缺氧
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缺氧（hypoxia ）是指因組織的氧氣供應(yīng)不足或用氧障礙，而導(dǎo)致組織的代謝、功能和形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生異常變化的病理過程。缺氧是臨床各種疾病中極常見的一類病理過程，腦、心臟等生命重要器官缺氧也是導(dǎo)致機(jī)體死亡的重要原因。另外，由于動(dòng)脈血氧含量明顯降低導(dǎo)致組織供氧不足，又稱為低氧血癥（hypoxemia ）。
目錄 |
1. 常用血氧指標(biāo)及其意義
機(jī)體對(duì)氧的攝取和利用是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過程。一般來講，判斷組織獲得和利用氧
的狀態(tài)要檢測(cè)二個(gè)面因素：組織的供氧量、組織的耗氧量。測(cè)定血氧參數(shù)對(duì)了解機(jī)體氧的獲得和消耗是必要的：
1.1 氧分壓（partial pressure of oxygen, P O2 ）
為物理溶解于血液的氧所產(chǎn)生的張力。動(dòng)脈血氧分壓（ Pa O2 ）約為 13.3kPa （100mmHg），靜脈血氧分壓 (Pv O2) 約為 5.32kPa （ 40mmHg ）， Pa O2 高低主要取決于吸入氣體的氧分壓和外呼吸功能，同時(shí)，也是氧向組織彌散的動(dòng)力因素；而 PvO2 則反映內(nèi)呼吸功能的狀態(tài)。
1.2 氧容量（oxygen binding capacity ，CO2max ）
CO2max 指 PaO2 為 19.95kPa (150mmHg) 、PaCO2為 5.32kPa(40mmHg) 和38℃ 條件下，100ml血液中血紅蛋白（Hb）所能結(jié)合的最大氧量。CO2max高低取決于Hb質(zhì)和量的影響，反映血液攜氧的能力。正常血氧容量約為 8.92mmol/L(20ml%) 。
1.3 氧含量（oxygen content, CO2）
CO2是指100ml血液的實(shí)際帶氧量，包括血漿中物理溶解的氧和與 Hb 化學(xué)結(jié)合的氧。當(dāng)PO2為13.3kPa（100mmHg）時(shí)，100ml血漿中呈物理溶解狀態(tài)的氧約為 0.3ml ，化學(xué)結(jié)合氧約為 19ml 。正常動(dòng)脈血氧含量（CaO2）約為8.47mmol/L(19.3ml/dl) ；靜脈血氧含量（CvO2）為5.35-6.24mmol/L(12ml%-14ml/dl)。氧含量取決于氧分壓和Hb的質(zhì)及量。
1.4 氧飽和度（oxygen saturation ， SO2）
SO2是指Hb結(jié)合氧的百分?jǐn)?shù)。
SO2 =(氧含量–物理溶解的氧量)/氧容量×100%
此值主要受PO2的影響，兩者之間呈氧合Hb解離曲線的關(guān)系。正常動(dòng)脈血氧飽和度為 93%-98% ；靜脈血氧飽和度為 70%-75% 。
1.5 動(dòng)–靜脈氧差（A-Vd O2 ）
A-Vd O2為CaO2 減去CvO2 的差值，差值的變化主要反映組織從單位容積血液內(nèi)攝取氧的多少和組織對(duì)氧利用的能力。正常動(dòng)脈血與混合靜脈血的氧差為 2.68-3.57mmol/L(6ml%-8ml%) 。當(dāng)血液流經(jīng)組織的速度明顯減慢時(shí)，組織從血液攝取的氧可增多，回流的靜脈血中氧含量減少，A-Vd O2 增大；反之組織利用氧的能力明顯降低、 Hb 與氧的親和力異常增強(qiáng)等回流的靜脈血中氧含量增高，A-Vd O2 減小。 Hb 含量減少也可以引起 A-Vd O2 減小。
1.6 P50
P50 指在一定體溫和血液pH條件下，Hb 氧飽度為 50% 時(shí)的氧分壓。P50 代表Hb與O2的親和力，正常值為 3.47-3.6kPa(26-27mmHg) 。氧離曲線右移時(shí)P50 增大，氧離曲線左移時(shí)P50 減小，比如紅細(xì)胞內(nèi)2,3-DPG 濃度增高1mmol/gHb 時(shí)， P50將升高約0.1kPa ?！ ?/p>
2. 缺氧的類型、原因和發(fā)生機(jī)制
根據(jù)缺氧的原因和血?dú)庾兓奶攸c(diǎn)，可把單純性缺氧分為四種類型：
2.1 低張性缺氧
