呼吸不全 - 原因と病態

換気不全および実質性呼吸不全の原因とメカニズム

呼吸不全は、呼吸器系の機能的構成要素（肺実質、胸壁、肺循環、肺胞毛細血管膜の状態、神経性および体液性呼吸調節）のいずれかが破綻した場合に発生します。血液中のガス組成における特定の変化の程度に応じて、呼吸不全は主に換気性（高炭酸ガス性）と実質性（低酸素性）の2つの形態に分けられ、いずれも急性または慢性の可能性があります。

換気（高炭酸ガス性）呼吸不全

換気性（高炭酸ガス血症性）呼吸不全は、主に肺胞換気量（肺胞低換気）および分時呼吸量（MRV）の全体的な減少、体内の二酸化炭素除去量の減少、それに伴う高炭酸ガス血症（PaCO2> 50 mm Hg）の発症、そして低酸素血症を特徴とします。

換気性呼吸不全の原因と発症メカニズムは、体内の二酸化炭素排出プロセスの阻害と密接に関係しています。ご存知のとおり、肺におけるガス交換プロセスは以下によって決定されます。

• 肺胞換気レベル;
• _{O 2}および CO ₂に対する肺胞毛細血管膜の拡散能力。
• 灌流の大きさ;
• 換気と灌流の比率（換気灌流比）。

機能的な観点から見ると、肺のすべての気道は伝導路とガス交換（または拡散）域に分けられます。吸入時に伝導路領域（気管、気管支、細気管支、終末細気管支）では、空気の漸進的な移動と、新鮮な大気中の空気と次の吸入前に生理的死腔にあったガスとの機械的混合（対流）が起こります。そのため、この領域は対流域とも呼ばれています。対流域における酸素の濃縮の程度と二酸化炭素濃度の低下は、とりわけ肺換気の強さと分時呼吸量（MVR）の値によって決まることは明らかです。

気道のより小さな世代（第1世代から第16世代）に近づくにつれて、気流の前進速度が徐々に低下し、対流域の境界で完全に停止するという特徴があります。これは、後続の気管支の各世代の総断面積が急激に増加し、それに伴い小気管支と細気管支の総抵抗が著しく増加するためです。

呼吸細気管支、肺胞通路、肺胞嚢、肺胞を含む気道のその後の世代（17番目から23番目）は、ガス交換（拡散）領域に属し、肺胞毛細血管膜を介したガスの拡散が起こります。拡散領域では、呼吸運動中および咳嗽中の「マクロ的な」昼間の青いガスは全く存在しません（V.Yu. Shanin）。ここでのガス交換は、酸素と二酸化炭素の拡散という分子プロセスによってのみ行われます。この場合、対流領域から拡散領域全体を通って肺胞と毛細血管に至るCO2の分子移動速度、および肺胞から対流領域へのCO2の分子移動速度は、主に3つの要因によって決定されます。

• 対流領域と拡散領域の境界におけるガスの部分圧の勾配。
• 周囲温度;
• 特定のガスの拡散係数。

肺換気レベルと MOD は、拡散ゾーンにおける CO2 および O2 分子の直接的な移動プロセスにはほとんど影響を及ぼさないことに注意することが重要です。

二酸化炭素の拡散係数は酸素の約20倍であることが知られています。これは、拡散層が二酸化炭素にとって大きな障害とならず、その交換は対流層の状態、すなわち呼吸運動の強度とMOD値によってほぼ完全に決定されることを意味します。換気量と分時呼吸量が全体的に減少すると、対流層からの二酸化炭素の「洗い流し」が停止し、その分圧が上昇します。その結果、対流層と拡散層の境界_における二酸化炭素の圧力勾配が減少し、毛細血管床から肺胞への拡散強度が急激に低下し、高炭酸ガス血症が発生します。

その他の臨床状況（例えば、実質性呼吸不全）では、疾患の進行段階の特定の段階で、損傷のない肺胞に顕著な代償性過換気が生じると、対流域からの二酸化炭素の「洗い流し」速度が著しく増加し、対流域と拡散域の境界_における二酸化炭素圧勾配の上昇と、体内からの二酸化炭素排出量の増加につながります。その結果、低炭酸ガス血症が発生します。

二酸化炭素とは異なり、肺における酸素交換と動脈血中の二酸化炭素分圧（PaO ₂）は、主に拡散層の機能、特に酸素の拡散係数_と毛細血管血流（灌流）の状態に依存しますが、換気レベルと対流層の状態はこれらの指標にわずかな影響しか与えません。したがって、分時呼吸量（分時換気量）の全体的な減少を背景に換気性呼吸不全が発症すると、まず高炭酸ガス血症が発生し、その後（通常は呼吸不全の発症後期に）、低酸素血症が発生します。

