Гіпоксія та судомне скорочення

Чому це важливо

У системному кровообігу низький рівень кисню в тканині викликає розширення судин. Гіпоксичне м’язе або орган потребують більше крові, тому їх місцеві судини розширюються, щоб збільшити постачання, цей ефект обумовлений накопиченням вазодилататорних метаболітів та прямим впливом низького рівня кисню на гладку м’язову тканину судин. Пульмональна циркуляція стикається з фундаментально іншим завданням: принести кров у тісний контакт із повітрям, щоб відбувався газообмін. Якщо група альвеол погано провітрюється – можливо, через слизний пробка, часткове обструкцію дихальних шляхів або локалізоване захворювання – кров, що проходить повз ці альвеоли, насичується мало киснем. Надсилання більше крові туди, як би це вимагало системне правило, лише погіршило б ситуацію, повертаючи більший об’єм погано насиченої киснем крові до лівого серця та решти тіла. Замість цього, судинні стінки відчувають падіння рівня кисню в альвеолах і звужують артеріоли, що постачають цю конкретну область. Це вазоспазм перенаправляє кров до альвеол, які добре провітрюються та можуть ефективно наситити її киснем. Результатом є безперервне, саморегулюване оптимізування відповідності між потоком повітря та кровотоком через мільйони альвеол у обох легенях, що називається відповідністю вентиляції-перфузії. Цей локальний, регіональний рефлекс діє незалежно в різних частинах легенів одночасно, тобто одна частка може звужувати свої судини у відповідь на закупорку, а сусідня, здорова частка продовжує нормальну кровопотік з низьким опором. Саме ця локальна, саморегулююча якість відрізняє її від будь-чого іншого в вазосистемі та робить її ​​настільки важливою для підтримки максимально можливого рівня кисню в артеріальній крові навіть тоді, коли частини легенів не працюють належним чином.

Клітинський механізм: відчуття кисню в гладких м’язах

Тригер гіпоксичної пульмональної вазоконстрикції розташований у гладеньких м’язових клітинах, що обвивають мікросудини легенів, особливо тих, що знаходяться найближче до альвеол. Ці клітини діють як надзвичайно чутливі сенсори кисню, і сучасне розуміння зосереджене на поведінці мітохондрій та певних калієвих каналів, занурених у мембрану гладкому м’язовому волокні, зокрема на потенціозалежних калієвих каналах. За нормальних умовах з достатньою кількістю кисню ці калієві канали залишаються відкритими, дозволяючи постійний витік іонів калію назовні. Це створює відносно негативний заряд всередині клітини порівняно із зовнішнім середовищем – стан, який називається поляризацією мембрани – і підтримує закритість потенціозалежних кальцієвих каналів та розслаблення м’язової клітини. Коли парціальний тиск кисню в альвеолах падає, мітохондрії всередині цих гладеньких м’язових клітин змінюють виробництво реактивних форм кисню та перемикають свій редокс-стан таким чином, щоб це було відчутене калієвими каналами. У відповідь канали закриваються. З меншою кількістю калію, що може виходити з клітини, мембранний потенціал стає менш негативним – це явище називається деполяризацією. Це відкриває потенціозалежні кальцієві канали на мембрані клітини, дозволяючи іонам кальцію ззовні входити в клітину. Виниклий стрибок внутрішньоклітинної концентрації кальцію є безпосереднім тригером скорочення гладкої м’язової тканини, оскільки кальцій зв’язується з регуляторними білками, які активують механізми скорочення актину та міозину. Додатковий кальцій також може вивільнятися з внутрішніх резервів клітини, підсилюючи скоротливий сигнал. Загальний ефект – звуження внутрішнього діаметра артеріол, збільшення опору потоку крові через цю конкретну судину та зменшення частки кардіовидостності, що постачається до погано про ventilated альвеол позаду неї. Ця ціла ланцюг – від зниження тиску кисню до закриття каналів, деполяризації до надходження кальцію та скорочення – зазвичай розгортається протягом секунд або хвилин, що робить її достатньо швидкою для відстеження змін у регіональній вентиляції з дихання до дихання.