低張性缺氧（hypotonic hypoxia）指由 Pa O2 明顯降低并導(dǎo)致組織供氧不足。當(dāng) Pa O2 低于 8kPa （60mmHg）時(shí)，可直接導(dǎo)致CaO2和SaO2 明顯降低，因此低張性缺氧也可以稱為低張性低氧血癥（ hypotonic hypoxemia ）。
2.1.1 原因
低張性缺氧的常見原因?yàn)槲霘怏w氧分壓過低、肺功能障礙和靜脈血摻雜入動(dòng)脈血增多。
(1) 吸入氣體氧分壓過低：因吸入過低氧分壓氣體所引起的缺氧，又稱為大氣性缺氧（ atmospheric hypoxia ）。
(2) 外呼吸功能障礙：由肺通氣或換氣功能障礙所致，稱為呼吸性缺氧（ respiratory hypoxia ）。常見于各種呼吸系統(tǒng)疾病、呼吸中樞抑制或呼吸肌麻痹等。
2.1.2 血氧變化的特點(diǎn)
①由于彌散入動(dòng)脈血中的氧壓力過低使PaO2降低，過低的PaO2可直接導(dǎo)致CaO2和SaO2降低；
②如果Hb無質(zhì)和量的異常變化，CO2max 正常；
③由于PaO2降低時(shí)，紅細(xì)胞內(nèi)2,3-DPG增多，故血SaO2 降低；
④低張性缺氧時(shí)， PaO2 和血SaO2 降低使CaO2降低；
⑤動(dòng)-靜脈氧差減小或變化不大。通常 100ml 血液流經(jīng)組織時(shí)約有 5ml 氧被利用，即 A-V d O2 約為 2.23mmol/L(5ml/dl) 。氧從血液向組織彌散的動(dòng)力是二者之間的氧分壓差，當(dāng)?shù)蛷埿匀毖鯐r(shí)， Pa O2 明顯降低和CaO2明顯減少，使氧的彌散速度減慢，同量血液彌散給組織的氧量減少，最終導(dǎo)致 A-V d O2 減小和組織缺氧。如果是慢性缺氧，組織利用氧的能力代償增加時(shí)， A-Vd O2 變化也可不明顯。
2.1.3 皮膚粘膜顏色的變化
正常毛細(xì)血管中脫氧 Hb 平均濃度為 26g /L( 2.6g /dl) 。低張性缺氧時(shí)，動(dòng)脈血與靜脈血的氧合 Hb 濃度均降低，毛細(xì)血管中氧合 Hb 必然減少，脫氧 Hb 濃度則增加。當(dāng)毛細(xì)血管中脫氧 Hb 平均濃度增加至 50g /L( 5g /dl) 以上（SaO2 ≤80% ～ 85% ）可使皮膚粘膜出現(xiàn)青紫色，稱為紫紺 (cyanosis) 。在慢性低張性缺氧很容易出現(xiàn)紫紺。紫紺是缺氧的表現(xiàn)，但缺氧的病人不一定都有紫紺，例如貧血引起的血液性缺氧可無紫紺。同樣，有紫紺的病人也可無缺氧，如真性紅細(xì)胞增多癥患者，由于 Hb 異常增多，使毛細(xì)血管內(nèi)脫氧 Hb 含量很容易超過 50g /L ，故易出現(xiàn)紫紺而無缺氧癥狀。
2.2 血液性缺氧
血液性缺氧（hemic hypoxia ）指 Hb 量或質(zhì)的改變，使CaO2減少或同時(shí)伴有氧合 Hb 結(jié)合的氧不易釋出所引起的組織缺氧。由于 Hb 數(shù)量減少引起的血液性缺氧，因其 Pa O2 正常而CaO2減低，又稱等張性缺氧（ isotonic hypoxemia ）。
2.2.1 原因
(1) 貧血：又稱為貧血性缺氧 (anemic hypoxia) 。
(2) 一氧化碳（ CO ）中毒： Hb 與 CO 結(jié)合可生成碳氧 Hb （ carboxyhemoglobin, HbCO ）。 CO 與 Hb 結(jié)合的速度雖僅為 O2 與 Hb 結(jié)合速率的 1/10 ，但 HbCO 的解離速度卻只有 HbO2 解離速度的 1/2100 ，因此， CO 與 Hb 的親和力比 O2 與 Hb 的親和力大 210 倍。當(dāng)吸入氣體中含有0.1%CO時(shí)，血液中的Hb可有50%轉(zhuǎn)為 HbCO ，從而使大量Hb 失去攜氧功能；CO 還能抑制紅細(xì)胞內(nèi)糖酵解，使2,3-DPG生成減少，氧解離曲線左移， HbO2不易釋放出結(jié)合的氧；HbCO中結(jié)合的 O2 也很難釋放出來。由于 HbCO 失去攜帶 O2 和妨礙 O2 的解離，從而造成組織嚴(yán)重缺氧。在正常人血中大約有 0.4%HbCO 。當(dāng)空氣中含有 0.5%CO 時(shí)，血中 HbCO 僅在 20 ～ 30min 就可高達(dá) 70% 。 CO 中毒時(shí)，代謝旺盛、需氧量高以及血管吻合支較少的器官更易受到損害。
