CC BY
391
Хроническая обструктивная болезнь легких_
Дыхательная недостаточность и роль гиперкапнии при обострении хронической обструктивной болезни легких
Аунг Кьяв Со
В обзоре представлена информация о различных патофизиологических изменениях при обострении хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ), которые негативно влияют на вентиляционно-перфузионный баланс легких и способствуют развитию альвеолярной гиповентиляции и дыхательной недостаточности. Снижение силы дыхательных мышц приводит к альвеолярной гиповентиляции и снижению толерантности к нагрузкам, что, в свою очередь, обусловливает ретенцию углекислого газа. Неадекватная кислородотерапия также является одной из основных причин развития гиперкапнической дыхательной недостаточности и тяжелого респираторного ацидоза. Нормализация уровня углекислого газа в крови может сопровождаться целым рядом положительных эффектов, включая увеличение объема форсированного выдоха за 1-ю секунду, улучшение качества жизни и снижение смертности у больных ХОБЛ с гиперкапнией.
Ключевые слова: хроническая обструктивная болезнь легких, обострение, дыхательная недостаточность, гипер-капния.
Введение
Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) отличается высокой распространенностью и является одной из ведущих причин смертности в мире [1]. Кроме того, значимость ХОБЛ среди всех глобальных медико-социальных проблем обусловлена высоким риском серьезных осложнений, которые приводят к инвалидизации, низкому качеству жизни и к смерти, в том числе трудоспособного населения. В структуре всех причин госпитализаций доля обострений ХОБЛ составляет приблизительно 7% [2].
Согласно данным многочисленных исследований, большинство больных ХОБЛ умирают либо при обострениях заболевания (примерно 50-80%), либо в результате опухолей легких (от 8,5 до 27,0%) [3]. Летальность пациентов с острой дыхательной недостаточностью (ДН) на фоне обострения ХОБЛ довольно высокая. По результатам разных работ, внутригоспитальная летальность колеблется от 10 до 29% [4, 5]. Таким образом, ведение больных ХОБЛ с острой ДН остается актуальной проблемой современной медицины.
Аунг Кьяв Со - аспирант кафедры госпитальной терапии педиатрического факультета ФГБОУ ВО "Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова", Москва. Контактная информация: dr.aksoe2010@gmail.com
Благодаря крупным эпидемиологическим исследованиям в настоящее время имеется достаточно данных о так называемых предикторах (индикаторах) неблагоприятного прогноза ХОБЛ. К ним относятся частые обострения ХОБЛ, низкая толерантность к физическим нагрузкам, легочная гиперинфляция, признаки ДН (снижение парциального давления кислорода в артериальной крови (Ра02) и повышение парциального давления углекислого газа в артериальной крови (РаС02)), легочная гипертензия и другие коморбидные состояния [6, 7].
Дыхательная недостаточность и метаболизм углекислого газа
Дыхательная недостаточность определяется как неспособность органов дыхания обеспечить адекватную системную оксигенацию и/или экскрецию углекислого газа (С02). По современной классификации выделяют ДН I типа, или гипо-ксемическую ДН с низким Ра02 и нормальным или низким РаС02 и ДН II типа, или гиперкап-ническую ДН с высоким РаС02 [8].
Углекислый газ является продуктом клеточного метаболизма, который образуется во время цикла Кребса, происходящего в митохондриях клеток. Он поступает в кровоток за счет диффузии и в итоге достигает легочных капилляров (конвекция). Внутри клетки С02 очень быстро
растворяется в воде, образуя угольную кислоту (H2CO3), которая, в свою очередь, быстро диссоциирует на H+ и HCO3 под воздействием карбо-ангидраз:
CO2 + H2O о H2CO3 о H+ + HCO3.
Клеточные ферменты и химические реакции чувствительны к уровню рН, и для поддержания внутриклеточного рН клетки активно транспортируют H+ и HCO3 через клеточную мембрану [9]. В легких CO2 проходит через альвеолярную мембрану в альвеолы, откуда выводится через дыхательные пути.
