Уравнение альвеолярного газа и клиническое применение этого уравнения (Intensive Care Med, январь 2026)

Доставка кислорода тканям организма происходит благодаря процессам, при которых парциальное давление кислорода прогрессивно снижается, что известно как кислородный каскад. Первыми шагами здесь являются вентиляция, когда кислород движется из атмосферы к альвеолам, газообмен, когда кислород диффундирует из альвеолы в легочные капилляры, и системная циркуляция, когда артерии доставляют кислород тканям [1]. Гипоксемия, определяемая как снижение парциального давления кислорода в артериальной крови (РаО2), приводит к нарушениям в последующих двух шагах. Парциальное давление в альвеолах (РАО2) и альвеолярно-артериальный градиент (А-а градиент, рассчитываемый как PAO2 − PaO2), позволяют разграничить нарушения вентиляции, приводящие к гипоксемии, от нарушений газообмена. Гипоксемия со снижением РАО2 предполагает проблемы с вентиляцией, в то время как сохраненное РАО2 с широким А-а градиентом указывает на нарушения газообмена. Поскольку прямое измерение РАО2 недоступно, уравнение альвеолярного газа (the alveolar gas equation [AGE]) предоставляет единственную возможность для выявления и лечения гипоксемии с нормализацией физиологических переменных, но это требует вдумчивого подхода [2]. В этой работе сначала будет обзор уравнения альвеолярного газа с детализацией по четырем детерминантам РАО2 и далее обзор нарушений, каждое из которых приводит к развитию гипоксемии. Здесь же будет обсуждение применения РАО2 и А-а градиента при изучении гипоксемии с помощью нескольких примеров использования.

Происхождение и применение 

AGE выражается следующим образом: 

 PAO2 = [ FIO2 × (PB − PH2O )] − ( PaCO2 /RER )

Где РВ — давление окружающей среды, РН2О — давление водяного пара в альвеоле, FIO2 — фракция вдыхаемого кислорода, РаСО2 — парциальное давление углекислого газа в артериальной крови и RR — дыхательный коэффициент (the respiratory exchange ratio), определяемый как соотношение элиминации СО2 (VCO2) к объему поглощённого кислорода (VO2) в альвеолах. 

Вдыхаемый воздух становится полностью увлажнённым после прохода по верхним дыхательным путям, что защищает эпителий ниже-лежащих бронхов. Результирующее РН2О относительно постоянно со значением 47 ммHg при нормальной температуре тела. Индивидуальная комната для дыхания (FIO2 0.21) на уровне моря (PB 760 ммHg) с РаСО2 40 ммHg и стандартном RER 0.8 обеспечивает среднее значение РАО2 100 ммHg. За счет нормального физиологического шунта справа-налево результирующее значение РаО2 около 95 ммHg. Отклонения любой из этих четырех детерминант (FIO2, PB, PaCO2, RER) приводят к развитию гипоксемии. 

Фракция вдыхаемого кислорода 

Низкое FiO2 не является распространенным случаем гипоксемии, но может наблюдаться при дыхании в закрытых помещениях. В качестве иллюстрации, в недавнем исследовании с симуляцией схода снежной лавины и последующим погребением было показано, что гипоксемия быстро развивается, поскольку FiO2 снижается в области рта, где формируется небольшое пространство за счет таяния снега. Одновременно с этим растет FiCO2, приводя к гиперкапнии и дальнейшему снижению РАО2. Поток воздуха в области рта предотвращает гипоксемию [3]. Увеличение FiO2 остается наиболее эффективным вмешательством для коррекции гипоксемии за счет увеличения РАО2. Актуальный доставленный пациенту FiO2 очень трудно установить у пациентов без инвазивного устройства в дыхательных путях, что, в свою очередь, ограничивает точный расчет РАО2, особенно при применении низкопоточных канюль и лицевых масок типа Venturi, поскольку к инспираторному потоку пациента всегда примешивается воздух из окружающего пространства [4].

Атмосферное давление 

Поскольку РВ, и следовательно, РАО2, с повышением высоты снижается линейно, воздействие на большой высоте, к примеру полет в недостаточно герметизированной кабине, может вызвать гипоксемию. Дополнительная доставка кислорода быстро восстанавливает РАО2 на безопасных уровнях, компенсируя падение РВ. AGE также объясняет, почему не скорректированное PaO2/FiO2 у пациентов, живущих на высоте, может вводить в заблуждение. При снижении РВ наблюдается пропорциональное падение РАО2 и РаО2 и поэтому индексация РаО2 только на основании FiO2 может привести к ошибочной классификации пациентов, как страдающих гипоксемией, несмотря на сохраненный газообмен по отношению к РАО2 [5]. Современный консенсус рекомендует либо сообщать РВ, либо применять утвержденные факторы коррекции при интерпретации пороговых значений РаО2/FiO2 (к примеру, при диагностике ОРДС) [6]. 