(3) 高鐵血紅蛋白血癥：當(dāng)亞硝酸鹽、過氯酸鹽、磺胺等中毒時(shí)， 可以使血液中大量（ 20% ～ 50% ） Hb 轉(zhuǎn)變?yōu)楦哞F血紅蛋白（ methemoglobin, HbFe 3+ OH ）。高鐵 Hb 形成是由于 Hb 中二價(jià)鐵在氧化劑的作用下氧化成三價(jià)鐵，故又稱為變性 Hb 或羥化 Hb 。高鐵 Hb 中的Fe3+ 因與羥基牢固結(jié)合而喪失攜帶氧能力；另外，當(dāng) Hb 分子中有部分Fe2+ 氧化為Fe3+ ，剩余吡咯環(huán)上的Fe2+ 與 O2 的親和力增高，氧離曲線左移，高鐵 Hb 不易釋放出所結(jié)合的氧，加重組織缺氧?；颊呖梢蛉毖?，出現(xiàn)頭痛、衰弱、昏迷、呼吸困難和心動(dòng)過速等癥狀。臨床上常見的是食用大量新腌咸菜或腐敗的蔬菜，由于它們含有大量硝酸鹽，經(jīng)胃腸道細(xì)菌作用將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽并經(jīng)腸道粘膜吸收后，引起高鐵 Hb 血癥，患者皮膚、粘膜（如口唇）呈現(xiàn)青灰色，也稱為腸源性紫紺 (enterogenous cyanosis) 。
在生理狀態(tài)下，血液中也有少量的高鐵 Hb 不斷形成，但可以通過體內(nèi)還原劑如 NADH 、維生素 C 、還原型谷胱甘肽等還原為Fe2+ ，使正常血液中高鐵 Hb 含量限于 Hb 總量的 1% ～ 2% 。高鐵 Hb 血癥還可見于一種 HbM 遺傳性高鐵 Hb 血癥。這種疾病是由于 a 58 組 → 酪 突變，酪氨酸占據(jù)了血紅素 Fe 原子的配基位置，使之呈現(xiàn)穩(wěn)定的高鐵狀態(tài)，患者有紫紺癥狀和繼發(fā)性紅細(xì)胞增多。
(4)Hb 與氧的親和力異常增加：見于輸入大量庫(kù)存血液或鹼性液體，也見于某些血紅蛋白病。庫(kù)存血液的紅細(xì)胞內(nèi) 2,3-DPG 含量低使氧合血紅蛋白解離曲線左移；基因的突變， a 鏈第 92 位精氨酸被亮氨酸取代時(shí)， Hb 與 O2 的親和力比正常高幾倍。
2.2.2 血氧變化的特點(diǎn)
貧血引起缺氧時(shí)，由于外呼吸功能正常，所以 Pa O2 、SaO2 正常，但因 Hb 數(shù)量減少或性質(zhì)改變，使氧容量降低導(dǎo)致CaO2減少。
CO 中毒時(shí)，其血氧變化與貧血的變化基本是一致的。但是CO2max 在體外檢測(cè)時(shí)可以是正常的，這因在體外用氧氣對(duì)血樣本進(jìn)行了充分平衡，此時(shí)O2已完全競(jìng)爭(zhēng)取代HbCO中的 CO 形成氧合 Hb ，所以血 CO2 max 可以是正常的。
血液性缺氧時(shí)，血液流經(jīng)毛細(xì)血管時(shí)，因血中HbO2總量不足和PO2下降較快，使氧的彌散動(dòng)力和速度也很快降低，故 A-V d O2 低于正常。
Hb與O2 親和力增加引起的血液性缺氧較特殊，其PaO2 正常；CaO2和SaO2 正常，由于Hb與O2親和力較大，故結(jié)合的氧不易釋放導(dǎo)致組織缺氧，所以 PvO2升高；CvO2和 Sv O2升高，A-V d O2 小于正常。
2.2.3 皮膚、粘膜顏色變化
單純 Hb 減少時(shí)，因氧合血紅蛋白減少，另外患者毛細(xì)血管中還原 Hb 未達(dá)到出現(xiàn)紫紺的閾值，所以皮膚、粘膜顏色較為蒼白； HbCO 本身具有特別鮮紅的顏色， CO 中毒患者時(shí)，由于血液中 HbCO 增多，所以皮膚、粘膜呈現(xiàn)櫻桃紅色，嚴(yán)重缺氧時(shí)由于皮膚血管收縮，皮膚、粘膜呈蒼白色；高鐵 Hb 血癥時(shí)，由于血中高鐵 Hb 含量增加，所以患者皮膚、粘膜出現(xiàn)深咖啡色或青紫色；單純的由Hb與O2 親和力增高時(shí)，由于毛細(xì)血管中脫氧Hb量少于正常，所以患者皮膚、粘膜無紫紺。
2.3 循環(huán)性缺氧
循環(huán)性缺氧（ circulatory hypoxia ）指組織血流量減少使組織氧供應(yīng)減少所引起的缺氧，又稱為低動(dòng)力性缺氧（ hypokinetic hypoxia ）。循環(huán)性缺氧還可以分為缺血性缺氧（ ischemic hypoxia ）和淤血性缺氧（ congestive hypoxia ）。缺血性缺氧是由于動(dòng)脈供血不足所致；淤血性缺氧是由于靜脈回流受阻所致。
2.3.1 原因
循環(huán)性缺氧的原因是血流量減少，血流量減少可以分為全身性和局部性二種。
(1) 全身性血流量減少
(2) 局部性血流量減少
2.3.2 血氧變化的特點(diǎn)
