Кисневі режими організму людини за різних станів серцево-судинної системи

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК: 612.12+612.261

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

КИСНЕВІ РЕЖИМИ ОРГАНІЗМУ ЛЮДИНИ ЗА РІЗНИХ СТАНІВ СЕРЦЕВО-СУДИННОЇ СИСТЕМИ

03.00.13 - фізіологія людини і тварин

БІЛИК Людмила Миколаївна

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному інституті серцево-судинної хірургії

ім. М.М. Амосова АМН України та у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Наукові керівники: Доктор біологічних наук Настенко Євген Арнольдович завідувач відділу інформатики Національного інституту серцево-судинної хірургії ім. М.М.Амосова АМН України;

Доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Янчук Петро Іванович, завідувач лабораторії фізіологічної кібернетики та психофізіології біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Офіційні опоненти:

Доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Серебровська Тетяна Вікторівна, Інститут фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України, старший науковий співробітник відділу фізіології гіпоксичних станів;

Доктор медичних наук, професор Плиска Олександр Іванович, національний педагогічний університет ім. М.П. Драгоманова, завідувач кафедри анатомії та фізіології та шкільної гігієни.

Захист відбудеться «10» червня 2009 р. о 14.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.38 при Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, м. Київ, пр. Глушкова, 2, біологічний факультет, ауд. 215.

Поштова адреса: 01033 Київ, вул. Володимирська, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка (01033, Київ, вул. Володимирська, 58).

Автореферат розісланий "07" травня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Цимбалюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В основі більшості критичних станів, які виникають у людей, котрі страждають на захворювання серцево-судинної системи, лежать порушення постачання та споживання кисню тканинами [Еременко А.А., 2004; Hida W., 2002; Kannel W., 2002; Weissmann N., 2001]. Однією із головних функцій кровоносної системи є адекватне метаболічним запитам тканин забезпечення їх киснем та виведення тканинних метаболітів [Плиска О.І., 2006]. Рівновага у цьому процесі досягається завдяки узгодженій діяльності різних органів і систем за участі нейрогуморальних регуляторних механізмів [Колчинская А.З., 2000]. Транспорт кисню кров'ю і доставка його до клітин в організмі людини лімітуються хвилинним об'ємом крові, розподілом крові в тканинах, кисневою ємністю крові, кисневозв'язувальними властивостями гемоглобіну та ін. [Pocock G., 2006]. Ще більш обмежені резерви кисню в тканинах (мітохондріях), які навіть за наявності великої кількості міоглобіну (м'язова тканина) лише деякий час можуть функціонувати без надходження кисню [Serebrovska T., 2008]. Відхилення у кисневому гомеостазі організму людини відсутні лише за умови, якщо швидкість надходження кисню до клітин відповідає їх потребі у кисні та збереженні рівноваги між швидкістю споживання і кисневим запитом тканин [Колчинская А.З., 1983]. Порушення цієї рівноваги викликає зміни гемодинамічних показників організму людини, які, в свою чергу, впливають на функціонування органів і фізіологічних систем [Serebrovska T., 2006]. Тому оцінка адекватності транспортування кисню метаболічному запиту організму має вагоме значення для нормальної та патологічної фізіології.

У наш час кардіохірургічна клініка, завдяки специфіці своєї діяльності, має найбільшу кількість результатів обстеження людей, що зібранні під час спостереження за пацієнтами під час операцій та в ранньому післяопераційному періоді. Різноманітність діючих факторів у передопераційному, операційному та післяопераційному періодах призводить як до гемодинамічних зрушень загалом, так і до функціональних та патологічних змін кровообігу. Основним фактором, що впливає на гемодинаміку організму людини в ранньому післяопераційному періоді, є метаболічний запит тканин. В сучасній літературі досить глибоко висвітлені загальні питання будови та функцій серцево-судинної системи. Але, нажаль, дотепер не створено надійних методів оцінки адекватності транспортування кисню метаболічному запиту організму під час операцій на серці та в ранньому післяопераційному періоді [Белоцерковский З.Б., 1998]. Особливо важливою проблемою як для фізіології, так і для клініки є з'ясування особливостей мікроциркуляції життєвоважливих органів та транспорту кисню при нормальному, підвищеному та зниженому рівні системного кровообігу.

Актуальним залишається питання залежності насичення киснем венозної крові в малому колі кровообігу при різній насосній функції серця.

Інтерес у науковців викликає не лише якісна оцінка адекватності доставки кисню метаболічному запиту організму людини при різній продуктивності серця, але й кількісні зміни показників доставки та споживання кисню у великому колі кровообігу при змінах системного кровотоку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є розвитком та систематизацією результатів виконаних в Національному інституті серцево-судинної хірургії ім. М.М.Амосова фундаментальних НДР „Дослідити нелінійні їєрархічні взаємодії механізмів регуляції в серцево-судинній системі для забезпечення транспортної функції кровообігу”, реєстр. № 0104U003464, 2004-2006 рр., НДР “Дослідити закономірності взаємодії центрального та периферичного кровотоку у великому колі кровообігу”, реєстр. № 0104U003464, 2007-2009 рр., а також виконувалася згідно з науковою темою кафедри фізіології людини і тварин біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, реєстр. № 0106U005751 2006-2010 рр., „Дослідити системні, клітинні та молекулярні механізми діяльності нервової системи, внутрішніх органів та рухового апарату організму людини і тварин в нормі та патології”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у досліджені впливу зниженої, нормальної та підвищеної насосної функції серця (гіпо-, нормо- та гіпердинамії) на регуляцію доставки і споживання кисню в організмі людини та розробка методів кількісної оцінки адекватності системного транспорту кисню метаболічним потребам організму.

