Далее: Патофизиология горной болезни Уровень выше: Горная болезнь Назад: Высотная гипоксия Содержание
Подъем на высоту требует перенастройки функций организма для нейтрализации повреждающего действия гипоксии и обеспечения работы органов и систем в условиях недостатка О2. С течением времени ряд изменений создает состояние физиологической адаптации, называемой «акклиматизацией». Высотная акклиматизация позволяет субъекту выполнять максимальную работу на данной конкретной высоте, а ее важной особенностью и характерной чертой является отсутствие симптомов горной болезни. Продолжительность и эффективность акклиматизации зависит от взаимоотношения индивидуальных физиологических характеристик организма и степени гипоксического воздействия, которое определяется достигнутой высотой и скоростью подъема. Поскольку акклиматизация зависит от высоты, полная акклиматизация к одной (меньшей) высоте обеспечит лишь частичную акклиматизации при дальнейшем подъеме на большую высоту. Фактически, при каждом последующем наборе высоты, акклиматизация возобновляется, хотя реакции организма могут быть уже менее выраженными. Состоявшаяся акклиматизация сохраняется в течение всего времени пребывания на данной высоте, но теряется при возвращении на равнину, что называется «деакклиматизацией». Вероятно, утрата акклиматизации происходит с той же скоростью, что и обретение, так что ее потери составят 80–90 % через 3–4 недели возвращения на равнину.
Акклиматизация — это сложный комплексный процесс, затрагивающий буквально все органы и системы организма. Существуют определенные пределы компенсаторных возможностей, которые различаются как среди видов живых существ и человеческих популяций, так и среди индивидуумов. Тем не менее, считается, что при наличии достаточного времени, большинство людей способно акклиматизироваться к высотам до 5500 м над уровнем моря.
Компенсаторные реакции в процессе акклиматизации могут быть как экстренными, развивающимися уже через несколько минут после гипоксического воздействия, так и долговременными, требующими для своей реализации дней и недель.
Реакция дыхательной системы на гипоксию является одним из наиболее быстрых и эффективных компенсаторных механизмов. Уже в течение нескольких минут после подъема на высоту более 1500 м наблюдается усиление вентиляции соответственно степени гипоксического воздействия, которое регистрируется периферическими хеморецепторами — каротидными тельцами. Это механизм носит название гипоксического вентиляционного ответа и приводит к быстрому снижению альвеолярного СО2 и эквивалентному увеличению альвеолярного РО2.
Возрастает как частота дыхания, так и его глубина, число функционирующих альвеол увеличивается. Альвеолярная вентиляция существенно усиливается. Такая реакция дыхательной системы обеспечивает увеличение доставки кислорода. Однако эта же реакция приводит и к неблагоприятным последствиям — увеличению элиминации СО2. Развивается дыхательный алкалоз, который препятствует дальнейшему увеличению вентиляции в ранний период, ведет к снижению мозгового кровотока, нарушению функционирования дыхательного центра и другим неблагоприятным последствиям. Достаточно сказать, что один из основоположников высотной патофизиологии Н. Н. Сиротинин считал именно дыхательный алкалоз первопричиной всех неблагоприятных изменений при горной болезни (именно для борьбы с этим состоянием он рекомендовал употребление лимонного сока на высоте).
Выше 2500 м увеличение вентиляции уже не может полностью компенсировать уменьшение содержания О2 во вдыхаемом воздухе, что проявляется снижением содержания О2 в артериальной крови, пропорционально высоте подъема. Снижение содержания О2 продолжает стимулировать хеморецепторы, обеспечивать гипервентиляцию и поддерживать состояние респираторного алкалоза.
Через несколько дней пребывания на высоте организм компенсирует респираторный алкалоз увеличением почечной экскреции бикарбоната. Вентиляция в состоянии покоя продолжает несколько увеличиваться, достигая максимума на 7–10 сутки. При дальнейшем наборе высоты процесс повторяется, но с меньшей интенсивностью вследствие увеличения доступности О2 на клеточном уровне в результате акклиматизации. Увеличение легочной вентиляции — это основной механизм, обеспечивающий доступность кислорода для клеток организма во время акклиматизации.
