저산소증

3. 증상 및 징후

저산소증의 증상은 그 심각도와 발생 속도에 따라 다양하게 나타난다.

일반적인 증상으로는 두통, 피로, 어지럼증, 청색증, 호흡 곤란, 빈호흡, 빈맥(빠른 맥박) 등이 있다. 산소 공급이 부족해지면 우리 몸은 이를 보상하기 위해 호흡과 심박수를 늘리게 된다. 혈액 내 산소 부족은 뇌 기능에 영향을 미쳐 반응 시간 증가, 방향 감각 상실, 판단력 저하, 혼란, 기억 상실 등의 인지 문제를 일으킬 수 있다. 심한 경우에는 의식 상실, 발작, 경련, 혼수 상태에 빠지거나 심지어 사망에 이를 수도 있다.

시력 장애 또한 저산소증의 증상 중 하나인데, 적당한 수준의 저산소증은 약 3657.60m 고도에서 적록 및 청황색 구별에 모두 영향을 미치는 부분 색각 손실을 유발할 수 있다.

심장 역시 저산소증에 민감하게 반응한다. 초기에는 심계항진이 나타날 수 있지만, 나중에는 심박수가 감소하고 심각한 경우 비정상적인 심장 리듬이 발생할 수 있다. 초기에는 혈압이 상승하지만, 상태가 진행됨에 따라 혈압이 감소한다.

뇌는 에너지 요구량이 높고, 휴식 시 산소의 약 20%를 사용하지만 저장량이 낮아 저산소증에 취약하다. 뇌 저산소증이 오래 지속될수록 뇌의 더 넓은 영역이 영향을 받으며, 뇌간, 해마, 대뇌 피질이 가장 취약하다.

만성 저산소증의 경우, 활동 시 호흡 곤란이 가장 흔하며, 만성 피로, 폐성 고혈압 등의 증상이 나타날 수 있다. 경미한 저산소증은 호흡수나 심박출량 및 심박수 증가를 통해 보상되어 즉시 회복될 수 있다. 그러나 보상이 불가능하여 뇌까지 저산소 상태가 발생하면 호흡 기능 감퇴, 신경 기능 둔화 등의 증상이 나타난다. 장기간 저산소 상태에 놓이면 혈액 중 적혈구를 증가시켜 적응하려 한다.

3. 1. 무증상 저산소증 (Silent hypoxia)

4. 원인

저산소증은 다양한 원인에 의해 발생할 수 있다.