單純性循環(huán)障礙時(shí)，血氧容量正常； Pa O2 正常、CaO2正常、SaO2 正常。由于血流緩慢，血液流經(jīng)毛細(xì)血管的時(shí)間延長(zhǎng)，使單位容積血液彌散到組織氧量增加， C v O2 降低，所以 A-Vd O2 血氧差也加大；但是單位時(shí)間內(nèi)彌散到組織、細(xì)胞的氧量減少，還是引起組織缺氧。局部性循環(huán)性缺氧時(shí)，血氧變化可以基本正常。
2.3.3 皮膚、粘膜顏色變化
由于靜脈血的 CvO2 和PvO2較低，毛細(xì)血管中脫氧 Hb可超過50g/L ，可引發(fā)皮膚、粘膜紫紺。
2.4 組織性缺氧
組織性缺氧（ histogenous hypoxia ）是指由于組織、細(xì)胞利用氧障礙所引起的缺氧。
2.4.1 原因
細(xì)胞色素分子中的鐵通過可逆性氧化還原反應(yīng)進(jìn)行電子傳遞，這是細(xì)胞氧化磷酸化的關(guān)鍵步驟。以氰化物（ cyanide ）為例，當(dāng)各種無機(jī)或有機(jī)氰化物如： HCN 、 KCN 、 NaCN 、 NH4CN 和氫氰酸有機(jī)衍生物（多存在于杏、桃和李的核仁中）等經(jīng)消化道、呼吸道、皮膚進(jìn)入體內(nèi)， CN- 可以迅速與細(xì)胞內(nèi)氧化型細(xì)胞色素氧化酶三價(jià)鐵結(jié)合形成氰化高鐵細(xì)胞色素氧化酶（ CNˉ+ Cytaa 3Fe3+ →Cyt aa 3Fe3+ -CNˉ ），失去了接受電子能力，使呼吸鏈中斷，導(dǎo)致組織細(xì)胞利用氧障礙。 0.06gHCN可以導(dǎo)致人的死亡。高濃度 CO 也能與氧化型細(xì)胞色素氧化酶 aa 的Fe2+ 結(jié)合，阻斷呼吸鏈。硫化氫、砷化物和甲醇等中毒是通過抑制細(xì)胞色素氧化酶活性而阻止細(xì)胞的氧化過程?？姑咕?A 和苯乙雙胍等能抑制電子從細(xì)胞色素 b 向細(xì)胞色素 c 的傳遞，阻斷呼吸鏈導(dǎo)致組織中毒性缺氧。
(2) 線粒體損傷
引起線粒體損傷的原因有：強(qiáng)輻射、細(xì)菌毒素、熱射病、尿毒癥等。線粒體損傷，可以導(dǎo)致組織細(xì)胞利用氧障礙和 ATP 生成減少。
(3) 呼吸酶合成障礙
維生素 B1 、 B2 、尼克酰胺等是機(jī)體能量代謝中輔酶的輔助因子，這些維生素缺乏導(dǎo)致組織細(xì)胞對(duì)氧利用和 ATP 生成發(fā)生障礙。
2.4.2 血氧變化的特點(diǎn)
組織性缺氧時(shí)，血氧容量正常， Pa O2 、CaO2、SaO2 一般均正常。由于組織細(xì)胞利用氧障礙（內(nèi)呼吸障礙），所以 Pv O2 、 C v O2 、 S v O2 增高，（ A-V ） d O2 小于正常?；颊叩钠つw、粘膜顏色因毛細(xì)血管內(nèi)氧合 Hb 的量高于正常，故常呈現(xiàn)鮮紅色或玫瑰紅色。
臨床常見的缺氧多為混合性缺氧。例如肺源性心臟病時(shí)由于肺功能障礙可引起呼吸性缺氧，心功能不全可出現(xiàn)循環(huán)性缺氧?！ ?/p>
3. 缺氧時(shí)細(xì)胞的代謝和功能變化
機(jī)體吸入氧，并通過血液運(yùn)輸?shù)竭_(dá)組織，最終被細(xì)胞所感受和利用。因此，缺氧的本質(zhì)是細(xì)胞對(duì)低氧狀態(tài)的一種反應(yīng)和適應(yīng)性改變。當(dāng)急性嚴(yán)重缺氧時(shí)細(xì)胞變化以線粒體能量代謝障礙為主（包括組織中毒性缺氧）；慢性輕度缺氧細(xì)胞以氧感受器的代償性調(diào)節(jié)為主。
3.1 代償性變化
3.1.1 缺氧時(shí)細(xì)胞能量代謝變化
(1) 無氧酵解增強(qiáng)： 當(dāng) Pa O2 降低時(shí)，線粒體周圍的 P O2 低于 0.04 ～ 0.07kPa 時(shí)，氧作為有氧氧化過程的最終的電子接受者出現(xiàn)缺額，線粒體的有氧代謝發(fā)生障礙， ATP 生成減少，胞漿內(nèi) ADP 增加。胞漿內(nèi) ADP 增高可使磷酸果糖激酶、糖酵解過程加強(qiáng)，并在一定的程度上可補(bǔ)償細(xì)胞的能量不足，但酸性產(chǎn)物增加。
(2) 利用氧的能力增強(qiáng)：長(zhǎng)期慢性和輕度缺氧時(shí)，細(xì)胞內(nèi)線粒體數(shù)量增多，生物氧化還原酶（如琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素氧化酶）活性增強(qiáng)和含量增多，使細(xì)胞利用氧的能力增強(qiáng)。
