第七节缺氧

由于氧的供应不足和／或氧的利用障碍引起机体组织器官的功能代谢、甚至结构发生变化的病理过程，称为缺氧（hypoxia）。
正常人体内的氧储量极有限，大约为1.5L。呼吸停止后仅够供应组织和细胞4～5分钟消耗之用。因此，机体必须依赖呼吸、血液循环等功能的协调，不断从外界吸入O2，完成气体的交换和运输，以保证组织细胞氧的供应，任何原因引起的O2供应不足，既使是短时间、也会引起严重后果。缺氧是临床上常见的病理过程，是许多疾病引起死亡的重要原因。另外在高空、潜水、坑道和宇宙航天医学中，缺氧也是一个重要的研究课题。
一、缺氧的原因和类型
氧从外界空气中被运送到细胞内，并最终参与完成生物氧化，在此过程中有任何一个环节发生障碍时均可引起缺氧。缺氧的发生可以是急性的，也可以是慢性的。根据缺氧的原因和血氧变化特点，一般分为四种类型。
（一）乏氧性缺氧（低张性缺氧）
主要是由于动脉血氧分压过低，以致动脉血供应组织的氧不足。
1、 原因
（1）吸入的空气中氧分压（PO2）或氧含量过低：由于环境空气中PO2或氧含量降低，使肺泡中PO2亦降低，动脉血氧饱和度下降，以致不能运送充足的氧供应组织正常的代谢，而出现缺氧。常见于海拔3000m以上的高原或高空；通风不良的矿井、坑道以及吸入低氧混合气体或久居密闭空间等。
（2）呼吸功能障碍，由肺的通气或换气功能障碍引起缺氧。其原因很多，详见第八节呼吸衰竭。
(3)静脉血分流入动脉：见于某些先天性心脏病，如法乐四联症、心室间隔或心房间隔缺损同时伴有肺动脉高压时，因右心的静脉血未经氧合作用就直接流入左心或动脉，可使动脉血氧分压降低。
2、 血氧变化特点此型缺氧，血氧容量正常或增高（如慢性缺氧时红细胞数目增多）；动脉血氧分压、血氧含量、血氧饱和度均低于正常；动、静脉血氧含量差接近正常或缩小,病人可出现不同程度的紫绀。
（二）血液性缺氧（等张性缺氧）
主要是由于血氧容量减少，以致动脉血氧含量降低。
1、原因
(1)严重贫血：各种原因引起的严重贫血，由于单位容积血液内红细胞或血红蛋白减少，因而携氧量减少，导致缺氧。严重贫血时，既使再加上乏氧性缺氧，毛细血管中血液的脱氧血红蛋白也达不到50g／L，故不出现紫绀。
（2）一氧化碳（CO）中毒： CO与血红蛋白的亲和力较氧与血红蛋白的亲和力大200余倍。因此，只要吸入气体中含有小量的CO，就足以形成大量的碳氧血红蛋白，从而妨碍血红蛋白与氧结合，造成血液运氧能力障碍而发生缺氧， CO还能抑制红细胞内糖酵解过程，使2、3．二磷酸甘油酸（2、3．DPG）生成减少，从而使氧离曲线左移，氧的释放减少，可加重组织缺氧。正常人，在血红蛋白分解过程中可产生少量CO，故正常血中可有0，4％的碳氧血红蛋白。当血中碳氧血红蛋白增至10％～20％时，即出现中毒症状，达50％时，可导致中枢神经系统和心脏的严重损伤。由于血中碳氧血红蛋白增多，皮肤、粘膜呈樱桃红色。
煤、汽油燃烧不完全时，可产生大量CO，尤其在密闭环境中，更易造成CO聚积而引起中毒。
（3）高铁血红蛋白形成：硝基苯、亚硝酸盐、磺胺类、非那西汀、高锰酸钾和硝酸甘油等中毒可使血红蛋白Fe2加 化为Fe3加,形成高铁血红蛋白。不新鲜的蔬菜或新腋渍的咸莱，含有较多的硝酸盐，在肠内经细菌作用变为亚硝酸盐，如食入过多，可引起肠源性高铁血红蛋白血症（或称肠源性紫绀），高铁血红蛋白不能携氧，且使氧离曲线左移，氧不易释出，导致缺氧。
