hypoxia 王婧婧 山东大学医学院病理生理学教研室

氧气的获得和利用: air alveoli Alveolar capillary Gas transport Tissue cells ventilation internal respiration gas exchange external respiration

运送氧或利用氧发生障碍时，机体发生功能、代谢、形态结构改变的病理过程. Concept 运送氧或利用氧发生障碍时，机体发生功能、代谢、形态结构改变的病理过程. Tissue cells can’t obtain enough oxygen or can’t fully utilize oxygen→ metabolic, functional and structural changes

Parameters of blood gas 1. Partial pressure of O2 （PO2） 2. O2 capacity （ CO2 max ） 3. O2 content（CO2） 4. O2 saturation （ SO2 ）

1. Partial pressure of O2（PO2） 溶解在血液中的氧所产生的张力。 The pressure or tension produced by physically dissolved O2 in the blood. Normal: PaO2: 100 mmHg Influenced by: the oxygen pressure in the inhalied air extra-respiration 吸入气氧分压 Normal: PvO2: 40 mmHg Influenced by intra-respiration

2. O2 capacity （CO2 max） 100 ml 血液中的Hb被氧充分饱和时的最大携氧量 Maximum amount of O2 that can be combined chemically with the Hb in 100 ml blood. Normal: 20 ml/dl (15g Hb/100 ml blood ) Influenced by the amount of quality and quantity of Hb

动静脉血氧差: 动脉血氧含量 - 静脉血氧含量 3. O2 content （CO2） 100 ml Hb的实际携氧量 The concentration of O2 in a blood sample Normal: CaO2: 19 ml/dl, CvO2: 14 ml/dl Influenced by the PO2 and CO2 max The difference between CaO2 and CvO2 动静脉血氧差: 动脉血氧含量 - 静脉血氧含量

Reflect the oxygen consumption rate of the tissue. CaO2 -- CvO2 Reflect the oxygen consumption rate of the tissue. 19ml/dl 14ml/dl A V O2 O2 O2 O2 O2 5ml/dl

CO2 – O2 of physical solution 4. O2 saturation （ SO2 ） 指Hb结合氧的百分数 Amount of oxygen actually combined with Hb, expressed as a percentage of oxygen capacity. CO2 – O2 of physical solution CO2 max = 100% Normal： SaO2 95% SvO2 75% Influenced by the PO2

2,3-DPG P50 2,3-DPG

Hypoxia Introduction Classification, etiology and pathogenesis Functional and metabolic changes Factors involved in tolerance to hypoxia Oxygen treatment and oxygen toxicity

Classification External respiration Gas transport +Hb circulation Tissue cells Air 低张性缺氧 Hypotonic hypoxia 血液性缺氧 Hemic hypoxia 循环性缺氧 Circulatory hypoxia 组织性缺氧 Histogenous hypoxia

循环性缺氧 Circulatory hypoxia 组织性缺氧 Histogenous hypoxia 低张性缺氧 Hypotonic hypoxia 血液性缺氧 Hemic hypoxia

1. Hypotonic hypoxia — PaO2↓ Causes : 1) PiO2↓: high altitude (3000~4000m) 海拔高度 大气压 PiO2 PAO2 SO2 (m) (mmHg) (mmHg) (mmHg) % 海平面 760 159 105 95 1000 680 140 90 94 2000 600 125 70 92 3000 530 110 62 90 5000 405 85 45 75 366 74 40 70 8000 270 56 30 50

氧分压与氧饱和度的关系—— 氧离曲线 氧 饱 和 度 % 氧分压 (mmHg) 100 80 60 40 20 3000 m pH↓ 2,3-DPG↑ Temp ↑ NO ↑ 氧分压 (mmHg)

2) Dysfunction of external respiration Hypoventilation 气道狭窄 或阻塞 弹性阻力增加 胸壁损伤 呼吸中枢抑制 脊髓高 位损伤 呼吸肌 无力 脊髓前角 细胞受损 运动神经受损