У відповідності до поставленої мети в дослідженні вирішувались наступні задачі:

1) провести поглиблений аналіз доставки та споживання кисню в організмі людини при нормальних та патологічних змінах системного кровотоку;

2) вивчити закономірності зміни газового складу артеріальної та венозної крові в малому колі кровообігу за умов надлишкового, нормального та недостатнього кровообігу;

3) вивчити взаємозв'язок газового складу венозної крові та умов споживання кисню у великому колі кровообігу при змінах системного кровотоку;

4) дослідити взаємозв'язок шунтової та нутрітивної складових кровотоку при змінах метаболічного запиту організму та змінах периферичного судинного опору;

5) відтворити структуру різнорівневих регуляторних зв'язків серцево-судинної системи людини при нормальному, недостатньому та надлишковому системному кровообігу.

Об'єкт дослідження - система кровообігу і кисневий баланс організму людини.

Предмет дослідження - взаємодія транспортної функції серцево-судинної системи та кисневого гомеостазу організму людини.

Методи дослідження - на доопераційному етапі: осцилометричний метод вимірювання артеріального тиску; у ранньому післяопераційному періоді: моніторинг показників системного кровообігу, ехокардіографія, ультразвукова флоуметрія, клінічні виміри показників системного кровообігу і газового складу артеріальної та венозної крові.

Наукова новизна отриманих результатів. Проведено поглиблений аналіз доставки та споживання кисню при нормальному, недостатньому та надлишковому кровообігу. Вперше отримано деталізоване сімейство регуляторних характеристик доставки та споживання кисню, яке включає: нормальний режим кровопостачання, значне та помірне зниження продуктивності серця, серцевого викиду (гіподинамію), та надмірний - гіпердинамію. Доведено, що залежності споживання кисню від його доставки, при побудові графіків за допомогою алгоритмів комп'ютерної класифікації, до нуля не потрапляють, а співпадають з гіпердинамічною, нормодинамічною, помірною та вираженою серцевою недостатністю.

Вперше побудовані залежності, які характеризують насичення киснем венозної крові у великому та малому колах кровообігу. Встановлено: для великого кола кровообігу, що при однаковому вмісті кисню в артеріальній крові, вміст кисню у венозній крові був тим вищий, чим вища насосна функція серця; для малого кола кровообігу, чим більший вміст кисню у венозній крові, тим більшим є його вміст в артеріальній крові. Найнижчі показники насичення артеріальної крові в легенях спостерігаються у людей з недостатністю кровообігу.

Підтверджені данні літератури, що шунтовий кровотік збільшується при підвищені серцевого індексу. Вперше отриманні кількісні показники шунтового кровотоку при різній насосній здатності серця.

Розроблено методи, які дозволяють оцінити адекватність постачання кисню до метаболічного (кисневого) запиту організму людини при різній насосній здатності серця.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані результати дозволяють оцінити стан кисневого гомеостазу організму людини та здійснювати впливи, скеровані на утримання на нормальному рівні процесів кисневого метаболізму в організмі в цілому та в окремих його органах і системах під час та безпосередньо після застосування штучного кровообігу при операціях на серці.

Отримана система взаємопов'язаних фізіологічних залежностей дозволяє оцінити рівень метаболічної активності організму (наприклад, адекватність терапії в ранньому післяопераційному періоді), відповідність метаболічній активності організму рівня продуктивності серця та оцінити адекватність терапії, скерованої на забезпечення оптимального кровопостачання та забезпечення організму киснем.

Результати роботи мають важливе значення для таких наук, як фізіологія, патологія та медицина.

Особистий внесок здобувача. Весь обсяг роботи із першоджерелами літератури, проведення обстеження людей, статистична обробка і аналіз отриманих результатів виконані здобувачем самостійно. Обговорення результатів та наукова оцінка здійснювалися спільно з науковими керівниками, докторами біологічних наук Є.А. Настенком та П.І. Янчуком.

