патфиз учебник новый
.pdf661
Массоперенос газа в организме прежде всего определяется скоростью кровотока и функциональным состоянием микроциркуляции (разветвленность капиллярной сети, наличие плазматических капилляров, возможность включения коллатерального кровотока, спазмированное или расширенное состояние микрососудов, их форма), т.е. перфузией. Диффузия вносит свой вклад в распространение в организме азота. Кроме очевидных процессов проникновения молекул газа через альвеолярную, капиллярную стенки и клеточную мембрану, величина диффузии газов зависит от неравномерности кровоснабжения тканей. В организме имеется ряд тканей с малой перфузией или перфузией, имеющей нерегулярный характер, а также области, совершенно лишенные сосудов (стекловидное тело глаза, хрусталик, роговица, хрящевая ткань и др.) Следовательно, если богатая сосудами ткань быстро поглощает растворенный газ, а вторая - медленно, то в месте контакта этих тканей «быстрая» ткань начинает действовать как источник растворенного газа по отношению к «медленной». Единственным способом, посредством которого молекулы газа могут перейти из «быстрой» в «медленную» ткань является диффузия.
Одной из нерешенных проблем безопасной декомпрессии является сложность количественного описания этих процессов, что в свою очередь не позволяет создать физиологически адекватные режимы декомпрессии, являющиеся основой профилактики декомпрессионной болезни.
Отметим, что деление на «медленные» (период полунасыщения более 40 минут) и «быстрые» группы тканей является условным и не соответствует анатомическим структурам. К «быстрым» относят жидкие среды организма – кровь и лимфу, к «медленным» – жировую ткань, связки и кости. Насыщение мышц зависит от их функционального состояния: покоящиеся мышцы насыщаются медленно, а работающие – быстро.
Итак, через 45 минут пребывания водолаза на глубине 40 м быстрые ткани насытятся более чем на 50% от возможного, а медленные - только на четверть. Но в целом организм будет через 45 минут нахождения под давлением 500 кПа более насыщен, чем был в исходном состоянии. В нашем примере рN2тк будет в быстрых тканях не менее 300 кПа, а Р на поверхности равно 100 кПа.
Если теперь быстро всплыть на поверхность, рN2тк станет больше общего давления. Возникшее пересыщение тканей азотом, приведет к уменьшению растворимости газов, и молекулы азота будут выходить из тканей в свободном состоянии, т.е. создадутся предпосылки для образования газовых пузырьков. Если декомпрессия происходит медленно, избыток газа в растворенном состоянии выносится кровью к альвеолам легких, путем диффузии попадает в альвеолы, а оттуда с выдыхаемым воздухом в атмосферу. При быстром снижении давления избыток газа не успевает выводиться кровью и легкими и выделяется в виде газовых пузырьков.
662
Для образования газовых пузырьков необходимо затратить энергию для отрыва молекулы азота от растворителя и для преодоления сил поверхностного натяжения. Этим можно объяснить отсутствие газообразования в дистиллированной воде при перепаде давления в сотни (!) атмосфер. Однако в живом организме существуют условия, облегчающие образование газовых пузырьков. К ним относятся явления, способствующие формированию в организме свободных пространств (микропустот):
1.кавитация (механические возмущения, приводящие к локальным разрывам в жидких средах организма. Например, изменение ламинарного тока крови на турбулентный. Встречается в местах бифуркации сосудов, при наличии неровностей сосудистой стенки);
2.гидрофобные (водоотталкивающие) свойства поверхностей (характерны для жировой и соединительной ткани), рис. 2.1 (в, г).
Рисунок 2.1
А - давление в пузырьке превышает окружающее давление и газ диффундирует в жидкость, способствуя растворению газового зародыша; Б - газовый зародыш стабилизирован наружной оболочкой из поверхностно-активных молекул; В - газовый зародыш в виде трещины в твердой гидрофобной поверхности; Г - образование пузырька из газового зародыша в трещине твердого тела. Во время декомпрессии поверхность соприкосновенна газа с жидкостью увеличивается, радиус кривизны (R), уменьшается, а давление, обусловленное поверхностным натяжением (γ), повышается. Это давление достигает максимальных значений при полусферической
поверхности. Дальнейшее увеличение поверхности вызывает увеличение радиуса ее кривизны, снижение давления, обусловленного поверхностным натяжением, что ведет к формированию пузырька (по Беннетту и Эллиотту, 1988)
3.трибонуклеация (смыкание и размыкание твердых поверхностей в жидкости, имеющая место при работе клапанов сердца);
4.области локального понижения давления, возникающие в кровеносных сосудах и сухожильных влагалищах функционирующих мышц;
5.«газовые зародыши»: вода представляет из себя структуру, в которой около 50 молекул очень плотно соединены между собой (капля), а вот в местах стыка этих капель есть мельчайшие пустоты.