3.1.2 細(xì)胞的氧敏感調(diào)節(jié)與適應(yīng)性變化
(1) 化學(xué)感受器興奮
(2) 血紅素蛋白（ hemeprotein ）感受調(diào)節(jié)：血色素蛋白是指含有卟啉環(huán)配體的一類蛋白質(zhì)，如血紅蛋白、細(xì)胞色素aa3 、P450、含細(xì)胞色素 b 558 的輔酶 Ⅱ （ NADPH ）氧化酶等。感受調(diào)節(jié)方式有兩種：
①構(gòu)象改變 當(dāng) O2 結(jié)合于血紅素分子中央的Fe2+ ，引起Fe2+ 轉(zhuǎn)位到卟啉環(huán)平面上，反之相反。這種構(gòu)象的變化可能影響血紅素蛋白的功能。例如： CO 與氧化型細(xì)胞色素氧化酶 aa 的Fe2+ 結(jié)合，使氧化型細(xì)胞色素氧化酶失去了傳遞電子的作用。
②信使分子 NADPH 氧化酶可與細(xì)胞周圍環(huán)境中 O2 結(jié)合，并把 O2 轉(zhuǎn)變?yōu)?O2- ，再生成 H2O2 。 H2O2 經(jīng)過 Feton 反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱u自由基（ OH- ）進(jìn)行氧信號(hào)的傳導(dǎo)。正常時(shí)，細(xì)胞內(nèi) H2O2 濃度相對(duì)較高，抑制低氧敏感基因的表達(dá)。低氧時(shí)，細(xì)胞內(nèi) H2O2 和 OH- 生成減少，還原型谷光甘肽（ GSH ）氧化轉(zhuǎn)變成氧化型谷光甘肽（ GSSG ）受到抑制，導(dǎo)致某些蛋白巰基還原型增加，從而使一些轉(zhuǎn)錄因子的構(gòu)象發(fā)生改變，促進(jìn)低氧敏感基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。
3.1.3 HIF-1 感受調(diào)節(jié)
近年研究認(rèn)為， HIF-1 （ hypoxia induced factor-1 ）是受控于氧濃度變化的一個(gè)至關(guān)重要的轉(zhuǎn)錄因子。細(xì)胞核內(nèi) HIF-1 作為低氧敏感基因的啟動(dòng)子與靶基因的低氧反應(yīng)元件（ HRE，5-RCGTG-3 ）結(jié)合，啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯。
3.1.4 紅細(xì)胞適應(yīng)性增多
在高原居住的人和長(zhǎng)期慢性缺氧的人，紅細(xì)胞可以增加到 6×106/㎜ 3 ， Hb達(dá)21g/dl 。其增加機(jī)制是，當(dāng)缺氧時(shí)，低氧血可以刺激近球細(xì)胞，使其生成促紅細(xì)胞生成素（ erythropoiesis-stimulating factor, EPO ）增加。 EPO可以刺激RBC系單向干細(xì)胞分化為原 RBC 和增殖、成熟。另外。 EPO 可促使 Hb 合成和網(wǎng)織紅細(xì)胞進(jìn)入血液，血中紅細(xì)胞和 Hb 增加，提高了血液中血氧容量。最終提高了血液攜帶氧的能力使氧含量增加，從而增強(qiáng)對(duì)組織器官的 O2 供應(yīng)。
3.1.5 肌紅蛋白（ Mb ）增加
由于 Mb 與氧的親和力比 Hb 的大，如氧分壓降為 10mmHg 時(shí)， Hb 的氧飽和度約為 10% ，而 Mb 的氧飽和度可達(dá) 70% ，因此，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)使肌組織氧分壓進(jìn)一步降低時(shí)， Mb 可釋放出大量的氧供組織、細(xì)胞利用。 Mb 增加可能具有儲(chǔ)存氧的作用。
3.2 細(xì)胞損傷
缺氧性細(xì)胞損傷（ hypoxic cell damage ）常為嚴(yán)重缺氧時(shí)出現(xiàn)的一種失代償性變化。其主要表現(xiàn)為細(xì)胞膜、線粒體及溶酶體的損傷。
3.2.1 細(xì)胞膜變化
細(xì)胞膜電位降低常先于細(xì)胞內(nèi)ATP含量的減少，膜電位降低的原因?yàn)榧?xì)胞膜對(duì)離子的通透性增高，導(dǎo)致離子順濃度差通過細(xì)胞膜，繼而出現(xiàn)鈉內(nèi)流、鉀外流、鈣內(nèi)流和細(xì)胞水腫等一系列改變。
