2023氧气的起源生理学病理生理学及在危重症中应用完整版.docx

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1、2023氧气的起源.生理学、病理生理学及在危重症中应用(完整版)引言危重病人发生低氧血症的风险很高，氧气至关重要，但过量的氧气摄入可能导致代偿性高氧血症，高氧血症可对肺造成直接毒性作用，对循环会产生血管收缩作用，并导致活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)生成增加而损伤细胞和器官。过去5年中，越来越多的大型随机对照试验(RCT)已经在研究最佳氧合目标，但讨论仍在进行中。本章我们将详细阐述氧气的生理和病理生理背景，并随后讨论临床证据现状。地球大气中的氧气来源在大约45亿年的时间里，地球大气中的氧浓度从0变为0.21。生物进化与地质学之间的复杂相互作用导致了目前的氧浓度和地球

2、上生命的多样性。根据到太阳的距离和在太阳系中的位置，地球处在宜居带二氧元素是蓝藻细菌或植物叶绿体中通过光合作用产生的一种极具活性的元素。现代植物仍然使用与蓝藻细菌共生进行光合作用。在蓝藻细菌出现之前，厌氧微生物使用硫酸盐代替氧气来满足其能量需求。大约24.5亿年前，蓝藻细菌取代了厌氧菌，在被称为大氧化事件时期产生了极具活性的元素氧。又过了10亿年，在此期间几乎没有新的发展(无意义的10亿年)，氧气浓度变得足够高，足以满足动物生命的发展和进一步进化。在地球大气层的历史上，最大氧浓度曾达到约0.30,现在稳定在0.21。从高能分子状态到低能分子状态的一系列转移中（即电子传输链），氧元素的高电负性和

3、丰度，特别适合作为最终电子受体。通过这种方式，氧气含量的增加是包括人类在内的许多新生物体发展的先决条件。然而，同样的水平对其他生物体来说是有毒的。氧元素获得电子的倾向，意味着有机体必须发展抗氧化剂防御机制，以防止无意中的分子氧化和功能障碍。正如ParaCe1SUS所说的剂量造就毒药。氧合作用的测量和评估为了评估危重病患者的氧合状态，可以使用几种不同的方法和参数：通过脉搏血氧仪（SpO2）或动脉血气分析（血氧饱和度）得到的血氧饱和度（SO2）、通过动脉血气分析得到的氧分压（Po2）、通过中心或混合静脉血气分析（SCVo2或SvO2）得到的氧气摄取值、乳酸浓度和氧气输送（DO2）。脉搏血氧仪利用两

4、个近红外波长结合循环脉搏来测量SPO2。含氧（O2-Hb）和脱氧（H-Hb）血红蛋白对这两种波长的吸收不同。与一氧化碳结合的血红蛋白（CO-Hb）无法通过双波长脉搏血氧仪与O2-Hb区分开来，因此会导致SpO2读数错误地升高。SpO2测量的主要优点是方便、连续、非侵入性；缺点是深色皮肤患者的结果相对不可靠，而且无法检测到高氧血症。使用近红外波长的方法也可以直接用于血液，最多有四个不同的波长（而不是脉冲血氧仪中使用的两个波长），从而能够确定高铁血红蛋白和CO-Hb的浓度。血样中的P02可以用电阻随P02变化的极谱电极来测量，组织中的P02可以通过皮肤或器官上的小极谱电极来测量。这种应用的主要限制

5、是测量的深度受限。动脉血氧分压(PaO2)测量的优势在于其准确性。此外，压力是02扩散的驱动力，使压力成为比饱和度更相关的参数，而饱和度与02扩散没有直接关系。缺点是这种方法是间断性和侵入性。对于正常范围内的氧气水平，有一些公式可以根据S02计算P02,反之亦然。然而，这些公式并未完全考虑温度、2,3-二磷酸甘油酸、PH和PC02(玻尔效应)对氧合血红蛋白解离曲线横向位置(右移或左移)的影响，因此仅具有有限的临床价值。此外，在动脉血氧饱和度较高的高氧区(血氧饱和度97%),P02的较大变化与无法准确测量的S02的极小变化有关。因此，在SpO297%的范围内，除非同时测量P02,否则可能无法检测