Связь между повышенным Ра^2 и сниженной альвеолярной вентиляцией вследствие ДН впервые была выявлена во время эпидемии полиомиелита в Копенгагене в 1952 г. Впоследствии для оценки альвеолярной вентиляции было разработано несколько методов определения CO2, таких как анализ газов артериальной крови, капно-графия и чрескожные измерения CO2 [10].
Распространенность ДН при обострении ХОБЛ
В клинических исследованиях, в которые включали больных ХОБЛ умеренной тяжести (объем форсированного выдоха за 1-ю секунду (ОФВ1) 70% от должного), распространенность ДН, оцененная по использованию кислорода, составляла 2-4%; в то же время в исследовании NETT кислород использовался у 80% пациентов с тяжелой степенью тяжести заболевания [11]. Тем не менее существует несколько исследований, где оценивалась сплошная выборка пациентов, которым оказывалась первичная медико-санитарная помощь, и по полученным в них данным, распространенность ДН намного ниже указанной [8]. В ходе аудита пациентов с ХОБЛ в Великобритании ДН или легочное сердце (cor pulmonale) были выявлены только у 5 из 397 пациентов, что соответствует распространенности примерно 1% в общей популяции больных ХОБЛ [12].
У большинства пациентов со стабильным течением ХОБЛ витальные показатели организма находятся в пределах нормы, однако у больных, госпитализированных с обострениями ХОБЛ, часто наблюдается их декомпенсация и ДН. В тщательно изученной испанской когорте из 2487 пациентов, поступивших в отделение неотложной помощи с обострением ХОБЛ, у 50% больных на момент первичного осмотра наблюдалась ги-поксемия (насыщение гемоглобина кислородом <90%) и у 57% больных показатель PaCO2 был 45 мм рт. ст. и выше. В Британском аудите участвовало 9716 пациентов из 232 больниц, из них у
20% больных на момент первичного осмотра наблюдался респираторный ацидоз [8].
Механизмы и патофизиология ДН
Оптимальный вентиляционно-перфузионный баланс легких при газообмене составляет
0,8. Гравитационный градиент ^^ в верхней части легкого выше, чем в нижней части) наблюдается даже у здоровых людей. При ХОБЛ различные патологические процессы оказывают негативное влияние на результаты V/Q.
При обострении ХОБЛ отмечается ухудшение V/Q. Вследствие воздействия триггера обострения (обычно вирусного или бактериального) воспаление дыхательных путей резко усиливается, что приводит к повышенной секреции слизи, отеку слизистой оболочки и бронхоспазму [13]. Это обусловливает значительное ограничение потока выдыхаемого воздуха, которое в сочетании с тахипноэ способствует усилению гиперинфляции и одышке. Легочное сосудистое сопротивление и давление в легочных артериях резко повышаются, и это в сочетании с сердечной дисфункцией снижает приток крови к капиллярной сети альвеол [8]. Однако перфузия в слабовенти-лируемых отделах легких непропорционально увеличивается, и это еще больше усугубляет системную гипоксемию [14].
Дисфункция дыхательных мышц, часто развивающаяся у больных ХОБЛ, способствует развитию гиперкапнической ДН и физических ограничений [15]. У больных наблюдается увеличение различных эластичных, резистивных и пороговых нагрузок, что повышает работу дыхательной системы и вызывает перегрузку дыхательных мышц. Вследствие статической (в период покоя) легочной гиперинфляции, усугубляемой динамической гиперинфляцией, возникают изменения геометрии грудной клетки, сокращается длина диафрагмы [16, 17]. Все вышеуказанные факторы приводят к несоответствию механических потребностей дыхательной системы и функциональной способности дыхательных мышц, диспропорции между потребностями метаболизма и энергоснабжением данного типа мышц [18].
Гиперкапния - одно из важных последствий альвеолярной гиповентиляции при тяжелой ХОБЛ. В то время как у большинства больных ХОБЛ в стабильном состоянии минутная вентиляция может наращиваться для поддержания достаточной альвеолярной вентиляции, при обострениях ХОБЛ эти адаптивные механизмы легко нарушаются. При наличии декомпенсиро-ванной гиперкапнии возникает респираторная ацидемия, нормализация состояния происходит
и к
й
1=1 к
сч
о №
5 10
Время, мин
— V. -РаС02
Рис. 1. Эффект минутной вентиляции при кислородиндуцированной гиперкапнии (адаптировано из [23]).