Апробація результатів дисертації. Результати, подані у дисертації, доповідались на Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених, присвяченій 15-й річниці незалежності України “Шевченківська весна” (Київ, 2006), на Всеукраїнській науковій конференції студентів та аспірантів (Київ, 2006), на Міжнародній науковій конференції присвяченій 90-річчю від народження акад. П.Г. Богача “Психофізіологічні та вісцеральні функції в нормі і патології” (Київ, 2008).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 4 статті у фахових наукових журналах і збірках, які входять до переліку ВАК України та 3 тез доповідей на конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, огляду наукової літератури, опису матеріалів і методів дослідження, результатів досліджень та їх обговорення, аналізу та узагальнення отриманих результатів, висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи складає 123 сторінки (основна частина 110 сторінок). Робота містить 2 таблиці і 13 рисунків, розташованих в основному тексті роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріали та методи досліджень

Матеріалом роботи є результати обстеження людей з набутими вадами серця й ішемічною хворобою серця. Це дані послідовних спостережень, які зібранні під час обстеження 719 пацієнтів у ході лікувального процесу без постановки будь-яких конкретних дослідницьких задач. Вік хворих становив від 17 до 56 років, середній вік 53 + 6 років, а їхня маса від 42 до 100 кг - середня маса 74 кг. Обстеження проводилися в першу - другу добу після операцій протезування клапанів серця й аорто-коронарного шунтування, виконаних в умовах штучного кровообігу.

Структура порушень гемодинаміки при різних видах операцій в цілому відповідає структурі порушень для всього контингенту обстежених, що оперувались з приводу набутих вад серця. Тобто використана послідовна рандомізована вибірка.

Під час обстеження людей на доопераційному етапі, величина хвилинного об'єму крові (ХОК) визначали за даними эхокардіографії. Під час обстеження в ранньому післяопераційному періоді її вимір здійснювали за допомогою ультразвукового доплерівского флоуметра Cardioflow (Texas Instruments, USA) з урахуванням доопераційно або інтраопераційно визначеного діаметра висхідної ділянки аорти.

Парціальний тиск кисню в артеріальній (pO_2а) і венозній (pO_2v) крові вимірювали за допомогою методу Мікроаструп [Крижанівський В., 2005], на біохімічному газовому аналізаторі Мікроаструп ВMS-33.

Розраховували індекс загального периферичного опору (SVRI), вміст кисню в артеріальній (Co_2a) і венозній (Сo_2v) крові, серцевий індекс (CI), індекси доставки (IDO₂) і споживання (IVO₂) кисню [Reeder G.. 1986].

Для забезпечення співвідношення, показники нормували за площею поверхні тіла пацієнтів

Статистична обробка отриманих результатів

Для обробки отриманих результатів були використані як відомі методи, так і розроблені в інституті серцево - судинної хірургії: система розпізнавання образів на основі спеціальних алгоритмів кластер-аналізу [Nastenko E., 1996], методи кореляційного та регресійного аналізу, варіаційної статистики [Минцер О.П. та співавт., 1991; Гланц С. 1998].

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Поглиблений аналіз доставки та споживання кисню в організмі людини при нормальному, недостатньому та надлишковому кровообігу.

Нами за допомогою алгоритмів комп'ютерної класифікації були побудовані залежності IVO₂(IDO₂). Зазвичай залежності споживання кисню від його доставки представляються у вигляді лінійних функцій, що проходять через початок координат, тобто коли нульовій доставці кисню відповідає нульове його споживання [Boegehold M., 1988]. Ми помітили, що залежності співпадають з гіпердинамічною, нормодинамічною, помірно гіподинамічною та вираженою гіподинамічною серцевою регуляцією. Залежності (1-4) відрізнялися різним кутом нахилу, тобто різним рівнем інтенсивності споживання кисню при однаковому рівні його доставки.

Наша робота є продовженням дослідження Настенка Є.А. [1996, 2000]. За результатами роботи Настенка Є.А. [1996, 2000] апроксимація отриманих регуляторних залежностей IVO₂(IDO₂) лінійними функціями, дозволяє орієнтовно оцінити деякий усереднений рівень екстракції кисню з артеріальної крові по кожній із залежностей, які відповідали нормальній, зниженій та підвищеній роботі серця. Нами з метою створення більш точних алгоритмів та математичних моделей для керування штучним та допоміжним кровообігом, була додатково розділена залежність, яка відповідала нормальній роботі серця, за допомогою методу кластеризації на дві залежності, які відповідають нормальній та помірно зниженій роботі серця [Nastenko E., 1996]. Це сімейство залежностей прийняте нами за базове, яке формує всі інші реакції системи кровообігу, скеровані на підтримання адекватної доставки та споживання кисню цілісним організмом.

Апроксимація отриманих регуляторних залежностей IVO₂(IDO₂) лінійними функціями, що проходять через початок координат, дозволяє орієнтовно оцінити деякий усереднений рівень екстракції кисню з артеріальної крові по кожній із залежностей в цілому.