高铁血红蛋白呈咖啡色，当血液中高铁血红蛋白超过15g／L时，皮肤粘膜可出现咖啡色或类似紫绀的颜色。血液中高铁血红蛋白增至20％～50％时，可出现疲乏、头痛、呼吸困难等症状，而当增至60％～70％时，即可引起死亡。使用还原剂（如美蓝等）可使症状缓解。
2、血氧变化特点此型缺氧由于吸入气体中氧分压和呼吸功能正常，所以动脉血氧分压正常，因血液带氧能力降低。动脉血氧容量和血氧含量均降低，但血氧饱和度正常。
（三）循环性缺氧（低血流性缺氧）
主要是由于组织器官动脉血灌流量减少或静脉回流障碍所致的缺氧。
1、原因
（1）全身性血液循环障碍：如心力衰竭、休克、大出血等。
（2）局部性血液循环障碍：如动脉硬化、脉管炎、血栓形成、淤血、栓塞、血管痉挛或受压等。因动脉血灌流不足引起的缺氧，组织器官苍白，可有疼痛感，而静脉回流障碍所致的缺氧，组织器官可水肿、发绀。全身血液循环障碍引起的缺氧，易致酸性代谢产物蓄积，形成代谢性酸中毒，加重循环性缺氧。
2、血氧变化特点此型缺氧时动脉血氧分压、血氧饱和度和血氧含量正常。血氧容量一般是正常的。由于血流缓慢和氧离曲线右移，血氧被组织大量利用，故静脉血氧含量、血氧饱和度和血氧分压均降低。此时动、静脉血氧含量差增大。由于血流缓慢，组织从血液中摄取的氧量增加以致毛细血管中脱氧血红蛋白增多，易出现紫绀。
（四）组织性缺氧（耗氧障碍性缺氧）
主要是由于生物氧化障碍，使组织细胞利用氧的能力减弱而引起的缺氧。机体内糖、脂肪和蛋白质的代谢物不能与弥散进入细胞内的分子氧直接起反应，而需要一系列呼吸酶系的参与才能完成其氧化过程。因此，若呼吸链中某一种酶的活性受到抑制，生物氧化过程就不能正常进行，这时既使有充足的氧供应组织，组织也不能充分利用氧。
1、原因
（1）组织中毒：如氰化物中毒时，因氰化物中的氰基与氧化型细胞色素氧化酶中的Fe3加结合，形成氰化高铁细胞色素氧化酶，使之不能接受电子，导致细胞色素丧失传递电子的能力，从而使整个呼吸链的电子传递无法进行。某些麻醉药可以封闭脱氢酶，从而使细胞生物氧化过程发生障碍，磷和砷可与氧牢固结合，妨碍细胞内氧化还原过程也可影响对氧的利用。
(2)维生素缺乏：某些维生素（如维生素B1、维生素B2、维生素B12等）是呼吸链中许多脱氢酶的辅酶组成成分，当这些维生素严重缺乏时，生物氧化过程可发生障碍。
另外，放射性损伤、过热、重症感染等也可引起线粒体损伤而使生物氧化过程障碍。
2、血氧变化特点此型缺氧动脉血氧分压、血氧容量、血氧含量及血氧饱和度均正常。由于组织利用氧障碍，静脉血氧含量、血氧分压、血氧饱和度均高于正常，故动－静脉血氧含量差减小。由于毛细血管中氧合血红蛋白含量高于正常，故皮肤、粘膜可呈现玫瑰红色。
缺氧虽分为四种类型，但疾病的发展是很复杂的，临床上往往是两种或两种以上缺氧同时或先后相继出现。如失血性休克时，常有血液性缺氧和循环性缺氧，在伴有休克肺时还可有乏氧性缺氧，当线粒体受损时可出现耗氧障碍性缺氧等。
二、缺氧时机体的代谢和功能变化
缺氧时机体的变化包括机体对缺氧的代偿性反应和缺氧引起的损伤性变化。尽管机体的代偿适应能力很强，但若缺氧发生迅速，机体来不及代偿，或者缺氧程度超过了机体的代偿适应能力。就会出现代谢和功能障碍，甚至形态结构的变化。下文主要以乏氧性缺氧为例，说明缺氧时机体的代偿性和损害性变化。
（一）代谢和组织细胞的变化
1、氧化过程减弱，氧化不全产物增多缺氧初期，由于交感肾上腺髓质系统兴奋，糖原分解加强，贮脂被动员入血，随着缺氧的加重，除氧供应不足外，还有氧化还原酶系统活性的降低，因而三羧酸循环受阻，氧化过程受到抑制，糖酵解增强，乳酸生成增多；磷酸肌酸及ATP生成减少。脂肪分解增强且氧化不全可引起酮体增多；蛋白质分解增强，故血中非蛋白氮增多。