したがって、換気性（高炭酸ガス血症性）呼吸不全は、「呼吸ポンプ」の機能不全を示しています。これは、以下の原因によって引き起こされる可能性があります。

1. 呼吸の中枢調節障害：
   • 脳幹部分および呼吸中枢領域を侵す脳浮腫。
   • 脳卒中;
   • 外傷性脳損傷;
   • 神経感染症;
   • 呼吸中枢への毒性作用;
   • 例えば重度の心不全における脳の低酸素症など
   • 呼吸中枢を抑制する薬物（麻薬性鎮痛剤、鎮静剤、バルビツール酸塩など）の過剰摂取。
2. 胸部の呼吸運動を司る器官の損傷、すなわちいわゆる「胸のふいご」（末梢神経系、呼吸筋、胸部）の機能障害：
   • 胸郭変形（脊柱後弯症、側弯症、脊柱後弯症など）
   • 肋骨および脊椎の骨折;
   • 開胸術;
   • 末梢神経の機能障害（主に横隔膜神経 - ギランバレー症候群、ポリオなど）
   • 神経筋伝達障害（筋無力症）
   • 長期間にわたる激しい咳、気道閉塞、閉塞性呼吸障害、長期間にわたる機械的人工呼吸器の使用などを背景とした呼吸筋の疲労または萎縮。
   • 横隔膜の効率の低下（例えば、横隔膜が平らになったとき）。
3. MVの減少を伴う拘束性呼吸障害：
   • 顕著な気胸;
   • 大量の胸水;
   • 間質性肺疾患;
   • 肺炎全体および肺炎小計など

したがって、換気性呼吸不全のほとんどの原因は、肺外呼吸器系およびその調節（中枢神経系、胸郭、呼吸筋）の障害に関連しています。換気性呼吸不全の「肺」メカニズムの中で、拘束性呼吸不全が最も重要であり、これは吸入時に肺、胸郭、または胸膜が伸展する能力の低下によって引き起こされます。拘束性呼吸不全は、多くの呼吸器系の急性および慢性疾患で発症します。この点において、換気性呼吸不全の枠組みの中で、特別な拘束性呼吸不全が区別され、多くの場合、以下の原因によって引き起こされます。

• 肺の可動域を制限する胸膜疾患（滲出性胸膜炎、水胸、気胸、線維胸など）
• 機能する肺実質の容積の減少（無気肺、肺炎、肺切除など）
• 炎症性または血行動態的に条件付けられた肺組織の浸潤により、肺実質の「硬直性」が増加する（肺炎、左室心不全における間質性肺水腫または肺胞性肺水腫など）。
• 様々な病因による肺硬化症など

高炭酸ガス血症および換気性呼吸不全は、肺胞換気量および分時呼吸量の全体的な減少を伴うあらゆる病理学的プロセスによって引き起こされる可能性があることも考慮する必要があります。このような状況は、例えば、気道の重度の閉塞（気管支喘息、慢性閉塞性気管支炎、肺気腫、気管の膜様部のジスキネジアなど）、機能する肺胞の容積の大幅な減少（無気肺、間質性肺疾患など）、または呼吸筋の著しい疲労および萎縮によって発生する可能性があります。ただし、これらすべての場合において、他の病態生理学的メカニズム（ガス拡散、換気と灌流の関係、肺の毛細血管血流の障害など）が呼吸不全の発症に関与しています。これらの場合、原則として、混合性換気不全および実質性呼吸不全の形成について言及しています。

また、急性換気性呼吸不全では、PaCO2の上昇は通常、血液pHの低下と呼吸性アシドーシスの発症を伴うことも付け加えておくべきである。これは、ご存知の通りpH値を決定づけるHCO3/H2CO3比の低下によって引き起こされる。換気型慢性呼吸不全では、血清中の炭酸塩濃度の代償的上昇により、このような顕著なpH低下は起こらない。

1. 換気性（高炭酸ガス性）呼吸不全は次のような特徴があります。

1. 全肺胞低換気および1分時呼吸量の減少、
2. 高炭酸ガス血症、
3. 低酸素血症（呼吸不全の後期）
4. 代償性または非代償性呼吸性アシドーシスの兆候。

2. 換気型（高炭酸ガス血症型）呼吸不全の主な発症メカニズム：

1. 呼吸の中枢調節の障害;
2. 胸部の呼吸運動を司る器官（末梢神経、呼吸筋、胸壁）の損傷
3. MOD の減少を伴う顕著な拘束性障害。

実質性呼吸不全

実質性（低酸素性）の呼吸不全は、肺における血液の酸素化プロセスの重大な中断を特徴とし、動脈血中の PaO2 の顕著な減少（低酸素血症）につながります。

実質性呼吸不全における低酸素血症発症の主なメカニズム：

1. 換気灌流関係の違反（//0）により、右心房と左心房の間で血液が「シャント」（肺胞シャント）されるか、肺胞の死腔が増加する。
2. 肺胞毛細血管膜の全機能表面積の減少;
3. ガス拡散の違反。

換気-灌流関係の違反

多くの呼吸器疾患における低酸素性呼吸不全は、換気血流比の破綻によって引き起こされる場合が最も多く、通常、換気血流比は0.8～1.0です。この関係の破綻には2つの種類があり、いずれも呼吸不全の発症につながる可能性があります。

肺胞の局所的低換気。この実質性呼吸不全の亜型では、換気が不十分な、あるいは換気されていない肺胞に十分な血流が流れ続けることで低酸素血症が発生します。この状態では換気灌流比（V/Q <0.8）が低下し、肺のこれらの領域で十分に酸素化されていない静脈血が左心房および体循環へ排出されます（静脈シャント）。これにより動脈血_{中の酸素分圧が低下し、低酸素血症となります。}