Апроксимації отриманих регуляторних залежностей IVO₂(IDO₂) лінійними функціями були такими:

при вираженій недостатності кровообігу, R² = 0,7069:

IVO₂ = 0,3976x; (1)

при помірній недостатності кровообігу, R² = 0,8071:

IVO₂ = 0,3096x; (2)

при нормальній насосній функції серця, R² = 0,3916:

IVO₂ = 0,2214x; (3)

при гіпердинамії, R² = 0,3285: IVO₂ = 0,1636x. (4)

Регресійні рівняння при апроксимації квадратичним ступеневим поліномом мали наступний вигляд:

при вираженій недостатності кровообігу, R² = 0,7989:

IVO₂ = 0,0006 IDO₂ ² + 0,1887 IDO₂; (5)

при помірній недостатності кровообігу, R² = 0,9115:

IVO₂ = 0,0003 IDO₂ ² + 0,1604 IDO₂; (6)

при нормальній насосній функції серця, R² = 0,7962:

IVO₂ = 0,0004 IDO₂ ² + 0, 1777 IDO₂; (7)

при гіпердинамії, R² = 0,3579:

IVO₂ = 0,0001 IDO₂ ² + 0,0926 IDO₂. (8)

Всі апроксимації були високо вірогідними (p < 0,01…0,001).

Для оцінки ступеня відхилення від лінійної залежності доставки і споживання кисню, IVO₂(IDO₂), були додатково проаналізовані співвідношення величин квадрата множинного коефіцієнта кореляції R² при лінійній і квадратичній апроксимації залежностей.

Відмінності між лінійною і квадратичною апроксимацією складали від 8% до 16%, тобто, нелінійність зв'язку доставки і споживання кисню була істотною. Тангенс кута нахилу різних ділянок кожної із залежностей відрізнявся в два і більше рази.

Результати апроксимації квадратичним ступеневим поліномом та лінійною залежністю підтверджують наші припущення, що зниження насосної функції серця призводить до підвищення споживання кисню тканинами. Результати досліджень отримані нами підтверджуються даними [Косицкий Г.И., 2000]. Для того щоб з'ясувати, які фізіологічні показники формують отримані залежності, для інтегральної оцінки характеру регуляторних зв'язків гемодинамічних показників і показників транспорту кисню були обчислені середні для кожної з чотирьох залежностей IVO₂ (IDO₂) значення системної гемодинаміки та вмісту кисню в артеріальній та венозній крові.

Для полегшення інтерпретації, були розраховані середні для кожної із залежностей показники споживання кисню. Для того щоб впевнитись, що периферична температура тіла та градієнт центральної і периферичної температури корелюють з індексом загального периферичного судинного опору, ми побудували графіки цих залежностей. Середнє значення центральної температури тіла змінювалося не більш, ніж на 0,8° С. Споживання кисню змінюється на 7% при зміні центральної температури на 1° С, що знаходиться в межах накопиченої помилки вимірювань показників, використаних для його розрахунку [Гаврисюк В.К., 1996]. Середнє значення споживання кисню (IVO₂) у всіх випадках було нижчим за таке, що відповідає стану спокою при центральній температурі тіла 37° С. Після гіпотермії, здійснюваної під час операційного етапу лікування, середнє значення центральної температури тіла пацієнтів знаходилось у межах 36,2 - 36,7° С. Це дало підстави вважати, що метаболічний запит організму досліджуваних приблизно відповідав стану спокою на фоні седативної терапії. При цих умовах, споживання кисню IVO₂ мало складати не менше 140 мл/хв/м², [Физиология дыхания, 1973] однак, за результатами наших досліджень IVO₂ має значно менші значення: при нормальній насосній функції серця - 89,2 мл/хв/м², при гіпердинамії - 82,2 мл/хв/м², при вираженій гіподинамії - 112,9 мл/хв/м²_, при помірно зниженій насосній функції серця - 117,1 мл/хв/м². Найімовірнішою причиною зниженого споживання кисню, міг бути підвищений шунтовий кровотік із артеріального у венозне русло. Ми перевірили свої припущення розрахувавши шунтовий кровотік для кожної із залежностей.

Взаємозв'язок шунтової та нутрітивної складових кровотоку при змінах метаболічного запиту організму.

Якщо вважати, що кров, яка пройшла крізь капіляри, повністю віддала кисень, то відсоток шунтового кровотоку, віднесеного до 1 м² поверхні тіла може бути орієнтовно оцінений за формулою:

IQ_sh = CI•C_vO₂/C_aO₂, (9)

де IQ_sh - шунтовий кровотік на 1м² поверхні тіла, CI - серцевий індекс (л/хв/м²),•C_vO₂ - вміст кисню у змішаній венозній крові (мл/дл), C_aO₂ - вміст кисню в артеріальній крові (мл/дл).

Ми оцінили частку шунтового кровотоку Q_sh у середньому для залежностей (1) - (4) :

- при гострій недостатності кровообігу - близько 63%;

- при помірно зниженій насосній функції серця - близько 71%;

- при нормальній функції серця - приблизно 79%;

- при гіпердинамії - близько 85% .