2、酸碱平衡失调由于血液中乳酸、酮体等增加，消耗碱储过多，可引起代谢性酸中毒。由呼吸道阻塞和呼吸严重抑制引起的缺氧，同时有CO2排出减少，则可发生呼吸性酸中毒。若吸入的空气中氧分压降低而引起的缺氧常伴过度通气，使CO2排出过多，血中碳酸减少，此时反而引起呼吸性碱中毒。
3、组织和细胞的变化缺氧时，组织细胞的代偿适应变化较缓慢。在急性缺氧时这些变化不明显。慢性缺氧时，由于开放的毛细血管增多或者新生的毛细血管出现，而有利于血氧向细胞线粒体内弥散；肌肉中肌红蛋白含量升高，使肌肉储氧增加并提高弥散速度；细胞内线粒体密度增加，某些氧化酶的活性增加，使生物氧化过程得到改善，因而提高了组织利用氧的能力。
严重缺氧时，细胞可发生如下变化：
（1）细胞水肿：由于能量生成不足， Na加K加泵运转障碍以及自由基作用使细胞膜通透性增高，导致细胞内Na加增加，K加减少，水分渗入细胞内，引起细胞水肿。
（2）线粒体损伤：细胞严重缺氧使线粒体的呼吸功能降低，进而线粒体肿胀、破裂。
（3）溶酶体损伤：细胞内ATP生成减少，加上细胞内酸中毒，可使溶酶体膜稳定性降低，通透性升高，甚至破裂引起溶酶体内的酶逸出，细胞被溶解而坏死。
（4）细胞内Ca2加增多：严重缺氧可使细胞膜对Ca2加的通透性增高， Ca2加内流增加。胞质内Ca2加增多可抑制线粒体的呼吸功能，也可激活磷脂酶，使溶酶体膜磷脂分解，促进溶酶体损伤。胞质内Ca2加增多还可通过激活一种蛋白酶，促进自由基形成，从而加重细胞损伤。
（二）中枢神经系统的变化
脑组织的能量来源主要依靠葡萄糖的有氧氧化，但脑内葡萄糖和氧的贮备量较少；又由于脑组织的代谢率高，脑耗氧量约为总耗氧量的23％，因此脑组织对缺氧最敏感，尤其是大脑皮质。急性缺氧神经中枢可表现一系列的功能障碍，在低氧分压的环境中，由于缺氧；大脑皮质的内抑制过程减弱，兴奋过程相对占优势，同时视觉、听觉、定向力发生障碍，出现欣快感、肌无力、精细运动失调。如缺氧加重或时间延长，则皮质逐渐由兴奋转为抑制，出现表情淡漠、反应迟钝、意识丧失，昏迷甚至死亡。当抑制过程加深并向皮质下扩散时，可引起呼吸中枢的抑制，出现呼吸运动变浅变快，继而出现陈。施氏呼吸，最后呼吸停止。心血管中枢的抑制可引起心跳减弱及血管紧张度降低，动脉血压下降，最后心跳停止。慢性缺氧时，可出现注意力不集中、嗜睡、乏力等症状。缺氧时因ATP生成减少，神经细胞膜钠泵运转障碍，使细胞内的钠离子积聚，含水增多而引起脑细胞水肿。此外，缺氧和酸中毒使脑血管壁通透性增高，引起血管源性脑水肿，脑水肿既可增加颅内压力，使静脉回流受阻，加重脑循环障碍；又可阻碍氧向脑细胞内弥散，使脑组织缺氧更形加剧，造成恶性循环。总之，缺氧引起中枢神经功能障碍的机理是相当复杂的。ATP的生成不足）神经递质合成减少、酸中毒细胞内游离钙增多、溶酶体酶释放等都可导致中枢神经系统功能障碍。
严重缺氧时，脑组织可出现形态学改变，表现为脑细胞肿胀，变性、坏死，重者形成软化灶。
（三）呼吸系统的变化
乏氧性缺氧时由于血氧分压降低，可刺激颈动脉体和主动脉体的化学感受器，反射性地引起呼吸加深、加快，这样，不仅使肺泡通气量增加，呼吸表面积增大，使更多的氧弥散入血与血红蛋白结合。而且吸气时胸腔负压韵增加，可促使静脉回流，增加肺血流量，从而加强氧的摄取和运输，具有代偿意义，但在动脉血氧分压正常的缺氧（如贫血），一般不发生呼吸加强的效应。
严重缺氧时，可使呼吸中枢抑制，肺通气量减少，导致中枢性呼吸衰竭。
（四）循环系统的变化