血流が保たれている部位で換気が行われない場合、V/Q比はゼロに近づきます。このような場合、右心房から左心房への肺胞シャントが形成され、酸素化されていない静脈血が左心房と大動脈に「送り込まれ」、動脈血_中のPaO2が低下します。閉塞性肺疾患、肺炎、肺水腫、その他肺胞換気の不均一な（局所的な）低下と静脈シャントの形成を伴う疾患では、このメカニズムによって低酸素血症が発生します。この場合、換気性呼吸不全とは異なり、全分時換気量は長期間低下せず、肺の過換気傾向さえ見られます。

実質性呼吸不全の初期段階では、高炭酸ガス血症は発症しないことを強調しておくべきである。これは、損傷のない肺胞の著しい過換気と体内_{からの強力な二酸化炭素排出により、局所的な二酸化炭素交換の乱れが完全に補われるためである。}さらに、損傷のない肺胞の著しい過換気により低炭酸ガス血症が起こり、それ自体が呼吸器疾患を悪化させる。

これは主に、低炭酸ガス血症が低酸素への身体の適応を低下させるという事実によるものです。ご存知のように、血中PaCO2が低下すると、ヘモグロビン解離曲線が左に移動し、ヘモグロビンの酸素親和性が高まり、末梢組織_における酸素の放出が減少することが知られています。したがって、実質性呼吸不全の初期段階で発生する低炭酸ガス血症は、末梢臓器および組織における酸素欠乏をさらに悪化させます。

さらに、PaCO2 が減少すると、頸動脈洞と延髄の受容体からの求心性インパルス_が減少し、呼吸中枢の活動が低下します。

最後に、低炭酸症により血液中の重炭酸塩と二酸化炭素の比率が変化し、HCO3/H2CO3 と pH が上昇し、呼吸性アルカローシス（血管がけいれんし、重要な臓器への血液供給が悪化する）が発生します。

実質性呼吸不全の進行後期には、血液の酸素化が損なわれるだけでなく、肺の換気も損なわれ（例えば、呼吸筋の疲労や炎症性浮腫による肺の硬直の増加により）、高炭酸ガス血症が発生し、実質性呼吸不全と換気性呼吸不全の兆候が組み合わさった混合型呼吸不全の形成を反映していることも付け加えておく必要があります。

肺胞の局所的（不均一な）低換気を伴う肺疾患では、実質性呼吸不全および換気・灌流比の重大な低下が最も多くみられます。このような疾患は数多く存在します。

• 慢性閉塞性肺疾患（慢性閉塞性気管支炎、細気管支炎、気管支喘息、嚢胞性線維症など）
• 中心性肺がん;
• 肺炎;
• 肺結核など

上記のすべての疾患では、程度の差はあれ、気管支粘膜の不均一な炎症浸潤と重度の浮腫（気管支炎、細気管支炎）、気管支内の粘性分泌物（痰）の増加（気管支炎、細気管支炎、気管支拡張症、肺炎など）、小気管支の平滑筋のけいれん（気管支喘息）、小気管支の早期呼気閉鎖（虚脱）（肺気腫の患者で最も顕著）、腫瘍、異物などによる気管支の変形や圧迫によって引き起こされる気道閉塞が存在します。したがって、ほとんどの場合、実質性呼吸不全の枠組み内で考えられる、大気道および/または小気道を通る空気の通過障害によって引き起こされる特殊な（閉塞性）タイプの呼吸不全を区別することをお勧めします。同時に、気道が重度に閉塞すると、多くの場合、肺換気とMVが著しく低下し、換気不全（より正確には混合性呼吸不全）が発生します。

肺胞死腔の増加。換気と灌流の関係における変化の別の変種は、肺血流の局所的な障害、例えば肺動脈枝の血栓症や塞栓症に関連しています。この場合、肺胞の正常な換気が維持されているにもかかわらず、肺組織の限られた領域への灌流が急激に減少する（V / Q> 1.0）か、完全に消失します。機能的死腔の急激な増加の影響が発生し、その容積が十分に大きい場合は低酸素血症が発生します。この場合、正常に灌流されている肺胞から吐き出される空気中のCO2濃度の代償的な増加が起こり、通常、非灌流肺胞における二酸化炭素交換の障害は完全に平準化されます。言い換えれば、このタイプの実質性呼吸不全は、動脈血_{中のCO2分圧の上昇も伴いません。}

肺胞死腔および V/Q 値の増加のメカニズムによる実質性呼吸不全は、以下の疾患で最も頻繁に発生します。

1. 肺動脈枝の血栓塞栓症。
2. 成人呼吸窮迫症候群。

肺胞毛細血管膜の機能表面の減少

肺気腫、間質性肺線維症、圧迫性無気肺などの疾患では、肺胞毛細血管膜の機能面積の減少により、血液の酸素化が低下することがあります。これらの症例では、他の実質性呼吸不全と同様に、血液ガス組成の変化は主に動脈血低酸素血症として現れます。疾患の後期には、例えば呼吸筋の疲労や萎縮に伴い、高炭酸ガス血症が発生することがあります。