Впродовж 1-2 діб після операції у переважній більшості випадків пацієнти не виконують ніякої фізичної роботи, що дозволяє, до певної міри, орієнтуватися на центральну температуру тіла, як на непряму оцінку рівня метаболізму. кровоток кисень артеріальний венозний

При гіподинамії підвищується екстракція кисню з еритроцитів до клітин, за рахунок швидшого „миготіння” (закривання - відкривання) капілярів, збільшення градієнта концентрації кисню в капілярі та клітинах, прискорення транспорту кисню через стінки капілярів. Все це призводить до зменшення частки шунтового кровотоку до мінімального рівня. При виділенні помірно зниженої насосної функції серця у вигляді окремої регуляторної залежності, були отримані наступні значення коефіцієнта екстракції кисню: 1 - при гострій недостатності кровообігу - близько 40% (як зазначалося раніше [Вільям Ф., 2000]); 2а - при помірно зниженій насосній функції серця - близько 31%; 2б - при нормальній функції серця - приблизно 22%; і 3 - при гіпердинамії - близько 16% (R² = 0,3…0,8; p < 0,05…0,001).

При аналізі показників доставки та споживання кисню у ранньому післяопераційному періоді ми можемо зробити висновок про те, що обстежувані у цьому періоді мають різну насосну здатність серця в залежності від виду вади серця. Виходячи з цього, ми можемо зробити припущення про те, що усунення вад клапанів серця з високою насосною здатністю в ряді випадків призводить до розвитку післяопераційної гіпердинамії, що характеризується надлишковим, не відповідним кисневому запиту тканин, серцевим викидом. Це призводить до збільшення частки шунтового кровотоку і, відповідно, процентного вмісту крові з «артеріальним насиченням» у змішаній венозній крові.

Особливості змін вмісту кисню артеріальної та венозної крові в малому колі кровообігу за умов різної насосної здатності серця.

Нами були вперше побудовані залежності (1-4), які характеризують насичення киснем венозної крові в малому колі кровообігу. Ці залежності відповідали нормальній насосній функції серця, вираженій гіподинамії, помірно зниженій продуктивності серця та гіпердинамії.

За допомогою графіків Co_2v(Co_2a) ми робимо висновок, що чим більших вміст кисню у венозній крові, тим більшим є його вміст в артеріальній крові. Це підтверджується регресійними рівняння, які ми побудували.

Розглянемо регресійні рівняння залежностей (1-4), які мали наступний вигляд:

при вираженій недостатності кровообігу:

Co_2a = 0,5063 Co_2v + 11,424,

r² = 0,27; N = 293; (10)

при помірній недостатності кровообігу:

Co_2a = 0,9724 Co_2v + 4,1134,

r² = 0,79; N = 182; (11)

при нормальній гемодинаміці:

Co_2a = 1,0182 Co_2v + 4,8238,

r² = 0,66; N = 181; (12)

при гіпердинамії (гіперфункції серця):

Co_2a = 0,7894 Co_2v + 5,96,

r² = 0,68; N = 71. (13)

Залежності мали високий ступінь вірогідності, p < 0,05...0,001.

Найнижчі показники насичення киснем артеріальної крові в легенях ми спостерігали у людей з вираженою недостатністю кровообігу. Ймовірно причинами такого низького насичення крові киснем є застійні явища в легенях та централізація кровообігу. Наше припущення підтверджується найбільшими значеннями вмісту кисню у венозній крові для групи обстежених з гіпердинамічним типом регуляції кровообігу. Було встановлено, що надмірний кровотік призводить до збільшення фракції шунтового артеріо-венозного скидання крові і збільшення в результаті вмісту кисню у венозній крові, недостатній - до зниження вмісту кисню у венозній крові, ймовірно, викликаному підвищенням вазомоторної активності [Настенко Є.А., 2006; Гланц С. 1998; Nastenko E., 1996; Reeder G., 1986] мікроциркуляторної мережі і прискоренням транскапілярного транспорту кисню.

Взаємозв'язок газового складу артеріальної та венозної крові та умов споживання кисню у великому колі кровообігу при змінах системного кровотоку.

Знаючи співвідношення вмісту кисню в артеріальній та венозній крові, ми маємо можливість оцінити адекватність продуктивності серця метаболічному запиту організму людини під час операції на серці.

Крім зовнішніх сенсорних подразників, головним фактором зміни як системної, так і реґіонарної гемодинаміки є зміни метаболічної активності як організму в цілому, так і окремих органів і систем. Тому аналіз фізіологічних механізмів регуляції транспортної функції кровообігу представляється більш перспективним та має більше теоретичне і практичне значення, ніж аналіз даних, які отримані в гострих дослідах на тваринах.

Відомо, що залежності вмісту кисню у венозній крові від вмісту кисню в артеріальній крові Сo_2а (Со_2v) характеризують насичення киснем венозної крові в малому колі кровообігу, зворотні залежності Co_2v(Co_2a) дозволяють оцінити умови споживання кисню цілісним організмом.

Спробуємо простежити, як змінюється вміст кисню у венозній крові зі зміною концентрації кисню в артеріальній крові при різних рівнях кровотоку.

Розглянемо залежності, які характеризують споживання кисню цілісним організмом: кожній з характеристик (1) - (4) відповідають різні залежності вмісту кисню у венозній крові від його вмісту в артеріальній крові.

В порівнянні із залежностями Co_2a(Co_2v) для малого кола кровотоку, спостереження на координатній площині Co_2v(Co_2a) для великого кола кровообігу, розподілилися більш рівномірно.

