هیپوکسی – مکانیسم و اثرات بر بدن

هیپوکسی به معنای کاهش رسیدن اکسیژن به سلول های بدن است که میتواند به دلایل مختلفی ایجاد شده باشد. اصطلاح هیپوکسمی به معنای کاهش اکسیژن خون است. در این مطلب به بررسی واکنش بدن به این کاهش دریافت اکسیژن و همچنین انواع علل ایجاد کننده هیپوکسی خواهیم پرداخت.

پاتوفیزیولوژی هیپوکسی

هـدف بنیادی دستگاه قلبی ـ تنفسی رساندن اکسیژن و مـواد غذایی به سلول‌ها و برداشـت دی اکسید کربن و سایر محصولات متابولیک از آنهاسـت. نگهداری مناسب این عملکرد نـه تنهـا بـه دستگاههای قلبی ـ عروقی و تنفسی بی نقص وابسته است، بلکـه بـه تعـداد کافی از گلبول هـای قرمز خون و هموگلوبین و فراهم بودن گازهای تنفسی حاوی اکسیژن نیاز دارد. اما اگر این شرایط فراهم نباشد چه اتفاقی در سلول ها رخ میدهد؟

پاسخ بدن به هیپوکسی

کاهـش دسترسی سلول‌ها بـه اکسیژن موجـب محـدود شـدن فسفریلاسیون اکسیداتیو و افزایـش گلیکولیز بی هـوازی می شـود. ایـن جابه جایی از متابولیسـم هـوازی به بی هـوازی کـه اثـر پاستور نام دارد، تولیـد آدنوزيـن ـ تری فسفات (ATP) را حفظ می کنـد، (هـر چـنـد نتواند مقادیر قبلی را تولید کند و از میزان آن کم شود). در هیپوکسـی شـدید، هنگامی که توليـد ATP انـرژی لازم را بـرای برقراری تعادل یونی و اسموتیک فراهـم نمی کنـد، دپلاریزاسیون غشای سلولی منجـر بـه ورود کنتـرل نشـده يـون كلســم بـه داخـل سـلول و فعـال شـدن فسفولیپازها و پروتئازهـای وابسته بـه کلسیم می شـود. ایـن وقايـع بـه ترتیـب موجـب تـورم سـلولی و فعـال شـدن مسیرهای آپوپتوز و در نهایـت مـرگ سـلول می شـوند.

سازگاری با هیپوکسـی تـا حـدودی از طریق بیش تنظیمی ژن‌هایی که پروتئین های مختلفی را رمزدهی می کننـد میانجی گری می شـود کـه این پروتئین‌ها عبارتند از:

• آنزیم‌های گلیکولیتیک از قبیل فسفوگلیسرات کیناز و فسفوفروکتوکیناز
• ناقلین گلوکز مثل گلوت ـ ۳۱ (GLUT-31) و گلوت ـ ۲(GLUT-2)
• فاکتورهای رشـد مثل فاکتور رشـد اندوتلیال عروقی (VEGF)
• اریتروپویتیـن (کـه تولیـد اریتروسیتها را افزایش می دهنـد)

پاسخ سیستم تنفسی

هنگام هیپوکسی، آرتریول های سیستمیک حداقـل تـا حدودی متسع می شـونـد کـه ایـن کـار بـه وسـلـه بـاز شـدن کانال های K-ATP در سلول‌های عضلانی صاف عروقی در نتیجه کاهش غلظت ATP القاء شـده توسط هیپوکسی، انجام می شـود. بـر خـلاف آن، در سلول‌های عضلانی صـاف . عروق ریه، مهار کانالهای پتاسیمی (K+) موجـب دپلاریزاسیون می شود که در نتیجـه فـعـال شـدن کانالهای کلسیمی وابسـته بـه ولتاژ، کلسیم سیتوزول را افزایش میدهد و منجـر بـه انقباض سلولهای عضلانی صـاف مـی شـود. انقباض شـریانی ریوی القاء شـده توسط هیپوکسی، خـون را از بخشهایی که تهویه ضعیفی دارند به سمت نواحی از ریه که بهتر تهویه می شوند، شـانت می کنـد؛ با این حال، این فرآینـد مقاومت عـروق ریوی و پس بـار بطن راست را افزایش می دهد.