Normal lung bronchial asthma Bronchioles normal PAO2 normal PaO2 normal Bronchioles constricted PAO2 low PaO2 low Normal lung bronchial asthma

gas exchange disorders 血液 肺泡 O2 CO2 表面活性物质 内皮细胞 上皮细胞 基膜 Ventilation-perfusion mismatching Diffusion disorders

Normal lung pulmonary edema Bronchioles normal PAO2 normal PaO2 normal PAO2 normal Increased diffusion distance PaO2 low Normal lung pulmonary edema

Obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome, OSAHS 阻塞性睡眠呼吸暂停综合征 Obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome, OSAHS 睡时上气道塌陷阻塞引起的呼吸暂停和通气不足、伴有打鼾、睡眠结构紊乱、频繁发生血氧饱和度下降、白天嗜睡等病征。呼吸暂停是指睡眠过程中口鼻气流停止≥10s. 打鼾（打呼噜） 打鼾是睡眠期间上呼吸道气流通过时冲击咽部粘膜边缘和粘膜表面分泌物引起振动而产生的声音；其部位始至鼻咽直至下咽，包括软腭、悬雍垂、扁桃体及腭咽弓、腭舌弓、舌根、咽部的肌肉和粘膜，超过60分贝以上称为鼾症，伴有不同程度的缺氧症状时也就是睡眠呼吸暂停综合征。 治疗：减肥（超重可以引起胸壁的肥厚和腹部横膈向下运动的阻力，肥胖者的粗颈还可以增加气道的阻力）戒酒（饮酒后上呼吸道的肌肉会放松）防止平卧位（重力使舌根后坠阻塞呼吸道）使用齿具（抬高软腭，将舌根向前推，将下腭向前推）手术等。

3) Shunt 静脉血分流入动脉 室间隔缺损 伴肺动脉高压 右向左分流

Fallot 四联症 ①肺动脉流出道狭窄； ②室间隔膜部巨大缺损 ③主动脉右移，骑跨于室间隔缺损上方 ④右心室高度肥大及扩张 发绀 活动时喜欢蹲踞

发绀 (cyanosis) 缺氧 正常 毛细血管中脱氧血红蛋白≥5 g/dl，使皮肤、粘膜呈青紫色. 2.6g/dl HHb ≥5g/dl HbO2 正常

发绀 (cyanosis)

紫绀 与 缺氧的关系 缺氧不一定有发绀，发绀不一定有缺氧。 当血红蛋白过多或过少 时，发绀与缺氧常不一致。例如重度贫血患者，血红蛋白可降至50 g/L(5 g/dl)以下，出现严重缺氧，但不会发生紫绀。红细胞增多病患者，血中还原血红蛋白超过50 g/L (5 g/dl)，出现发绀，但可无缺氧症状。

Characteristics of blood oxygen Types of hypoxia PaO2 CO2max CaO2 SaO2 CO2 (a-v) Hypotonic hypoxia ↓ N (or ) ↓(or N) 《60mmHg 慢性代偿 发绀 慢性代偿

Ⅱ. hemic hypoxia 1. Causes : PaO2 SaO2正常 isotonic hypoxemia Hb量↓ ，质改变→血液携带氧的能力↓或Hb结合的氧不易释出→组织缺氧 PaO2 SaO2正常 isotonic hypoxemia 1. Causes : (1)Hb量↓—— anemia anemic hypoxia (2)Hb质改变---- carboxyhemoglobinemia CO 中毒 1/10 a. Hb + CO Hb-CO O2 1/2100

CO 樱桃红色 Hb: 22 b. CO抑制RBC内糖酵解→2，3-DPG生成↓→氧解离曲线左移 Hb + CO →Hb和O2的亲和力↑→释放O2↓ CO O2 Hb: 22 樱桃红色

高铁血红蛋白血症（methemoglobinemia) Hb-Fe2+ HbFe3+OH 氧化 还原 肠源性紫绀 (enterogenous cyanosis) 咖啡色 HbFe3+OH Fe3+不能携氧 Fe2+-O2不能解离

 P50↓：Hb与O2的亲和力异常 transfusion of depot blood→ 2，3-DPG↓ OH-↑→pH↑ RBC内2,3-DPG含量第七天可由4.8μg/ml降至1.2μg/ml