в течение нескольких часов или дней за счет буферного действия бикарбонатных ионов, генерируемых почками [19]. Выраженность ацидемии влияет на прогноз, и он хуже, если гиперкапния сохраняется после купирования обострения [8].
На газообмен при обострениях ХОБЛ оказывают влияние и другие сопутствующие заболевания. У больных ХОБЛ часто встречается нарушение дыхания во время сна, у многих из них возникает ночная десатурация даже при отсутствии дневной гипоксемии [20]. У больных с сочетанием ХОБЛ и нарушения дыхания во время сна отмечены большая степень десатурации во время сна и более высокая смертность. У таких пациентов обострения ХОБЛ возникают чаще, чем у пациентов без указанных нарушений. Этиология ДН у таких больных, вероятно, носит многофакторный характер. Наблюдается снижение функциональной остаточной емкости легких в положении лежа на спине, что вместе с повышенным сопротивлением дыхательных путей и сниженным тонусом дыхательных мышц приводит к закрытию мелких дыхательных путей, обычно в базальных отделах легких [8].
При обострении ХОБЛ часто возникает сердечная дисфункция, которая может недооцениваться у таких больных. В шотландском исследовании в выборке из 242 пациентов, госпитализированных с ХОБЛ, у 10% имели место показатели, соответствующие диагностическим критериям инфаркта миокарда (повышение уровня сердечных ферментов, боли в грудной клетке или электрокардиографические изменения). Повышение уровня биохимических маркеров (мозгового натрийуретического пептида и тропонина Т) являлось предиктором смертности
после купирования обострения ХОБЛ в стационаре [8, 21].
Гипероксия и гиперкапния, вызванная кислородом
Парциальное давление С02 в крови сохраняется в довольно узком диапазоне нормальных значений благодаря контролю со стороны дыхательного центра. На изменения РаС02 отвечают хе-морецепторы, расположенные в продолговатом мозге и сонных артериях. При обострении ХОБЛ центральные хеморецепторы могут становиться рефрактерными к воздействию гиперкапнии.
В течение нескольких десятилетий в научном сообществе считалась принятой точка зрения, что гипероксемия вызывает гиперкапническую ДН в результате снижения активности дыхательного центра у пациентов с заболеваниями легких, такими как ХОБЛ. Во многих, если не в большинстве учебников по медицине, выпущенных с 1960-х годов до настоящего времени, речь идет о потере активации дыхательного центра в ответ на гипоксию как об основной причине ги-перкапнии и ацидоза, когда пациентам с обострением ХОБЛ назначают кислород в высоких концентрациях.
На самом деле существует по меньшей мере 6 механизмов, ответственных за кислородинду-цированную гиперкапнию. Они ранжируются по мере снижения значимости следующим образом: 1) нарушение V/Q; 2) снижение активности дыхательного центра; 3) эффект Холдейна; 4) абсорбционный ателектаз легких; 5) более высокая плотность кислорода по сравнению с воздухом; 6) возвратное дыхание при низком содержании кислорода во вдыхаемой смеси [22].
Проведено обследование пациентов с тяжелой ХОБЛ и гиперкапнией до и после дыхания 100% кислородом в течение 20 мин. На рис. 1 показано, что неконтролируемое использование кислорода приводит к раннему первоначальному уменьшению минутной вентиляции легких и повышению РаС02 [23]. Но через 15 мин непрерывной кисло-родотерапии минутная вентиляция повышается и лишь незначительно отличается в меньшую сторону от исходного уровня. Однако РаС02, несмотря на восстановление минутной вентиляции легких, еще больше возрастает. Это объясняется усугублением вентиляционно-перфузионного дисбаланса, не совпадающего в разных их частях, и, возможно, увеличением перфузии слабо-вентилируемых участков легких после исчезновения гипоксической вазоконстрикции [23].
