Что будет при избытке кислорода
ГИПЕРОКСИЯ
ГИПЕРОКСИЯ (hyperoxia; греч, hyper- + лат. ox[ygenium] кислород) — повышенное содержание (давление) кислорода в тканях организма вследствие увеличения его содержания во вдыхаемом воздухе, легких и крови. Характеризуется развитием комплекса физиологических реакций и патологических нарушений.
Нормальное парциальное давление кислорода (pO2) на высоте уровня моря составляет в воздухе 160 мм рт. ст., в альвеолах 100—105 мм рт. ст. Условия гипероксии можно создать обогащением воздуха кислородом или увеличением давления воздуха (или кислородной дыхательной смеси). В первом случае максимальное pO2 может достигать 760 мм рт. ст. (при дыхании 100% кислородом на уровне моря), во втором — может достичь любых уровней. При пониженном атмосферном давлении условия Г. за счет увеличения содержания кислорода в дыхательной смеси можно создавать только до высоты 10 000 м, где барометрическое давление составляет 200 мм рт. ст. На больших высотах вследствие прогрессирующего падения барометрического давления даже при дыхании чистым кислородом организм будет испытывать не избыток, а недостаток его.
В зависимости от величины внешнего давления гипероксическую газовую среду разделяют на нормобарическую (давление 760 мм рт. ст.), гипобарическую (менее 760 мм рт. ст.) и гипербарическую (более 760 мм рт. ст.).
Первые два вида имеют место в авиации при использовании кислорода для дыхания с целью предупреждения гипоксии (см.) или для десатурации организма от азота, а также в леч. практике, когда кислород применяется как терапевтическое средство (см. Кислородная терапия). Условия гипербарической Г. встречаются в водолазной практике при дыхании в изолирующих приборах кислородом под давлением более 1 атм, а также при так наз. гипербарической оксигенотерапии декомпрессионной болезни, отравлений угарным газом, газовой гангрены, столбняка, ожогов и других заболеваний, в развитии которых доминирует гипоксический фактор (см. Гипербарическая оксигенация). Изучается проблема целесообразности использования гипероксических сред для улучшения кислородного режима организмов, находящихся в неблагоприятных условиях существования (некоторые виды производства и т. д.).
Реакции организма при Г. разнообразны. Их выраженность и направленность зависят от уровня повышенного pO2 в легких и длительности его действия.
Начальные реакции организма в гипероксических условиях являются физиол, и имеют приспособительное значение. Происходит урежение дыхания и сердечного ритма, снижение объема легочной вентиляции, систолического и минутного объема сердца, сужение сосудов сетчатки глаза и головного мозга, депонирование крови в паренхиматозных органах, уменьшение объема циркулирующей крови и т. д. Все это направлено на ограничение чрезмерного повышения pO2 в тканях (особенно в головном мозге), на поддержание оптимального кислородного режима в мозговых центрах. В формировании этих реакций большая роль принадлежит снижению функциональной активности хеморецепторов рефлексогенных сосудистых зон под влиянием высоких уровней pO2 в артериальной крови. Эффективность защитных реакций относительна, поскольку они нередко осложняются развитием противоположных реакций. Так, сужение капилляров и замедление кровотока приводят не только к уменьшению нарастания pO2 в тканях, но и к задержке в них углекислоты — т. е. к гиперкапнии (см.). Последняя вызывает расширение сосудов, нивелируя тем самым защитную сосудистую реакцию на кислород.
С увеличением pO2 в гипероксических средах и удлинением экспозиции развиваются патол, реакции, перерастающие в типичную картину кислородного отравления.
Токсическое действие кислорода проявляется в основном двумя формами отравления: легочной и судорожной. При первой форме развиваются ателектазы, отек и другие формы поражения легких. При второй форме, в случае гипербарической Г. (pO2 более 3 ата), поражается ц. н. с.: в сравнительно короткие сроки развиваются судороги — характерный признак резкого возбуждения нервных центров. В тяжелых случаях обе эти формы могут закончиться летальным исходом.
Выделяют еще третью, общетоксическую форму, развивающуюся при pO2 в пределах 1—4 ата, когда не успевают развиться легочные поражения и судороги, но патол, нарушения наблюдаются со стороны многих органов и тканей.