6、到高氧血症。可以通过计算动脉血和静脉血之间的氧气摄取量或通过测量乳酸产量来估计充足的氧合。氧气摄取和乳酸产生取决于低氧血症的严重程度，还取决于组织灌注的维持和葡萄糖或其他代谢底物的充足供应。计算全身的氧摄取量，可以通过同时采集动脉血和中心静脉血，或最好是混合静脉血来完成。ScvO2采样相对容易，并且是评估休克患者循环的有充分证据的参数。SvO2测量需要肺动脉导管。乳酸是一种简单的测量方法，但它的水平会受到许多其他变量的影响。组织D02可以使用Hbs血氧饱和度和PaO2(1.34HbSpO2X0.01)(0.023PaO2)和心输出量计算,在正常情况下约为每分钟Iooom1o2。D02与氧摄取和

7、摄利用(V02)有关，但取决于许多循环和代谢变量。低氧血症.正常氧血症和高氧血症的定义吸入额外的氧气会导致高氧血症，通常定义为吸氧浓度0.21。在正常生理条件下，氧浓度超过正常水平会导致高氧血症或PaO2升高。动脉血氧分压的正常范围为10-13.3kPa,因此任何PaO213.3kPa均可视为高氧血症，任何PaO2IOkPa值均可视为低氧血症。02相关文献中使用了许多不同的低氧血症、正常氧血症和(轻度、中度或重度)高氧血症定义和界值，研究结果对比起来非常困难。由于氧合血红蛋白解离曲线的形状，特别是S02最高值时PaO2和S02之间的弱相关性，因此S02不是区分轻度、中度和重度高氧血症的可靠方法

8、。人体氧生理学氧降梯度图描述了从气体吸入(空气和/或02)到线粒体，氧气(表示为P02)的运输和流程(图1)。氧气运输顺梯度进行，一方面通过肺通气和循环，另一方面通过气体扩散。干燥大气的P02为21.1kPao在气道中，空气在37时被H20饱和，吸入P02(PIO2)从21.1kPa下降到19.9kPao下一个减少是由肺泡中二氧化碳(C02)呼出引起的。肺泡二氧化碳压力(PAC02)由肺泡通气量决定，使用简化的肺泡空气方程和呼吸交换比(RQ),可以计算出呼吸空气时肺泡PAo2约为13kPao换气不足可导致PA02显著下降；相反，过度换气仅导致PA02小幅增加。这也可以通过肺泡空气方程和气道中H

9、20饱和空气中的PI02(19.9kPa)来解释，呼吸空气时最高PA02为(19.9-PACO2)kPao在循环系统运输氧气之前，氧气从肺泡扩散到动脉血是必要的。在正常受试者中肺泡/动脉P02梯度（APA-aO2）限制在2kPa以下，主要是由扩散阻力引起的。静脉血混合、肺内通气/血流比值降低和PAO2降低是PA-aO2增加的最常见原因。因此，正常PaO2略高于I1kPa,这是可用于扩散的压力，与溶解在血液中的少量氧气直接相关（0.0232m102/100m1血液/kPaP02）o血液携带的大部分氧气与血红蛋白结合（在S02为100%时，每克血红蛋白最多含139毫升氧气）。血液中的溶解氧和与血红

10、蛋白结合的氧之间存在直接平衡，由氧合血红蛋白解离曲线及其横向位置决定。氧降梯度的下一站是毛细血管，随着在组织中的延伸，越来越多的02从血液中逸出，沿压力梯度扩散到组织中，毛细血管血中P02的平均值略大于5kPao下一步骤是从毛细血管到组织和细胞内，最后到达线粒体。生理线粒体的氧分压估计在3-0.5kpa之间。在细胞和线粒体中，02被酶（氧化酶）使用，例如细胞色素c氧化酶系统和细胞色素P450o在线粒体中，02主要通过氧化碳水化合物（葡萄糖）进行有氧代谢，该过程的第一步是在细胞中进行无氧糖酵解，并将葡萄糖转化为丙酮酸,同时每个葡萄糖分子仅产生2个ATPo在乏氧条件下，下一步是将丙酮酸转化为乳酸。

11、代谢性酸中毒中的乳酸水平，可用于估计疾病的严重程度和低程度缺氧。在有氧环境下，丙酮酸将进入线粒体中的三竣酸（TCA）循环，进行氧化磷酸化，每个葡萄糖分子产生多达36ATPo该代谢途径的其他产物是CO2、NADH.FADH2和H20o图1氧降梯度图：从干燥的环境空气到线粒体人体氧的病理生理学：低氧血症和缺氧的影响当重症患者出现低氧血症时，有氧糖酵解会受到阻碍，导致能量消耗、细胞功能障碍和进行性代谢性乳酸酸中毒。持续长时间（慢性）低氧血症会激活细胞内的缺氧诱导因子，该因子可以激活基因转录，产生对抗缺氧的病理生理效应。这些作用包括：通过促红细胞生成素增加血红蛋白的产生、增加血管生长因子改善组织灌注和