Реакция сердечно-сосудистой системы включает в себя повышение сердечного выброса, спазм легочных сосудов и разнонаправленные регионарные изменения тонуса артериальных сосудов для улучшения поглощения О2 легкими и увеличения доставки О2 мозгу, сердцу и другим жизненно важным органам.
Снижение РаО2, регистрируемое периферическими хеморецепторами, приводит к активации симпатической нервной системы и увеличению секреции катехоламинов. Если повышение уровня адреналина преходяще, то увеличение содержания норадреналина в крови сохраняется в течение нескольких дней. Результирующим действием является увеличение сердечного выброса вследствие увеличения частоты сердечных сокращений. Увеличения ударного объема не происходит, он даже снижается вследствие гиповолемии. Общее периферическое сопротивление возрастает (наблюдается спазм периферических сосудов), что ведет к повышению артериального давления и перераспределению кровотока с его централизацией (увеличение кровотока в сердце и головном мозге и снижение — в периферических тканях). При дальнейшей акклиматизации частота сердечных сокращений уменьшается, ударный объем увеличивается при восстановлении объема циркулирующей плазмы. Эти изменения приводят к уменьшению сердечного выброса (хотя он остается выше того, который отмечался на уровне моря, как в покое, так и при субмаксимальной нагрузке), в то время как чувствительность к катехоламинам снижается.
Альвеолярная гипоксия приводит к генерализованной артериальной легочной вазоконстрикции и умеренному повышению давления в легочной артерии, независимо от увеличения сердечного выброса. Этот эффект известен как гипоксический легочный вазоконстрикторный ответ, физиологический смысл которого заключается в улучшении легочных вентиляционно-перфузионных отношений. Понимание этой реакции важно не столько с точки зрения оценки адаптации, сколько с точки зрения патогенеза развития высотного отека легких и ограничения физической нагрузки на высоте. Повышение давления в легочной артерии происходит быстро, пропорционально степени гипоксического воздействия и весьма вариабельно как среди индивидуумов, так и среди человеческих популяций. Физическая нагрузка и холод способствуют увеличению давления в легочной артерии, тогда как О2, сброс высоты и легочные вазодилататоры (фармакологические препараты) давление в легочной артерии уменьшают.
В состоянии покоя потребление О2 головным мозгом составляет около 20 % потребления О2 всем организмом. При воздействии гипоксии сосуды головного мозга расширяются, и мозговой кровоток быстро увеличивается. Вазодилатации вследствие гипоксического воздействия противостоит вазоконстрикция вследствие гипокапнии. Конечным результатом этих разнонаправленных воздействий является умеренное увеличение мозгового кровотока, пропорциональное степени гипоксемии и более выраженное при снижении РаО2 менее 60 мм рт. ст.
Гематологические изменения направлены на увеличение кислородной емкости артериальной крови. Умеренное увеличение содержания гемоглобина в первые несколько дней пребывания на высоте носит относительный характер и связано с эффектом гемоконцентрации — уменьшения объема циркулирующей плазмы вследствие абсолютных (диурез, испарение, дыхание) и относительных (выход из кровеносного русла в интерстициальное пространство) потерь воды. Уже в первые часы пребывания на высоте объем циркулирующей плазмы уменьшается на 10–20 %. Относительное увеличение количества гемоглобина ведет к быстрому повышению содержания О2 в крови.
Обусловленное гипоксией повышение секреции эритропоэтина начинается через несколько часов пребывания на высоте и стимулирует образование эритроцитов в костном мозге. Однако для того чтобы существенно увеличить массу циркулирующих эритроцитов, требуются недели. Увеличение секреции эритропоэтина практически ничего не дает для экстренной адаптации к гипоксии, а в отдаленном периоде полицитемия играет определенную роль в развитии хронической горной болезни и ограничении физической нагрузки на высоте.
На высоте может изменяться и положение кривой диссоциации оксигемоглобина. Дыхательный алкалоз и увеличение концентрации 2,3-дифосфоглицерата оказывают на положение кривой диссоциации разнонаправленное воздействие, так что на умеренных высотах существенного изменения ее положения не происходит. На больших и экстремальных высотах кривая смещается влево и вверх, что облегчает связывание О2 с гемоглобином в легких, однако затрудняет освобождение О2 в периферических тканях.