Захисний рефлекс, локально застосований

У звичайних обставинах гіпоксія та пульмонарний судом викликають тихий, безперервний фон, який більшість людей ніколи не помічає. Невелика ділянка легенів може бути недостатньо провітрюваною через легкий набряк слизу, короткочасне дихання або положення тіла протягом тривалого часу. У кожному випадку локальне зниження парціального тиску кисню в альвеолах викликає звуження судин, що постачають цю конкретну ділянку тканини, тоді як решта легенів продовжує працювати нормально. Оскільки рефлекс є градуйованим – тобто ступінь звуження залежить від ступеня гіпоксії – і зворотнім, він функціонує як механізм тонкого налаштування, який підтримує високу ефективність газообміну без будь-якого усвідомленого контролю або втручання нервової системи. Цей локальний масштаб робить рефлекс таким цінним у діагностичних та фізіологічних аспектах. Це означає, що легені не є єдиною одиницею з одним рівномірним кровотоком, а це тисячі незалежно регульованих мікро-кругів, кожен з яких коригує свій опір на основі рівня кисню в альвеолах, які він обслуговує. У захворюваннях, що вражають легені нерівномірно, таких як пневмонія, обмежена одним лобом або часткова обструкція дихальних шляхів, цей локальний судом викликаний рефлекс допомагає обмежити пошкодження газообміну, яке спричиняє захворювана ділянка, підтримуючи кровотік через ділянки легенів, які все ще функціонують нормально. Без цього рефлексу кров продовжувала б безперешкодно текти крізь здорові та хворобливі ділянки в пропорції до розміру судин, і кров, що проходить через захворювану, погано провітрювану альвеолу, поверталася б до серця без належного насичення киснем, знижуючи кисневий вміст крові, доставленої до решти організму. Рефлекс у його локальній формі є тихим, але постійним внеском у підтримку стабільних рівнів артеріального кисню.

Коли реакція тікає від тіла

Цей механізм, який захищає при газообміні локально, стає шкідливим, коли гіпоксія впливає на весь легені, а не на невелику ділянку. Це відбувається найчастіше на великій висоті, де знижений атмосферний тиск призводить до зниження парціального тиску кисню в кожному альвеолі, одночасно, і при хронічних захворюваннях легень, таких як хронічна обструктивна хвороба легень або важкий апное сну, де поширене погане провітрювання або порушення газообміну підтримують низький рівень кисню в альвеолах великих ділянок легенів протягом тривалого періоду часу. У цих випадках гіпоксія-індукований судомний вазоспазм більше не є цілеспрямованою, коригуючою відповіддю на невелику регіональну проблему; це стає дифузним, глобальним спазмом, що впливає на значну частину легеневої судинної системи одночасно.Оскільки майже вся легенева судинна система звужується, а не лише невелика ділянка, загальний опір потоку крові через легені значно збільшується. Праве серце, яке зазвичай перекачує кров з дуже низьким опором порівняно з лівим серцем, тепер має генерувати більший тиск, щоб штовхнути ту ж об’єм крові через звужену легеневу судинну систему. Цей постійний підвищений тиск у артеріях правого серця, відомий як гіпертензія легень, спочатку компенсується збільшенням м'язової стінки серця, процесом, який називається гіпертрофією, щоб генерувати додаткову силу, необхідну для цього. З часом хронічний тиск перевантаження може перевищити здатність правого серця компенсувати, що призводить до напруження правого серця та, зрештою, до серцевої недостатності правого шлуночка, яка називається коре-пульмонарним захворюванням, коли це відбувається специфічно внаслідок захворювання легень. Люди, які швидко піднімаються на велику висоту без адаптації або живуть роками з хронічними гіпоксемними захворюваннями легень, є найбільш схильними до цього невідповідного наслідку, що ілюструє, як корисний локальний рефлекс може стати джерелом серйозних захворювань серця, коли тригер стає всеосяжним і постійним, а не обмеженим і тимчасовим.

Симулювання рефлексу: що шукати

Цей ефект пояснює, як організм реагує на гіпоксию – нестачу кисню – у легенях. У спрощеному вигляді, коли в певній частині легенів кисню мало, клітини відправляють сигнал до кровоносних судин, щоб звузити (стиснутися) і перенаправити кров з цих районів до тих, де кисень достатньо. Це зменшує втрату кисню та підтримує тиск в легенях. Спочатку ви бачите, як стискається одна кровоносна судина, потім – як стискаються багато, і нарешті – як змінюється загальний тиск в легенях. Розуміння цього процесу потребує розгляду ситуації з різних точок зору: від одного пошкодженого альвеолу до всієї легені. Наприклад, спочатку ви можете побачити, як звужується лише одна кровоносна судина, що живить пошкоджений альвеол. Але коли пошкодження стає більшим, і кисню мало в багатьох альвеолах, то відбувається щось інше: багато кровоносних судин стискаються одночасно, що призводить до підвищення тиску в легенях. Спостереження за цими змінами – як на рівні однієї судини, так і загального тиску в легенях – дає краще розуміння того, чому цей рефлекс є таким важливим для захисту організму та як він може призвести до проблем, якщо працювати неправильно.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Hypoxic Pulmonary Vasoconstriction Lab і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.