ガス拡散障害

酸素の拡散係数は比較的低く、間質組織の炎症性または血行動態性浮腫、および肺胞内面と毛細血管間の距離の拡大を伴う多くの肺疾患（肺炎、間質性肺疾患、肺硬化症、左室心不全における血行動態性肺水腫など）では、酸素の拡散が阻害されます。ほとんどの場合、肺における血液の酸素化障害は、呼吸不全の他の病態生理学的メカニズム（例えば、換気・灌流関係の低下）によって引き起こされ、O2拡散速度の低下は_これを悪化させるだけです。

CO2の拡散速度はO2の20倍_{であるため、}肺胞毛細血管膜を介した二酸化炭素の移動が阻害されるのは、膜が著しく肥厚している場合、または肺組織に広範囲にわたる損傷がある場合に限られます。したがって、ほとんどの場合、肺の拡散能力の低下は低酸素血症を悪化させるだけです。

• 実質性（低酸素性）呼吸不全は、ほとんどの場合、次のような特徴があります。
  • 全体的な換気量の低下を伴わない、局所的な肺胞低換気の不均一性、
  • 重度の低酸素血症、
  • 呼吸不全の発症の初期段階 - 低炭酸ガス血症および呼吸性アルカローシスを伴う、損傷のない肺胞の過換気、
  • 呼吸不全の進行の後期には、換気障害が加わり、高炭酸ガス血症および呼吸性または代謝性アシドーシス（混合性呼吸不全の段階）を伴います。
• 実質性（低酸素性）呼吸不全の主な発症メカニズム：
  • 閉塞性呼吸不全における換気・灌流関係の破綻または肺毛細血管床の損傷、
  • 肺胞毛細血管膜の全機能表面の減少、
  • ガス拡散の違反。

呼吸不全の2つの形態（換気性呼吸不全と実質性呼吸不全）を区別することは、実用上非常に重要です。換気性呼吸不全の治療では、呼吸補助が最も効果的であり、減少した分時呼吸量を回復させることができます。一方、実質性呼吸不全では、換気・灌流関係の破綻（例えば、血液の静脈シャントの形成）によって低酸素血症が引き起こされるため、高濃度（高酸素濃度）の酸素吸入療法も効果がありません。人工換気による人工呼吸器の使用などによる分時呼吸量の人工的な増加も、ほとんど効果がありません。実質性呼吸不全の安定した改善は、換気・灌流関係を適切に是正し、この形態の呼吸不全の他の発症メカニズムを排除することによってのみ達成できます。

閉塞性呼吸不全および拘束性呼吸不全の臨床的および機器による検証も、呼吸不全の患者を管理するための最適な戦術を選択できるため、実用上重要です。

臨床現場では、呼吸不全の混合型によく遭遇します。これは、血液酸素化障害（低酸素血症）と肺胞低換気（高炭酸ガス血症および低酸素血症）の両方を伴います。例えば、重症肺炎では、換気・灌流関係が破綻し、肺胞シャントが形成されるため、PaO2が低下し、低酸素血症が発生します。肺組織への広範な炎症性浸潤は、しばしば肺硬直の著しい増加を伴い、その結果、肺胞換気と二酸化炭素の「ウォッシュアウト」速度が低下し、高炭酸ガス血症が発生します。

呼吸筋の重度の疲労と胸膜痛の出現時の呼吸運動量の制限によっても、進行性の換気障害と高炭酸ガス血症の発症が促進されます。

一方、換気性呼吸不全および高炭酸ガス血症を伴う一部の閉塞性疾患では、遅かれ早かれ気管支開存障害が発現し、換気灌流比が低下し、低酸素血症を伴う呼吸不全の実質成分が加わります。しかし、いずれの場合でも、呼吸不全の主なメカニズムを評価することが重要です。

酸塩基平衡の異常

様々な形態の呼吸不全は酸塩基平衡異常を伴うことがありますが、これは急性呼吸不全の患者に特に顕著で、慢性呼吸不全を長期間患った後に発症した患者も含まれます。このような症例では、代償不全性の呼吸性アシドーシス、代謝性アシドーシス、または呼吸性アルカローシスが最も多く発生し、呼吸不全を著しく悪化させ、重篤な合併症の発症に寄与します。

酸塩基バランスを維持するメカニズム

^{酸塩基平衡とは、体内環境における水素イオン（H +}）と水酸化イオン（OH ^- ）の濃度比です。溶液の酸性反応またはアルカリ性反応は、溶液中の水素イオン含有量に依存します。この含有量の指標となるのがpH値です。pH値は、H ⁺イオンのモル濃度の負の対数です。

PH = - [H ⁺ ].

例えば、pH = 7.4（環境が中性の場合）では、H ⁺イオン濃度、すなわち[H ^{+ ]は10-7.4} mmol/lになります。生物学的環境の酸性度が上昇するとpHは低下し、酸性度が低下するとpHは上昇します。

PH値は、血液中の最も「固定された」パラメータの一つです。通常、その変動は極めて小さく、7.35から7.45の範囲です。正常値からpH値がわずかに低下（アシドーシス）または上昇（アルカローシス）するだけでも、酸化還元反応、酵素活性、細胞膜透過性に大きな変化が生じ、生体の生命活動に危険な結果をもたらすその他の障害を引き起こします。

