Kyslík

Kyslík

 

Kyslík (V. Palička, P. Živný)

 

Vyšetření parciálního tlaku kyslíku v arteriální krvi (p_aO₂) přináší především informaci o plicních funkcích  (lung oxygen uptake) a prakticky vůbec neinformuje o obsahu kyslíku v krvi, protože hodnota obsahu kyslíku v krvi je především závislá na koncentraci hemoglobinu a jeho saturaci kyslíkem (viz další text). Adekvátní dodávka kyslíku tkáním je  esenciální  z  následujících důvodů:

aerobní metabolismus glukózy je přibližně dvacetkrát efektivnější než anaerobní metabolismus,

anaerobní metabolismus glukózy vede k produkci laktátu a k rozvoji acidózy,

anaerobní metabolismus či anaerobní získávání energie z proteinů a tuků  je nemožné.

 

 

 

Regulace dýchání

 

Při regulaci dýchání a kompenzaci jeho poruch mají význam čtyři základní mechanismy:

nervové mechanismy mozkového kmene

chemické detekční mechanismy

reflexní mechanismy

suprapontinní mechanismy

 

Nervové mechanismy mozkového kmene jsou projevem činnosti komplexní sítě neuronů tzv. respiračního centra, které se nachází v prodloužené míše a v pontu. Tyto centrální struktury vytvářejí rytmické impulsy, které se přes bulbospinální dráhy přenášejí na periferii a prostřednictvím efektorů - respiračních svalů - zajišťují automatické dýchání. Přizpůsobení dýchání akutním požadavkům organismu je zajištěno tzv. chemoreceptory, které sledují změny v chemismu krve. Chemoreceptory jsou periferní (glomus caroticum a glomus aorticum) a centrální, lokalizované v H-zónách těsně pod ventrálním povrchem laterální části prodloužené míchy. Ještě rychlejší změny v dýchání jsou však vyvolány nechemickými vlivy. Slouží k tomu zejména reflexní mechanismy, které zabezpečují rychlou adaptaci dýchání prostřednictvím reflexů z periferie, zejména z dýchacích cest, z plic a z respiračních svalů. Další jsou tzv. suprapontinní mechanismy, které zprostředkovávají  vlivy z mozkové kůry a ze subkortikálních oblasti včetně hypothalamu a limbického systému. Tyto mechanismy mají důležitou úlohu při volním dýchání a při ventilačních změnách provázejících  např. různé emoční stavy.

 

 

Stručný přehled fyziologie zásobování tkání kyslíkem

 

Základní parametry, rozhodující pro zásobování krve kyslíkem, jsou tři:

stav alveoloarteriální bariéry (plicní funkce, lung oxygen uptake)

transport kyslíku krví - kapacita arteriální krve pro transport kyslíku a míra využití této kapacity v konkrétní situaci

schopnost krve (hemoglobinu)  uvolnit kyslík  ve tkáních (poloha disociační křivky hemoglobinu)

 

 

Ad 1) Parciální tlak kyslíku v arteriální krvi (p_aO₂) je základním ukazatelem kapacity plic pro výměnu plynů. Jedna z možností kvantifikace plicní funkce je určení alveolo-arteriální diference tenze kyslíku (tzv. A- a gradient).

 

Alveolární tenzi kyslíku lze počítat podle vztahu:

 

pAO₂        = FiO₂ x (P_b - 47) - p_aCO₂ x F

= 0.21 x (760 - 47) - 40 x 1.2

= 102 mmHg  (13.6 kPa)

 

kde

pAO₂  je parciální alveolární tlak kyslíku

FiO₂  je frakce kyslíku ve vdechované směsí

P_b je barometrický tlak v mmHg při tělesné teplotě

47 - tlak vodních par při tělesné teplotě v mmHg

p_aCO₂  - parciální arteriální tlak oxidu uhličitého

F - korekční faktor, zohledňující fakt, že produkce oxidu uhličitého není rovna spotřebě kyslíku (F se přibližně rovná hodnotě 1.2, což je reciproční hodnota respiračního kvocientu.

 

Normální hodnota pAO₂  je 102 mmHg (13.6 kPa) na hladině moře, přičemž tato hodnota klesá se stoupající nadmořskou výškou. Jestliže známe hodnotu p_aO₂, lze vypočítat  alveolo - arteriální (A-a) gradient. ”Normální” hodnota je 5-10 mmHg (0.7 - 1.3 kPa).  A-a gradient je velmi závislý na FiO₂, progresivně vzrůstá s rostoucím FiO₂, proto se pro kvantifikaci plicních funkcí častěji užívá poměr těchto hodnot (arterial-alveolar ratio, p_aO₂/pAO₂, a/A  ratio). Normální hodnota tohoto poměru je 0.7, přičemž tato hodnota je méně závislá na frakci vdechovaného kyslíku.