（ 1 ） Na+ 內(nèi)流：使細(xì)胞內(nèi) Na+ 濃度增多并激活 Na+ -K+ 泵，在泵出胞內(nèi) Na+ 同時(shí)又過多消耗 ATP ， ATP 消耗又將促進(jìn)線粒體氧化磷酸化過程和加重細(xì)胞缺氧。細(xì)胞內(nèi) Na+ 濃度過高必然伴隨水進(jìn)入胞內(nèi)增加引起細(xì)胞水腫。細(xì)胞水腫是線粒體、溶酶體腫脹的基礎(chǔ)。
（ 2 ） K+ 外流：由于Na+-K+泵功能障礙，細(xì)胞外K+不能被泵到胞漿內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)缺 K+ 導(dǎo)致合成代謝障礙，各種酶的生成減少并進(jìn)一步影響 ATP 的生成和離子泵的功能。
（ 3 ） Ca2+內(nèi)流：細(xì)胞內(nèi)外 Ca2+ 濃度相差約 1000 倍，細(xì)胞內(nèi)低 Ca2+ 濃度的維持依賴膜上 Ca2+ 泵功能。嚴(yán)重缺氧時(shí)，由于 ATP 生成減少，膜上 Ca2+ 泵功能降低，胞漿內(nèi) Ca2+ 外流和肌漿網(wǎng)攝取 Ca2+ 障礙，使胞漿內(nèi) Ca2+ 濃度增高。細(xì)胞內(nèi) Ca2+ 增多并進(jìn)入線粒體內(nèi)抑制了呼吸鏈功能； Ca2+和鈣調(diào)蛋白（ calmodulin ）激活磷脂酶，使膜磷脂分解，引起溶酶體損傷及其水解酶的釋放，細(xì)胞自溶；胞漿內(nèi) Ca2+濃度過高可以使黃嘌呤脫氫酶轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/w/%E9%BB%84%E5%98%8C%E5%91%A4%E6%B0%A7%E5%8C%96%E9%85%B6" title="黃嘌呤氧化酶">黃嘌呤氧化酶，增加自由基形成，加重細(xì)胞損傷。
3.2.2 線粒體的變化
缺氧可損傷線粒體，線粒體損傷又可導(dǎo)致缺氧，兩者互為因果。缺氧引起線粒體受損的原因是嚴(yán)重缺氧可明顯抑制線粒體呼吸功能和氧化磷酸化過程，使 ATP 生成更減少；持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重缺氧，可以使線粒體的基質(zhì)顆粒減少或消失，基質(zhì)電子密度增加，脊內(nèi)腔擴(kuò)張，脊腫脹、崩解，外膜破裂等。
3.2.3 溶酶體的變化
缺氧時(shí)因糖酵解增強(qiáng)使乳酸生成增多和脂肪氧化不全使酮體增多，導(dǎo)致酸中毒。 pH 降低和胞漿內(nèi)鈣增加使磷脂酶活性增高，使溶酶體膜的磷脂被分解，膜通透性增高，溶酶體腫脹、破裂和釋出大量溶酶體酶，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞及其周圍組織的溶解、壞死。細(xì)胞內(nèi)水腫、自由基的作用也參加溶酶體損傷機(jī)制?！ ?/p>
4. 缺氧時(shí)器官的功能和代謝變化
缺氧對(duì)器官的影響，取決于缺氧發(fā)生的程度、速度持續(xù)時(shí)間和機(jī)體的功能代謝狀態(tài)。慢性輕度缺氧主要引起器官代償性反應(yīng)；急性嚴(yán)重的缺氧，器官常出現(xiàn)代償不全和功能障礙，甚至引起重要器官產(chǎn)生不可逆損傷，導(dǎo)致機(jī)體的死亡。
4.1 呼吸系統(tǒng)的變化
4.1.1 代償性反應(yīng)
4.1.1.1 呼吸加深加快
4.1.1.2 胸廓呼吸運(yùn)動(dòng)增加
主要是低氧血癥引起的呼吸運(yùn)動(dòng)增加使胸內(nèi)負(fù)壓增大，促進(jìn)了靜脈回流增加，增加心輸出量和肺血流量，有利于氧的攝取和運(yùn)輸。
低張性缺氧所引起的肺通氣變化與缺氧持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。
4000m 高原的空氣 PO2 為 100mmHg ，肺泡氣 P O2 為 55mmHg 左右。因此，在化學(xué)感受器的低氧感受下，肺通氣量立即增加，由于空氣稀薄， PCO2 也低， CO2 呼出增加（發(fā)生呼吸性堿中毒和低氧血癥）， PaCO2降低，減低了對(duì)延髓的中樞化學(xué)感受器的刺激，限制肺的通氣量增加，所以，早期肺通氣量只比海平面高65% ；數(shù)日后，通過腎代償性排除 HCO3- ，腦脊液內(nèi)的HCO3-也通過血腦屏障進(jìn)入血液使腦組織中pH逐漸恢復(fù)正常，對(duì)延髓的中樞化學(xué)感受器的刺激抑制逐漸解除，肺的通氣量可增加至海平面的5-7 倍；長(zhǎng)期居住者肺通氣量逐漸回落，至僅比海平面高 15% ，這可能與外周化學(xué)感受器對(duì)低氧的敏感性降低有關(guān)。這也是一種慢性適應(yīng)過程，因?yàn)榉瓮饷吭黾?1L ，呼吸肌耗氧增加 0.5ml ，所以長(zhǎng)期呼吸運(yùn)動(dòng)增加顯然對(duì)機(jī)體不利。