Еще один возможный механизм развития кислородиндуцированной гиперкапнии обусловлен изменениями кривой диссоциации
С02-гемоглобина при увеличении Ра02. Связывающая способность оксигенированного гемоглобина с С02 гораздо ниже, чем у дезоксигени-рованного гемоглобина, и по мере увеличения доли оксигенированного гемоглобина происходит последовательное смещение кривой диссоциации С02-гемоглобина вправо. Это явление известно под названием "эффект Холдейна". Обычно эффект Холдейна преодолевается за счет увеличения минутной вентиляции легких, однако у пациентов с ХОБЛ тяжелой степени такая способность часто отсутствует. Этим можно объяснить до 25% случаев общего увеличения РаС02 из-за излишнего введения кислорода пациентам с ХОБЛ [8].
При ретроспективном анализе, проведенном в Великобритании и включавшем данные примерно 1000 пациентов, было обнаружено, что при поступлении в больницу у 20% из них имелся респираторный ацидоз, и это было связано с повышенным риском последующей интубации трахеи [24]. рН обратно коррелировал с Ра02, и более чем у половины пациентов с гипероксе-мией (Ра02 13,3 кПа) наблюдался ацидоз, что свидетельствует об отрицательной роли чрезмерной оксигенации на догоспитальном этапе. Уровень респираторного ацидоза коррелировал со смертностью. Аналогичным образом, еще в одном ретроспективном анализе догоспитальной кислородной терапии, назначенной 211 пациентам с обострением ХОБЛ, было выявлено, что у больных, которых лечили кислородом в концентрации 28% и выше, наблюдался значительно более высокий уровень ацидоза и РаС02, чем у пациентов при контролируемой кислородотера-пии. Гипоксия может быть более опасной, чем гиперкапния, однако необходимо отметить, что гипероксия также несет значительный риск [8].
Рикошетная гипоксия
Феномен рикошетной гипоксии возникает потому, что кислород и С02 смещают друг друга из ограниченного пространства внутри альвеол в соответствии с их относительным парциальным давлением, как описано в уравнении альвеолярного газа. При очень высоком Ра02 (например, при дыхании воздухом с высокой концентрацией дополнительного кислорода) системная оксиге-нация сохраняется даже при повышении РаС02. Так как в теле человека больше С02, чем кислорода, то, если резко убрать дополнительный кислород, может произойти резкое снижение альвеолярного давления кислорода, поскольку оставшийся С02 вытесняет кислород (имеющий теперь еще более низкое давление). В результате происходит резкое снижение Ра02, что может
привести к смерти от острой артериальной ги-поксемии, хотя при этом РаС02 будет находиться на стабильном уровне или нормализуется [25]. По этой причине кислородотерапию следует прекращать постепенно.
Правильным подходом к проведению кисло-родотерапии у больных ХОБЛ с высоким риском гиперкапнического респираторного ацидоза является ее титрование для облегчения гипоксии и избежания гипероксии. До получения результатов анализа газового состава артериальной крови следует титровать дозу кислорода у всех пациентов с обострением ХОБЛ [8].
Клинические эффекты гиперкапнии
Гиперкапния и респираторный ацидоз неразрывно связаны, и их следует рассматривать в комплексе. Если гиперкапния развивается медленно (в течение нескольких дней), у пациента будет наблюдаться почечная компенсация (сохранение бикарбоната), и ацидоз в большинстве подобных случаев не встречается. Острое повышение уровня С02 в крови вызывает респираторный ацидоз и симптомы гиперкапнии. Некоторые последствия повышенного РаС02 возникают в связи с ацидозом. Иногда воздействию повышенного РаС02 на конкретную систему органов противопоставляется эффект ацидоза. Была доказана связь между ненадлежащим уровнем кислорода в крови из-за использования высококонцентрированного кислорода и развитием тяжелого респираторного ацидоза при обострении ХОБЛ с повышенным риском смерти и с необходимостью механической вентиляции [12, 22].
