释放氧的能力增强 红细胞增多氧离曲线右移 1 红细胞增多 当低氧血 近球小体 近球细胞 生成并释放 EPO 促使红细胞系单向干细胞分化为原红细胞 并促进其分化 增殖和成熟加速Hb的合成促使骨髓内的网织红细胞和红细胞释放入血液 2 氧解离曲线右移 2 3 DPG 缺氧 糖酵解 血液系统的损伤性变化主要有血液黏滞度增高 血红蛋白与氧的亲和力降低 红细胞过度增多 可使血液黏滞度和血流阻力明显增加 并加重心脏负担 对机体不利 严重缺氧时 红细胞内2 3 DPG增多引起的氧解离曲线右移将减少血红蛋白在肺中的氧合 使动脉血氧饱和度降低 久居高原者如红细胞过度增多 男性Hb 210g L 女性Hb 190g L 即为高原红细胞增多症 是常见的慢性高原病 多发生于海拔3500m以上地区 由于血液黏滞度异常增高 微循环障碍 组织严重缺氧 易导致血栓形成或局部组织坏死等各种并发症 四 中枢神经系统 CNS耗氧量大 对缺氧不耐受 尤以灰质更敏感 轻度缺氧或缺氧早期 血液重新分布保证脑组织血供严重缺氧或长时间缺氧 神经系统功能障碍脑水肿和脑细胞受损 缺氧对CNS的作用基本上表现为损伤 急性缺氧 轻度可有欣快感 病例7 烦躁不安 严重有头痛 思维力 记忆力 判断力降低或丧失以及运动不协调等 慢性缺氧 易疲劳 嗜睡 注意力不集中及精神抑郁等 严重缺氧 可导致惊厥 昏迷甚而死亡 ATP生成不足酸中毒脑血管扩张神经细胞膜电位降低神经递质合成减少细胞内钙超载溶酶体酶释放细胞水肿间质水肿血脑屏障受损 机制 表现 高原脑水肿 缺氧和酸中毒损伤脑血管内皮细胞 使血管壁通透性增高 血管内液体渗出 引起脑间质水肿 缺氧时 脑细胞能量生成减少 细胞膜钠泵功能障碍 导致细胞内钠水潴留 脑细胞水肿 五 组织和细胞 代偿性反应携氧蛋白表达增加肌红蛋白 脑红蛋白 胞红蛋白增加组织细胞对氧利用的能力增强组织细胞对氧的消耗减少 1 携氧蛋白表达增加 细胞中存在携氧蛋白 它们与氧的亲和力高于血红蛋白 可有效地促进氧分子向细胞内转移 增强细胞对氧的摄取能力 在细胞氧供 需不平衡时 携氧蛋白释放所结合的氧供细胞利用 肌红蛋白 慢性缺氧使肌肉中Mb增多 Mb和氧的亲和力较大 当PO2为10mmHg时 Hb的SaO2约为10 而肌红蛋白的氧饱和度可达70 氧分压进一步降低时 Mb释出大量的氧供细胞利用 肌红蛋白的增加可能具有储存氧的作用 2 组织 细胞利用氧能力增强 细胞内线粒体的数目和膜的表面积增加呼吸链中的酶表达量增加 活性增强琥珀酸脱氢酶细胞色素氧化酶如胎儿在母体内处于相对缺氧的环境 其细胞线粒体的呼吸功能为成年动物的3倍 至出生后10 14天 线粒体呼吸功能才降至成年动物水平 3 组织细胞对氧的消耗减少 葡萄糖代谢能力加强 节约用氧葡萄糖摄取增强 葡萄糖摄取能力贮备增强无氧酵解增强严重缺氧时 ATP生成减少 ATP ADP比值下降 磷酸果糖激酶活性增强 糖酵解过程加强 在一定的程度上可补偿能量的不足 关键酶表达增强低代谢状态 组织和细胞的损伤性变化主要表现为 细胞膜损伤线粒体损伤溶酶体损伤细胞凋亡 细胞膜的变化 膜通透性 Na i Na K 泵 ATP消耗 Mt呼吸 ATP生成 细胞水肿 堵塞微血管 加重微循环缺氧 ATP i Na 外排 Na 内流 严重缺氧 K 外流 K i 酶合成 钙超载 钙超载 mt钙摄取 钙外流 Ca2 增多可抑制线粒体的呼吸功能 可激活磷脂酶 使膜磷脂分解 溶酶体酶释出 增加自由基产生 线粒体的变化 细胞内的氧约有80 90 在线粒体内用于氧化磷酸化生成ATP 轻度缺氧或缺氧早期线粒体呼吸功能是增强的 细胞内的氧约有10 20 在线粒体外利用 间接影响生物合成 降解及生物转化 解毒 作用 严重缺氧首先影响线粒体外氧的作用 使神经介质的生成和生物转化过程等降低 当线粒体部位