水素イオンの濃度は、ほぼ完全に重炭酸イオンと二酸化炭素の比率によって決まります。

HCO3 ^- / H ₂ CO ₃

血液中のこれらの物質の含有量は、二酸化炭素（CO2 _）が組織から肺へ移動するプロセスと密接に関係しています。物理的に溶解したCO2は_{組織から赤血球へと拡散し、そこで炭酸脱水酵素の作用を受けて分子（CO2）}は水和されて炭酸H2CO3を形成します_。炭酸H2CO3は直ちに解離して重炭酸水素（HCO3-）イオン^（ H ⁺）を形成します。

CO ₂ + H ₂ O ↔ H ₂ CO ₃ ↔ NCO ^3- + H ⁺

^{赤血球に蓄積したHCO 3-}イオンの一部は、濃度勾配に従って血漿中に入ります。この場合、HCO ^{3-イオンと引き換えに塩素（Cl-}）が赤血球内に侵入し、電荷の平衡分布が乱されます。

二酸化炭素の解離によって生成されたH ⁺イオンは、ミオグロビン分子に結合します。最終的に、一部のCO2はヘモグロビンのタンパク質成分のアミノ基に直接結合し、カルバミン酸残基（NHCOOH）を形成します。こうして、組織から流出する血液中では、CO2の27%は赤血球内で重炭酸塩（HCO3-）として運ばれ_、¹¹ %はヘモグロビンとカルバミン化合物（カルボヘモグロビン）_を形成し、約12%は溶解した状態、または解離していない炭酸（H2CO3）の形で_{残り、残りのCO2（}約50%）は血漿^中にHCO3-として溶解します。

^{通常、血漿中の重炭酸イオン（HCO 3-} ）の濃度は二酸化炭素（H2CO3）の20倍です。このHCO ^3-とH2CO3の比率で、正常なpH7.4が維持されています。重炭酸イオンまたは二酸化炭素の濃度が変化すると、それらの比率も変化し、pHは酸性（アシドーシス）またはアルカリ性（アルカローシス）側に移行します。このような状況下では、pHを正常化するために、血漿だけでなく様々な臓器や組織における酸と塩基の比率を以前の状態に戻すための、いくつかの代償的調節機構が活性化されます。これらの調節機構の中で最も重要なものは以下のとおりです。

1. 血液と組織の緩衝システム。
2. 肺換気の変化。
3. 腎臓による酸塩基バランスの調節のメカニズム。

血液と組織の緩衝システムは、酸と共役塩基で構成されています。

酸と相互作用する場合、酸は緩衝液のアルカリ成分によって中和されます。塩基と接触する場合、その過剰分は酸性成分と結合します。

重炭酸緩衝液はアルカリ性で、弱炭酸（H2CO3）とそのナトリウム塩である共役塩基である重炭酸ナトリウム（NaHCO3）から構成されています。重炭酸緩衝液は酸と反応すると、アルカリ性成分（TaHCO3）によって中和され、H2CO3が形成されます。H2CO3はCO2とH2Oに解離します_。過剰分は呼気とともに排出されます。重炭酸緩衝液は塩基と反応すると、酸性成分（H2CO3）が過剰分の塩基と結合して重炭酸塩（HCO3- ^）を形成し、腎臓から排泄されます。

リン酸緩衝液は、酸として作用するリン酸二水素ナトリウム（NaH2PO4）と、共役塩基として作用する亜リン酸二水素ナトリウム（NaH2PO4）から構成されています。この緩衝液の作用原理は重炭酸緩衝液と同じですが、血中のリン酸含有量が低いため、緩衝能は小さくなります。

タンパク質緩衝剤。血漿タンパク質（アルブミンなど）と赤血球ヘモグロビンの緩衝特性は、それらに含まれるアミノ酸が酸性（COOH）基と塩基性（NH ₂）基の両方を含み、媒体の反応に応じて水素イオンと水酸化イオンの両方に解離するという事実に関係しています。ヘモグロビンはタンパク質系の緩衝能の大部分を占めています。生理的pH範囲では、酸化ヘモグロビンは脱酸化ヘモグロビン（還元ヘモグロビン）よりも強い酸です。そのため、組織に酸素を放出することで、還元ヘモグロビンはH ⁺イオンと結合する能力が高まります。肺で酸素を吸収すると、ヘモグロビンは酸性の性質を獲得します。

血液の緩衝作用は、基本的に弱酸の全ての陰イオン基の複合作用によって決定されます。その中で最も重要なのは、重炭酸塩とタンパク質の陰イオン基（「タンパク質化物」）です。緩衝作用を持つこれらの陰イオンは、緩衝塩基（BB）と呼ばれます。

血液中の緩衝塩基の総濃度は約18 mmol/l未満であり、血液_{中のCO2圧の変化には依存しません。実際、血液中の}CO2圧が上昇すると、同量のH ⁺とHCO ^3-が生成されます。タンパク質はH ⁺イオンと結合するため、緩衝特性を持つ「遊離」タンパク質の濃度が低下します。同時に、重炭酸イオンの含有量も同じ量増加しますが、緩衝塩基の総濃度は一定のままです。逆に、血液中のCO2圧が低下すると、タンパク質含有量が増加し、重炭酸イオンの濃度は低下します。

血液中の非揮発性酸の含有量が変化すると（低酸素症における乳酸、糖尿病におけるアセト酢酸およびβ-ヒドロキシ酪酸など）、緩衝塩基の総濃度は正常と異なります。

緩衝塩基含量が正常値（48 mmol/l）から逸脱することを塩基過剰（BE）と呼びます。通常はゼロです。緩衝塩基数が病的に増加するとBEは正になり、減少すると負になります。後者の場合は「塩基欠乏」という用語を使用する方が正確です。

したがって、BE インジケーターを使用すると、血液中の非揮発性酸の含有量が変化したときに緩衝塩基の「蓄え」の変化を判断し、酸塩基バランスの隠れた（補償された）変化さえも診断できます。

肺換気の変化は、血漿pHの一定性を保つ2つ目の調節機構です。血液が肺を通過すると、赤血球と血漿において、上記とは逆の反応が起こります。

H ⁺ + HCO ^3- H2CO3 ↔ CO2+ H2O.

