Глава 1 Газообменная и негазообменные функции легких

Легкие с их огромной суммарной площадью альвеол, равной 50— 100 м², представляют собой самую большую поверхность организма, соприкасающуюся с внешней средой. Барьер между кровью и воздухом чрезвычайно тонок — менее 0,5 мкм. Мельчайшие кровеносные сосуды оплетают громадное число альвеол. В легких человека около 300 млн альвеол, а диаметр каждой из них около ¹/з мм [Уэст Дж., 1988]. Врачу ОРИТ важно представить, что легкие являются своего рода фильтром: воздушным — с механизмами удаления пылевых и других частиц и внутренним — гемодинамическим, поскольку все вещества, введенные в кровь или образующиеся в организме, проходят через капилляры легких (рис. 1.1).

Основная функция легких — обмен кислорода и CO₂ между внешней средой и организмом — обеспечивается за счет вентиляции, диффузии газов и легочного кровообращения. Расстройства одного, двух или всех указанных механизмов ведут к нарушениям газообмена (табл. 1.1).

Легочная вентиляция. К показателям легочной вентиляции относят дыхательный объем (V_T), частоту дыхания (f) и минутный объем дыхания (VE). Однако решающим показателем легочной вентиляции является

альвеолярная вентиляция (Уд), зависящая от изменяющейся величины физиологического МП, ДО и в меньшей степени от частоты дыхания. Необходимо подчеркнуть, что ДО и легочные емкости даже в норме имеют значительные физиологические колебания. В среднем ДО составляет 500 мл, анатомическое МП — 150 мл. МОД равен 6000-7500 мл, частота дыхания — 12—18 в минуту, функциональная остаточная емкость — 2400—3000 мл, легочный кровоток — 5000—6000 мл/мин. Альвеолярная вентиляция в норме составляет 4200—5250 мл/мин, объем крови в легочных капиллярах — 70 мл [Комро Дж.Г. и др., 1961; УэстДж., 1988].

Врач ОРИТ должен знать, что приведенные показатели, являющиеся неоспоримыми критериями физиологический нормы, у пациентов с острой дыхательной недостаточностью (ОДН) претерпевают значительные изменения. Важно учитывать, что такие факторы, как увеличение остаточной функциональной емкости или МП, или уменьшение ДО приводят к уменьшению альвеолярной вентиляции, от которой зависят уровни PCO₂ и PO₂ артериальной крови.

Зная частоту дыхания, ДО и показатель МП, можно подсчитать МОД и определить величину альвеоляр-

Рис. 1.1. Дыхательная система человека.

ВДП — верхние дыхательные пути; НДП — нижние дыхательные пути. 1 — вход в гортань; 2 — щитовидный хрящ; 3 — перстневидный хрящ; 4 — трахея; 5 — правый и левый главные бронхи; 6 — верхняя доля левого легкого; 7 — нижняя доля левого легкого; 8 — нижняя доля правого легкого; 9 — средняя доля правого легкого; 10 — верхняя доля правого легкого; 11 — верхушка легкого.

ной вентиляции. Поскольку определить величину анатомического и физиологического МП не представляется возможным, адекватность альвеолярной вентиляции рассчитывают по уровню артериального PCO₂, который в норме составляет 40 мм рт.ст. Альвеолярная вентиляция может быть рассчитана посредством измерения ДО и средней величины анатомического МП (150 мл):

VA = (V_x - V₀) - f.

Когда возникает вопрос, достаточна ли вентиляция, то следует произвести измерения уровней газов артериальной крови, уточнить параметры вентиляции. Измерение лишь МОД не может считаться достаточным. У больных с сердечно-легочной патологией МОД бывает нормальным или увеличенным за счет частоты дыхания. В то же вре-

Таблица 1.1. Нормальные величины функциональных проб легких [Comroe J. et al., 1961]*

*Показатели здорового человека (поверхность тела 1,7 м ) в покое в положении лежа при дыхании воздухом. Легочные объемы и показатели вентиляции приведены к условиям BTPS, диффузионная способность легких — к условиям STPD.

мя альвеолярная вентиляция может быть снижена. Снижение последней нужно предполагать во всех случаях тахипноэ, превышающего 30 дыханий в 1 мин, независимо от величины МОД [Малышев В.Д., 2000].