Парциальное давление углекислого газа в артериальной крови и дыхательный коэффициент 

Поскольку СО2 и О2 находятся в одном альвеолярном пространстве, любое увеличение альвеолярного СО2 (РАСО2) пропорционально снижает РАО2. В связи с почти идеальными диффузионными возможностями СО2, его парциальное давление в артериальной крови (РаСО2) очень точно отражает РАСО2, что позволяет напрямую использовать это в AGE. Согласно этому уравнению, гиперкапния приводит к соответствующему падению РАО2, следовательно, тяжелая гиповентиляция неминуемо приводит к гипоксемии (к примеру, РаО2<60 ммHg) даже если нет патологии легких. Важно, увеличение вентиляции для удаления избыточного РАСО2 улучшает оксигенацию только в случае подлинной гиповентиляции [7]. AGE при наличии гиперкапнии может объяснить, действительно ли ассоциированная гипоксемия вызвана исключительно гиповентиляцией, или же имеются низкие вентиляционно-перфузионные соотношения или шунты, которые ассоциированы с увеличенным А-а градиентом. 

RER модифицирует эффект РаСО2 на РАО2. Поскольку легкие являются органом для газообмена обоих газов, альвеолярный RER отражает дыхательный коэффициент организма, что варьируется в зависимости от метаболического субстрата. Когда это возможно, непрямая калориметрия может определить RER и уточнить оценку по AGE.

В качестве иллюстрации, у пациентов, получающих экстракорпоральное удаление СО2 (extracorporeal CO2 removal [ECCO2R]), значимая порция СО2 удаляется до альвеол, что снижает RER и увеличивает влияние СО2 на РАО2 [9]. В связи со сниженным RER, физиологический уровень РаСО2 40 ммHg может приводит к очень опасному низкому РАО2. Дополнительная доставка кислорода может не разрешить полностью гипоксемию, поскольку дополнительные механизмы могут нарушить газообмен (перераспределение перфузии, изменения вентиляционно-перфузионных отношений или коллапс легких, что ассоциировано с низкой минутной вентиляцией) [10, 11]. Если сниженные RER не рассматривается при расчете РАО2, ложное увеличение А-а градиента может приводить к чрезмерной диагностике этих осложнений [12]. 

Похожие физиологические изменения наблюдаются у пациентов, получающих экстракорпоральную мембранную оксигенацию (ЕСМО), но эти эффекты менее важны, поскольку мембранные легкие обеспечивают большую часть насыщения организма кислородом. 

РАО2 и А-а градиент в подходах к гипоксемии и легочному шунту

AGE предоставляет возможность оценки РАО2, позволяет рассчитать А-а градиент, что количественно оценивает неадекватность газообмена. Нормальный А-а градиент составляет < 15 ммHg у молодых людей и < [возраст (в годах)/4 + 4] у людей более старшего возраста, отражая снижение диффузии с возрастом. Как уже обсуждалось, сниженный РАО2 предполагает альвеолярную гиповентиляцию (с возрастанием РАСО2) или снижение давления вдыхаемого кислорода (к примеру, на большой высоте). И наоборот, сохраненный РАО2 при расширении А-а градиента указывает на нарушенный газообмен, как в связи с несоответствием вентиляционно-перфузионных соотношений, так и в связи с шунтированием справа-налево.   

Несмотря на то, что дефект диффузии является классической причиной гипоксемии (термин, что не всегда используется корректно) [16], нарушения диффузии очень редко наблюдаются у критически больных пациентов и чаще описываются у пациентов с легочным фиброзом, особенно при физической нагрузке [13, 14]. Ответ на добавочный кислород позволяет дифференцировать шунт от других механизмов, поскольку шунт обладает уникальной рефрактерностью к дополнительному кислороду за счет обхода (the bypass) венозной примесью с последующим попаданием в системную циркуляцию [15, 16]. PaO2 /FIO2, измеренное на фоне чистого кислорода, показали хорошую корреляцию с легочным шунтом по причине отсутствия аэрации [17]. AGE также предоставляет базис для расчёта фракции легочного шунта, поскольку конечное давление кислорода в легочных капиллярах (the pulmonary end-capillary oxygen pressure [PendcO2]) приблизительно соответствует РАО2, рассчитанного с помощью этой формулы (AGE). Используя пробы смешанной венозной крови, количественное определение шунта может помочь выявить преобладающую физиологию шунта у пациентов с гипоксемией, когда дополнительный кислород оказывает ограниченный эффекта и, скорее всего, имеется потребность в эскалации терапии [18]. 

Выводы 

• AGE помогает рассчитать РАО2, что необходимо для идентификации вентиляторных причин гипоксемии. Это поможет объяснить связь между гиперкапнией и гипоксемией. 
• Когда интерпретация РаО2 идет вместе с А-а градиентом, становится возможным выявление и количественное определение нарушенного газообмена. 
• AGE предоставляет физиологический ориентир, с помощью которого становится возможной интерпретация расширенных вмешательств и оценка показаний к ним (к примеру, терапия высоким FiO2, механическая вентиляция, ECCO2R), в противном случае общепринятые показатели оксигенации у критически больных пациентов могут быть неверно истолкованы.      