 

Ad 2)  Pro hodnocení transportu kyslíku krví je nutné znát následující základní údaje:

Koncentraci celkového hemoglobinu v krvi (tHb). Tato hodnota vyjadřuje potenciální kapacitu krve pro transport kyslíku

Saturaci hemoglobinu kyslíkem (s_aO₂). Vyjadřuje procento oxygenovaného hemoglobinu z celkového množství hemoglobinu schopného transportovat kyslík (tj. celkový hemoglobin minus dyshemoglobiny). Nejběžnější a patofyziologicky nejvýznamnější dyshemoglobiny jsou karboxyhemoglobin (COHb) a methemoglobin (MetHb), které nejsou schopny efektivně transportovat kyslík. Stanovení dyshemoglobinů umožňuje zjistit, jak velké procento celkového hemoglobinu  není schopno se podílet na transportu kyslíku, což může být za určitých patologických stavů (otravy) zcela zásadní.

Frakci oxyhemoglobinu (O₂Hb) - hodnota v procentech vyjadřuje frakci oxyhemoglobinu ve vztahu ke všem hemoglobinům v krvi, tedy i dyshemoglobinům.

 

V dalším textu uvedené kalkulace základních parametrů kyslíkového transportu si především kladou za cíl zdůraznit, které faktory je nutné brát v úvahu a které mají při hodnocení podružný význam.

 

 

Obsah kyslíku v krvi (oxygen content - c_aO₂)

Kyslík je krví transportován ve vazbě na hemoglobin a volně rozpuštěný v plazmě. Obsah kyslíku v krvi je součtem obou frakcí.  K výpočtu je nutné znát koncentraci Hb (g/l), saturaci hemoglobinu kyslíkem (s_aO₂) (98 % - 0.98) a hodnoty parciálního tlaku kyslíku v arteriální krvi (100 mmHg - 13.3 kPa)

 

c_aO₂          = (1.34 x Hb x s_aO₂) + (0.0225 x p_aO₂)

= (1.34 x 140 x 0.98) + (0.0225 x 13.3)

= 184 ml/l  (někdy bývá tato hodnota udávána v objemových procentech)

 

Číslo 1.34 vyjadřuje skutečnost, že jeden gram hemoglobinu váže při maximální saturaci 1.34 ml kyslíku. Údaj 0.0225 vyjadřuje množství kyslíku volně rozpuštěného v plazmě, což je za normálních okolností 0.0225 ml/1kPa p_aO₂. Z uvedených údajů vyplývá, že při sledování stupně oxygenace nemocného nám hodnota p_aO₂ poskytuje pouze informaci o množství kyslíku rozpuštěného v plazmě, který se podílí na hodnotě c_aO₂ jen asi dvěma procenty. Saturace hemoglobinu kyslíkem (s_aO₂) a koncentrace tzv. efektivního hemoglobinu (schopného transportovat kyslík) jsou významné údaje pro hodnocení obsahu kyslíku v krvi.

 

 

Dodávka kyslíku (oxygen delivery = DO₂)

Dodávka kyslíku tkáním vyjadřuje množství kyslíku dodaného tkáním. Hodnota  DO₂  je podmíněna hodnotou obsahu kyslíku v krvi (c_aO₂) a velikostí srdečního výdeje, který je v tomto případě vyjádřen tzv. srdečním indexem (srdeční výdej vztažený na tělesný povrch - Q).

 

DO₂     = Q x c_aO₂

=  Q x (1.34 x Hb x s_aO₂) + (0.0225 x p_aO₂)

=   3  x   (1.34 x 140 x 0.98) + (0.0225 x 13.3)

=  3  x  184 = 552 ml/min/m²

 

Při normálních hodnotách srdečního indexu (2.5 - 3.5 l min/m²) je dodávka kyslíku tkáním 520 - 720 ml/min/m²

 

 

Spotřeba kyslíku (oxygen uptake - VO₂)

Spotřeba kyslíku ve tkáních je konečnou fází kyslíkového transportu. Představuje množství kyslíku využitého tkáněmi v daném časovém okamžiku, tedy rozdíl mezi množstvím kyslíku dodaného tkáním a množstvím kyslíku, který se vrací z venózního řečiště zpět do pravého srdce. Výpočet vychází z Fickova principu a zahrnuje nutnost znalosti saturace hemoglobinu kyslíkem ve smíšené venózní krvi z arteria pulmonalis (s_vO₂).

 

VO₂            = Q x (c_aO₂- c_vO₂)

=  Q x (1.34 x Hb)  x (s_aO₂- s_vO₂)

=  Q x (1.34 x Hb) x (0.97 - 0.73)

=   3  x  1.34 x 140 x 0.24

=   135 ml/min/m²

 

Rozdíl mezi množstvím kyslíku rozpuštěným v plazmě arteriální krve a smíšené venózní krve je v tomto případě při výpočtu  zanedbán. Při normální hodnotě srdečního indexu (2.5 - 3.5 l /min/m²) je hodnota VO₂  110 - 160 ml/min/m².