اثـرات بـر سيستم اعصاب مرکزی

تغییرات در سیستم اعصاب مرکـزی (CNS)، به خصـوص مراكـز بالاتر، نتایج بسیار مهـم هیپوکسی میباشند. هیپوکسـی حـاد موجـب اختلال در قضـاوت، عـدم هماهنگی حرکتی و یک تابلوی بالینی می شـود کـه بـه مسمومیت حـاد بـا الـكـل شباهت دارد. بیماری ارتفـاع بـالا بـا سـردرد ثانویه به اتساع عـروق مغزی، علایم گوارشی، گیجی، بی خوابی، خستگی یـا خـواب آلودگی مشخص می شـود.

انقباض شـریانی و گاهی اوقـات وريـدی ریـوی موجـب نشـت مویرگی و ادم ریوی ناشی از ارتفـاع بـالا (HAPE)  می شـود که منجـر بـه تشـدید هیپوکسی و پیشرفت بیشتر انقباض عروقی می شود.

به ندرت، ادم مغـزی ناشی از ارتفـاع بـالا (HACE) توسعه می یابـد کـه بـا سـردرد شدید و ادم پاپی مشخص می شـود و می توانـد منجـر بـه كمـا شـود. در صورتی که هیپوکسی بسیار شدید شـود، مراکز تنظیمی ساقه مغـز تـحـت تأثيـر قـرار می گیرند و معمولا در نتیجه نارسایی تنفسی، مـرگ اتفاق می افتد.

اثرات بر سیستم قلبی عروقی

هیپوکسی حـاد، قوس رفلکس گیرنده شیمیایی برای ایجاد اتساع شریانی سیستمیک و انقباض عروقی را تحریک می کند. ایـن تغییـرات حـاد با افزایش گذرای انقباضات میوکارد که توسط سرکوب انقباض میوکارد با هیپوکسی طولانی دنبال می شـود، همراهی دارد.

علل هیپوکسی

همانطور که اشاره شد، عوامل مختلفی ممکن است باعث شود که اکسیژن رسانی به سلول ها مختل شود؛ بنابراین هیپوکسی میتواند به دلایل زیادی ایجاد شود که در هنگام بررسی بیمار باید ارزیابی شوند. در ادامه به بررسی هرکدام از این علل خواهیم پرداخت.

هیپوکسی تنفسی

هنگامی که هیپوکسی از نارسایی تنفسی ناشی شـود، فشـار اکسیژن شریانی (PaO2) کاهش می یابـد و اگـر نارسایی تنفسـی مـداوم شـود، منحنـی تفکیک هموگلوبین اکسیژن (۰۲-Hb) به سمت راسـت جابه جـا می شـود و مقادیـر بیشـتری از اکسیژن در هـر سـطح از فشـار اکسیژن (Po) بافتی آزاد می شـود.

هیپوکسـمی شـریانی، یعنـی کاهـش اشباع اکسیژن خـون شـریانی (Sao) و سیانوز متعاقب آن دیده میشود. اگر هیپوکسی ناشی از بیماری ریوی باشد [نسبت به زمانی که هیپوکسی ناشی از کاهـش در کسـر اکسیژن در هـوای تنفسی (FIO2) اتفاق افتاده باشد]، بیشتر قابل توجه است.