Як і для малого кола, при тому ж вмісті кисню в артеріальній крові, вміст кисню у венозній крові був тим вищий, чим вища насосна функція серця, тобто при недостатності кровообігу відбувалася підвищена екстракція кисню з артеріальної крові, при надмірному кровотоку (гіпердинамії) - її артеріалізація за рахунок збільшення фракції шунтового артеріо-венозного скидання крові.

При зростанні вмісту кисню в артеріальній крові по лінійному закону зростав його вміст і у венозній крові незалежно від рівня насосної функції серця.

Для кожної із залежностей функціональних характеристик (1) - (4) виявлено високий ступінь (p < 0,01…0,001) кореляції доставкою та споживанням кисню, з одного боку і серцевим індексом (CI), з іншого. Це можна пояснити регуляторними змінами серцевого викиду при зміні споживання кисню тканинами.

Під час виконання цього дослідження, ми звернули увагу на деяку суперечність в проаналізованій нами спеціальній літературі [Федонюк Я.І., 2001]. Екстракція кисню як в капілярах, так і в мікроциркуляторних одиницях в цілому, може бути стабільною і визначатися, головним чином, кількістю працюючих (активних) мікроциркуляторних одиниць [Беленков Ю.Н., 2000]. Це відбувається внаслідок особливостей будови мікроциркуляторної мережі і специфіки механізмів мікроциркуляторної регуляції кровообігу. Припущення, що низький рівень вмісту кисню поблизу артеріол або прекапілярних сфінктерів регулює просвіт судин, існує вже давно, але розкрити механізм дії цього фактора дотепер не вдалося [Баевский Р.М., 2000]. Як відомо з літературних джерел [Гебхард М.М., 1990], просвіт судин регулюють також продукти метаболізму і біологічно активні речовини. В інтенсивно працюючому органі під дією продуктів метаболізму (СО₂, молочної кислоти) і біологічно активних речовин (брадикініну, гістаміну та ін.) також відбувається зниження тонусу артеріол і прекапілярних сфінктерів і збільшується, таким чином, кількість функціонуючих капілярів [Агаджанян Н.А., 1998]. Навпаки, при зниженні метаболізму ці ефекти зменшуються і відбувається адекватне обмеження органного кровотоку. Одним з таких продуктів метаболізму є аденозин -- речовина, що відіграє важливу роль в розпаді макроергічних фосфатних з'єднань [Вільям Ф., 2000]. Доведено, що посилення метаболізму органу (наприклад, серця) закономірно супроводжується прискореним дефосфорилюванням АМФ з утворенням аденозину, який, після надходження в міжклітинний простір, викликає значне розширення артеріол і збільшення органного кровотоку [Алешин Н.Г., 1987].

Відмінність величині показника вмісту кисню в артеріальній і венозній крові може бути суттєво різною навіть при постійній екстракції кисню в окремих капілярах. Це може бути у випадку, якщо зміни фракції шунтового кровотоку, який, на думку авторів, завжди присутній, є істотними [Беленков Ю.Н., 2000]. Тобто, зміни співвідношень газового складу артеріальної і венозної крові далеко не завжди є показником дійсної екстракції в нутрітивних мікросудинах. Коефіцієнт екстракції кисню є узагальненим показником, який не відображає дійсні фізіологічні механізми транскапілярного обміну.

Враховуючи стабільність умов руху еритроцитів по кожному окремому капіляру, співвідношення вмісту кисню в артеріальній і венозній крові відображає, перш за все, співвідношення кількості одночасно функціонуючих капілярів та величини шунтового артеріо-венозного скидання крові. Обчислення показника споживання кисню може давати некоректні результати, якщо не приймати до уваги відсоток шунтового кровотоку (скидання крові по шунтах в обхід капілярів безпосередньо у венозну систему). Величина фракції шунтового кровотоку при гіпердинамії може досягати 70% і більше від загального кровотоку.

Результати досліджень отримані нами, довели нелінійність зв'язку доставки і споживання кисню. Тангенс кута нахилу різних ділянок кожної із залежностей відрізнявся в два і більше рази.

Отримані нами результати узгоджуються з висновками у роботі Настенка Е.А., [2000], і є їх подальшим розвитком.

Як ми знаємо, регресійні рівняння вигляду у(x) і x(y) при нанесенні їх на графіки відрізняються одне від одного, оскільки обчислюють середні значення різних випадкових величин [Гланц С., 1998].

Тому, регресійні рівняння Co_2a(Co_2v) ) дозволяють оцінити особливості газообміну легенів при надмірному, нормальному і зниженому системному кровотоку, а також і роль кожного з вказаних чинників при змінах умов гемодинаміки.

Зворотні залежності Co_2v(Co_2a) дозволяють оцінити умови споживання кисню цілісним організмом.

Характеристики вмісту кисню у артеріальній та венозній крові мають характер пучка лінійних залежностей. При однаковому вмісті кисню в артеріальній крові, вміст кисню у венозній тим вищий, чим вищий системний кровотік.