Гиповентиляция легких — один из важных признаков дыхательной недостаточности. Этот показатель зависит от степени нарушений центральных и периферических механизмов регуляции дыхания, а также от поражений легких.

Гиповентиляция легких при дыхании воздухом ведет к артериальной гипоксемии, задержке CO₂ и дыхательному ацидозу. Гиповентиляция легких при дыхании кислородом вызывает задержку CO₂, сопровождается дыхательным ацидозом, но не ведет к гипоксемии. Последняя возможна лишь при крайней степени гиповентиляции. Апноэ как крайняя форма вентиляционной недостаточности сопровождается быстро нарастающей артериальной ги-

поксемией, аноксией и остановкой сердца через 3—5 мин. Рост PCO₂ при этом в этиологии острых гемодинамических нарушений основного значения не имеет.

Гипервентиляция легких чаще всего является компенсаторным механизмом, срабатывающим в ответ на какой-либо стимулирующий фактор — аноксию, метаболический ацидоз, стимуляцию симпатико-адреналовой системы. Гипервентиляция при спонтанном дыхании воздухом ведет к незначительному подъему альвеолярного и артериального PO₂ и снижению уровня PCO₂ артериальной крови, иногда очень выраженному. Следует признать опасность немотивированной пассивной гипервентиляции при ИВЛ, особенно с высокой концентрацией кислорода во вдыхаемом воздухе [Шик Л.Л., Канаев H.H., 1980; Малышев В.Д., 1989].

Легочное кровообращение. Легочный кровоток в норме составляет 5 л/мин, т.е. такой же, как и системный. Давление в легочных сосудах очень низкое. «Среднее давление» в легочном стволе около 15 мм рт.ст., в то время как в аорте — около 100 мм рт.ст., т.е. примерно в 6—7 раз выше. Систолическое давление в легочном стволе около 25 мм рт.ст., а диастолическое — 8 мм рт.ст., имеет ярко выраженный пульсирующий характер. Давление в правом и левом предсердии — около 2 мм рт.ст. и 5 мм рт.ст. соответственно. Разность давления системного кровообращения: 100-2 = = 98 мм рт.ст., а легочного — около 15 - 5 = 10 мм рт.ст., т.е. в 10 раз меньше. Функция правого отдела сердца состоит в обеспечении эффективного газообмена в легких.

Давление в легочных капиллярах точно не известно, но оно приблизительно соответствует среднему показателю соотношения этих величин в легочных артериях и венах.

Особенность легочных капилляров состоит в том, что они окружены газовой средой, могут спадаться и расширяться в зависимости от давления внутри и снаружи их. Это давление очень близко к альвеолярному, которое примерно равно атмосферному. Давление снаружи легочных капилляров может снижаться за счет поверхностного натяжения жидкости, покрывающей альвеолы. Однако в обычных условиях это эффективное давление такое же, как в альвеолах. Если же альвеолярное давление выше, чем внутри капилляров, последние спадаются. Разность величин давления между внутренней и наружной средой кровеносных сосудов называют трансмуральным давлением [Уэст Дж., 1988]. Легочные сосуды: капилляры, вены и артерии — имеют свои особенности, поэтому их подразделяют на альвеолярные и внеальвеоляр-ные. На альвеолярные, т.е. преимущественно легочные капилляры, влияет альвеолярное давление: чем оно выше, тем больше спадаются легочные капилляры. Наоборот, при увеличении альвеолярного давления и расширении легких просвет крупных легочных сосудов увеличивается. Такая парадоксальная ситуация объясняется распределением механических сил в легких. Крупные кровеносные сосуды последних, за исключением ворот, окружены быстро расширяющейся эластической тканью типа легочной паренхимы, поэтому при расширении легких (при глубоком вдохе) просвет легочных артерий и вен увеличивается.

Магистральные сосуды у ворот легких не связаны с легочной паренхимой, и на них действует внутриплевральное давление.

Сопротивление легочных, как и системных сосудов, можно рассчитать по формуле. Если легочный кровоток равен 5 л/мин, то сопротивление легочных сосудов (GJIC) должно соответствовать следующей величине:

СЛС — (давление на входе — давление на выходе)/кровоток = (15 — 5): 5 = 2 мм рт.ст./л-мин.