これは、血液からCO2が除去されると、ほぼ同数のH +イオンが血液から消失することを意味します_。したがって^、呼吸は酸塩基平衡を維持する上で非常に重要な役割を果たします。したがって、組織の代謝障害の結果として、血液の酸性度が上昇し、中等度の代謝性（非呼吸性）アシドーシスの状態が発生すると、肺換気の強度（過換気）が反射的に増加します（呼吸中枢）。その結果、大量のCO2とそれに応じて水素イオン（H ⁺）が除去され、pHは元のレベルに戻ります。逆に、塩基含有量の増加（代謝性非呼吸性アルカローシス）は換気の強度の低下（低換気）を伴い、CO2圧_とH⁺イオン濃度が増加し、pHのアルカリ側へのシフトが補償されます。

腎臓の役割。酸塩基平衡の3番目の調節器は腎臓です。腎臓は体内のH ⁺イオンを除去し、重炭酸ナトリウム（NaHCO3）を再吸収します。これらの重要なプロセスは主に尿細管で行われ、主に3つのメカニズムが用いられます。

水素イオンとナトリウムイオンの交換。このプロセスは、炭酸脱水酵素によって活性化される反応、すなわちCO ₂ + H ₂ O = H ₂ CO ₃に基づいています。結果として生じた二酸化炭素（H2CO3）は、H ^{+ イオン}とHCO ^{3-イオンに解離します。これらのイオンは尿細管の内腔に放出され、代わりに同量のナトリウムイオン（Na+}）が尿細管液から流入します。その結果、体内の水素イオンが解放され、同時に重炭酸ナトリウム（NaHCO3）の蓄えが補充されます。NaHCO3は腎臓の間質組織に再吸収され、血液中に入ります。

酸生成。H +イオンとNa ^{+イオンの交換は、}同様に二塩基性リン酸の関与によって起こります。尿細管腔内に放出された水素イオンは、HPO4 ^2-アニオンと結合して二塩基性リン酸ナトリウム（NaH2PO4）を形成します。同時に、同量のNa ⁺イオンが尿細管上皮細胞に入り、HCO3-イオンと結合してNa ^{+重炭酸塩（NaHCO3）を形成します}。後者は再吸収され、全身の血流に入ります。

アンモニア生成は遠位尿細管で起こり、グルタミンなどのアミノ酸からアンモニアが生成されます。後者は尿中のHClを中和し、水素イオンと結合してNa ⁺とCl ^-を形成します。再吸収されたナトリウムはHCO ^3-イオンと結合して重炭酸ナトリウム（NaHCO3）も形成します。

そのため、尿細管液中では、尿細管上皮から来たH ^{+イオンの大部分がHCO3-}およびHPO4 ^2-イオンと結合し、尿中に排泄されます。同時に、同量のナトリウムイオンが尿細管細胞に入り込み、重炭酸ナトリウム（NaHCO3）を形成します。NaHCO3は尿細管で再吸収され、重炭酸緩衝液のアルカリ成分を補充します。

酸塩基平衡の主な指標

臨床現場では、酸塩基バランスを評価するために以下の動脈血パラメータが使用されます。

1. ^{血液pHは、H +}イオンのモル濃度の負の対数です。37℃における動脈血（血漿）pHは、狭い範囲（7.35～7.45）で変動します。正常なpH値は、酸塩基平衡の異常が存在しないことを意味するわけではなく、いわゆる代償性アシドーシスおよびアルカローシスにおいてみられることがあります。
2. PaCO2は動脈血_中の二酸化炭素分圧です。PaCO2の正常値は、男性で_35～ 45mmHg、女性で32～43mmHg_です。
3. 緩衝塩基（BB）は、血液中の緩衝作用を持つすべての陰イオン（主に重炭酸イオンとタンパク質イオン）の合計です。正常なBB値は平均48.6 mol/l（43.7～53.5 mmol/l）です。
4. 標準重炭酸イオン（SB）は、血漿中の重炭酸イオン含有量です。正常値は男性の22.5～26.9mmol/L、女性の21.8～26.2mmol/Lです。この指標はタンパク質の緩衝作用を反映していません。
5. 塩基過剰（BE）は、緩衝塩基含有量の実測値と正常値（正常値は-2.5～+2.5 mmol/l）の差です。毛細血管血では、この指標の値は男性で-2.7～+2.5、女性で-3.4～+1.4となります。