Characteristics of blood oxygen Types of hypoxia PaO2 CO2max CaO2 SaO2 CO2 A-V Hypotonic hypoxia ↓ N or  ↓ or N Hemic hypoxia N ↓ N ↑ ↓N↑ ↓ CO， P50↓ HbFe3+OH P50↓

Color of skin anemia —— pale Hb-CO —— 樱桃红 HbFe+3-OH —— 咖啡色 无发绀 肠源性紫绀 (enterogenous cyanosis)

Ⅲ. circulatory hypoxia circulation↓ “hypokinetic hypoxia” 血液循环发生障碍，组织供血量↓ 引起的缺氧. Generalized circulatory deficiency: shock, heart failure Local circulatory deficiency: embolism, AS, thrombosis Ischemic hypoxia : Congestive hypoxia:

color of skin: cyanosis 缺血: ischemic hypoxia 动脉 静脉 毛细血管内压↓ color of skin: pale 淤血: Congestive hypoxia 动脉 静脉 毛细血管内压↑ color of skin: cyanosis

缺血，淤血血流缓慢血液流经cap的时间↑细胞摄氧↑ CO2a-v↓ 19ml/dl 12ml/dl A O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2 V 7ml/dl 缺血，淤血血流缓慢血液流经cap的时间↑细胞摄氧↑ CO2a-v↓ 单位时间流经组织的总血量 弥散入细胞的总氧量 氧供

Characteristics of blood oxygen Types of hypoxia PaO2 CO2max CaO2 SaO2 CO2 A-V Hypotonic hypoxia ↓ N or  ↓ or N Hemic hypoxia N ↓ N ↑ ↓N↑ ↓ Circulatory hypoxia N 

Ⅳ. histogenous hypoxia Causes： (1) “Histotoxic hypoxia” 抑制细胞氧化磷酸化: Inability of the cells to utilize the oxygen 组织细胞利用氧障碍 Causes： (1) “Histotoxic hypoxia” 抑制细胞氧化磷酸化: CN-与线粒体中氧化型细胞色素氧化酶上Fe3+结合，使其不能还原，失去传递电子的功能，呼吸链中断 砷化物抑制细胞色素氧化酶、呼吸链酶复合物、丙酮酸氧化酶 甲醇通过其氧化产物甲醛与细胞色素氧化酶结合，导致呼吸链中断

(2) Mitochondria injury: endotoxin, radioactive substances, OFR (3) Vitamin deficiency: VitB1, VitPP Result : CvO2↑ →CO2a-v↓ Color of skin: HbO2↑→玫瑰色

Characteristics of blood oxygen Types of hypoxia PaO2 CO2max CO2 SaO2 A-V Hypotonic hypoxia ↓ N or  ↓ or N Hemic hypoxia N ↓ N ↑ ↓N↑ ↓ Circulatory hypoxia N  Histogenous hypoxia N ↓

失血性休克 临床上常为混合性缺氧 循环障碍 Hb Hemic hypoxia Circulatory hypoxia 肺淤血、水肿 Hemic hypoxia Circulatory hypoxia Hypotonic hypoxia

Hypoxia Introduction Classification, etiology and pathogenesis Functional and metabolic changes Factors involved in tolerance to hypoxia Oxygen treatment and oxygen toxicity Hypotonic hypoxia

1.Respiratory system Compensatory response ① PaO2< 60mmHg peripheral chemoreceptor [H+] central chemoreceptor alveolar ventilation↑ PaO2 ↑ PaCO2 ↓（limit) ② Respiratory rate and depth ↑ → 胸内负压↑ →静脉回流↑ → 心输出量和肺血流量↑ → 有利于氧的摄取和运输

低张性缺氧引起的肺通气变化与缺氧持续的时间有关 4000m高原： 当天：通气量仅增加65%（低碳酸血症，呼碱限制） 2-3天：通气量增加5-7倍（呼碱肾代偿） 久居：通气量增加15%（外周化学感受器的敏感性↓） 肺通气量增加是急性缺氧最重要的代偿性反应 但：肺通气↑ →耗氧量↑