Другое мнение состоит в том, что газовые зародыши это неисчезнувшие га-
663
зовые пузырьки, стабилизированные белково-липидными и поверхостноактивными веществами (рис. 1(б)). Косвенным подтверждением существования в организме газовых зародышей служат результаты опыта, в котором отмечено уменьшение гибели крыс от декомпрессионной болезни при кратковременном увеличении давления во время нахождения на «грунте», за счет схлопывания газовых зародышей под действием высокого давления (рис.2.2).
Рисунок 2.2 Смертность животных от де-
компрессионной болезни на втором графике меньше 50%, хотя ткани крыс насыщены азотом больше, так как часть времени эти животные находились под большим давлением (выделено черным цветом)
У человека патогенные (вызывающие симптомы острой декомпрессионной болезни) газовые пузырьки зарегистрированы при безостановочном быстром всплытии после многочасовой экспозицией на глубине 10-12 метров, а бессимптомные газовые пузырьки обнаружены с помощью ультразвуковой локации, основанной на эффекте Допплера, при подъеме с 7-8 и даже 4 метров.
Дальнейшая судьба газового пузырька в организме зависит от величины пересыщения тканей. Если давление в пузырьке больше окружающего давления, но меньше рN2тк, то газовый пузырек будет увеличиваться и станет устойчивым. Если величина пересыщения будет меньше давления, создаваемого поверхностным натяжением, газ будет диффундировать из пузырька в раствор и пузырек схлопнется (рис.2.1 (а)).
Что касается состава газового пузырька, то при дыхании воздухом около 90% приходится на долю азота, а оставшиеся 10 % составляют кислород и диоксид углерода.
Патогенез
664
Газовые пузырьки оказывают на организм троякое действие: механическое, рефлекторное и гуморальное (процессы на поверхности газового пузырька).
Вразвитии острой декомпрессионной болезни выделяют три периода. Пер-
вый период характеризуется локальным газообразованием, второй – венозной газовой эмболией, третий – артериальной газовой эмболией. При легких формах острой декомпрессионной болезни отмечают два первых периода, которые вероятнее всего развиваются параллельно. При тяжелой форме ведущая роль принадлежит артериальной газовой эмболии.
Впервую очередь газовые пузырьки образуются в венозных частях капилляров и затем, увеличиваясь, попадают в венозный кровоток. С помощью метода биомикроскопии показано, что газовые пузырьки в кровеносном русле образуются в две фазы. Первая фаза - появление газовых пузырьков сразу после декомпрессии и, вероятно, в период декомпрессии. Эти пузырьки возникают внезапно и быстро движутся по кровеносному руслу с током крови. Через некоторое время после декомпрессии (3-5 мин - это зависит от величины пересыщения) газовых пузырьков в кровеносном русле уже не видно. Спустя 5- 30 мин после декомпрессии наступает вторая фаза образования газовых пузырьков. При этом первоначально у стенки кровеносных сосудов кое-где возникает газовая пленка. Затем газовые пузырьки появляются у стенки сосудов, как в местах образовавшейся газовой пленки, так и там, где обнаружить ее не удалось. Появившиеся газовые пузырьки постепенно увеличиваются до определенных критических размеров, отрываются от стенки сосуда и медленно перемещаются по току крови. При соприкосновении газовых пузырьков между собой слияния их не происходит. Движутся они вблизи стенок сосудов. Кровеносный сосуд с газовыми пузырьками напоминает горную речку, дно которой усеяно камушками. Газовые пузырьки образуются в капиллярах, венулах и артериолах. В некоторых артериолах и венулах регистрируется стаз. Одновременно газовые пузырьки образуются и в тканях вне сосудов.
Существуют различные точки зрения на возможность газообразования внутри клетки. Одни авторы считают, что внутриклеточного постдекомпрессионного газообразования не происходит, другие - сообщают о возможности образования газовых пузырьков во всех жидких средах организма: межклеточной жидкости, лимфе, крови и внутри клетки. Сравнение размеров клеток, их органелл и размеров газовых пузырьков подтверждает возможность образования последних внутри клетки. Последние исследования с помощью методики электронной микроскопии выявили после декомпрессии объемные образования внутри клеток различных тканей животных (рис. 2.3).
