Диффузия газов через альвеолокапиллярную мембрану

Диффузия газов через альвеолокапиллярную мембрану - это пассивный перенос кислорода и углекислого газа между альвеолярным воздухом и кровью лёгочных капилляров под действием градиента парциального давления. Именно этот этап замыкает внешнее дыхание: вентиляция доставляет воздух в альвеолы, кровоток приносит к ним эритроциты, а собственно обмен молекулами происходит через тончайший аэрогематический барьер толщиной менее микрометра. Понимание того, как устроена альвеолокапиллярная мембрана и какие факторы определяют скорость диффузии газов, лежит в основе диагностики дыхательной недостаточности, интерпретации газов артериальной крови и оценки диффузионной способности лёгких. Разберём строение мембраны, закон Фика, понятие диффузионной способности, различия для $O_2$ и $CO_2$ и причины нарушений газообмена.

Строение альвеолокапиллярной мембраны

Альвеолокапиллярная (аэрогематическая) мембрана - это совокупность слоёв, которые молекула газа должна пересечь на пути из альвеолы в кровь. Несмотря на огромную суммарную площадь - около $70\ \text{м}^2$ у взрослого, - её толщина в самых тонких участках составляет всего $0{,}2\text{–}0{,}5\ \text{мкм}$. Барьер образуют последовательно:

• слой сурфактанта и тонкая плёнка жидкости, выстилающая альвеолу;
• альвеолярный эпителий (преимущественно плоские пневмоциты I типа);
• общая базальная мембрана эпителия и эндотелия (местами слитая);
• эндотелий лёгочного капилляра;
• слой плазмы и мембрана эритроцита.

Малая толщина и большая площадь - два ключевых параметра, благодаря которым диффузия газов через альвеолокапиллярную мембрану происходит чрезвычайно эффективно. Чтобы оценить, как изменится поток газа при изменении толщины барьера, площади или градиента давления, удобно сразу подставить значения в расчёт ниже.

Закон Фика для диффузии газов

Скорость диффузии газа через мембрану описывается законом Фика. В физиологической форме объёмный поток газа $\dot{V}_{gas}$ прямо пропорционален площади мембраны $A$, градиенту парциальных давлений $(P_1 - P_2)$ и коэффициенту диффузии $D$ и обратно пропорционален толщине барьера $T$:

$\dot{V}_{gas} = \frac{A \cdot D \cdot (P_1 - P_2)}{T}$

Коэффициент диффузии $D$, в свою очередь, зависит от свойств самого газа: он прямо пропорционален растворимости газа в тканях $s$ и обратно пропорционален квадратному корню из его молекулярной массы $M$:

$D \propto \frac{s}{\sqrt{M}}$

Отсюда вытекает важный физиологический вывод. Несмотря на то что молекула $CO_2$ тяжелее $O_2$, её растворимость в тканях примерно в 24 раза выше, поэтому суммарно углекислый газ диффундирует через альвеолокапиллярную мембрану примерно в 20 раз быстрее кислорода. Это объясняет, почему при нарушениях диффузии первым страдает именно перенос $O_2$, а гиперкапния развивается позже. Зависимость диффузии от растворимости и парциального давления тесно связана с законом Генри, описывающим растворимость газа в жидкости.

Градиент парциального давления как движущая сила

Движущей силой диффузии служит не общее давление, а разность парциальных давлений газа по обе стороны мембраны. Для кислорода парциальное давление в альвеолярном воздухе составляет около $100\ \text{мм рт. ст.}$, а в венозной крови, притекающей к капилляру, - около $40\ \text{мм рт. ст.}$, что даёт движущий градиент примерно $60\ \text{мм рт. ст.}$ Для углекислого газа градиент противоположен по направлению и невелик: венозная кровь несёт $\approx 46\ \text{мм рт. ст.}$, альвеолярный воздух - $\approx 40\ \text{мм рт. ст.}$, то есть всего около $6\ \text{мм рт. ст.}$

Несмотря на десятикратно меньший градиент, $CO_2$ успевает полностью уравновеситься благодаря своей высокой растворимости. Парциальное давление каждого газа в альвеолах подчиняется закону парциальных давлений Дальтона: сумма парциальных давлений всех газов равна общему атмосферному давлению. С высотой над уровнем моря падает атмосферное давление, а значит и альвеолярное $P_{O_2}$ - это уменьшает градиент и объясняет горную гипоксию.

Диффузионная способность лёгких

Диффузионную способность лёгких ($D_L$) определяют как объём газа, переходящего через мембрану в единицу времени на единицу градиента парциального давления:

$D_L = \frac{\dot{V}_{gas}}{P_1 - P_2}$

Клинически её измеряют по угарному газу - показатель $DLCO$ (diffusing capacity for carbon monoxide). Угарный газ выбран потому, что он жадно связывается с гемоглобином, и его поглощение почти целиком лимитируется именно диффузией, а не кровотоком. Общее сопротивление переносу складывается из мембранного компонента и компонента, связанного со скоростью реакции газа с гемоглобином:

$\frac{1}{D_L} = \frac{1}{D_M} + \frac{1}{\theta \cdot V_c}$

где $D_M$ - мембранная диффузионная способность, $\theta$ - скорость связывания газа с кровью, а $V_c$ - объём крови в лёгочных капиллярах. Снижение $DLCO$ - чувствительный маркер интерстициальных заболеваний лёгких, эмфиземы и лёгочной сосудистой патологии.