臨床診療では、酸塩基バランスの指標として通常 pH、PaCO2 _、 BE の 3 つが使用されます。

呼吸不全における酸塩基バランスの変化

呼吸不全を含む多くの病的状態では、血液中に大量の酸または塩基が蓄積し、前述の調節機構（血液、呼吸器、排泄器の緩衝システム）が pH を一定レベルに維持できなくなり、アシドーシスまたはアルカローシスが発生します。

1. アシドーシスは酸塩基バランスの乱れであり、血液中に絶対的または相対的に過剰な酸が現れ、水素イオン濃度が上昇します（pH < 7.35）。
2. アルカローシスは、塩基数の絶対的または相対的な増加と水素イオン濃度の減少（pH > 7.45）によって特徴付けられます。

発生メカニズムに応じて、酸塩基平衡障害には 4 つのタイプがあり、それぞれ代償性と代償不全性があります。

1. 呼吸性アシドーシス;
2. 呼吸性アルカローシス;
3. 非呼吸性（代謝性）アシドーシス;
4. 非呼吸性（代謝性）アルカローシス。

誤嚥性アシドーシス

呼吸性アシドーシスは、肺換気の重篤な完全障害（肺胞低換気）を伴って発症します。この酸塩基平衡の変化は、動脈血中の二酸化炭素分圧（PaCO _2）の上昇によって引き起こされます。

代償性呼吸性アシドーシスでは、前述の代償機構の作用により血液pHは変化しません。これらの代償機構の中で最も重要なのは、6-炭酸塩とタンパク質（ヘモグロビン）の緩衝作用、そして腎臓におけるH ⁺イオンの放出と重炭酸ナトリウム（NaHCO3）の保持機構です。

高炭酸ガス性（換気性）呼吸不全の場合、呼吸性アシドーシスにおける肺換気量の増加（過換気）とH ⁺およびCO2イオンの除去のメカニズムは、定義上、重度の肺または肺外病変によって引き起こされる一次性肺低換気であるため、実用的な意味はありません。これは、血中CO2分圧の大幅な上昇、つまり高炭酸ガス血症を伴います。緩衝システムの効果的な作用、特に重炭酸ナトリウム保持の腎臓代償メカニズムの組み込みの結果として、患者の標準重炭酸塩（SB）および過剰塩基（BE）の含有量が増加します。

したがって、代償性呼吸性アシドーシスは次のような特徴があります。

1. 正常な血液 pH 値。
2. 血液_中の二酸化炭素分圧（PaCO2 _）の上昇。
3. 標準重炭酸塩（SB）の増加。
4. 塩基過剰（BE）の増加。

代償機構の枯渇と機能不全は、非代償性呼吸性アシドーシスの発症につながり、血漿pHが7.35を下回ります。場合によっては、標準重炭酸塩（SB）値と塩基過剰（BE）値も正常値まで低下し、塩基予備能の枯渇を示します。

呼吸性アルカローシス

上述のように、実質性呼吸不全の一部の症例では、健常肺胞の顕著な代償性過換気によって引き起こされる低炭酸ガス血症を伴うことが示されました。このような症例では、過換気型外呼吸障害による二酸化炭素除去の増加の結果として呼吸性アルカローシスが発生します。その結果、HCO3- ^/ H2CO3比が上昇し、それに伴い血液pHが上昇します。

呼吸性アルカローシスの代償は、慢性呼吸不全を背景としてのみ可能です。その主なメカニズムは、水素イオンの分泌減少と尿細管における重炭酸イオンの再吸収阻害です。これにより、標準重炭酸イオン（SB）の代償的減少と塩基欠乏（BE値負）が引き起こされます。

したがって、代償性呼吸性アルカローシスは次のような特徴があります。

1. 正常な血液pH値。
2. 血液中のpCO2が大幅に減少しました。
3. 標準重炭酸塩（SB）の代償的減少。
4. 代償性塩基欠乏（BE値が負）。

呼吸性アルカローシスの代償不全により、血液 pH が上昇し、以前は低下していた SB 値と BE 値が正常値に達することがあります。

非呼吸性（代謝性）アシドーシス

非呼吸性（代謝性）アシドーシスは、酸塩基平衡異常の最も重篤な形態であり、極めて重度の呼吸不全、重度の血中低酸素血症、および臓器および組織の低酸素症を呈する患者に発症する可能性があります。この場合の非呼吸性（代謝性）アシドーシスの発症メカニズムは、いわゆる不揮発性酸（乳酸、β-ヒドロキシ酪酸、アセト酢酸など）の血中への蓄積に関連しています。重度の呼吸不全に加えて、非呼吸性（代謝性）アシドーシスは、以下の原因によっても引き起こされる可能性があることをご留意ください。

1. 非代償性糖尿病における組織代謝の重篤な障害、長期の飢餓、甲状腺中毒症、発熱、重篤な心不全を背景とした臓器低酸素症など。
2. 主に尿細管の損傷を伴い、水素イオンの排泄障害および重炭酸ナトリウムの再吸収障害を引き起こす腎臓疾患（尿細管性アシドーシス、腎不全など）
3. 消化液とともに重炭酸塩の形で大量の塩基が失われる（下痢、嘔吐、幽門狭窄、外科的介入）。特定の薬剤の服用（塩化アンモニウム、塩化カルシウム、サリチル酸塩、炭酸脱水酵素阻害剤など）。