665
Рисунок 2.3. Почка морской свинки. Тяжелая острая декомпрессионная
болезнь. Крупный околоядерный газовый пузырек в цитоплазме нефроцита. Электронограмма. Ув. х 10 000
Кроме этого, обнаружены другие нарушения структуры клеток и тканей, которые можно отнести к этапу локального газообразования: вакуолизация гепатоцитов за счет разрушения внутренних мембран митохондрий, которые заполнены гомогенным матриксом; заполнение эритроцитами, плотно прилежащими друг к другу, синусоидов долек печени и деформацию их просвета пузырьками газа; очаговое разрушение крист митохондрий, деформация цистерн эндоплазматической сети и расширение перинуклеарного пространства в клетках, выстилающих синусоиды; плотное заполнение эритроцитами и газовыми пузырьками капилляров клубочка коркового вещества почки; большое количество газовых пузырьков в просвете канальцев; вакуолизацию нефроцитов; выход форменных элементов крови в просвет альвеол, запустевание части кровеносных капилляров, появление областей сниженной воздушности в легких; вакуолизация цитоплазмы альвеоцитов II типа, вызванная отечностью и разрывом пластинчатых телец, являющихся предшественниками сурфактанта, а также разрушением внутренней мембраны митохондрий и расширением цистерн эндоплазматической сети; наличие вакуолей, содержащих неутилизированные пластинчатые тельца, в цитоплазме альвеолярных макрофагов; очаговое разрушение крист митохондрий в клетках стромы легких; электронноплотная цитоплазма нейронов мелких и сред-
666
них пирамид слоя III сенсомоторной зоны коры больших полушарий головного мозга. Осмиофильные отростки таких клеток часто близко подходят к астроцитарной "муфте" кровеносных капилляров. Аксоплазма миелинизированных отростков сохраняет свой цитоскелет в нативном состоянии, тогда как немиелинизированные отростки нейронов разрушаются; множественные разрывы клеточных мембран околопочечного жира с выходом содержимого цитоплазмы в межклеточное пространство.
Обнаруженные отек и разрушения пластинчатых телец в альвеолоцитах II типа могут привести к нарушению синтеза сурфактанта, что, в свою очередь, вызовет нарушение обмена газов и жидкости через аэрогематический барьер. Не исключено нарушение иммунных реакций, в которых определенную роль играет сурфактантная система. В дальнейшем высока вероятность развития ателектаза. Указанные изменения способны, по-видимому, значительно нарушать процесс рассыщения организма от индифферентного газа при последующих воздействиях повышенного давления газовой среды. Отмеченные дистрофические изменения в гепатоцитах, нефроцитах, нейронах можно расценить как ранние морфологические признаки формирующейся хронической декомпрессионной болезни, характерной для профессиональных водолазов со стажем.
В патогенезе острой декомпрессионной болезни важная роль принадлежит венозной газовой эмболии. В первую очередь это относится к тяжелым формам декомпрессионной болезни. Экспериментально доказана связь дыхательных и сосудистых нарушений при наиболее тяжелой форме декомпрессионной болезни, определяемой в зарубежной литературе как шок, с массивной венозной газовой эмболией. Показано, в частности, что изменения дыхания и сердечной деятельности у животных при декомпрессионной и искусственной аэроэмболии принципиально сходны.
При самой частой форме декомпрессионной болезни - мышечно-суставной - декомпрессионная венозная газовая эмболия не является непосредственной причиной суставных болей. В опытах на животных установлено, что суставные боли при декомпрессионной болезни связаны не только с ишемией тканей, но и с механическим эффектом газовых пузырьков. Предполагается, что суставные боли при декомпрессионной болезни вызываются внесосудистыми газовыми пузырьками, расположенными в труднорастяжимых и содержащих большое количество нервных рецепторов околосуставных тканях. Патофизиологическим механизмом суставных болей считают растяжение локализованных в суставных капсулах телец Руффини типа II.
Частота мышечно-суставных проявлений декомпрессионной болезни достоверно связана с интенсивностью декомпрессионной венозной газовой эмболии. Для объяснения этой косвенной связи предложены две гипотезы. По П.М. Граменицкому венозная газовая эмболия нарушает кровоток в легких и рассыщение крови от газовых пузырьков, что в свою очередь создает благо-
667
приятные условия для образования газовых пузырьков в тканях. М.Пауэлл полагает, что связь опосредована общим источником образования венозной газовой эмболии и газообразования в тканях - пересыщением тканей индифферентным газом. Согласно этой гипотезе распространенность газообразования в тканях и интенсивность декомпрессионной венозной газовой эмболии параллельно увеличиваются при увеличении количества газа, содержащегося в тканях в пересыщенном состоянии независимо от причин. И если при тяжелой декомпрессионной болезни газовые пузырьки рассматриваются, прежде всего, как эмболические "пробки", то при легких случаях декомпрессионной болезни важно учитывать "поверхностные" эффекты газовых пузырьков. К этим эффектам относят увеличение вязкости крови вследствие денатурации белков плазмы и повышение транскапиллярной потери жидкости в результате стимуляции освобождения медиаторов капиллярной проницаемости. Тем самым, ухудшаются характеристики кровотока, снижается транспорт кислорода и нарушается местный газообмен тканей. Отметим, что обволакивание газового пузырька коллоидами и форменными элементами крови приводит к образованию своеобразной эмульсии, пены, которая обуславливает значительный эмболический эффект.