• '''고산병''': 고도가 높아짐에 따라 대기압이 감소하고 공기 중 산소 함량도 감소한다. 흡입 산소의 분압 감소는 혈액의 산소 포화도를 낮추고, 이는 저산소증으로 이어진다. 고산병의 임상적 특징은 수면 문제, 어지럼증, 두통, 부종 등이다.
• '''불활성 기체 질식''': 호흡 기체의 산소 부분 압력이 불충분하면 발생한다. 이산화탄소 수치는 정상이어서 인체가 저산소증을 제대로 감지하지 못하고 의식을 잃을 수 있다. 저산소성 호흡 기체는 공기보다 산소 분율이 낮은 혼합물로 정의된다.
• 고도 상승 시 주변 압력 감소로 산소 부분 압력이 저산소 수준으로 떨어진다.
• 깊은 수중 잠수 작업 시 헬륨 희석제에 2% 산소만 포함된 기체를 사용한다. 190 msw에서 주변 압력은 약 0.4bar의 부분 압력을 제공하며, 이는 포화 잠수에 적합하다. 잠수부 감압 시 호흡 기체에 산소를 공급해야 한다.
• 잠수 리브리더의 호흡 기체 회로에서 산소와 희석 가스를 추가하여 현재 깊이에서 저산소 및 과산소 사이의 안전한 수준에서 원하는 산소 부분 압력을 유지한다. 제어 시스템 오작동은 가스 혼합물이 저산소 상태가 되게 할 수 있다.
• 깊은 프리다이빙에서 다이빙 중 폐 기체 내 산소 부분 압력이 고갈되지만 깊이에서는 충분히 유지되고, 상승 중 감소하면 의식을 유지하기에 너무 저산소 상태가 되어 의식을 잃는다.
• 산업, 광업, 소방 환경에서 저산소성 가스가 발생할 수 있다. 일부는 독성 또는 마취성이 있거나 질식성이다. 냄새로 인식되거나 무취일 수 있다.
• 자살 가방을 사용한 불활성 가스 질식은 의도적일 수 있다. 통제된 환경의 질소 농도나 광산의 메탄 농도가 감지되지 않거나 인식되지 않으면 우발적 사망이 발생한다.
• '''일산화 탄소 중독''': 일산화 탄소는 헤모글로빈 분자의 결합 부위에서 산소와 경쟁한다. 일산화 탄소는 산소보다 수백 배 더 강하게 헤모글로빈과 결합하여 산소 운반을 방해한다. 일산화 탄소 중독은 연기 중독처럼 급성으로 발생하거나 흡연처럼 시간이 지남에 따라 발생할 수 있다. 생리적 과정으로 일산화 탄소는 4–6 ppm의 안정 수준으로 유지된다. 도시 지역(7–13 ppm)과 흡연자(20–40 ppm)에서 증가한다. 일산화 탄소 수준이 40 ppm이면 헤모글로빈 수준이 10 g/L 감소하는 것과 같다.^[1] 일산화 탄소는 알로스테릭 시프트를 제거하고 산소 해리 곡선을 왼쪽으로 이동시켜 헤모글로빈이 말초 조직에서 산소를 방출할 가능성을 줄인다.
• '''비정상적인 헤모글로빈 변이체''': 정상보다 산소에 대한 친화력이 높아 말초 조직에 산소를 전달하는 데 좋지 않다.
• '''메트헤모글로빈혈증''': 헤모글로빈의 기능은 철 원자가 화학적으로 산화되어 제2철 형태가 되면서 손실될 수 있다. 이 비활성 헤모글로빈 형태를 메트헤모글로빈이라 하며, 아질산나트륨 및 특정 약물, 기타 화학 물질을 섭취하여 생성될 수 있다.
• '''빈혈''': 헤모글로빈은 신체 전체에 산소를 운반하는 데 중요하며, 헤모글로빈이 부족하면 빈혈이 발생하여 조직 산소 공급이 감소하는 '빈혈성 저산소증'을 유발할 수 있다. 철 결핍은 빈혈의 가장 흔한 원인이다. 철분은 헤모글로빈 합성에 사용되므로 철분 섭취 부족 또는 흡수 불량은 헤모글로빈 합성을 감소시킨다. 빈혈은 만성적인 과정이며, 증가된 에리스로포이에틴 수치를 통해 적혈구 수치가 증가하면서 시간이 지남에 따라 보상된다. 만성적인 저산소 상태는 보상이 제대로 이루어지지 않은 빈혈로 인해 발생할 수 있다.
• '''조직 저산소증''': 생리적 정상 산소 공급에도 불구, 세포가 혈류에서 산소를 섭취하거나 사용할 수 없는 상태이다. 시안화물(시토크롬 산화 효소 억제), 황화 수소와 같은 특정 독극물(하수 처리 부산물, 가죽 태닝에 사용)에 의해 발생하는 조직 중독의 결과이다.

5. 생리적 반응

모든 척추동물은 생존을 위해 산소 항상성을 유지해야 하며, 모든 조직에 적절한 산소 공급을 보장하기 위해 생리적 시스템을 진화시켜 왔다. 산소 공급 수준의 단기적인 변화는 기존 단백질을 활성화하여 반응하는 화학 수용체 세포에 의해 감지되며, 장기적으로는 유전자 전사를 조절하여 감지된다. 여러 시스템이 산소 농도를 감지하고 급성 및 장기간의 저산소증에 적응하여 반응할 수 있다.
급성 반응:인간의 경우, 저산소증은 경동맥 소체와 대동맥 소체의 말초 화학수용체에 의해 감지되며, 경동맥 소체 화학수용체가 저산소증에 대한 반사 반응의 주요 매개체 역할을 한다. 이러한 반응은 정상적인 P_O2에서 환기율을 제어하지 않지만, 정상 이하에서는 이러한 수용체를 지배하는 뉴런의 활동이 급격히 증가하여, 시상 하부의 중추 화학수용체로부터의 신호를 무시하고, P_CO2가 감소함에도 불구하고 P_O2를 증가시킨다.

신체의 대부분의 조직에서 저산소증에 대한 반응은 혈관 확장이다. 혈관을 넓힘으로써 조직은 더 많은 관류를 허용한다. 반대로, 폐에서는 저산소증에 대한 반응이 혈관 수축이다. 이는 저산소 폐 혈관 수축 또는 "HPV"라고 하며, 환기가 잘 안 되는 부위에서 혈액을 멀리하여 관류를 환기와 일치시켜 폐의 다른 부분에서 혈액을 더욱 균일하게 산소화하는 효과가 있다.