代償性非呼吸性（代謝性）アシドーシスでは、血液中の重炭酸塩緩衝液が代償過程に関与し、体内に蓄積した酸を結合します。重炭酸ナトリウム濃度の減少は、炭酸（H2CO3）濃度の相対的な上昇を招き、H2OとCO2に分解します。H ^{+イオンはタンパク質、主にヘモグロビンに結合し、その結果、Na+}、Ca ²⁺、K ^+が赤血球から排出され、水素イオンが赤血球に侵入します。

したがって、代償性代謝性アシドーシスは次のような特徴があります。

1. 正常な血液 pH レベル。
2. 標準重炭酸塩（SB）の減少。
3. 緩衝塩基の欠乏（BE値が負）。

説明した代償機構の枯渇および不十分さにより、代償不全の非呼吸性（代謝性）アシドーシスが発生し、血液の pH が 7.35 未満のレベルまで低下します。

非呼吸性（代謝性）アルカローシス

非呼吸性（代謝性）アルカローシスは呼吸不全では典型的ではありません。

呼吸不全のその他の合併症

重度の呼吸不全の場合、血液中のガス組成、酸塩基バランスの変化、および肺血行動態の乱れにより、脳、心臓、腎臓、消化管、血管系などの他の臓器や器官系に重篤な合併症が生じます。

急性呼吸不全は、主に臓器および組織の重度の低酸素症によって引き起こされる、比較的急速に進行する重篤な全身合併症を特徴とし、代謝プロセスおよび機能の障害を引き起こします。急性呼吸不全を背景とした多臓器不全の発症は、病状の悪化リスクを著しく高めます。以下は、呼吸不全の全身合併症の完全なリストではありません。

1. 心臓および血管の合併症：
   • 心筋虚血;
   • 不整脈;
   • 拍出量および心拍出量の減少;
   • 動脈性低血圧;
   • 深部静脈血栓症;
   • テラ。
2. 神経筋合併症：
   • 昏迷、昏睡、昏睡;
   • 精神病;
   • せん妄;
   • 重篤疾患性多発神経障害;
   • 拘縮;
   • 筋力低下。
3. 感染性合併症：
   • 敗血症;
   • 膿瘍;
   • 院内肺炎;
   • 床ずれ;
   • その他の感染症。
4. 胃腸合併症：
   • 急性胃潰瘍;
   • 胃腸出血;
   • 肝臓障害;
   • 栄養失調;
   • 経腸栄養および非経口栄養の合併症;
   • 無石胆嚢炎。
5. 腎臓合併症：
   • 急性腎不全;
   • 電解質異常など

また、気管内腔に挿管チューブが存在することや人工呼吸器の実施に関連する合併症が発生する可能性も考慮する必要があります。

慢性呼吸不全では、急性呼吸不全に比べ全身合併症の重症度は大幅に低く、1) 肺動脈性高血圧症および 2) 慢性肺心疾患の発症が顕著になります。

慢性呼吸不全患者における肺動脈性高血圧症は、いくつかの病態機序の作用によって形成されますが、その主なものは慢性肺胞低酸素症であり、低酸素性肺血管収縮を引き起こします。この機序はオイラー・リジェストライド反射として知られています。この反射の結果、局所的な肺血流は肺換気の強度に適応し、換気と灌流の関係が破綻したり、弱まったりすることはありません。しかし、肺胞低換気が著しく発現し、肺組織の広い領域に広がると、肺細動脈の緊張が全体的に高まり、肺血管抵抗の増加と肺動脈性高血圧症の発症につながります。

低酸素性肺血管収縮の形成は、高炭酸ガス血症、気管支開存障害、および内皮機能不全によっても促進されます。肺血管床の解剖学的変化は、肺動脈性高血圧症の発症において特別な役割を果たします。具体的には、肺組織の線維化および肺気腫の進行に伴う細動脈および毛細血管の圧迫と破壊、中膜筋細胞の肥大による血管壁の肥厚、慢性的な血流障害および血小板凝集亢進を伴う微小血栓症の発生、肺動脈小枝における反復性血栓塞栓症などが挙げられます。

慢性肺性心疾患は、長期肺疾患、慢性呼吸不全、進行性肺動脈性高血圧症のいずれの症例においても自然に発症します。しかし、現代の概念によれば、慢性肺性心疾患の形成過程には、右心室における様々な構造的および機能的変化が伴います。その中で最も重要なのは、右心室および右心房の心筋肥大、それらの空洞の拡大、心臓線維化、右心室の拡張機能および収縮機能障害、相対的三尖弁閉鎖不全の形成、中心静脈圧の上昇、そして全身循環の静脈床のうっ血です。これらの変化は、慢性呼吸不全における肺高血圧の形成、右心室への後負荷の持続的または一時的な増加、心筋内圧の上昇、組織神経ホルモン系の活性化、サイトカインの放出、および内皮機能障害の発症によるものです。

右室心不全の兆候の有無に応じて、代償性慢性肺心疾患と非代償性慢性肺心疾患が区別されます。

急性呼吸不全は、全身合併症（心臓、血管、腎臓、神経、消化管など）の発生を最も特徴とし、これらの合併症は病状の悪化リスクを著しく高めます。慢性呼吸不全は、肺高血圧症および慢性肺心疾患の緩やかな進行を特徴とします。

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