Такой расчет объясняется тем, что в легочном круге в отличие от большого круга кровообращения фактически нет сосудов сопротивления [УэстДж., 1988].

Гипоксическая вазоконстрикция. При снижении PO₂ в альвеолярном воздухе происходит сокращение гладких мышц стенок артериол в гипоксической зоне. Точный механизм этой реакции неизвестен: она не зависит от ЦНС. Защитный характер этой реакции может быть объяснен тем, что благодаря вазоконстрикторной реакции уменьшается кровоснабжение плохо вентилируемых участков легких и улучшается газообмен. Сужение легочных сосудов происходит также при низком рН крови, особенно в условиях альвеолярной гипоксии и возбуждения симпатико-адреналовой системы.

Отношение вентиляция/кровоток. Эффективность легочного газообмена в значительной степени зависит от распределения вдыхаемого воздуха по альвеолам в соответствии с их перфузией кровью. Альвеолярная вентиляция у человека в покое примерно 4 л/мин, а легочный кровоток 5 л/мин. В идеальных условиях в единицу времени альвеолы получают 4 объема воздуха и 5 объемов крови, и, таким образом, отношение вентиляция/кровоток становится равным 4/5, или 0,8. Тем не менее, даже в физиологических условиях это отношение в различных сегментах легких не сохраняется. Так, в вертикальном положении тела легочный кровоток почти линейно убывает в направлении снизу вверх, достигая очень низких значений в области верхушек легких. Однако эти эффекты не сопровождаются какими-либо нарушениями газообмена. В практике врача ОРИТ нарушения отношения вентиляция/кровоток обычно обусловлены воздействием патологических факторов, как на величину альвеолярной вентиляции, так и на состояние легочного кровотока.

Эффект МП. Вентилируемые, но не снабжаемые кровью участки легких называются альвеолярным МП. Следует подчеркнуть, что этот показатель в процессе интенсивного лечения легочной патологии может возрастать или убывать. Объем анатомического МП, равный в среднем 150 мл, в целом не соответствует так называемому физиологическому или функциональному МП, величине непостоянной и зависящей от многих причин. Примером абсолютного преобладания вентиляции может быть эмболия легочной артерии, когда легочный кровоток отсутствует. В практике ИТ чаще возникают ситуации относительного преобладания вентиляции над кро-вотоком, например при пассивной гипервентиляции (во время ИВЛ), или снижения легочного кровотока, или увеличения функционального МП. Не имея возможности точной корректировки отношения вентиляция/кровоток, прибегают к дозированным режимам при вспомогательном дыхании или во время ИВЛ. При этом важную роль играет соотношение РаСО₂/РдСО₂, которое может возрастать при этом эффекте.

Эффект веноартериального шунта. Патофизиологическая сущность этого состояния обусловлена шунтированием крови в легких, вызывающим артериальную гипоксемию. Альвеолоартериальная разность PO₂, обусловленная шунтом, всегда бывает значительно повышенной. В норме она составляет около 9 мм рт.ст. Задержка CO₂ при этом невелика, и при умеренной гипервентиляции уровень PaCO₂ становится нормальным. Этот эффект в наиболее выраженной форме представляет собой единственную при легочном или сердечном заболевании форму аноксемии, которая не МОжет быть устранена даже при ингаляции 100 % кислорода. Шунтирование крови в легких возникает при тяжелых поражениях легочной паренхимы, РДСВ, массивной пневмонии, ателектазах и обтурации дыхательных путей любого генеза.

Причинами изменений отношения вентиляция/кровоток, приводящими к артериальной гипоксемии, являются неравномерная вентиляция в разных участках легких (например, при эмфиземе легких, ХНЗЛ, пневмонии) или неравномерный кровоток (анатомические шунты, легочная гемангиома), местное уменьшение легочного кровото-ка (эмфизема, фиброз), местное нарушение кровотока (пневмоторакс, торакальная операция, сердечная недостаточность).