（2） Injured Manifestations １）急性低张性缺氧→高原性肺水肿 快速登上4000米以上的高原，可在1～4天发生肺水肿，表现为呼吸困难、咳嗽、血性泡沫痰、肺部有湿罗音、皮肤粘膜发绀、头痛等。 男性发病率明显高于女性。缺氧、寒冷和劳累是主要诱因。轻微高原病症状如头疼、恶心及睡眠障碍等多在到达高原后的第二天至第四天出现。干咳是较早的表现，其发生可先于肺部罗音的出现。其它常见的临床表现有心动过速、低热、胸痛及白色泡沫痰甚至咯血。部分患者病情进行性恶化，出现严重的呼吸困难、精神淡漠等HAPE表现，严重者在数小时内即出现呼吸窘迫，发生急性呼吸衰竭甚至死亡。

“肺动脉高压” ： 肺水肿 缺氧→呼吸运动↑ →胸内负压↑ 缺氧→外周血管收缩→回心血量，肺血流量↑ 缺氧性肺血管收缩→肺循环阻力↑ 局部收缩较轻或不收缩→非炎性漏出↑ 炎性因子→肺泡毛细血管膜炎性渗出↑ →肺动脉高压 cap内压↑ 肺水肿

２）中枢性呼吸衰竭 PaO2 ＜30mmHg 可直接抑制呼吸中枢→ 呼吸抑制，呼吸的节律和频率不规则。

2. circulatory system (1) Compensatory response ① CO ↑ → ↑氧的运输 a.心率↑(肺牵张→SN兴奋） b. 心肌收缩性↑（缺氧→ SN兴奋） c. 静脉回流量↑（呼吸 、心脏↑ ） ② pulmonary vasoconstriction “缺氧性肺血管收缩” 以调整肺内不同区域通气/血流比→ ↑氧的摄取 a.缺氧直接对VSMC作用：KV，KCa，KATP

缺氧→ KV →K+外流↓ →细胞膜去极化→电压依赖性Ca2+开放→Ca2+内流↑ → VSMC收缩→血管收缩：肺小动脉 胞浆游离Ca2+ ↑ →Kca开放 ATP↓ → KATP开放 b. 体液因素：缩血管物质（AngⅡ，ET，TXA2）占优势。 c. 交感神经作用：肺血管α-肾上腺受体密度较高，交感神经兴奋时肺小动脉收缩。 K+外流↑ →血管舒张：心、脑

③ blood redistribution →保证重要器官的氧供 皮肤、腹腔脏器血流↓（交感兴奋，α受体密度高） 心、脑血流↑ →（局部代谢产物，扩血管） 心脑血管平滑肌细胞膜的KCa和KATP开放,钾外向电流增加，细胞膜超极化，Ca2+内流↓ 。 ④ cajpillary proliferation 长期缺氧 → 缺氧诱导因子-1（HIF-1） →血管内皮生长因子（VEGF)基因表达↑，尤其是心、脑、骨骼肌→毛细血管增生 → ↓氧弥散距离，↑供氧量

（2） Injured Manifestations ① Pulmonary arterial hypertension a. 慢性缺氧 → 肺血管收缩→ 肺循环阻力↑ → 肺动脉高压： 抑制肺动脉Kv通道mRNA和蛋白质的表达→ Kv通道↓ →钙内流↑ b.钙内流↑ → 肺血管重塑：血管平滑肌细胞和成纤维细胞肥大、增 生 → 血管硬化 →持续的肺动脉高压→右心肥大、右心衰

② Decreased myocardial contractility and extensibility a.缺氧 →ATP ↓ b.缺氧 →ATP ↓ →心肌细胞膜和肌浆网钙转运功能障碍 c. 慢性缺氧 → RBC ↑，血粘度↑ d. 严重缺氧→心肌收缩蛋白破坏，心肌挛缩或断裂 ③ Arrhythmia 严重缺氧 → 细胞内外离子分布异常→心动过缓、期前收缩、室颤等