При воздействии высотной гипоксии происходит увеличение эффективности биологического окисления вследствие активации ферментов тканевого дыхания и гликолиза, повышение сопряженности окисления и фосфорилирования.
Долговременная адаптация к гипоксии реализуется на всех уровнях жизнедеятельности: от организма в целом до клеточного метаболизма. Эти механизмы формируются постепенно, обеспечивая оптимальное функционирование в новых, часто экстремальных условиях существования. Основным звеном долговременной адаптации к гипоксии является повышение эффективности процессов биологического окисления в клетках. Наблюдается увеличение количества митохондрий, их крист и ферментов в них, повышение сопряженности окисления и фосфорилирования. Система внешнего дыхания способствует увеличению степени оксигенации крови в легких за счет их гипертрофии с увеличением числа альвеол и капилляров. Адаптация системы кровообращения ведет к повышению сердечного выброса за счет гипертрофии миокарда, увеличения в нём числа капилляров и митохондрий в кардиомиоцитах, возрастания скорости взаимодействия актина и миозина, повышения эффективности систем регуляции сердца. Адаптация сосудистой системы приводит к возрастанию перфузии тканей кровью за счет увеличения количества функционирующих капилляров, развития артериальной гиперемии в испытывающих гипоксию органах и тканях. Система крови способствует увеличению кислородной емкости крови вследствие активации эритропоэза, увеличения освобождения эритроцитов из костного мозга, повышения степени насыщения гемоглобина кислородом в лёгких и диссоциации оксигемоглобина в тканях. В целом происходит повышение экономичности работы органов и тканей, их переход на оптимальный уровень функционирования и эффективности метаболизма. Возрастает и надежность механизмов регуляции, повышение резистентности нейронов к гипоксии, снижение степени активации симпатико-адреналовой и гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой систем.
Чувствительность к гипоксии (ее переносимость) варьирует как среди индивидуумов, так и среди человеческих популяций. Эта вариабельность имеет генетическую основу и зависит от индивидуальных анатомических и физиологических особенностей. Различия обнаруживаются для сосудистой реакции на гипоксию (отличается реакция и системных, и легочных сосудов, и сосудов головного мозга), в способности альвеол удалять жидкость, в компенсаторных возможностях контролировать изменения внутричерепного объема, в гормональной реакции на гипоксемию, в способности организма поддерживать баланс жидкостей.
Дополнительные факторы, влияющие на акклиматизацию и чувствительность к горной болезни, включают условия окружающей среды, поведенческие факторы, такие как скорость набора высоты и использование веществ, угнетающих дыхание.
Полная акклиматизация требуется нескольких дней (около 4 на данной высоте), и ускорить ее не представляется возможным. Постепенно организм компенсирует респираторный алкалоз увеличением почечной экскреции бикарбоната, обеспечивая эффективную оксигенацию без развития алкалоза.
Снижается продукция лактата (повышается эффективность аэробных реакций), уменьшается объем плазмы с увеличением гематокрита, увеличивается количество эритроцитов, количество капилляров в скелетной мускулатуре (открываются ранее не функционировавшие), увеличивается количество миоглобина, концентрация аэробных энзимов, содержание 2,3-дифосфоглицерата. Гипоксическая легочная вазоконстрикция компенсируется гипертрофией правого желудочка. Давление в легочной артерии увеличивается.
Полная гематологическая адаптация к высоте достигается, когда количество циркулирующих эритроцитов перестает нарастать, достигая плато.
У большинства людей на большой и очень большой высоте адаптация респираторного компонента акклиматизации на 70–80 % происходит в течение 7–10 дней, а 80–90 % общей акклиматизации занимают от 3 недель до месяца. Максимальная акклиматизация может потребовать несколько месяцев. Некоторые люди акклиматизируются быстрее, но некоторые — вообще не способны акклиматизироваться. К сожалению, ни тех, ни других заранее определить невозможно.
Считается, что продолжительность полной акклиматизации может быть рассчитана умножением высоты (км) на 11,4 дня. Например, для полной акклиматизации на высоте 4000 м требуется 45,6 дня.