علت هیپوکسی تنفسی

شایع ترین علت هیپوکسی تنفسی، عـدم تطابـق تهويـه پرفوزیـون اسـت کـه از پرفوزیـون آلوئول‌هایی که تهویه ضعیفی دارنـد، ناشـی می شـود. هیپوکسـمی تنفسـی همچنین ممکـن اسـت توسط کاهـش تهویه ایجـاد شـود کـه در ایـن مـورد بـا افزایش در فشـار دی اکسید کربـن (PaCO2) همـراه خواهـد بـود. ایـن دو نـوع هیپوکسی تنفسی معمـولا بـا تنفـس اکسیژن ۱۰۰ درصـد بـرای چنـد دقیقـه قـابـل اصـلاح هستند.

علـت هیپوکسی تنفسی، شـانـت خـون از طریـق ریـه و از بستر شـریانی ریـوی بـه بسـتر وريـدی (شـانت راسـت بـه چـپ داخـل ريـوی) و یا پرفوزیـون بخش هـای بـدون تهویـه ریـه است ماننـد آن چـه در آتلکتازی ریوی یا از طریق اتصالات شـریانی ـ وريـدی ریـوی رخ می دهـد. در ایـن شـرایط، فشـار اکسیژن شـریانی (Pao2) پاییـن، فقـط تـا حـدودی بـا کـسـر اکسیژن تنفسی (FIO2) ۱۰۰ درصـد اصـلاح می شـود.

هیپوکسی ثانویه به ارتفاع بالا

هنگامی که یک شخص بـا سـرعت تا ارتفاع ۳۰۰۰ متـرى بـالا رود، کاهـش محتـوای اکسیژن هـوای تنفسـی (FIO2) موجـب كـاهـش فشـار شـــــریانی (Po2) آلوئولار تـا حـدود ۶۰ میلیمتـر جيـوه می شـود و یک وضعیـت کـه ناخوشـی ناشی از ارتفـاع زیـاد نـام دارد، ایجـاد می شـود. در ارتفاعـات بالاتـر، اشـباع شریانی به سرعت کاهش می یابد و علايـم جدی تـر میشـوند؛ در ارتفـاع ۵۰۰۰ متـر افـرادی که به آب و هـوا عـادت ندارنـد، به دلیل تغییرات در عملکـرد دستگاه اعصـاب مرکـزی (CNS) که در بالا توضیح داده شـد، معمـولا نمی تواننـد عملکـرد طبیعی داشـته باشـند.

هیپوکسی ثانویه به شانت راست به چپ خارج ریوی

از نقطـه نظـر فیزیولـوژی، ایـن علـت هیپوکسی مشـابه شـانت راسـت بـه چـپ داخـل ريـوى اسـت امـا ايـن حالت توسط ناهنجـاری مـادرزادی قلـب مـثـل jترالـوژی فالـو، جابه جایـی شـریان‌های بـزرگ و سندرم آیزنمنگـر، ایجـاد می شـود. ماننـد آنچـه در شانت راسـت بـه چـپ داخـل ريـوى اتفـاق می افتـد، فشـار اکسیژن شریانی (PaO2) نمی توانـد بـا تنفـس اکسیژن ۱۰۰ درصـد به حالت طبیعـی بـاز گـردد.

هیپوکسی ناشی از کم خونی

کاهـش غلظت هموگلوبیـن خـون بـا یک کاهـش متقابل در گنجایش حمـل اکسیژن خـون همراه است. گرچه فشـار اکسیژن شـریانی (Paoz) در هیپوکسی ناشی از آنمی طبیعـی اسـت، مقـدار مطلـق اکسیژن حمـل شـده در هـر واحـد حجمی از خـون، کاهـش یافتـه اسـت. هم چنـان کـه خـون آنمیـک از طریق مویرگ هـا عبـور میکنـد و میـزان معمـول اکسیژن از آن برداشـت میشـود، فشـار و اشـبـاع اکسیژن در خـون وریدی بـه میـزان بیشتری نسـبت بـه حالت طبیعی کاهـش می یابـد.