④ decreased venous return a. 严重缺氧→ 呼吸中枢受抑制 →胸廓运动减弱 Hypertension OSAHS b. 严重而持久的缺氧→乳酸、腺苷等扩血管产物积累 Hypertension OSAHS 睡眠呼吸暂停综合征引起的高血压可达 45% ~48% 儿茶酚胺，呼吸暂停，睡眠紊乱 ①血压升高与 打鼾的严重程度和呼吸暂停时间呈正比关系；②血压失去正常的昼夜节律性变化规律，出现夜间血压比白天高，早晨血压比入睡前高，优以舒张压升高为著，脉压差减小，白天活动后改善了缺氧状态，血压反而降低了；③白天伴有嗜睡、头痛头晕、乏力、记忆力减退，夜尿增多等； ④多见于中老年肥胖男性和更年期妇女； ⑤单纯降压药物治疗很难奏效，必须有效治疗 鼾症后血压才可能降低或恢复正常。

(1) Compensatory response （1） Increase of RBC and Hb 3. Hemic system (1) Compensatory response （1） Increase of RBC and Hb 急性缺氧：交感神经兴奋，血液重分布→肝、脾储血释放 慢性缺氧 → 肾脏分泌促红细胞生成素↑ → RBC、 Hb ↑ → 血液的CO2 max和CaO2 ↑ → 组织的供氧量↑ （2）Rightward shift of oxyhemoglobin dissociation curve 缺氧→ 糖无氧酵解 → 2, 3-DPG ↑ → 氧离曲线右移→RBC向组织释放O2的能力↑ →组织的供氧量↑

2,3-DPG↑ 原因(1)—— 2,3-DPG生成↑ 结合 HHb↑ 游离 ↓ 2,3-DPG ↑ 缺氧 糖酵解↑ 糖酵解抑制↓ pH ↑ → ↓ 2,3-DPG磷酸酶→ ↓ 2,3-DPG分解

（2） Injured Manifestations HbO2 HHb 1 1 1 2 2 1 2 2 2,3-DPG不能结合 2,3-DPG结合部位 （2） Injured Manifestations PO2<60mmHg , Hb 与O2结合受阻，S O2 , 失去代偿意义。 RBC过度↑ →血液粘滞度→促发心衰,DIC

4. central nervous system CNS耗氧量大，对缺氧不耐受，尤以灰质更敏感。 缺氧对CNS的作用基本上表现为损伤。 急性：头痛、激动、记忆力下降等； 慢性：疲劳、嗜睡、注意力不集中等； 严重：烦躁、惊厥、昏迷、脑水肿、死亡。 缺氧对CNS的损伤机制较复杂！

a. 缺氧 、酸中毒、→脑血管扩张、脑血管壁通透性↑ →脑充血，脑间质水肿 ，脑细胞水肿→颅内压↑ →头痛、呕吐 b. 缺氧→ATP合成不足→细胞膜钠泵功能障碍，脑细胞内钠水潴留 c. 脑充血和脑水肿→颅内压↑ →压迫脑血管加重脑缺血和脑缺氧。

5. cellular metabolism (1) Compensatory response a. 细胞用氧能力↑: 线粒体数量 ↑、Cyt aa3活性↑ b. 糖酵解↑：ATP↓ → ATP/ADP↓→ 磷酸果糖激酶活性↑ c. 肌红蛋白（Mb） ↑ ： 体内储氧↑

（2） Injured Manifestations 低代谢状态：细胞内酸中毒 → 合成代谢↓、离子泵功能↓ → 耗能↓ 特殊细胞：VSMC，颈动脉体细胞，肾小管间质细胞 （2） Injured Manifestations ① 细胞膜的变化 缺氧→ 细胞膜的通透性↑→离子顺浓度差的跨膜运动： Na+， Ca2+内流； K+外流 a. Na+ 内流↑： 严重缺氧→ Na+ -K＋ATPase ↓ →胞内 Na+ ↑ →细胞水肿 b. K+外流：细胞内缺K+ →合成障碍→酶↓ →进一步影响ATP的生成和Na+ -K＋ATPase 的功能

c. Ca2+内流 ：（ Ca2+外流，肌浆网及线粒体摄Ca2+均为 逆浓度差的耗能过程）耗能↑ 缺氧→ ATP 生成↓ → Ca2+外流和被摄取↓ →胞浆Ca2+↑→ 激活磷脂酶→膜磷脂分解 XD转变为XO→OFR↑ → 细胞损伤 XO XO 次黄嘌呤+O2 黄嘌呤+ O2·- +H2O2 尿酸+ O2·- +H2O2     OH·