1、心输出量变化急性轻度或中度缺氧时，可出现心输出量增加。其发生机理如下：
（1）心率增快、心肌收缩力加强：主要是交感神经兴奋引起。一方面由于中枢神经系统缺氧，使交感－肾上腺髓质系统兴奋；另一方面动脉血氧分压降低，刺激化学感受器，也使交感神经兴奋。新近认为缺氧时过度通气引起的肺膨胀，可对肺牵张感受器形成刺激而反射性地抑制心迷走神经，从而使交感神经效应增强。通过交感神经兴奋而分泌的去甲肾上腺素和肾上腺素作用于心肌细胞膜B-肾上腺素能受体，使心率增快，心肌收缩力增强。
（2）回心血量增加：缺氧可使呼吸加深、胸内负压增大和心脏活动增强，从而回心血量增多，心输出量增加，使组织获得更多的氧。
严重缺氧时，由于ATP生成减少、电解质代谢紊乱、酸中毒、心肌抑制因子形成等作用，可使心肌舒缩功能障碍，心肌变性、坏死，加之外周血管扩张，回心血量减少，而导致心输出量下降，发生心力衰竭。严重缺氧可引起窦性心动过缓、期前收缩、传导阻滞，甚至发生心室纤维性颤动而致死。
2、器官血流量的变化急性缺氧时，因交感神经兴奋，皮肤、内脏小血管收缩，脑和冠状血管扩张，使血液重新分配，以保证脑、心的血液供应，具有重要的代偿意义。严重缺氧时，由于酸中毒和扩血管物质增加，可引起广泛的内脏血管扩张，血压下降，甚至循环衰竭。
3、肺血管变化肺泡氧分压降低，可引起肺小动脉收缩，从而改变肺内血流分布，使肺通气与血流比例趋于平衡，有利于氧的弥散，维持较高的PaO2。缺氧引起肺小动脉收缩的机理与下列因素有关：①交感神经兴奋；②体液因子中血栓素A2、组胺（H1）的作用；③肺动脉平滑肌细胞Ca2加跨膜内流增加，使细胞内Ca2加浓度增加，导致肌细胞兴奋-收缩偶联增强。
肺泡缺氧所致肺小动脉收缩可增加肺循环阻力，引起肺动脉高压。慢性缺氧时，因肺小动脉持久收缩；使小动脉壁平滑肌肥大和微动脉肌化，致使管壁增厚变硬，形成稳定的肺动脉高压，进而引起右心室肥大；加上缺氧和酸中毒对心肌的损害，以致发生右，心衰竭。
（五）血液及造血系统的变化
缺氧可使红细胞增多,氧离曲线右移,从而增加氧的运输和释放。急性缺氧时，由于交感神经兴奋，肝、脾等储血器官收缩，储血进入有效循环，增加血液红细胞数和血红蛋白量。慢性缺氧时，主要是骨髓造血功能代偿增强。缺氧时肾产生促红细胞生成素增多，使骨髓内红细胞生成、成熟和释放加速，因而增加了血液携氧的能力。但红细胞增多，可使血液的粘度增高，因而增加肺血流阻力和右心负荷。
缺氧时氧离曲线右移，即血红蛋白与氧的亲和力降低，易于将结合的氧释出供组织利用。这是由于糖酵解增强，其中间代谢产物2、3－DPG增多所致。2、3－DPG主要与脱氧血红蛋白可逆性结合而阻碍血红蛋白与氧的结合；红细胞内酸性的2、3－DPG增多，使红细胞内pH降低，致氧与血红蛋白的亲和力降低而易于解离，促使血液在组织中释放较多的氧，供组织利用。若氧离曲线过度右移，可导致动脉血氧饱和度明显下降，使血红蛋白携带氧的能力降低，因而失去代偿意义。
缺氧时脱氧血红蛋白可增多，当毛细血管内脱氧血红蛋白超过50g／L时，皮肤、粘膜、甲床可显紫蓝色，这种现象称紫绀。紫绀是缺氧常见的临床征象。在血红蛋白含量正常的人，紫绀一般都表示有缺氧，但血红蛋白量过少或过多时，紫绀和缺氧并不一致。如重度贫血患者，血红蛋白含量可减少到50g／L以下，这时如果合并乏氧性缺氧既使全部形成脱氧血红蛋白也不会出现紫绀，但缺氧却可相当严重；在真性红细胞增多症患者，由于血红蛋白含量增加，毛细血管血液中脱氧血红蛋白部分就可超过50g／L而出现紫绀，但患者并不一定缺氧。