مسمومیت با مونوکسید کربن (CO)

هموگلوبینی که با مونوکسید کربن (CO) متصـل شـود (کربوکسی هموگلوبین) دیگـر بـرای انتقال اکسیژن در دسترس نخواهد بـود. به علاوه، وجـود کربوکسی هموگلوبین (COHb) منحنی تفکیک هموگلوبین- اکسیژن را به سمت چپ جابه جا می کنـد؛ در نتیجـه اکسیژن فقـط در فشارهای پایین تـر جـدا می شـود و موجـب هیپوکسی بیشتر بافـت میشـود.

هیپوکسی گردش خون

مشابه هیپوکسی ناشی از آنمـی، فشـار اکسیژن شـریانی (PaO2) معمـولا طبیعـی اسـت امـا مقاديـر فشـار اکسیژن (Po وریدی و بافتی) در نتیجه کاهـش پرفوزیـون بافتی و استخراج بیشـتر اکسیژن از بافـت، کاهـش یافته انـد. ایـن پاتوفیزیولوژی منجـر بـه افزایـش تفـاوت یـا گرادیـان اکسیژن وریــدى مخلـوط بـا شـریانی (تفـاوت a-V-O2) می شـود. هیپوکسـی منتشـر گـردش خـون در نارسایی قلبـي و اکثـر انـواع شـوک اتفـاق می افتـد.

هیپوکسی اعضای خاص

هیپوکسـی موضعـی گـردش خـون ممكـن اسـت در نتیجه کاهـش پرفوزیـون ثانويـه بـر انسداد شریانی ماننـد آترواسکلروز موضعـی در هـر بسـتر عروقـی یـا در نتیجـه انقباض عروقـی مـاننـد آنـچـه در پدیده رینـود دیده می شـود، رخ دهـد.

هیپوکسـی موضعـی هم چنیـن ممكـن اسـت از انسـداد وریـدی و انبساط مايـع بینابینـی که موجـب تـحـت فشـار قـرار گرفتـن آرتریول هـا و کاهـش جریان ورودی شریان می شـود، ایجـاد شـود. ادم، فاصلـه‌ای را که از طریق آن بایـد اکسیژن منتشـر شـود تـا بـه سـلول برسـد را افزایش می دهـد و می توانـد هیپوکسـی لوکالیـزه ایجـاد کنـد.

در تلاش بـرای حفـظ پرفوزیـون كافی به اعضای حیاتی تر در بیماران دچـار کـاهـش بـرونده قلـب ثانويـه بـه نارسایی قلبـی یـا شـوک هیپووولمیک، انقباض عروقـي ممكـن اسـت پرفوزیـون اندام هـا و پوست را کاهـش دهـد و باعث ایجـاد هیپوکسی در این نواحی شـود.

افزایش نیاز به اکسیژن

در صورت افزایش مصـرف اکسیژن بافت‌ها بـدون افزایش متناسب در پرفوزیون، هیپوکسی بافتی ایجاد می شود و فشار اکسیژن (Po) در خـون وریدی کاهش می یابد. معمولاً تابلوی بالینی بیماران دچار هیپوکسی ناشی از افزایش سرعت متابولیسم، مانند تب یا تیروتوکسیکوز، با آنچه در سایر انواع هیپوکسی اتفاق می افتد، کاملا متفاوت است؛ در نتیجه افزایش جریان خون پوسـتی کـه حـرارت تولید شـده اضافی را پراکنده می کند، پوست گرم و قرمز است و معمولاً سيانوز وجود ندارد.

ورزش

ورزش نمونه کلاسیک افزایش نیاز بافت به اکسیژن است. این افزایش تقاضـا بـه طـور معمـول به وسیله مکانیسم های متعددی که به صورت همزمـان عـمـل می کنند، پاسخ داده می شـود:

1. افزایـش بـرونده قلبی و تهویه و بنابراین افزایش تحويـل اکسیژن به بافت؛
2. یک جابه جایی در جریان خون با ارجحیت عضلات در حال فعالیت از طریق تغییـر مقاومت عروقی در بسترهای گردش خـون بافتهای در حال فعالیت به صورت مستقیم و (یـا) واکنشی؛
3. افزایش در استخراج اکسیژن از خـون تحویل داده شـده و افزایش تفاوت اکسیژن شـریانی – وریـدی
4. کاهـش pH بافتها و مویرگ هـای خونـی بـرای جابه جایی منحنی تفکیک هموگلوبین – اکسیژن به سمت راست و تخلیه اکسیژن بیشتر از هموگلوبین.