Токсический эффект избытка кислорода является функцией уровня pO2 и времени действия. Безопасная экспозиция нормобарической Г. для здорового человека составляет несколько часов. При pO2 более 3 ата симптомы кислородного отравления могут развиться через несколько минут.
Механизм токсического действия кислорода на организм в условиях Г. полностью не изучен. Полагают, что при Г. кислород, подобно проникающей радиации, является фактором универсального действия, в основе к-рого лежит угнетение тканевого дыхания, и в частности дыхательных ферментов, содержащих SH-группы. Общность отдельных звеньев патогенеза Г. и проникающей радиации обусловила близость по химическому составу средств защиты от этих факторов: они содержат в основном группы антиокислителей (см.).
Клинические проявления
Субъективными симптомами кислородной интоксикации (легочная форма Г.) являются ощущение сухости во рту, першение в носоглотке, сухой кашель, жжение и боль за грудиной, усиливающиеся при глубоком вдохе, отмечаются спазмы периферических сосудов, появляется ощущение онемения пальцев рук, кончика носа, щек.
Наиболее ранним объективным признаком поражения кислородом легких считают снижение жизненной емкости легких, обусловливаемое как боязнью усиления болей и возникновения кашля при глубоком вдохе, так и образованием диффузных мелкоочаговых ателектазов. Патогенез ателектазов усматривают в исчезновении «опорной» функции инертного газа, в токсическом действии кислорода на эндотелий легочных капилляров, что повышает их проницаемость. Вымывание поверхностноактивного вещества (сурфактанта) с поверхности альвеол увеличивает их поверхностное натяжение, способствует спадению альвеол и развитию ателектазов. Спазмы и повышение проницаемости капилляров, по-видимому, лежат также и в основе отека легких при Г. Вследствие повреждения кислородом альвеоло-капиллярной мембраны и регионарных нарушений вентиляционно-перфузионных отношений прогрессивно снижается диффузионная способность легких. Отмеченные функциональные и морфол, нарушения в легких могут, т. о., привести к развитию кислородного голодания и гибели организма даже в условиях избытка кислорода.
Кислород оказывает токсическое действие и на другие органы и системы организма (кровеносная система, сердце и др.). Снижается осмотическая резистентность эритроцитов, уменьшается ферментная активность лимфоцитов, фагоцитарная активность нейтрофилов. Нередко изменяется ЭКГ: увеличивается амплитуда зубцов T и уширяются зубцы Р.
Гипербарическая Г. у теплокровных животных проявляется преимущественно развитием судорог — судорожная форма Г. У холоднокровных животных судорожные движения наблюдаются при больших уровнях pO2 (20 ата и более).
У человека развитие судорожной формы кислородного отравления проходит две фазы. В начальной фазе наблюдаются подергивания мышц губ, век и шеи, онемение пальцев рук и ног; появляется звон в ушах, тяжесть и боль в голове, суживается поле зрения, учащается сердцебиение и дыхание, иногда тошнота, рвота и потемнение в глазах. Во второй фазе внезапно развиваются судороги по типу эпилепсии с потерей сознания и последующей амнезией. Первый приступ судорог обычно длится 1—2 мин., затем после короткой паузы вновь начинаются судороги, но уже более продолжительные. Чем больше уровень pO2, тем продолжительнее судороги и короче паузы между ними.
В происхождении судорог при Г. ведущую роль играют процессы резкого возбуждения всех отделов ц. н. с., особенно стволовой части головного мозга, а также нарушение процессов тканевого дыхания.
Лечение кислородного отравления любой формы сводится в основном к нормализации режима дыхания организма, т. е. к переходу на дыхание воздухом. Переход на дыхание воздухом в некоторых случаях временно отягощает состояние. Но чаще пострадавший погружается в глубокий сон, который длится до 90 мин. Иногда в этот период человек находится в состоянии обморока или, наоборот, резкого нервного возбуждения. Медикаментозные средства (противосудорожные, сердечные, седативные) назначаются по показаниям.
Профилактика должна предусматривать выполнение разработанных мер безопасности, предупреждающих переход физиол, реакций в патологические, для чего прежде всего необходимо обеспечивать адекватность уровня pO2 и времени экспозиций гипероксических сред, используемых как в леч. целях, так и в практике отдельных профессий. Фармакол, средства, применяемые против токсического действия кислорода, напр, антиокислители, полностью не предотвращают, а лишь ослабляют его действие.