 

Při určitých stavech dochází k významnému zvýšení spotřeby kyslíku (septické stavy), kdy ani ”normální” dodávka kyslíku nestačí ke krytí metabolických potřeb tkání. Dochází k přechodu tkáňového metabolismu z aerobního na anaerobní a ke zvýšení tvorby laktátu, jehož stanovení má v  těchto případech dominantní postavení.

 

 

Poměr kyslíkové extrakce (oxygen extraction ratio = O₂ER)

 

O₂ER   = VO₂/DO₂  x 100

=  135/552 x 100

=   24 %

 

Za normálních okolností dodávka kyslíku významně přesahuje jeho spotřebu, tedy jen malá část dostupného kyslíku je využívána pro metabolické potřeby tkání (22 - 32 %). Při stavech, které vedou ke snížení tkáňové perfúze (např. šok), tkáně kompenzují deficit perfúze zvýšenou extrakcí kyslíku, tzn. dojde ke vzestupu hodnoty O ₂ER  nad normální hodnotu.

 

 

Saturace smíšené venózní  krve (mixed venous oxygen saturation = s_vO₂).

Je konečným výsledkem rozdílu mezi dodávkou kyslíku a jeho spotřebou na tkáňové úrovni (dodaný kyslík  minus spotřebovaný kyslík). Hodnota s_vO₂ se nachází v normálních mezích (70 - 75 %)  při adekvátní dodávce kyslíku tkáním. Pokles s_vO₂ je odrazem poklesu dodávky kyslíku nebo zvýšení spotřeby kyslíku (hypoxie, zvýšený metabolismus, snížený srdeční výdej, anémie) a naopak vzestup s_vO₂  je odrazem snížení spotřeby kyslíku či zvýšení dodávky kyslíku (zvýšení frakce vdechovaného kyslíku, hyperventilace, snížený metabolismus např. při sedaci nebo anestezii, zvýšený srdeční výdej, zvýšení koncentrace hemoglobinu).

 

V případě porušené rovnováhy mezi dodávkou a   spotřebou kyslíku na úrovni tkání dochází k aktivaci kompenzačních mechanismů. Nejdůležitější  mechanismy k  udržení spotřeby kyslíku na dostatečné úrovni je zvýšení srdečního výdeje a zvýšená extrakce kyslíku. Kompenzace mechanismem zvýšené extrakce kyslíku při poklesu jeho dodávky je limitována. Při poklesu DO₂  pod tzv. kritickou hranici dodávky kyslíku, která je asi 300 ml/min/m², je extrakce kyslíku maximální a nemůže se dále zvýšit. Za těchto okolností je spotřeba kyslíku  (VO₂) zcela závislá na tkáňové perfúzi, jejíž pokles vede k  hypoxii tkání s následnými funkčními a organickými změnami. U kriticky nemocných pacientů je velmi často srdeční výdej neadekvátní v poměru k  potřebám tkání a monitorování s_vO₂ se potom stává velmi významným v  hodnocení závažnosti stavu a úspěšnosti léčebného postupu.

 

Ad 3) Schopnost krve (hemoglobinu) uvolňovat kyslík ve tkáních

Vazbou hemoglobinu s kyslíkem vzniká oxyhemoglobin.  Graficky vyjádřený vztah mezi parciálním tlakem kyslíku a saturací hemoglobinu kyslíkem se nazývá disociační křivka hemoglobinu.  Jedna molekula hemoglobinu může vázat čtyři molekuly kyslíku. Když jeden ferrohem naváže O₂ , usnadní se vazba O₂ pro ostatní hemy molekuly Hb. Způsobují to změny v prostorovém uspořádání  molekuly hemoglobinu. Pro tento alosterický efekt má vazebná křivka hemoglobinu charakteristické sigmoideální zakřivení.

 

Přibližně 22 % kyslíku vázaného na hemoglobin je uvolněno do tkání, což koresponduje se saturací hemoglobinu kyslíkem ve smíšené venózní krvi (75 %). Pozice disociační křivky hemoglobinu (tzn.její posun doprava nebo doleva) vyjadřuje hodnotu tenze kyslíku, při které je hemoglobin saturován kyslíkem z poloviny (”halfsaturation  tension”) - p50. Tato číselná hodnota informuje o posunu disociační křivky doprava nebo doleva. Pokles hodnot p50 signalizuje vzestup afinity hemoglobinu ke kyslíku a následně tedy jeho ztížené uvolňování do tkání. Vzestup hodnoty p50 signalizuje naopak usnadnění uvolňování kyslíku do tkání.

Faktory, které způsobují vzestup afinity Hb ke kyslíku (posun disociační křivky doleva) jsou: vzestup pH, pokles pCO₂, pokles teploty, pokles 2,3-DPG, přítomnost COHb, fetální  hemoglobin. Faktory způsobující pokles afinity Hb ke kyslíku (posun disociační křivky doprava) jsou:  pokles pH, vzestup pCO₂, vzestup teploty, vzestup 2,3-DPG.