Методикой эхокардиографии выявлены изменения функционального состояния сердечно-сосудистой системы испытуемых при однократном и многократном воздействии повышенного давления воздуха, не приводящего к развитию манифестных форм острой декомпрессионной болезни: дыхательная аритмия различной степени выраженности, дискинезия межжелудочковой перегородки, относительная недостаточность трехстворчатого клапана и клапана легочного ствола. При выраженном газообразовании в сердце обнаружен поток газовых пузырьков "бьющий" в верхушку правого желудочка (рис.
2.4).
Рисунок 2.4 Ультразвуковое двух-
мерное изображение сердца испытуемого после декомпрессии из-под давления 0,4 МПа. I степень обнаружения постдекомпрессионных газовых пузырьков в правых камерах сердца
Взаимодействие газового пузырька с эндокардом происходит в области папиллярных мышц и выходного тракта правого желудочка. На следующие су-
668
тки в этом месте определяются ультразвуковые признаки уплотнения эндокарда. У испытуемых с высокой степенью визуального обнаружения газовых пузырьков выявлены факты фиксации газового пузырька к внутренней поверхности сердца: газовый пузырек в течение некоторого времени оставался в местах анатомических выступов или "запутывается" в трабекулах правого желудочка. Это приводит к повреждению эндокарда, что, видимо, и является одним из механизмов раннего развития сердечно-сосудистой патологии у водолазов и профессионально обусловленного эндокардита в том числе.
На следующий день после первой декомпрессии выявлены крупные агрегации форменных элементов в венозной системе. Они представляют собой образования от 1 до 3 мм, различной эхоплотности и двигаются в соответствии с током крови. Особенно отчетливо их видно в нижней полой вене, менее отчетливо в воротной вене, и не наблюдаются они в правых отделах сердца и легочной артерии. До погружения они не выявлялись, но с каждым погружением их количество возрастало. В межкомпрессионный период концентрация агрегаций сохраняется в течение, как минимум, 24-х часов, и при повторных компрессиях-декомпрессиях они наблюдаются совместно с газовыми эмболами. Имели место случаи фиксации таких конгломератов к стенке сосуда, причем эта фиксация была довольно прочной и наблюдалась в течение суток. Количество агрегаций было наибольшим у испытуемых с выраженным газообразованием. Следовательно, декомпрессионная венозная газовая эмболия способствует появлению агрегации форменных элементов крови, вероятнее всего тромбоцитов.
Трансмитральный кровоток (ТМК) у испытуемых изменялся после каждого воздействия повышенного давления воздуха. Повышение соотношения раннего и позднего диастолического пика (Ve/Va) ТМК от "погружения" к "погружению" свидетельствует о том, что наполнение левого желудочка происходит главным образом в период раннего наполнения и уменьшается во время поздней диастолы из-за увеличения «жесткости» желудочка. Еще значительнее изменились показатели транстрикуспидального кровотока (ТТК). Увеличение Ve/Va ТТК произошло преимущественно за счет снижения скорости потока крови позднего диастолического пика. Описываемые изменения внутрисердечного кровотока произошли на фоне роста конечносистолического размера и конечно-систолического объема правого желудочка, что свидетельствует об увеличении нагрузки на правые отделы сердца. Причиной таких нарушений является, по-видимому, легочная гипертензия, возникающая вследствие венозной газовой эмболии.
В опытах на животных установлена прямая зависимость между выраженностью дыхательных и циркуляторных нарушений и скоростью внутривенного введения газа. Столь же очевидна роль газовой эмболии в происхождении неврологических форм декомпрессионной болезни с поражением центральной нервной системы.