Библиография: Гeнин А. М. и др. Физиологические критерии ранних токсических проявлений нормобарической гипероксии, Изв. АН СССР, сер. биол., №-3, с. 380, 1973; Глазкова В. А. и Черняков И. Н. Влияние повышенного парциального давления кислорода на кислотно-щелочное состояние крови, Космич. биол, и мед., № 5, с. 68, 1973; Жирон-к и н А. Г. Кислород, физиологическое и токсическое действие, Л., 1972;
Майлс С. Подводная медицина, пер., с англ., с. 113, М., 1971; Основы космической биологии и медицины, под ред., О. Г. Газенко и М. Кальвина, т. 2, кн. 1, М., 1975, библиогр.)
Гипероксия (кислородное отравление)
Физические и физиологические основы дыхания
Если представить систему дыхания в упрощенном виде, она будет выглядеть следующим образом: при вдохе через альвеолярную легочную мембрану происходит проникновение кислорода, который впоследствии связывается с гемоглобином эритроцитов. Доставка кислорода к тканям осуществляется благодаря эритроцитам. Там происходит восстановление гемоглобина, он отдает кислород, а также присоединяет углекислый газ. После возврата в легкие гемоглобин окисляется снова, отдавая углекислый газ, его удаление происходит во время выдоха. Таким образом, при увеличении содержания кислорода и дыхательной смести и увеличении ее давления, транспорт кислорода будет происходить не только при помощи гемоглобина, но и из-за растворения в плазме крови кислорода.
Последствия гипероксии
Избыток кислорода приводит к изменению его метаболизма. В результате нарушается процесс транспортировки газов, повреждаются клеткими мембраны различных тканей и органов. Скрытого периода гипероксии не существует, так как различные биохимические нарушения начинают развиваться мгновенно после увеличения парциального давления в смеси для дыхания. Кислородное отравление усиливается из-за высокого уровня углекислоты в организме, вредных примесей в дыхательной смеси, перегревания, переохлаждения, тяжелой умственной работы. В присутствии нейтрального газа отравление кислородом может носить более ярко выраженный характер.
Формы кислородного отравления
Гипероксия бывает трех форм: сосудистая, судорожная и легочная.
Сосудистая форма является наиболее опасной, она наступает при самом высоком давлении дыхательной смеси. Для нее характерно резкое расширение кровеносных сосудов, падение сердечной деятельности и артериального давления, могут возникать многочисленные кровоизлияния в слизистые оболочки и кожу. Резкое падение давления может приводить к остановке сердца и летальному исходу. Первая помощь при такой форме кислородного отравления сводиться к скорейшему прекращению дыхания смеси и переходу на воздух. На протяжении последующих суток больной должен находится в затемненном, теплом, хорошо вентилируемом помещении, в крайне тяжелых случаях необходима специализированная помощь.
Судорожная форма кислородного отравления наступает при повышении давлении не более, чем на 3 бар. Для нее свойственны изменения в центральной нервной системе: эйфорическое возбуждение или безучастность, нарушение зрения, сонливость, а также потливость, нарастающая бледность. Нарастание отравление сопровождается судорогами, потерей сознания, сильной рвотой, оглушением. Повторные судороги могут спровоцировать остановку дыхания и летальный исход. В случае развития гипероксии под водой очень велика вероятность смерти из-за утопления. Как правило, прекращение дыхания сильным потоком кислорода приводит к прекращению судорог и возвращению сознания. Для полного восстановления пострадавшему необходим полноценный сон.
Легочная форма гипероксии возникает при минимальном превышении парциального давления. Для нее характерно поражение легких и дыхательных путей. Сперва о себе дают знать свойства кислорода – возникает сухость в горле, слизистая носа отекает, возникает чувство заложенности. После этого наступает кашель, который продолжает усиливаться, он сопровождается ощущением жжения за грудиной, повышается температура тела. Если отравление продолжается, развивается кровоизлияние в спинной и головной мозг, кишечник, легкие, печень, сердце. После прекращения дыхания симптомы снижаются на протяжении нескольких часов, в через 2-4 суток полностью уходят.