ВИСНОВКИ

У дисертації відповідно до поставленої мети, вирішене актуальне наукове завдання, що стосується кисневих режимів організму людини за різних станів серцево-судинної системи і зроблені такі висновки:

1. Отримано деталізоване сімейство регуляторних характеристик доставки та споживання кисню, яке включає: нормальний режим кровопостачання, істотне та помірне зниження рівня продуктивності серця (гіподинамію) та надмірне його зростання - гіпердинамію. Розроблено методи, які дозволяють оцінити адекватність постачання кисню згідно метаболічного (кисневого) запиту організму людини при різній насосній здатності серця.

2. Доставка та споживання кисню в організмі людини знаходяться у функціональному зв'язку, близькому до лінійного, як при нормальному, так і при зниженому та підвищеному рівнях продуктивності серця. Розподіл на залежності є умовним і відбиває процес зміни рівня кровотоку від надто високого до зниженого.

3. При сталому рівні доставки кисню в інтактному організмі людини величина показника споживання кисню суттєво зменшується при збільшенні рівня продуктивності серця.

4. Підвищення вмісту кисню в змішаній венозній крові при збільшенні серцевого викиду (гіпердинамії) обумовлене підвищенням частки шунтового кровотоку, тобто скиданням артеріальної крові у венозне русло.

5. При однаковому вмісті кисню в артеріальній крові, за різних рівнів продуктивності серця вміст кисню у венозній крові тим вищий, чим більша інтенсивність системного кровотоку, завдяки зростанню фракції шунтового артеріо-венозного скидання крові та артеріалізації венозної крові.

6. Отримані функціональні характеристики транспорту кисню та системних гемодинамічних реакцій у відповідь на зміни метаболічного запиту організму фізіологічно відтворюють цілісну систему взаємопов'язаних показників, придатних для вирішення наукових і практичних завдань оцінки стану серцево-судинної системи та регуляції кровообігу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Білик Л.М. Зв'язок загального периферичного судинного опору за показником кисневого балансу в людей з різною насосною здатністю серця/ Білик Л.М., Настенко Є.А., Янчук П.І. // Вісник Київського університету. Проблеми регуляції фізіологічних функцій. - №12. - 2007. -- С. 42 - 44.

2. Кнышов Г.В. Интегральные закономерности регуляции доставки и потребления кислорода в организме человека / [Кнышов Г.В., Настенко Є.А., Максименко В.Б., Янчук П.И., Кравчук А.А., Белик Л.Н.] // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. - 2006. - Т. 92. №12. - С. 1412-1418. (Здобувач - проведення обстеження, підготовка матеріалу до друку; Настенко Є.А. - статистична обробка матеріалу; Янчук П.І. - загальне редагування; Кнышов Г.В. - ідея дослідження; Максименко В.Б. - інтерпретація та узагальнення результатів; Кравчук А.А. - літературний пошук).

3. Настенко Є.А. Зв'язок між периферичним опором судин і показниками кисневого гомеостазу й гемодинаміки у людини / Настенко Є.А., Білик Л.М., Янчук П.І. // Вісник Київського університету. Біологія. - №47 - 48. - 2006. - С. 28 - 30.

4. Кнышов Г.В. Сопоставительный анализ групп наблюдений со сходными особенностями системного транспорта кислорода / [Кнышов Г.В., Настенко Е.А., Максименко В.Б., Янчук П.И., Кравчук А.А., Белик Л.Н., Рысин С.В.] // Щорічн. наук. праць Асом. серцево-судинних хірургів України. - 2008. - Вип. 16. - С. 189 - 193 (Здобувач - проведення обстеження, підготовка матеріалу до друку; Настенко Є.А. - статистична обробка матеріалу; Янчук П.І. - загальне редагування; Кнышов Г.В. - ідея дослідження; Максименко В.Б. - інтерпретація та узагальнення результатів; Кравчук А.А. - літературний пошук).

5. Білик Л.М. Дослідження кисневих залежностей організму людини за різних станів серцево-судинної системи / Білик Л.М., Настенко Є.А., Янчук П.І. // Шевченківська весна: Міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених, присвячена 15-й річниці незалежності України. - Київ, Україна, 2006. - Тези доповіді. - С. 20-21.

6. Білик Л.М. Дослідження зв'язку загального периферичного судинного опору з показниками кисневого балансу і гемодинаміки у людини за різних станів серцево-судинної системи / Білик Л.М., Настенко Є.А., Янчук П.І. // 4 Всеукраїнська наукова конференція студентів та аспірантів. - Київ, Україна, 2006. - Тези доповіді. - С. 7-8.

7. Білик Л.М. Особливості зміни вмісту кисню в артеріальній і венозній крові в організмі людини за різних станів системної гемодинаміки / Білик Л.М., Настенко Є.А., Янчук П.І. // Психофізіологічні та вісцеральні функції в нормі і патології: 4 Міжнародна наукова конференція, присвячена 90-річчю від народження П.Г. Богача. - Київ, Україна, 2008. - Тези доповіді. - С. 50.

АНОТАЦІЇ

Білик Л.М. Кисневі режими організму людини за різних станів серцево-судинної системи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.13 - фізіологія людини і тварин. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2009.