669
С девяностых годов двадцатого столетия развивается представление о повреждении спинного мозга при декомпрессии по механизму венозного инфаркта. Согласно ему причиной спинальных расстройств является массивная газовая эмболия, приводящая к повышению давления в легочной артерии и затруднению оттока крови из эпидурального венозного сплетения, усугубляемого локальным газообразованием и вызывающим повреждения дренируемых тканей спинного мозга. В свою очередь показана незначительность вклада внесосудистых газовых пузырьков в поражения спинного мозга при декомпрессии. Причинная связь венозной газовой эмболии с тяжелыми формами декомпрессионной болезни (шок, неврологическая и вестибулярная формы) подтверждается также результатами ультразвуковой локации газовых пузырьков в кровотоке. При возникновении тяжелой декомпрессионной болезни во всех случаях регистрировалась венозная газовая эмболия высокой интенсивности.
Ткани головного мозга поражаются преимущественно в результате артериальной газовой эмболии. Тяжесть клинических проявлений и распространенный характер поражения при острой спинальной форме декомпрессионной болезни свидетельствует о ведущей роли циркуляторных и ишемических расстройств в поражении спинного мозга, причиной которых также считается артериальная газовая эмболия.
По современным представлениям артериальная газовая эмболия может возникнуть вследствие "проскока" венозных газовых пузырьков через сосуды малого круга кровообращения, артерио-венозные анастомозы или парадоксального шунтирования через незаращенное овальное отверстие, встречающееся у мужчин не менее, чем в 25% случаев. Возможность прохождения венозных газовых пузырьков через капилляры малого круга кровообращения убедительно доказана. Миграция сурфактанта легкого в оболочку газового пузырька облегчает прохождение его через сосуды малого круга. Другими, способствующими этому явлению, факторами являются: перегрузка легких микропузырьками, гиповолемия, высокие рО2 и рСО2. При массивной венозной газовой эмболии, приводящей к повышению систолического давления в легочной артерии, правых желудочке и предсердии возможен сброс венозной крови через межпредсердный шунт. Следовательно, при водолазных спусках наличие открытого овального отверстия может приводить к перерастанию венозной газовой эмболии, имеющей место более чем в половине случаев декомпрессии водолазов, в опасную для здоровья и жизни артериальную газовую эмболию.
Образование свободного газа в артериальной крови возможно только при очень выраженном пересыщении, которое при использовании современных режимов декомпрессии встречается очень редко.
Артериальная газовая эмболия самый неблагоприятный вариант развития декомпрессионной газовой эмболии, когда происходит тромбирование конце-
670
вых сосудов большого круга кровообращения. В этом случае нарушения могут в какой-то мере компенсироваться развитием коллатерального кровообращения, а также за счет уменьшения интенсивности аэробных метаболических процессов в тканях с компенсаторным усилением анаэробных процессов.
Патогенетическим методом лечения острой декомпрессионной болезни является лечебная рекомпрессия - повторное воздействие повышенного давления (создаются условия для уменьшения объема газовых пузырьков), экспозиция под давлением (время, необходимое для выхода молекул азота из газового пузырька) и медленная декомпрессия (профилактика повторного образования газовых пузырьков).
Систематическое воздействие повышенного давления, особенно при наличии в анамнезе острых случаев декомпрессионной болезни, приводит к суммированию изменений в органах и тканях и формированию хронической декомпрессионной болезни. Специфическим проявлением хронической декомпрессионной болезни является нарушение структуры костной ткани в виде асептического остеопороза и остеонекроза.
Наркотическое (токсическое) действие азота
Наркотическое действие азота – патологическое состояние, вызванное действием на центральную нервную систему повышенных парциальных дав-
лений азота. Глубинное опьянение, другое название этого заболевания, характеризуется снижением самоконтроля, повышенной разговорчивостью и беспричинным смехом, значительно реже – подавленностью и чувством страха (рN2 400 кПа); при увеличении давления описанные симптомы становятся более выраженными, а ведущим признаком становится эйфория (рN2 от 500 до 600 кПа); затем появляются нарушения координации движений, расстройство общей ориентировки, усиливается чувство опьянения, утрачивается работоспособность (рN2 от 700 до 900 кПа). В этот момент пострадавший совершает действия, которые могут привести к гибели – выброс загубника изо рта, отключение от снаряжения, быстрое всплытие на поверхность и т.д.; а при парциальном давлении азота свыше 1000 – 1200 кПа (при дыхании воздухом соответствует глубине 120 – 140 м) появляются зрительные и слуховые галлюцинации, утрачивается сознание и наступает наркотический сон.
Проявления токсического действия азота обратимы и исчезают после дыхания газовыми смесями с меньшим рN2.
При атмосферном давлении азот воздуха (рN2 80 кПа) тоже влияет на ЦНС, оказывая тормозящее действие. При «вымывании» азота из организма во время вдыхания медицинского кислорода или кислородно-гелиевой смеси, а также при подъеме на высоту наблюдается «эффект азотного отсутствия»,