저산소성 환기 반응(HVR)은 저산소증에 의해 유발되는 환기의 증가로, 신체가 더 높은 속도로 더 낮은 농도의 산소를 흡수하고 운반할 수 있게 해준다.

세포에 대한 산소 공급이 요구량에 미치지 못하면(저산소증), 전자는 피루브산으로 이동하여 젖산 발효 과정을 거친다. 이러한 임시 조치(혐기성 대사)를 통해 소량의 에너지를 방출할 수 있다. 젖산 축적(조직 및 혈액)은 미토콘드리아 산소 공급이 부적절하다는 징후이며, 이는 저산소혈증, 혈류 부전(예: 쇼크) 또는 둘 다의 조합으로 인해 발생할 수 있다. 심하거나 오래 지속되면 세포 사멸로 이어질 수 있다.
만성 반응:저산소 상태에서 신장에서 더 많은 양으로 생성되는 에리스로포이에틴은 혈액 산소의 주요 운반체인 적혈구의 생성을 자극하는 필수 호르몬이며, 해당 작용 효소는 혐기성 ATP 생성에 관여한다.

저산소 유도 인자(HIF)는 세포 환경의 가용 산소 감소 또는 저산소증에 반응하는 전사 인자이다. HIF 신호 전달 연쇄 반응은 세포에 대한 저산소증의 영향을 매개한다. 저산소증은 종종 세포가 세포 분화를 하지 못하게 한다. 그러나 저산소증은 혈관 신생을 촉진하며, 배아와 종양에서 혈관계 형성에 중요하다. 상처의 저산소증은 또한 각질 세포의 이동과 상피의 복구를 촉진한다.

정상 산소 수준의 기간 사이에 조직을 반복적으로 짧은 기간의 저산소증에 노출시키면, 나중에 조직이 장기간의 허혈성 노출에 반응하는 방식에 영향을 미친다. 이것은 허혈성 전처치로 알려져 있으며, 많은 조직에서 발생하는 것으로 알려져 있다.

폐 모세혈관 압력이 만성적으로(최소 2주 이상) 상승된 상태를 유지하면 림프관이 크게 확장되어 간질 공간에서 체액을 운반하는 능력이 최대 10배까지 증가하기 때문에 폐는 폐부종에 더욱 저항하게 된다. 따라서 만성 승모판 협착증 환자에서 치명적인 폐부종 없이 40~45mmHg의 폐 모세혈관 압력이 측정되었다.

6. 병리학적 반응

뇌졸중이나 뇌 손상과 같은 뇌 허혈은 뇌에 산소 공급이 부족해져 발생하는 질병이다. 뇌는 많은 에너지를 필요로 하지만, 저장량이 적어 저산소증에 매우 취약하다. 뇌에 산소 공급이 부족하면 뇌 손상이 발생할 수 있으며, 뇌간, 해마, 대뇌 피질 등이 특히 취약하다. 산소 공급이 즉시 회복되지 않으면 뇌 손상은 영구적일 수 있다. 심각하지 않은 저산소증의 경우, 세포는 일시적으로 기능을 억제하여 회복 가능성을 높일 수 있다.

협심증이나 심근경색과 같은 심근 허혈은 심장 근육에 산소 공급이 부족해져 발생하는 질병이다. 관상동맥이 막히면 심장 근육에 허혈성 저산소증이 발생한다. 짧은 시간 동안의 허혈은 회복 가능하지만, 20분 이상 지속되면 심장 근육 조직에 괴사가 발생한다. 허혈 부위의 에너지 대사는 혐기성 대사로 전환되고, 근육 세포에 대사 산물이 축적되어 세포 부종과 괴사를 유발한다. 혈류가 회복되면 유산소 대사로 돌아가지만, 재관류 손상으로 인해 추가적인 손상이 발생할 수 있다.

종양은 성장하면서 산소를 불균등하게 사용하여 저산소증 영역을 만든다. 종양 세포는 저산소 환경에 적응하기 위해 혈관 신생을 촉진하는 인자를 생성한다. 종양 혈관 신생은 암세포가 다른 부위로 이동하는 경로를 제공하여 암의 성장과 전이를 촉진한다.