Признаки кислородного отравления:
Среди первых признаков гипероксии можно отметить онемение пальцев ног и рук, чувство беспокойства, подергивание лицевых мышц, особенно губ. После этого достаточно быстро развиваются судороги, а также наступает потеря сознания. Кроме того, среди симптом гипероксии можно выделить следующие: ухудшение периферического зрения, затуманивание зрения, присутствие посторонних звуков, тошнота, рвота, ощущения покалывания или подергивания как в мышцах конечностей, так и в мышцах лица, раздражительность, конвульсии.
Образование: Окончил Витебский государственный медицинский университет по специальности «Хирургия». В университете возглавлял Совет студенческого научного общества. Повышение квалификации в 2010 году ‑ по специальности «Онкология» и в 2011 году ‐ по специальности «Маммология, визуальные формы онкологии».
Опыт работы: Работа в общелечебной сети 3 года хирургом (Витебская больница скорой медицинской помощи, Лиозненская ЦРБ) и по совместительству районным онкологом и травматологом. Работа фарм представителем в течении года в компании «Рубикон».
Представил 3 рационализаторских предложения по теме «Оптимизация антибиотикотерапиии в зависимости от видового состава микрофлоры», 2 работы заняли призовые места в республиканском конкурсе-смотре студенческих научных работ (1 и 3 категории).
Что будет при избытке кислорода
Введение
Влияние концентрации кислорода на клеточном уровне
Кислород необходим всем аэробным организмам. Значение кислорода в жизненном цикле организмов сложно переоценить, но слишком большое количество этого элемента становится главный фактором образования токсичных для организма веществ. Образуются активные формы кислорода: атомарный кислород, пероксид водорода, пероксиды липидов (одно из проявлений пагубных воздействий пероксидов липидов является взаимодействие свободных радикалов с ненасыщенными жирными кислотами мембран, нарушая их структуру), пероксильные радикалы (протонированная форма супероксида с формулой HO2•), оксид азота, гипохлорид (НОСl). Эти вещества являются сильными окислителя биологических жидкостей и может повреждать ткани в результате реакции с липидами, белками, ДНК, аминокислотами и некоторыми другими молекулами. [1]
Образование активных форм кислорода в клетке
Молекулярный кислород (O2) имеет два неспаренных электрона на отдельных орбиталях во внешней электронной оболочке. Эта химическая структура усиливает генерацию АФК.
В целом, основными эндогенными источниками АФК у человека и, в частности, у новорожденного являются метаболизм митохондрий, повышенное содержание переходных металлов в свободном обращении, воспаление через реакции НАДФН-оксидазы, гипоксия-реоксигенация, гипероксия, и парадоксальным образом, гипоксия.
АФК в клетке образуются в процессе окислительно-восстановительных реакций. Одними из главных генераторов являются пероксисомы, образуя пероксид водорода. Н2О2 является самым стабильным соединением из возможных восстановленных форм кислорода и менее реакционно способным, по сравнению с другими. Он играет сигнальную функцию, а при присутствии активаторов из пероксида образуется гидроксильный радикал. Гидроксильный радикал обладает высокой реакционной способностью и может разрушить практически все клеточные структуры, но он имеет очень короткое время жизни и не способен диффундировать на значительные расстояния.[2]
Так же АФК образуется в лизосомах, микросомах, эндоплазматическом ретикулуме, цитозоле, протеосомах, а также цитоплазматической мембране.
Дыхательная цепь митохондрий служит основным источником активных форм, в которых потребляемый кислород восстанавливается до воды в процессе окислительного фосфорилирования кислорода.
В большинстве случаев образование АФК связано с метаболическими путями в клетках, такими как окисление жирных кислот и углеводов, окислительной конформации белков. При этом образование АФК находится под строгим метаболическим контролем, который включает компартментализацию окислительных реакций.