4.1.2 呼吸功能障礙
高原肺水腫（high altitude pulmonary edema,HAPE），表現(xiàn)為呼吸困難、咳嗽、血性泡沫痰、肺部有濕性羅音，皮膚粘膜發(fā)紺等。其發(fā)病機(jī)制與以下因素有關(guān)：
①缺氧引起外周血管收縮，回心血量增加和肺血量增多，加上缺氧性肺血管收縮反應(yīng)使肺血流阻力增加，導(dǎo)致肺動(dòng)脈高壓。
②肺血管收縮強(qiáng)度不一使肺血流分布不均，在肺血管收縮較輕或不發(fā)生收縮的部位，肺泡毛細(xì)血管血流增加、流體靜壓增高，引起壓力性肺水腫。
③肺內(nèi)血壓高和流速快對(duì)微血管的切應(yīng)力（流動(dòng)血液作用于血管的力在管壁平行方向的分力）增高。
④肺的微血管壁通透性增高，例如，補(bǔ)體 C3a 、 LTB4 和 TXB2 等血管活性物質(zhì)可能導(dǎo)致微血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷和通透性增高。
肺水腫影響肺的換氣功能，可使PaO2 進(jìn)一步下降，加重缺氧。PaO2 過低可直接抑制呼吸中樞，使呼吸抑制，肺通氣量減少，導(dǎo)致呼吸衰竭。
4.2 循環(huán)系統(tǒng)的變化
4.2.1 心輸出量增加
導(dǎo)致心輸出量增加的主要機(jī)制是：
①心率加快：當(dāng)吸入含 8%O2 的空氣時(shí)，心率可增加一倍。目前認(rèn)為，心率加快很可能是通氣增加所至肺膨脹對(duì)肺牽張感受器的刺激，反射性抑制迷走神經(jīng)對(duì)心臟的效應(yīng)；但呼吸運(yùn)動(dòng)過深產(chǎn)生過度牽張刺激使心率減慢和血壓下降。
②心肌收縮性增強(qiáng)：缺氧作為一種應(yīng)激原，可使交感神經(jīng)興奮和兒茶酚胺釋放增多，作用心臟β- 腎上腺素能受體，使心率加快，心肌收縮性增強(qiáng)。
③靜脈回流增加：缺氧時(shí)胸廓運(yùn)動(dòng)和心臟活動(dòng)增強(qiáng)，胸腔內(nèi)負(fù)壓增大，靜脈回流增加和心輸出量增加。
4.2.2 血液重分布
急性缺氧時(shí)，皮膚、腹腔內(nèi)臟因交感神經(jīng)興奮，縮血管作用占優(yōu)勢(shì)，使血管收縮；而腦血管收縮不明顯；冠脈血管在局部代謝產(chǎn)物（如 CO2 、 H+ 、 K+ 、磷酸鹽、腺苷及 PGI 2 等）的擴(kuò)血管作用下血流增加。這種全身性血流分布的改變，顯然對(duì)于保證生命重要器官氧的供應(yīng)是有利的。
4.2.3 肺血管收縮（肺血管對(duì)缺氧的反應(yīng)與體血管相反）
①交感神經(jīng)興奮作用使肺血管收縮 急性缺氧時(shí)所致交感神經(jīng)興奮性可作用于肺血管的α1 受體引起血管收縮反應(yīng)。慢性低氧時(shí)肺內(nèi)血管平滑肌出現(xiàn)受體分布的改變： α1 受體增加，β受體密度降低，導(dǎo)致肺血管收縮增強(qiáng)。
②體液因子的作用使肺血管收縮。肺組織內(nèi)肥大細(xì)胞、肺泡巨噬細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞以及血管平滑肌細(xì)胞等能釋放各種血管活性物質(zhì)，如：肥大細(xì)胞脫顆粒釋放組胺、 VEC 釋放 PGI 2 、 ET 增加引起肺血管收縮。在血管收縮過程中，縮血管物質(zhì)增加起主導(dǎo)作用，擴(kuò)血管物質(zhì)的增加起反饋調(diào)節(jié)作用。
③血管平滑肌對(duì)低氧的直接感受。正如缺氧時(shí)細(xì)胞的代謝和功能變化一節(jié)所述，缺氧可直接通過肺血管平滑肌細(xì)胞膜上對(duì)氧敏感的鉀通道關(guān)閉，使細(xì)胞內(nèi) K+ 外流減少，膜電位下降，細(xì)胞興奮性增高、極化加速和細(xì)胞外 Ca2+ 內(nèi)流增強(qiáng)，最終導(dǎo)致了肺血管收縮。
慢性缺氧除了肺血管收縮導(dǎo)致肺動(dòng)脈高壓外，還有肺內(nèi)血管壁中層平滑肌肥大、增厚以及彈力纖維和膠原纖維增生使血管的管徑變小、血流阻力增加。
4.2.4 毛細(xì)血管增生