12、交感神经激活。人体氧的病理生理学：氧过多、高氧血症和02中毒在101kPa的正常大气压下，将吸氧浓度从21%变为100%,对血氧饱和度以及血液02含量（C-O2）的影响可以忽略不计。然而PaO2会随着吸氧浓度增加而大幅升高。因此高氧会增加02中毒的风险，而不会显著增加组织DO2o在临床医学中增加吸氧浓度用于改善通气不足、静脉血混合或伴有弥散障碍的肺部病变的氧合。在贫血患者中，限制02含量的因素是血红蛋白，输入红细胞（RBc）远比增加吸氧浓度有效；在休克患者中，通过优化循环可以最好地改善组织DO2o吸氧浓度增加导致高氧，对气道和肺有直接影响。氧中毒的体征和症状是气管支气管炎症、胸骨后疼痛、咳嗽、

13、再吸收性肺不张，最后是肺泡水平的高氧性急性肺损伤(HA1I)o肺泡损伤与炎症后一氧化氮(NO)产生增加有关。高氧血症导致细胞和线粒体中的02水平高于正常。这种情况下，线粒体02可以转化为活性氧，活性氧外层具有不成对的电子。体外实验表明，猪肺线粒体和大鼠肺毛细血管内皮细胞中氧水平增加与活性氧产生之间存在很强的、指数性相关。在肝细胞再灌注/再氧合模型中，将氧从0%增加到2%会导致活性氧产生急剧增加，进一步增加到95%会导致活性氧稳步上升。活性氧有高度活性和有害，因为它们与细胞内破坏蛋白质和DNA的分子反应。因此活性氧与脂膜上的脂肪酸反应，对这些膜造成损害，而脂质过氧化物酶反应导致进一步的细胞损伤。

14、全身炎症可能会增加活性氧的影响，这种炎症通常出现在危重患者中。活性氧在生理上被超氧化物歧化酶和过氧化氢酶灭活，这两种酶支持活性氧转化为H20和正常的02。例如，细胞中的维生素C、维生素E和谷胱甘肽也可以使活性氧失活。抗氧化剂是影响活性氧形成和变形的药物选择。高氧血症不仅会增加血清活性氧，还会增加炎性细胞因子，并与进行性炎症和器官功能障碍有关。高氧血症时的氧化应激可降低NO水平，并导致微循环中的血管收缩。根据循环病理特点(休克类型)，血管收缩可能对循环有不同的影响。氧正常.缺氧.高氧对危重病人的影响基于上述低氧血症和高氧血症的影响，过去十年中，对危重病患者进行了大量观察性和干预性研究。2008年

15、，一项具有里程碑意义的回顾观察性研究描述了荷兰50个ICU中36z307名患者的氧合指标，以及吸氧浓度或达到PaO2与临床结果之间的关系。PaO2与死亡率呈U型关系(经多个变量校正后)，死亡率最低的PaO2范围为8.9-10.6kPao最近报道，动脉血氧分压与ARDS患者的住院死亡率(13.2kPa)和ICU死亡率(13.5kpa)之间的关系达到了新的低点。自2008年以来,几项随机对照试验研究了重症患者吸入低vs.高氧浓度、PaO2、血氧饱和度和/或SpO2,这些试验在患者选择、低氧组和高氧组的目标氧合，以及主要和次要终点有所不同。表1概述了这些研究的特征。第一项研究是针对103名参与者的小

16、型可行性研究，实验组和对照组间PaO2,SaO2和SpO2的差异有统计学意义，作者得出结论，即使保守组低氧血症(SPo298%)明显多于自由氧疗组，保守性氧合目标仍是可行的。在这项小型研究中，两组的次要结局(新发器官功能障碍、ICU死亡率和90天死亡率)没有显著差异。Oxygen-ICU研究计划将660名患者随机纳入正常PaO2和SpO2目标组和标准实践组，即允许PaO2和SpO2升高。该研究在纳入480名患者后提前停止，对其中434名进行了分析。保守组主要结局(ICU死亡率)显着降低(12%vs.20%),在次要结局中，保守组新发休克、新发肝功能衰竭和血流感染的发生率较低。由于分析组样本量小于计划样本量，作者认为这只是初步结论。HYPERS2S研究结合了氧合目标(吸入氧浓度为100%的高氧血症，而S02值为88%-95%)研究,以及感染性休克机械通气患者输注等渗盐水与高渗盐水的2x2水平、多中心随机对照研究。两个氧疗组主要