References 

1. Lumb AB, Pearl RG (2017) Nunn’s applied respiratory physiology. Elsevier 
2. Kavanagh BP, Meyer LJ (2005) Normalizing physiological variables in acute illness: five reasons for caution. Intensive Care Med 31:1161–1167. https:// doi. org/ 10. 1007/ s00134- 005- 2729-7 
3. Eisendle F, Roveri G, Rauch S et al (2025) Respiratory gas shifts to delay asphyxiation in critical avalanche burial: a randomized clinical trial. JAMA. https:// doi. org/ 10. 1001/ jama. 2025. 16837 
4. Duprez F, Mashayekhi S, Cuvelier G et al (2018) A new formula for predict — ing the fraction of delivered oxygen during low-flow oxygen therapy. Respir Care 63:1528–1534. https:// doi. org/ 10. 4187/ respc are. 06243 
5. West JB (2012) High-altitude medicine. Am J Respir Crit Care Med 186:1229–1237. https:// doi. org/ 10. 1164/ rccm. 201207- 1323CI 
6. Matthay MA, Arabi Y, Arroliga AC et al (2024) A new global definition of acute respiratory distress syndrome. Am J Respir Crit Care Med 209:37–47. https:// doi. org/ 10. 1164/ rccm. 202303- 0558WS 
7. Gilissen VJHS, Koning MV, Klimek M (2022) The influence of hypercapnia and atmospheric pressure on the Pa o 2/F io 2Ratio—pathophysiologic considerations, a case series, and introduction of a clinical tool. Crit Care Med 50:607–613. https:// doi. org/ 10. 1097/ CCM. 00000 00000 005316
8. Brandi L, Bertolini R, Calafà M (1997) Indirect calorimetry in critically Ill patients: clinical applications and practical advice*1. Nutrition 13:349– 358. https:// doi. org/ 10. 1016/ s0899- 9007(97) 83059-6 
9. Gattinoni L, Coppola S, Camporota L (2022) Physiology of extracorporeal CO 2 removal. Intensive Care Med 48:1322–1325. https:// doi. org/ 10. 1007/ s00134- 022- 06827-6 
10. Diehl JL, Mercat A, Pesenti A (2019) Understanding hypoxemia on ECCO 2 R: back to the alveolar gas equation. Intensive Care Med 45:255–256. https:// doi. org/ 10. 1007/ s00134- 018- 5409-0 
11. Dickstein ML (2020) Extracorporeal CO 2 removal and the alveolar gas equation. Am J Respir Crit Care Med 202:1057–1058. https:// doi. org/ 10. 1164/ rccm. 202005- 1609LE 
12. Cipriani E, Langer T, Bottino N et al (2020) Key role of respiratory quotient to reduce the occurrence of hypoxemia during extracorporeal gas exchange: a theoretical analysis ∗ . Crit Care Med 48:E1327–E1331. https:// doi. org/ 10. 1097/ CCM. 00000 00000 004619 
13. Dantzker DR, Brook CJ, Dehart P et al (1979) Ventilation-perfusion dis- tributions in the adult respiratory distress syndrome. Am Rev Respir Dis 120:1039–1052. https:// doi. org/ 10. 1164/ arrd. 1979. 120.5. 1039 
14. Agustí AG, Barberà JA (1994) Contribution of multiple inert gas elimina- tion technique to pulmonary medicine. 2. Chronic pulmonary diseases: chronic obstructive pulmonary disease and idiopathic pulmonary fibrosis. Thorax 49:924–932. https:// doi. org/ 10. 1136/ thx. 49.9. 924 
15. Mellemgaard K (1966) The alveolar-arterial oxygen difference: its size and components in normal man. Acta Physiol Scand 67:10–20. https:// doi. org/ 10. 1111/j. 1748- 1716. 1966. tb032 81.x 
16. Petersson J, Glenny RW (2014) Gas exchange and ventilation–perfusion relationships in the lung. Eur Respir J 44:1023–1041. https:// doi. org/ 10. 1183/ 09031 936. 00037 014 
17. Reske AW, Costa ELV, Reske AP et al (2013) Bedside estimation of nonaer — ated lung tissue using blood gas analysis. Crit Care Med 41:732–743. https:// doi. org/ 10. 1097/ CCM. 0b013 e3182 711b6e 
18. Raimondi Cominesi D, Forcione M, Pozzi M et al (2024) Pulmonary shunt in critical care: a practical approach with clinical scenarios. J Anesth Analg Crit Care 4:18. https:// doi. org/ 10. 1186/ s44158- 024- 00147-5

Источник: https://doi.org/10.1007/s00134-025-08273-6