Роль АФК в патологии клетки
Основные виды повреждения биомолекул гидроксильным радикалом:
· отрыв атома водорода (таким образом повреждается лецитин — компонент биологических мембран, а также сахара в составе нуклеозидов ДНК)
· присоединение к молекулам по двойным связям (взаимодействие с пуринами и пиримидинами ДНК и РНК, перенос электронов также является важным в повреждающем действии ОН)
Прямое повреждение ДНК при этом характеризуется разрывом цепи, окислением оснований, их модификации, образованием гидропероксидов ДНК, повреждением хромосом. С белками ОН образует гидропероксиды, что может изменить третичную структуру белков и даже вызывать их агрегацию и денатурацию. Это приводит к нарушению ферментативной и регуляторной активности многих процессов. С липидами ОН образует перекисные соединения.
Митохондрии более всех других органелл подвержены атаке АФК и, как следствие, повреждению мембранных липидов, белков, ДНК и даже гибели. Причем для гибели митохондриям не требуется никаких дополнительных белков, кроме тех, которые присутствуют в них самих. АФК служат элементом отрицательной обратной связи, блокируя ферменты цикла Кребса и осуществляя переход с аэробного на анаэробный гликолиз, а также обеспечивая соответствие энергетического метаболизма потребности и возможности клетки.
Митохондрии обладают мощной антиоксдантной системой для защиты от пагубных влияний АФК. Она включает в себя ферменты супероксиддисмутазу, пероксидазу и глутатионпероксидазу (деградация перекиси водорода), а также глутатион, восстановленную форму коэнзима Q, аскорбиновую кислоту и другие низкомолекулярные антиоксиданты. Если защитная система не справляется, то в клетке развивается окислительный стресс. АФК перестают выполнять сигнальные функции и проявляют деструктивные. Начинается разрушение липидов, белков и практически всех клеточных структур. Наблюдается разрушение митохондриальных структур от мембраны до митохондриальных ДНК (мтДНК).
Окислительный стресс является причиной множества дегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера, появление онкологических заболеваний, и т.д.), старения и гибели клетки. Активные формы кислорода, образующиеся в митохондриях, рассматриваются в качестве основного фактора развития внутриклеточного окислительного стресса под воздействием гипоксии, ишемии и реперфузии.
Гипоксия и гипероксия у недоношенных и влияние АФК на развитие ребенка
В течение родов ребенок из относительной гипоксии попадает в относительную гипероксию, а высокая концентрация кислорода после гипоксии вызывает окислительный стресс. Так как у новорожденных повышен риск к оксидативному стрессу (из-за недостатка анти- и прооксидантов таких как: глутатионпероксидазы, аскорбиновая кислота, рибофлавин, суперооксидимудазы и т.д.), терапия новорожденных в первую неделю после рождения (ИВЛ, оксигенотерапия, парентеральное кормление) усугубляет оксидативный стресс.
Уровень и активность наиболее важных антиоксидантных ферментов динамически изменяются в процессе развития и созревают в последние недели беременности, подготавливая плод к дыханию легким. Следовательно, недоношенные младенцы особенно подвержены окислительному стрессу поскольку они не готовы к относительной гипероксии во внематочной жизни. Показано, что 30-минутное воздействие 100% О2 при рождении может вызвать значительное увеличение перекисного окисление липидов у новорожденных овец.
В клинических условиях было признано, что генерация АФК после гипероксии ответственна за повреждения легких, центральной нервной системы, сетчатки и эритроцитов, а также за общее повреждение тканей, о котором можно сообщать как в неонатальном периоде, так и во взрослой жизни.
Сосредоточившись на неонатальном периоде, следующие параграфы объясняют механизмы как краткосрочных, так и долгосрочных токсических эффектов введения кислорода и гипероксии на различные органы и системы организма.
Развитие легких недоношенных при гипероксии
Респираторные нарушения занимают ведущее место в структуре патологии недоношенных детей. Дыхательная недостаточность, возникшая в раннем неонатальном периоде у недоношенного ребенка, является наиболее частой причиной смертности новорожденного и формирования хронической патологии дыхательной системы в последующем.
Гипероксия и генерация АФК крайне вреден для легких. Токсические радикалы кислорода запускают реакции, которые приводят к развитию воспалительного процесса в легких, к инактивации сурфактанта и антипротеаз, нарушению проницаемости альвеолярно-капилярной мембраны, усилению притока в интерстиций нейтрофилов и макрофагов, выходу из сосудов больших количеств провоспалительных цитокинов и медиаторов воспаления.