Перфузионно- и диффузионно-лимитированный перенос

Перенос газа может ограничиваться либо диффузией через мембрану, либо перфузией (кровотоком). В норме кислород является перфузионно-лимитированным: его парциальное давление в крови успевает сравняться с альвеолярным уже за первую треть времени контакта эритроцита с капилляром (около $0{,}25\ \text{с}$ из $0{,}75\ \text{с}$). Это создаёт большой функциональный резерв: при физической нагрузке, когда время контакта сокращается, газообмен всё равно успевает завершиться.

Угарный газ и кислород при патологии становятся диффузионно-лимитированными - равновесие не достигается за время прохождения эритроцита, и поток ограничен именно свойствами мембраны. Утолщение барьера (фиброз, отёк) или сокращение времени контакта при тяжёлой нагрузке смещают $O_2$ в сторону диффузионного ограничения, что проявляется десатурацией при нагрузке у пациентов с лёгочной патологией.

Нарушения диффузии и гипоксемия

Нарушение диффузии газов через альвеолокапиллярную мембрану - одна из четырёх классических причин гипоксемии (наряду с гиповентиляцией, шунтом и нарушением вентиляционно-перфузионных отношений). По закону Фика поток газа падает при любом из изменений:

• Утолщение мембраны (увеличение $T$): интерстициальный фиброз, отёк лёгких, пневмония.
• Уменьшение площади (снижение $A$): эмфизема, резекция лёгкого, обширный ателектаз.
• Снижение градиента $(P_1 - P_2)$: подъём на высоту, дыхание гипоксической смесью.

Характерный признак изолированного диффузионного блока - гипоксемия, усиливающаяся при нагрузке и хорошо корригируемая ингаляцией кислорода (повышение альвеолярного $P_{O_2}$ восстанавливает градиент). Поскольку $CO_2$ диффундирует многократно быстрее, гиперкапния при чистом нарушении диффузии нехарактерна - она указывает скорее на гиповентиляцию.

На практике изолированное нарушение диффузии встречается редко: чаще оно сочетается с расстройством вентиляционно-перфузионных отношений, поэтому при интерпретации газов крови оценивают всю картину сразу. Полезный расчётный ориентир - альвеолярно-артериальный градиент по кислороду $P_{(A-a)O_2}$: при чистой гиповентиляции он остаётся нормальным, а при диффузионном блоке, шунте и V/Q-нарушении возрастает. Это позволяет отделить нарушение собственно газообмена от недостаточной вентиляции. Восстановление нормальной диффузии возможно при устранении причины - например, при разрешении отёка лёгких толщина барьера уменьшается, поток кислорода по закону Фика растёт, и гипоксемия регрессирует.

Частые ошибки

• Считают движущей силой диффузии общее давление газовой смеси, а не разность парциальных давлений конкретного газа.
• Путают коэффициент диффузии: думают, что более лёгкий газ всегда диффундирует быстрее, забывая решающий вклад растворимости - поэтому $CO_2$ обгоняет $O_2$.
• Считают, что при нарушении диффузии в первую очередь задерживается $CO_2$; на деле первым страдает перенос $O_2$.
• Смешивают перфузионное и диффузионное ограничение: в норме $O_2$ лимитирован перфузией, а не мембраной.
• Не учитывают, что снижение $DLCO$ отражает не только толщину мембраны, но и объём капиллярной крови и связывание с гемоглобином.

FAQ

Почему углекислый газ диффундирует быстрее кислорода, хотя его молекула тяжелее? Коэффициент диффузии пропорционален растворимости газа и обратно пропорционален корню из молекулярной массы. Растворимость $CO_2$ примерно в 24 раза выше, и этот фактор многократно перевешивает разницу масс - итоговая скорость диффузии $CO_2$ выше примерно в 20 раз.

Что показывает диффузионная способность лёгких $DLCO$? Это объём угарного газа, переходящего через мембрану за единицу времени на единицу градиента давления. Снижение $DLCO$ - ранний маркер интерстициальных болезней лёгких, эмфиземы и сосудистой патологии лёгких, отражающий и толщину барьера, и объём капиллярной крови.

Чем диффузионное ограничение отличается от перфузионного? При перфузионном ограничении парциальные давления успевают сравняться за время контакта, и поток лимитирован кровотоком (так в норме переносится $O_2$). При диффузионном ограничении равновесие не достигается, и поток определяется свойствами мембраны (утолщение барьера, тяжёлая нагрузка).

Коротко

Диффузия газов через альвеолокапиллярную мембрану - пассивный перенос $O_2$ и $CO_2$ по градиенту парциального давления через тонкий ($0{,}2\text{–}0{,}5\ \text{мкм}$) барьер площадью около $70\ \text{м}^2$. Скорость описывает закон Фика: поток растёт с площадью и градиентом давления и падает с толщиной мембраны, а коэффициент диффузии зависит от растворимости и массы газа. Поэтому $CO_2$ диффундирует примерно в 20 раз быстрее $O_2$, и при нарушениях диффузии первым страдает именно кислород, давая гипоксемию с усилением при нагрузке. Диффузионную способность лёгких оценивают по $DLCO$, а её снижение служит чувствительным маркером лёгочной патологии.