組織細(xì)胞的長(zhǎng)期輕度缺氧，可通過 HIF-1a 的低氧感受使細(xì)胞合成與釋放 VGEF 增多，毛細(xì)血管在缺氧的組織增生（見缺氧時(shí)細(xì)胞的代謝和功能變化）。這種現(xiàn)象在腦、肥大的心肌、實(shí)體腫瘤和骨骼肌中，毛細(xì)血管增生更加顯著。
4.3 血液系統(tǒng)的變化
缺氧可使骨髓造血增強(qiáng)和氧合血紅蛋白解離曲線右移。
4.3.1 紅細(xì)胞增多
4.3.2 氧合血紅蛋白解離曲線右移
缺氧時(shí)，紅細(xì)胞內(nèi) 2,3-DPG 增加，導(dǎo)致氧合 Hb 解離曲線右移， Hb 易將結(jié)合的氧釋放出供組織利用。
（ 1 ）紅細(xì)胞內(nèi)生成 2,3-DPG 增多的原因有兩個(gè)方面：
①低張性缺氧時(shí)氧合 Hb 減少，脫氧 Hb 增多，前者中央穴孔小，不能結(jié)合 2,3-DPG ；后者中央孔穴較大，可結(jié)合 2,3-DPG 。當(dāng)脫氧 Hb 增多時(shí)，紅細(xì)胞內(nèi)游離的 2,3-DPG 減少， 2,3-DPG 對(duì)磷酸果糖激酶及二磷酸甘油變位酶（ diphosphoglycerate mutase, DPGM ）的抑制作用減弱，從而使糖酵解增強(qiáng)， 2,3-DPG 生成增多。
②低張性缺氧因代償性肺過度通氣引起呼吸性堿中毒，以及缺氧時(shí)紅細(xì)胞內(nèi)存在的大量脫氧 Hb 稍偏堿性，使紅細(xì)胞內(nèi) pH 增高，從而激活磷酸果糖激酶和抑制 2,3-DPG 磷酸酶（ 2,3-DPG phosphatase, 2,3-DPGP ）活性。前者使糖酵解增強(qiáng)， 2,3-DPG 合成增加；后者使 2,3-DPG 的分解減少。
（ 2 ） 2,3-DPG 增多使氧合 Hb 解離曲線右移的機(jī)制是：
① 與 2,3-DPG 結(jié)合的脫氧 Hb 其空間構(gòu)型較為穩(wěn)定，不易于氧結(jié)合；
② 2,3-DPG 是一種不能透出紅細(xì)胞的有機(jī)酸，其增多可降低紅細(xì)胞內(nèi) pH ， pH 下降通過 Bohr 效應(yīng)使氧合 Hb 解離曲線右移。但是，當(dāng) Pa O2 低于 8kPa 時(shí)，氧離曲線右移可明顯影響肺部血液對(duì)氧的攝取。
4.3.3 血紅蛋白表型重建
4.4 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的變化
中樞神經(jīng)系統(tǒng)是對(duì)缺氧最為敏感的器官，因?yàn)槟X對(duì)氧的需求非常高。腦重量?jī)H為體重的 2% ，而腦血流占心輸出量 15% ，腦耗氧量占總耗氧量 23% ，所以，腦對(duì)缺氧十分敏感，臨床上腦完全缺氧 5-8min后可發(fā)生不可逆的損傷。
急性缺氧可引起頭痛、情緒激動(dòng)，思維力、記憶力、判斷力下降或喪失以及運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)等。嚴(yán)重缺氧可使腦組織發(fā)生細(xì)胞腫脹、變性、壞死及腦間質(zhì)水腫等形態(tài)學(xué)變化，這與缺氧及酸中毒使腦微血管通透性增高引起腦間質(zhì)水腫有關(guān)。這些損傷常常在缺氧幾分鐘內(nèi)發(fā)生。且不可逆。腦血管擴(kuò)張、腦細(xì)胞及腦間質(zhì)水腫可使顱內(nèi)壓增高，由此引起頭痛、嘔吐、煩躁不安、驚厥、昏迷，甚至死亡。慢性缺氧則易疲勞、嗜睡、注意力不集中等癥狀。
極嚴(yán)重缺氧可導(dǎo)致昏迷、死亡的發(fā)生機(jī)制是由于神經(jīng)細(xì)胞膜電位降低，神經(jīng)遞質(zhì)合成減少；腦細(xì)胞能量代謝障礙， ATP 減少，細(xì)胞膜通透性增加；酸中毒，細(xì)胞內(nèi)游離 Ca2+ 增多，溶酶體酶的釋放以及細(xì)胞水腫等因素導(dǎo)致引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙。
所謂高原腦水腫（ high altitude cerebral edema, HACE ）發(fā)病機(jī)制除了缺氧引起腦血管擴(kuò)張、腦血流增多外，可能還與下列因素有關(guān)。 1 ）腦細(xì)胞水腫； 2 ）血腦屏障功能受損， 3 ）腦靜脈內(nèi)血栓形成，進(jìn)一步加重腦水腫形成?！ ?/p>
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