Дисертація присвячена вивченню оцінки адекватності транспортування кисню метаболічному запиту організму при зниженому, нормальному та підвищеному рівнях кровообігу в організмі людини.

Вперше отримано деталізоване сімейство регуляторних характеристик доставки та споживання кисню, яке включає: підвищену, нормальну, помірно знижену та низьку насосну функцію серця.

Вперше побудовані залежності, які характеризують умови насичення киснем венозної крові у великому та малому колі кровообігу при різних рівнях продуктивності серця. Проведено поглиблений аналіз доставки та споживання кисню при нормальному, недостатньому та надлишковому кровообігу. Для великого кола кровообігу встановлено, що при однаковому вмісті кисню в артеріальній крові, вміст кисню у венозній крові був тим вищий, чим вища насосна функція серця. Для малого кола кровообігу, найнижчі показники насичення киснем венозної крові в легенях ми спостерігали у людей з вираженою недостатністю кровообігу.

Розроблено методи, які дозволяють оцінити адекватність постачання кисню до тканин згідно метаболічного (кисневого) запиту організму людини при різній насосній здатності серця.

Ключові слова: система кровообігу, доставка і споживання кисню, капілярна система, продуктивність серця.

Белик Л.М. Кислородные режимы организма человека при разных состояниях сердечно-сосудистой системы. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.13 - физиология человека и животных. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2009.

Диссертация посвящена изучению оценки адекватности транспорта кислорода метаболическому запросу организма при нормальной насосной функции сердца, умеренной и выраженной сердечной недостаточности, повышенной производительности сердца.

Впервые получено детализированное семейство регуляторных характеристик доставки и потребления кислорода, которое включает: нормальный режим кровоснабжения, низкую и умеренно сниженную производительность сердца, и избыточную - гипердинамию. Доказано, что зависимости потребления кислорода от его доставки, при построении графиков с помощью алгоритмов компьютерной классификации, совпадают с нормальной, повышенной работой сердца, умеренной и выраженной сердечной слабостью. Самые низкие показатели насыщения артериальной крови кислородом в лёгких наблюдались у людей с недостаточностью кровообращения.

Впервые построены зависимости, которые характеризуют условия кислородного обмена в малом и большом кругах кровообращения при разных уровнях производительности сердца. Осуществлен углубленый анализ доставки и потребления кислорода при нормальном, недостоточном и повышеном кровообращении. Для большого круга кровообращения установлено, что при одинаковом содержании кислорода в артериальной крови, содержание кислорода в венозной крови тем выше, чем выше показатели насосной функции сердца. Для малого круга кровообращения, самые низкие показатели насыщения кислородом венозной крови в легких мы наблюдали у людей с выраженной недостаточностю кровообращения.

Впервые получены количественные показатели шунтового и капиллярного кровотока при разной насосной функции сердца. Подтверждены данные литературы, что шунтовой кровоток увеличивается при повышении сердечного индекса. Установлено, что увеличение сердечного индекса обусловлено повышением артерио-венозного градиента содержания кислорода. Это свидетельствует о том, что увеличение сердечного индекса обусловлено повышением метаболического запроса организма.

Было доказано, что увеличение метаболического запроса организма приводит к снижению периферического сосудистого тонуса. Это вызывает увеличение производительности сердца (сердечного индекса).

Разработаны методы, которые позволяют оценить адекватность снабжения кислорода метаболическому запросу организма человека при разной насосной функции сердца, получены семейства регуляторных характеристик системной гемодинамики и системного транспорта кислорода. На основе полученных характеристик исследованы закономерности регуляции центральной гемодинамики и транспорта кислорода в организме человека в норме, а также при изменениях общего метаболического запроса организма.

Ключевые слова: система кровообращения, доставка и потребление кислорода, капиллярная сеть, производительность сердца.

Bilyk L.N. Oxygen transport of human organism at different states of cardiovascular system. - Manuscript.

Dissertation for scientific degree of candidate of biological sciences on specialty 03.00.13 - physiology of human and animals. - Taras Shevchenko' Kyiv National University, Kyiv, 2009.

Dissertation is devoted to the study of estimation of adequacy of oxygen transport to human organism metabolic demand at normal, reduced and increased productivity of heart.

In the first time the detailed family of dependencies of oxygen consumption on its delivery was obtained under conditions of high, normal an insufficient heart pumping capacity.

In the first time the dependencies which represent the conditions of oxygen exchange in pulmonary and systemic circuits at different level of heart pumping capacity were built. The detailed analysis of systemic oxygen delivery and consumption at normal, insufficient and surplus cardiac output was done.

It was established that at the same level of oxygen content in the arterial blood of systemic circuit the oxygen content is decrease with decrease of cardiac output. At the same conditions in pulmonary circuit the venous blood oxygen content increases with increase of oxygen content in arterial blood.

Keywords: blood circulatory system, oxygen delivery and consumption, capillary network, hemodynamic, productivity of heart, microcirculatory system.

Размещено на Allbest.ru

...