Таким образом, различные причины могут вызывать изменения отношения вентиляция/кровоток, как в целом легком, так и в его участках. Основной признак нарушения отношения вентиляция/кровоток — артериальная гипоксемия с отсутствием или незначительным повышением PaCO₂. Увеличение фракции кислорода во вдыхаемом воздухе может полностью устранить артериальную гипоксемию при умеренных нарушениях этого отношения. При наиболее тяжелых нарушениях, эффекте веноартериального шунта в легких даже ингаляция 100 % кислорода не всегда устраняет гипоксемию. В практике отделений ИТ прибегают к специальным методам оксигенотерапии, например к созданию в легких положительного давления.

Диффузия газов. Диффузионная способность легких — скорость, с которой газ проходит через альвео-лярно-капиллярную мембрану на единицу градиента давления газа. Этот показатель для разных газов различный: для CO₂ он примерно в 20 раз больше, чем для кислорода, поэтому уменьшение диффузионной способности легких не вызыва-

ет накопления CO₂ в крови, PaCO₂ в артериальной крови легко уравновешивается с таковым в альвеолах, а основным проявлением нарушения диффузионной способности легких становится артериальная гипоксемия.

Причины нарушения диффузии газов, прежде всего кислорода, через альвеолярно-капиллярную мембрану:

• уменьшение поверхности диффузии. Поверхность функционирующих альвеол, соприкасающаяся с функционирующими капиллярами, может быть значительно нарушена при заболеваниях легких, радиационных и токсических поражениях [Чучалин А.Г., 2000]. Увеличение числа раскрытых капилляров или рост капиллярного кровотока (механизм вовлечения), повышает диффузионную способность [Уэст Дж., 1988];

• расстояние диффузии. Толщина альвеолярно-капиллярной мембраны 0,5 мкм. Средний диаметр легочных капилляров (7 мкм) почти равен диаметру эритроцита. При прохождении по капиллярам легких эритроциты плотно прилегают к альвеолокапиллярной мембране, а путь диффузии в эритроците длиннее пути через мембрану. Удлинение пути диффузии снижает диффузионную способность легких. Это может происходить за счет утолщения альвеолярных или капиллярных мембран (фиброз легких, поражение эндотелия сосудов) и/или вследствие альвеолярного и интерстициального отека легких;

• поражение слоев мембраны, через которые происходит диффузия газов. Снижение проницаемости тканей легочной мембраны в результате изменений их на пути диффузии.

Нарушения процессов диффузии, считавшиеся ранее одной из основных причин гипоксемии («альвеоло-

капиллярная блокада»), в настоящее время рассматриваются как факторы, оказывающие влияние на уровень артериального PO₂. Ограничения диффузии газов возможны при уменьшении диффузионной поверхности и изменениях слоев, через которые проходит диффузия (утолщение стенок альвеол и капилляров, их отек, коллапс альвеол, заполнение их жидкостью и т.д.). Оксигенотерапия с FiO₂ 0,3—0,35 обычно легко восстанавливает кислородный уровень крови.

Нарушения регуляции дыхания. Ритм и глубина дыхания регулируются дыхательным центром, расположенным в продолговатом мозге; наибольшее значение в этой регуляции имеет газовый состав артериальной крови. Повышение уровня PaCO₂ немедленно вызывает увеличение объема вентиляции. Колебания PaO₂ также ведут к изменениям дыхания, но с помощью импульсов, идущих к продолговатому мозгу от каротидных и аортальных телец. Xe-морецепторы продолговатого мозга, каротидных и аортальных телец чувствительны и к изменениям концентрации H⁺ церебральной жидкости и крови. Эти механизмы регуляции могут быть нарушены при поражениях ЦНС, введении щелочных растворов, ИВЛ в режиме гипервентиляции, увеличении порога возбудимости дыхательного центра.

Альвеолоартериальная разность PO₂. У здорового человека, дышащего воздухом, показатели парциального давления O₂ в альвеолярном газе (РлО₂) и в артериальной крови (PaO₂) различаются примерно на 10 мм рт.ст. (1—1,5 кПа). Однако при острых легочных поражениях альве-олярно-артериальный градиент может значительно превышать указанную величину. Основными факторами, влияющими на Рл-а O₂, являются веноартериальное шунтирование легких или сердечные шунты. Нарушения диффузии в меньшей степени воздействуют на этот показатель.

В случаях PaO₂ выше нормы (при OK-сигенотерапии) этот градиент также возрастает [Малышев В.Д., 1989].