Нервная система
Углекислый газ оказывает воздействие на организм либо непосредственно, либо через развитие ацидоза. При гиперкапнии мозговой кровоток увеличивается (в цифровом выражении повышение РаС02 на 1 мм рт. ст. приведет к возрастанию мозгового кровотока на 6%), и это может влиять на давление цереброспинальной жидкости. Наиболее ранние симптомы накопления С02 проявляются за счет повышения РаС02 в ночное время в виде нарушения структуры сна, приводящего к неспокойному сну, кошмарам, головным болям по утрам, слабости, сонливости в дневные часы. Дилатация сосудов головного мозга может вызывать головную боль. Углекислый газ в высоких концентрациях обладает гипнотическим эффектом, и состояние больного может прогрессировать от сонливости до спутанности сознания и комы. Углекислый газ может вызывать наркоз, когда РаС02 поднимается выше 12-16 кПа (90-120 мм рт. ст.) [22, 26].
Легочная циркуляция
Повышение РаС02 приводит к сужению легочных сосудов, хотя эффект указанного повышения является менее выраженным, чем эффект гипо-ксемии. Считается, что изменение уровня рН - это основной фактор, влияющий на опосредованные С02 изменения в легочной сосудистой сети [27].
Дыхательная система
В доклинических исследованиях на животных моделях было установлено, что защитные эффекты гиперкапнического ацидоза опосредуются через воздействие на иммунную систему. Ключевым моментом является ингибирование ядерного фактора кВ (МЕ-кВ) - основного активатора транскрипции при воспалении, травме и репарации [28]. Таким образом, существуют понятия "пермиссивной" и даже "терапевтической" гиперкапнии, которая предложена для лечения больных с острым повреждением легких или острым респираторным дистресс-синдромом, с использованием более низких дыхательных объемов в режиме искусственной вентиляции легких (рис. 2).
В недавно проведенных исследованиях было отмечено, что С02 может действовать как сигнальная молекула и гиперкапния может нанести вред легким, что, в свою очередь, отразится на статистике выживаемости пациентов. Вызванное гиперкапнией ингибирование МЕ-кВ также позволяет объяснить некоторые нежелательные явления, включая снижение темпа заживления эпителиальных повреждений и уничтожения бактерий в легких [29].
Воздействие гиперкапнии на легкие
Рис. 2. Воздействие гиперкапнии на легкие (адаптировано из [9]).
Гиперкапния может нарушать функцию альвеолярного эпителия в разрешении отека легкого посредством механизма, не зависящего от рН, который включает эндоцитоз Ма+К+-АТФазы плазматической мембраны альвеолярных эпителиальных клеток, что приводит к снижению активности Ма+К+-АТФазы [9]. Также доказано, что гиперкапния вне зависимости от наличия внеклеточного ацидоза через опосредованную ею митохондриальную дисфункцию уменьшает пролиферацию альвеолярных эпителиальных клеток и снижает темпы восстановления альвеолярного эпителия через уменьшение активации ОТ-кВ [30].
Гиперкапния выборочно ингибирует экспрессию интерлейкина-6 и фактора некроза опухоли а - врожденных иммунных эффекторов и, по некоторым сведениям, замедляет фагоцитоз через рН-независимые или рН-зависимые механизмы. Таким образом, гиперкапния может регулировать иммунный ответ, снижая внеклеточный и/или внутриклеточный рН, и, как известно, при ацидозе нарушается работа иммунных клеток, в том числе альвеолярных макрофагов [31].
В нескольких исследованиях было доказано, что гиперкапния является маркером неблагоприятного прогноза у больных ХОБЛ [32]. Известно, что изменения уровня С02 модулируют тонус гладкой мускулатуры дыхательных путей. Кроме того, в последнее время получают всё больше доказательств того, что стратегия механической вентиляции, направленная на снижение РаС02, может иметь благоприятные эффекты, в том числе увеличение ОФВ1, улучшение качества жизни и снижение смертности у пациентов с гиперкап-нией и ХОБЛ [33].
Сердечно-сосудистая система
В целом, как гиперкапния, так и ацидоз оказывают прямое повреждающее действие на кар-диомиоциты и гладкомышечные клетки сосудов. В то же время повышение РаС02 способствует увеличению содержания катехоламинов, которые, наоборот, стимулируют мышечные клетки. Таким образом, влияние С02 на сердечно-сосудистую систему носит непредсказуемый характер. Углекислый газ оказывает системный вазодила-тирующий эффект, и у пациентов с гиперкапни-ей могут наблюдаться расширение периферических вен и скачущий пульс [9].