② 线粒体的变化 80~90%的胞内氧在线粒体内用于氧化磷酸化生成ATP 轻度缺氧或严重缺氧早期: 线粒体呼吸功能↑ 结构损伤：

③ 溶酶体的变化 缺氧 → 代酸 → 磷脂酶↑ 细胞内[Ca2+] ↑ ↓ 溶酶体膜损伤、蛋白水解酶释放 ↓ 进入血液循环 广泛的细胞损伤 缺氧 → 代酸 → 磷脂酶↑ 细胞内[Ca2+] ↑ ↓ 溶酶体膜损伤、蛋白水解酶释放 ↓ 进入血液循环 广泛的细胞损伤 细胞自溶

Hypoxia Introduction Classification, etiology and pathogenesis Functional and metabolic changes Factors involved in tolerance to hypoxia Oxygen treatment and oxygen toxicity

• Oxygen consumption rate： 发热，甲亢，寒冷，体力活动，情绪激动 • Compensatory ability to hypoxia 疾病，年龄，病程

Hypoxia Introduction Classification, etiology and pathogenesis Functional and metabolic changes Factors involved in tolerance to hypoxia Oxygen treatment and oxygen toxicity

Oxygen treatment 1、去除病因 2、吸氧： PO2↑ 对低张性缺氧最有效：高原性肺水肿，右向左分流 对血液性、循环性缺氧：CO中毒 对组织性缺氧：氧分压梯度

Oxygen intoxication --- PO2> 0.5 atm 1.肺型氧中毒 (puImonary type of oxygen intoxication) 临床表现类似支气管肺炎。正常人吸83、100、200kPaO2分别在6、4、3h就可 出现症状。开始为鼻粘膜充血，有发痒感觉。在2OOkPaO2下5一6h即可出现口干、咽痛、咳嗽、胸骨后不适;7～8h发生频繁咳嗽、吸气时胸骨后灼痛;9～10h吸气时胸骨后剧痛、难以控制的咳嗽，肺活量(VC)已出现有统计学意义的下降;l0h以后两肺可闻及哮鸣音，气体交换障碍，弥散能力下降16%～19%，出现呼吸困难。X线检查肺纹理明显增加，进而可见片状阴影;继之可出现类似大叶性肺炎的严重肺部病变。氧压愈高这些症状体征出现的潜伏期愈短。 2.脑型 (惊厥型)氧中毒 (cerebral or convulsive type of oxygen intoxication) 2~3个大气压，主要表现为间歇性癫痫样大发作。

3.眼型氧中毒 (ophthalmo-retinae type of oxygen intoxication) 长时间吸入70～8OkPaO2可十分缓慢地发病，主要表现为视网膜萎缩。不成熟的组织对高分压氧特别敏感，早产婴儿在恒温箱内吸高分压氧时间过长，视网膜有广泛的血管阻塞、成纤维组织浸润、晶体后纤维增生，可因而致盲。在90～1OOkPaO2，72h可出现视网膜剥离、萎缩，视觉细胞破坏;随时间延长，有害效应可积累。

生理角度看，健康人吸氧是没有必要的。氧不能益智，它仅是营养物质糖氧化代谢的“助燃剂”。强度脑力劳动时，脑耗氧量有所增加，但很有限，通过自主调节增加血液即能满足。对于健康人来说，要想让自己更健康，可以经常性地进行一些有氧运动，比如游泳、跑步等，以加强心肺功能的锻炼，提高自己的肺功能，而不是盲目吸氧。

谢谢