Механические характеристики легких. Растяжимость легких (податливость, эластичность, Compliance) выражает зависимость между объемом и давлением газа в альвеолах в состоянии покоя, т.е. определяется, какова способность легких к повышению объема при увеличении давления на определенную величину (л-см вод. ст."¹).

Растяжимость легких (CP) и растяжимость грудной стенки (CT) различны. У здорового человека при спонтанном дыхании CP составляет 0,2 л-см вод.ст."¹, а общая растяжимость легких и грудной клетки в 2 раза меньше — 0,1 л-см вод.ст."¹. Это означает, что на 1 см отрицательного давления в альвеолах в легкие будет поступать 100 мл воздуха. CP варьирует в широких пределах. Заболевания, связанные с потерей эластичности легких (эмфизема, фиброз), приводят к уменьшению этого показателя. Наркоз оказывает аналогичное действие. При ИВЛ рассматриваемый показатель уменьшается в 2 раза.

Сопротивление дыхательных путей (resistance) отражает зависимость между давлением и скоростью движения газов в них и определяется как разность давлений в полости рта и альвеолах на единицу газотока. Средняя величина сопротивления дыхательных путей равна 2 см вод.ст.-с/л. Сопротивление дыхательных путей значительно возрастает при бронхиальной астме. Чем больше скорость газотока, тем значительнее разность давлений в полости рта и альвеолах. При медленном ритме вентиляции сопротивление дыхательных путей относительно невелико [Милик-Эмили Дж., 1997].

Очистка вдыхаемого воздуха. Вдыхаемый воздух освобождается в дыхательных путях и альвеолах от всевозможных примесей физической, химической и биологической природы. В дыхательной системе выработались различные механизмы удаления инородных частиц: крупные — задерживаются в носовых ходах, а мелкие — оседают в проводящих воздухоносных путях и удаляются с восходящим током слизи. Слизь вырабатывается слизистыми железами и бокаловидными клетками в стенках бронхов и оттекает вверх благодаря ритмичным движениям миллионов тонких ресничек, работа которых может быть парализована вдыхаемыми токсинами, длительным применением высокой концентрации кислорода или высушиванием дыхательных путей. Этот механизм обезвреживания и удаления повреждающих агентов из дыхательных путей обеспечивается мукоцилиарной системой. В альвеолах ресничек нет, и осаждающиеся здесь мелкие частицы поглощаются крупными подвижными клетками — макрофагами, относящимися к мононуклеарным фагоцитам. Они вступают в контакт с веществами воздуха и крови и не только фагоцитируют, но и модулируют многие иммунные процессы, участвуют в воспалительных реакциях. В защите легких от инородных веществ принимают участие также лейкоциты крови.

Среди факторов гуморального звена легких большое значение имеют иммуноглобулины — IgA, IgC, IgE, IgM. Они нейтрализуют токсины и вирусы, воздействуют на микроорганизмы и повышают эффективность мукоцилиарного транспорта [УэстДж., 1988; Зильбер А.П., 1989].

Важнейший механизм самоочищения дыхательных путей — кашлевой рефлекс, обеспечивающий механическое удаление лишних примесей, мокроты путем откашливания. Кашлевой рефлекс и мукоцилиарная функция могут быть значительно нарушены при интубации, трахеостомии, длительной ингаляции смеси с высоким содержанием кислорода, отсутствии достаточного

увлажнения и согревания вдыхаемой смеси газов. Несостоятельность иммуномоделирующей функции и фагоцитоза ведет к развитию в легких реакций воспаления, дисфункции ресничек мерцательного эпителия, дыхательной недостаточности.

Очистка крови. В отличие от артериальной притекающая в легкие венозная кровь содержит частицы, состоящие из конгломератов клеток, фибрина, микроэмболов жира, эритроцитарных взвесей. Эти вещества в избытке поступают из разрушенных тканей (при травме, операции, шоке) или в результате трансфузии крови и ее препаратов без микрофильтров. В легких происходит механическая задержка частиц, не проходящих через легочные капилляры. В противном случае эти частицы, микротромбы могли бы попасть в сосуды мозга и других жизненно важных органов. Указанные частицы подвергаются метаболизму при помощи различных ферментных систем. Так называемые агрессивные метаболиты, образующиеся при системной воспалительной реакции, проходя через легочные сосуды, могут вызывать поражение легочных микроструктур и вести к развитию респираторного дистресс-синдрома (РДСВ).