Так как гипоксемия и гиперкапния тесно ассоциированы с чрезмерными изменениями вегетативного тонуса, внутригрудного давления и сердечной гемодинамики, их наличие приводит к растяжению и ремоделированию предсердий.
р< Е S
о"
Рн
80 70 60 50 40 30 20 10 0
I
70,6 ± 5,3
50,1 ±3,5
ХОБЛ
ХОБЛ + ФП
Рис. 3. Значения PaCO2 у больных ХОБЛ и у пациентов с ХОБЛ и сопутствующей ФП (адаптировано из [34]). * p < 0,05.
Все перечисленные факторы могут вызывать фибрилляцию предсердий (ФП), особенно при имеющемся ацидозе. По данным С. Terzano et al., у 35 из 193 больных наблюдалось сочетание ФП и ХОБЛ [34]. Риск нового эпизода ФП возрастал у пациентов с более низким ОФВ1 и более высоким PaCO2 (рис. 3). Выявлена также прямая корреляционная связь между гиперкапнией и систолическим давлением в легочной артерии, оцененным при помощи трансторакальной эхо-кардиографии [34].
Кроме того, в этом исследовании у больных ХОБЛ была обнаружена взаимосвязь TAPSE (систолическая экскурсия кольца трехстворчатого клапана) с PaO2 и PaCO2 и доказано, что при хронической ДН показатели газового состава крови должны рассматриваться не только для оценки выраженности ДН, но и как негативные прогностические факторы развития правожелу-дочковой недостаточности. Дыхательная недостаточность, по сути, связана с легочной гипер-тензией, а также с анатомией и функционированием правых отделов сердца [34].
Почки и электролиты крови
Почечный кровоток и скорость клубочковой фильтрации резко снижаются при PaCO2 выше 8,7 кПа (65 мм рт. ст.). Тяжелый устойчивый ацидоз, сопровождающийся гиперкапнией, может вызывать гиперкалиемию [35].
Заключение
Хроническая обструктивная болезнь легких занимает 3-е место среди ведущих причин смерти в мире. Тяжелые обострения ХОБЛ оказывают независимое негативное влияние на прогноз развития заболевания. Риск смертности повышается с увеличением частоты серьезных обострений, особенно требующих госпитализации.
При обострении ХОБЛ часто отмечается нарушение газообмена и наблюдается вентиляци-онно-перфузионный дисбаланс. До получения результатов анализа газового состава артериальной крови следует титровать дозу кислорода у всех пациентов с обострением ХОБЛ, так как слишком высокий уровень кислорода в крови при вдыхании кислорода в высокой концентрации способствует развитию тяжелого респираторного ацидоза и при обострении ХОБЛ повышает риск смерти и увеличивает потребность в механической вентиляции легких. Гиперкапния у больных ХОБЛ вызывает целый ряд клинических эффектов, в том числе опосредованное воздействием на NF-kB медленное заживление поврежденного эпителия и снижение темпов уничтожения бактерий, что влияет на выживаемость пациентов. Нормализация содержания CO2 в крови может иметь целый ряд положительных эффектов, включая увеличение ОФВ1, улучшение качества жизни и снижение смертности у пациентов с гиперкапнией при ХОБЛ.
Список литературы
1. Global strategy for the diagnosis, management, and prevention of chronic obstructive pulmonary disease (GOLD 2018). Available from: http://goldcopd.org Accessed 2018 February 21.
2. Angus RM, Murray S, Kay JW, Thomson NC, Patel KR. Management of chronic airflow obstruction: differences in practice between respiratory and general physicians. Thorax 1994 Aug;88:493-7.
3. Solanes Garcia I, Casan Clara P. Causes of death and prediction of mortality in COPD. Archivos de Bronconeumologia 2010 Jul;46(7):343-6.
4. Weiss SM, Hudson LD. Outcome from respiratory failure. Critical Care Clinics 1994 Jan;10(1):197-215.
5. Brochard L, Mancebo J, Wysocki M, Lofaso F, Conti G, Rauss A, Simonneau G, Benito S, Gasparetto A, Lemaire F, Isabey D, Harf A. Noninvasive ventilation for acute exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease. New England Journal of Medicine 1995 Sep;333(13):817-22.