Моделирование кислородного повреждения легких на животных помогает в исследовании и лечении данных повреждений на людях. North et al. показали, что 100% концентрация кислорода вызывает у мышей фетотипически похожее на бронхолегочную дисплазию (БЛД) заболевание. Так же было обнаружен, что новорожденные мыши могли жить при максимальной концентрации кислорода в течение недели, тогда как взрослые особи умирали в течение нескольких дней. Еще одно исследование, которое доказывает, что кислород тоже вызывает у животных БЛД было проведено Делемосом Р.А и др. Они сообщили, что недоношенные павианы имели наименьшее повреждение легких при оптимальном системном артериальном давлении ( 93–95% частоту РН. При строгом контроле O2насыщения, частота РН и потребность в лазерной терапии резко снизились во всех категориях веса при рождении.Подобный опыт изменения практики отделения интенсивной терапии новорожденных с минимального акцента на насыщении на строгое целевое значение насыщения до 85–93% привел к снижению РН и БЛД.[4]
Эти отчеты в совокупности предоставляют информацию о том, что у недоношенных детей можно лечить с насыщением
Лишний кислород заставляет микрофлору вредить лёгким
Повышенная концентрация кислорода при искусственной вентиляции лёгких играет в пользу тех лёгочных бактерий, которые раздражают иммунитет и повреждают лёгочную ткань.
Почти никто на Земле не может жить без кислорода, но если кислорода окажется слишком много, тоже плохо: кислород всё-таки достаточно сильный окислитель, и может повредить клеткам и биомолекулам. Тем не менее, иногда повышенная концентрация кислорода необходима в медицинских целях – например, когда из-за болезни лёгкие и другие части дыхательной системы не справляются с работой и кровь остаётся недонасыщенной кислородом.
С другой стороны, как пишет портал The Scientist, врачи давно знают, что использованию газа с повышенной концентрацией кислорода сопутствуют повреждения лёгких и пневмония. Как мы только что сказали, кислород – сильный окислитель, но как именно повреждаются лёгкие при повышенной концентрации кислорода, не очень понятно. Тем более, что разные пациенты реагируют на избыток кислорода по-разному.
Сотрудники Мичиганского университета пишут в Science Translational Medicine, что кислородные проблемы лёгких могут быть во многом связаны с бактериями. Своя микрофлора есть не только в кишечнике и на коже – много бактерий живёт в лёгких, и это не обязательно патогенные виды.
Исследователи проанализировали бактерий в плевральной жидкости, которую брали на анализ более чем у 1500 пациентов с 2015 по 2018 годов. Они были подключены к аппаратам искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ) как минимум сутки, но уровень кислорода в дыхательном газе был разный: у некоторых – низкий (21–43%), у некоторых – средний (43–55%), у некоторых – высокий (более 55%). Оказалось, что по сравнению с пациентами на низком кислороде, у пациентов на высоком кислороде становилось вдвое больше бактерий синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa) и золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). И та, и другая могут при определённых условиях вызывать разные инфекционные заболевания, причём золотистого стафилококка часто находят у больных на аппарате искусственного дыхания, у которых начинается пневмония.
Затем исследователи поставили эксперименты со здоровыми мышами, которых заставили дышать газом с повышенным содержанием кислорода. У мышей состав лёгочной микрофлоры тоже менялся, содержание стафилококков увеличивалось. После изменений в микрофлоре у мышей повышался уровень воспалительных иммунных сигналов, а в плевральной жидкости появлялись белки, свидетельствующие о повреждениях лёгочной ткани. Но что самое главное, когда такой же эксперимент поставили с мышами, лёгкие которых перед тем очищали от бактерий, то гипероксия – то есть повышенное содержание кислорода – лёгким никак не вредила.
То есть повышенный кислород может вредить лёгким опосредованно, меняя баланс видов бактерий в лёгочной микрофлоре, из-за чего в ней получают преимущество те бактерии, которые легко способны причинить ущерб. Вряд ли все «кислородные» проблемы возникают только таким образом, но, по крайней мере, их можно ослабить, если предпринять какие-то шаги в отношении лёгочных микробов у больных на ИВЛ. Впрочем, что это могут быть за шаги и когда их стоит предпринимать, мы поймём только после дальнейших клинических исследований.