Метаболические функции легких. Легкие выполняют многие важные метаболические функции. Одна из них состоит в образовании фосфолипидов, например дипальмитоилфосфатидилхолина, входящего в состав сурфактанта. Последний выстилает внутреннюю поверхность альвеол, имеется в плевре, перикарде, брюшине, синовиальных оболочках. В легких сурфактант, выстилающий внутреннюю поверхность альвеол, снижает поверхностное натяжение альвеолярного слоя жидкости и предупреждает спадение альвеол. Продукция сурфактанта снижается при резких метаболических нарушениях, возможно, в результате образования агрессивных метаболитов, при

поражениях легких. При недостатке сурфактанта развиваются отек и ателектаз легких.

Важную роль в метаболизме играет синтез белков, так как структурная основа легких образована коллагеном и эластином. Известно, что при патологии легких из лейкоцитов или макрофагов выбрасываются протеазы, вызывающие распад белков, в результате чего возникает эмфизема. Большое значение в метаболизме имеет обмен углеводов, особенно выработка мукополисахаридов, входящих в состав бронхиальной слизи.

В легких происходит обмен многих биологически активных веществ, активируются или синтезируются ангиотензин-I, простагландины (ПГ) и тромбоксан. В микроциркуляторном русле легких осуществляется метаболизм кининов, серотонина, катехоламинов. В легких ангиотензин-I, полипептид превращается в мощный сосудосуживающий агент — ангиотензин-П, примерно в 50 раз более активный, чем его предшественник.

Многие вазоактивные вещества при прохождении через сосуды легких полностью или частично теряют свою активность. Брадикинин под воздействием ангиотензинконвертирующего фермента инактивирует-ся на 80 %. Легкие являются главным органом инактивации серотонина, высвобождающегося при анафилаксии. Здесь находятся многие ферменты, инактивирующие ПГЕ|, ПГЕ₂, ПП_2а, и частично захватывающие норадреналин. Некоторые вазоактивные вещества проходят через легкие, не претерпевая каких-либо существенных изменений. К ним относятся адреналин, допамин, изопротеренол, ΠΓΑι и ПГА₂, ангиотензин-П и вазопрессин (АДГ) [Чучалин А.Г., Апульцина И.Д., 1983; Скобельский В.Б., 1996].

Легкие — основной источник кофакторов, усиливающих свертывание крови или противостоящих ему.

Усиление свертывания крови происходит при образовании тромбопластина и других веществ. Уменьшению свертываемости крови способствует гепарин. С помощью ферментных активаторов плазминоген превращается в плазмин (основной механизм фибринолиза). Легкие синтезируют простациклин, тормозящий агрегацию тромбоцитов, и тромбоксан A₂, оказывающий противоположное действие. Легкие способны извлекать из кровотока не только фибрин, но и продукты его деградации, избыточно образующиеся при ДВС-синдроме. При определенных условиях легкие могут способствовать повышению уровня продуктов деградации фибрина, которые являются факторами, повреждающими легочные структуры. В легких происходит не только газообмен, но и обмен жидкости. Известно, что за 1 сут из легких выделяется в среднем около 400— 500 мл жидкости. При гипергидратации, повышенной температуре тела эти потери возрастают. Легочные альвеолы играют роль своеобразного коллоидно-осмотического барьера. Чрезвычайно важно предохранить альвеолы от переполнения жидкостью. К отеку легких предрасполагают увеличение разности гидростатических давлений в капиллярах и интерстициальной жидкости, уменьшение онкотического давления в легочных капиллярах, которое составляет около 2,80 см рт.ст. (см. главу «Отек легких»). Легкие выполняют и теплообменную функцию, являясь как бы кондиционером, увлажняющим и согревающим дыхательную смесь. Тепловое и жидкостное кондиционирование воздуха осуществляется не только в верхних дыхательных путях (ВДП), но и на всем протяжении дыхательного тракта, включая дистальные бронхи. При дыхании температура воздуха в субсегментарных путях повышается почти до нормальной [Зильбер А.П., 1989; Малышев В.Д., 1989].