6. Nizet TAC, van den Elshout FJJ, Heijdra YF, van de Ven MJ, Mulder PG, Folgering HT. Survival of chronic hypercapnic COPD patients is predicted by smoking habits, comorbidity, and hypoxemia. Chest 2005 Jun;127(6):1904-10.
7. Ahmadi Z, Bornefalk-Hermansson A, Franklin KA, Mid-gren B, Ekstrom MP. Hypo- and hypercapnia predict mortality in oxygen-dependent chronic obstructive pulmonary disease: a population-based prospective study. Respiratory Research 2014 Mar;15:30.
8. Brill SE, Wedzicha JA. Oxygen therapy in acute exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease. International Journal of Chronic Obstructive Pulmonary Disease 2014 Nov;9:1241-52.
9. Shigemura M, Lecuona E, Sznajder JI. Effects of hypercapnia on the lung. Journal of Physiology 2017 Apr;595(8):2431-7.
10. Huttmann SE, Windisch W, Storre JH. Techniques for the measurement and monitoring of carbon dioxide in the blood. Annals of the American Thoracic Society 2014 May;11(4):645-52.
11. Martinez FJ, Foster G, Curtis JL, Criner G, Weinmann G, Fishman A, DeCamp MM, Benditt J, Sciurba F, Make B, Mohsenifar Z, Diaz P, Hoffman E, Wise R; NETT Research
Group. Predictors of mortality in patients with emphysema and severe airflow obstruction. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine 2006 Jun;173(12):1326-34.
12. Roberts CM, Stone RA, Buckingham RJ, Pursey NA, Lowe D; National Chronic Obstructive Pulmonary Disease Resources and Outcomes Project implementation group. Acidosis, non-invasive ventilation and mortality in hospitalised COPD exacerbations. Thorax 2011 Jan;66(1):43-8.
13. Wedzicha JA, Singh R, Mackay AJ. Acute COPD exacerbations. Clinics in Chest Medicine 2014 Mar;35(1):157-63.
14. Barbera JA, Roca J, Ferrer A, Ferrer A, Félez MA, Díaz O, Roger N, Rodriguez-Roisin R. Mechanisms of worsening gas exchange during acute exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease. European Respiratory Journal 1997 Jun;10(6):1285-91.
15. Gea J, Agustí A, Roca J. Pathophysiology of muscle dysfunction in COPD. Journal of Applied Physiology (1985) 2013 May;114(9):1222-34.
16. Epstein SK. An overview of respiratory muscle function. Clinics in Chest Medicine 1994 Dec;15(4):619-39.
17. Gea J, Casadevall C, Pascual S, Orozco-Levi M, Barreiro E. Respiratory diseases and muscle dysfunction. Expert Review of Respiratory Medicine 2012 Feb;6(1):75-90.
18. Vilaró J, Ramirez-Sarmiento A, Martínez-Llorens JM, Mendoza T, Alvarez M, Sánchez-Cayado N, Vega A, Gimeno E, Coro-nell C, Gea J, Roca J, Orozco-Levi M. Global muscle dysfunction as a risk factor of readmission to hospital due to COPD exacerbations. Respiratory Medicine 2010 Dec;104(12):1896-902.
19. Matkovic Z, Huerta A, Soler N, Domingo R, Gabarras A, Torres A, Miravitlles M. Predictors of adverse outcome in patients hospitalised for exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease. Respiration 2012;84(1):17-26.
20. McSharry DG, Ryan S, Calverley P, Edwards JC, McNicho-las WT. Sleep quality in chronic obstructive pulmonary disease. Respirology 2012 Oct;17(7):1119-24.
21. Chang CL, Robinson SC, Mills GD, Sullivan GD, Karalus NC, McLachlan JD, Hancox RJ. Biochemical markers of cardiac dysfunction predict mortality in acute exacerbations of COPD. Thorax 2011 Sep;66(9):764-8.