اگر از گنجایش این مکانیسم ها تجاوز شـود، هیپوکسی به خصوص در عضلات در حال فعالیت ایجاد خواهد شـد.

استفاده نادرست از اکسیژن

سیانید و چندیـن سـم دیگـر کـه عملکـرد مشابهی دارند، موجب هیپوکسی سلولی می شوند. بافت‌ها قادر به استفاده از اکسیژن نیستند و متعاقب آن، خون وریدی تمایل دارد که فشار بالاتری از اکسیژن را داشـته باشـد. این وضعیت هیپوکسی هیستوتوکسیک نامیده می شـود.

تطابق با هیپوکسی

قسمت مهمی از پاسخ تنفسی به هیپوکسی از سلول‌های ویژه دارای حساسیت شیمیایی در کاروتید و اجسام آئورتی و در مراکز تنفسی واقع در ساقه مغز منشأ می گیرد. تحریک ایـن سـلول‌ها به وسیله هیپوکسی، تهویه را همراه با اتلاف دی اکسید کربن (CO) افزایش می دهـد و می تواند به آلکالوز تنفسی منجر شود. هنگامی که این روند با اسیدوز متابولیک ناشی از تولید اسید لاکتیک ترکیب شـود، سـطح بی کربنات سـرم کاهـش می یابد.

با کاهش فشـار شـریانی اکسیژن (PaO)، مقاومـت عـروق مغـزی کاهـش می یابد و در تلاش بـرای حفـظ اکسیژن رسـانی بـه مـغـز، جریـان خـون مغـزی افزایش می یابد. با ایـن حـال، هنگامی که کاهـش فشـار شـریانی اکسیژن (PaO) با افزایش تهویه و کاهش فشـار شـریانی دی اکسید كربـن (Paco) همـراه شـود، مقاومـت عـروق مغـزى بـالا می رود، جریـان خـون مغـز کـاهـش می یابد و هیپوکسی بافتـی تشدید می شـود.

اتساع عروقی منتشـر سیستمیک که در هیپوکسی منتشـر رخ می دهـد، بـرونده قلبی را افزایش می دهـد. در بیماران با بیماری زمینه‌ای قلبی، افزایـش نیـاز بافت های محیطی بـرای افزایـش بـرونده قلبی در هیپوکسی، ممکـن اسـت نارسایی احتقانی قلب را تسریع کند. در بیماران دچار بیماری ایسکمیک قلب، کاهش فشار شریانی اکسیژن (,Pao) ممکن است ایسکمی میوکارد و سپس اختلال عملکرد بطن چپ را تشدید کند.

پلی سیتمی ثانویه

یکی از مکانیسم های جبرانـی مـهـم در هیپوکسـی مزمـن افزایش در غلظت هموگلوبیـن و تعـداد گلبول هـای قرمـز خـون در گردش اسـت کـه بـه معـنـی ایجـاد پلی سیتمی ثانويـه بـه توليـد اریتروپوئتيـن اسـت. در اشخاصی که به دليـل اقامـت طولانی مدت در ارتفـاع بـالا (بیشتر از ۴۲۰۰ متـر) دچـار هیپوکسـی مـزمـن هستند، یک وضعیت که بیماری مزمـن کوهستان نامیده می شـود، ایجـاد می شـود. ایـن اخـتـلال بـا عملکـرد تنفسی ضعیف، کاهش تهویه، اریتروسیتوز، سیانور، ضعف، بزرگی بطـن راسـت ثانویـه بـه هیپرتانسیون پولمونر و حتی کاهش هوشیاری مشخص می شـود.