22. O'Driscoll BR, Howard LS, Earis J, Mak V; British Thoracic Society Emergency Oxygen Guideline Group; BTS Emergency Oxygen Guideline Development Group. BTS guideline for oxygen use in adults in healthcare and emergency settings. Thorax 2017 Jun;72(Suppl 1):ii1-ii90.
23. Abdo WF, Heunks LM. Oxygen-induced hypercapnia in COPD: myths and facts. Critical Care 2012 Oct;16(5):323.
24. Plant PK, Owen JL, Elliott MW. One year period prevalence study of respiratory acidosis in acute exacerbations of COPD: implications for the provision of non-invasive ventilation and oxygen administration. Thorax 2000 Jul;55(7):550-4.
25. Kane B, Turkington PM, Howard LS, Davison AG, Gibson GJ, O'Driscoll BR. Rebound hypoxaemia after administration of oxygen in an acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease. BMJ 2011 Mar;342:d1557.
26. Refsum HE. Relationship between state of consciousness and arterial hypoxaemia and hypercapnia in patients with pulmonary insufficiency, breathing air. Clinical Science 1963 Dec;25:361-7.
27. Loeppky JA, Scotto P, Riedel CE, Roach RC, Chick TW. Effects of acid-base status on acute hypoxic pulmonary vasoconstriction and gas exchange. Journal of Applied Physiology (1985) 1992 May;72(5):1787-97.
28. Contreras M, Masterson C, Laffey JG. Permissive hypercap-nia: what to remember. Current Opinion in Anesthesiology 2015 Feb;28(1):26-37.
29. Wang N, Gates KL, Trejo H, Favoreto S Jr, Schleimer RP, Sznajder JI, Beitel GJ, Sporn PH. Elevated CO2 selectively inhibits interleukin-6 and tumor necrosis factor expression and decreases phagocytosis in the macrophage. FASEB Journal 2010 Jul;24(7):2178-90.
30. Vohwinkel CU, Lecuona E, Sun H, Sommer N, Vadasz I, Chan-del NS, Sznajder JI. Elevated CO2 levels cause mitochondrial dysfunction and impair cell proliferation. Journal of Biological Chemistry 2011 Oct;286(43):37067-76.
31. Lardner A. The effects of extracellular pH on immune function. Journal of Leukocyte Biology 2001 Apr;69(4):522-30.
32. Köhnlein T, Windisch W, Köhler D, Drabik A, Geiseler J, Hartl S, Karg O, Laier-Groeneveld G, Nava S, Schönhofer B, Schucher B, Wegscheider K, Criée CP, Welte T. Non-invasive positive pressure ventilation for the treatment of severe stable chronic obstructive pulmonary disease: a prospective, multi-centre, randomised, controlled clinical trial. Lancet. Respiratory Medicine 2014 Sep;2(9):698-705.
33. Windisch W. Quality of life in home mechanical ventilation study group. Impact of home mechanical ventilation on health-related quality of life. European Respiratory Journal 2008 Oct;32:1328-36.
34. Terzano C, Romani S, Conti V, Paone G, Oriolo F, Vitarelli A. Atrial fibrillation in the acute, hypercapnic exacerbations of COPD. European Review for Medical and Pharmacological Sciences 2014 Oct;18(19):2908-17.
35. Kilburn KH, Dowell AR. Renal function in respiratory failure. Effects of hypoxia, hyperoxia, and hypercapnia. Archives of Internal Medicine 1971;127(4):754-62.
Respiratory Failure and the Role of Hypercapnia in Acute Exacerbations of Chronic Obstructive Pulmonary Disease
Aung Kyaw Soe
The review presents information on pathophysiological changes during acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease that affect ventilation-perfusion balance and lead to alveolar hypoventilation and respiratory failure. Decrease in respiratory muscle strength also leads to alveolar hypoventilation and exercise limitation that result in CO2 retention. Inappropriate oxygen therapy is one of the leading cause of hypercapnic respiratory failure and severe respiratory acidosis. Reduction of hypercapnia has several positive effects, including increase in forced expiratory volume in the first second, quality of life improvement, and decrease in mortality. Key words: chronic obstructive pulmonary disease, exacerbation, respiratory failure, hypercapnia.