만성 폐쇄성 폐 질환(COPD) 환자는 폐포 저환기와 환기/관류 불균형으로 인해 저산소혈증이 발생한다. COPD에서 저산소혈증은 장기간의 산소 치료로 비교적 쉽게 교정될 수 있다. 만성 폐포 저산소증은 폐성 심의 발달을 유도하는 주요 요인이며, 폐 고혈압은 COPD 환자의 생존에 부정적인 영향을 미친다. COPD 환자의 장기간 산소 치료는 생존율을 향상시킬 수 있다.

7. 진단

저산소증 진단은 병력 청취, 신체 검사, 혈액 검사, 영상 검사 등을 통해 이루어진다.

• 동맥혈 가스 검사 (ABG): 혈액 내 산소 및 이산화탄소 분압, pH를 측정한다. 80 mmHg 미만의 동맥 산소 분압(P_aO2)은 비정상으로 간주되지만 임상 상황을 고려해야 한다.
• P_aO2:F_iO2 비율: 정상 범위는 300~500 mmHg이며, 이 비율이 300 미만이면 가스 교환의 결함을 나타낼 수 있으며, 특히 급성 호흡 곤란 증후군 (ARDS)을 식별하는 데 관련이 있다. 200 미만의 비율은 심각한 저산소혈증을 나타낸다.
• 폐포-동맥 산소 차이 (A-a_O2): 폐포 (A)의 산소 농도와 동맥 (a) 산소 농도 간의 차이로, 저산소혈증의 감별 진단을 좁히는 데 유용한 매개변수이다.
• 헤마토크리트 검사: 비정상적으로 낮은 헤마토크리트 (적혈구의 부피 백분율)는 빈혈을 나타낼 수 있다.

• 가슴/기도 X-ray 또는 CT 스캔: 환기 또는 관류에 영향을 미칠 수 있는 이상을 나타낼 수 있다.

• 환기/관류 스캔: V/Q 폐 스캔이라고도 하며, 환자의 폐 내의 공기와 혈액의 순환을 평가하기 위해 섬광 조영술과 핵의학을 사용하는 일종의 의료 영상이다.

• 폐 기능 검사:
• 밤에 산소 수치를 측정하는 검사
• 6분 걷기 검사: 사람이 6분 동안 평평한 표면에서 얼마나 멀리 걸을 수 있는지 측정하여 운동에 대한 반응으로 산소 수치를 측정하여 운동 능력을 테스트한다.
• 폐 용적, 폐활량, 기도 저항, 호흡 근육 강도, 확산 능력
• 폐활량 측정법, 전신 체적 측정법, 폐의 부피, 압력 및 공기 흐름을 계산하기 위한 강제 진동 기법, 기관지 확장제 반응, 일산화탄소 확산 검사 (DLCO), 산소 적정 연구, 심폐 운동 부하 검사, 기관지 내시경 검사, 및 흉강 천자

8. 치료 및 관리

저산소증 치료는 원인, 심각도, 환자 상태에 따라 달라진다.

• 산소 요법: 저산소증의 다양한 원인을 치료하기 위해 보충 산소가 필요할 수 있으므로, 산소 요법이 필요한 환자를 식별하고 상황에 맞는 산소 농도를 제공해야 한다. 산소화 치료는 기도 유지, 흡입 공기의 충분한 산소 공급, 폐 내 확산 개선을 목표로 한다. 경우에 따라 혈액의 산소 운반 능력을 개선하는 치료(부피 및 순환 개입, 고압 산소 치료, 중독 치료 등)가 필요할 수 있다.
• 침습적 환기: 수술 시 필요하거나 선택적으로 기관 내 튜브에 연결된 양압 환기를 시행할 수 있다. 이를 통해 정확한 환기 공급, 정확한 흡입 산소 농도(F_iO2) 모니터링, 양성 호기말 압력 유지가 가능하다. 경우에 따라 기관 절개술이 필요할 수 있다.
• 치료적 저체온증: 체온을 낮추어 신진대사율을 감소시키면 산소 요구량과 소비량을 낮출 수 있다. 특히 뇌 조직 저산소증의 영향을 최소화하는 데 유용할 수 있다.
• 약물 치료: 호흡 부전이 문제인 경우, 근본적인 원인을 치료하는 것이 중요하다. 폐부종의 경우 이뇨제를 사용하여 부종을 줄일 수 있고, 간질성 폐 질환의 일부 경우에는 스테로이드가 효과적일 수 있다. 극단적인 경우에는 체외 막 산소 공급(ECMO)을 사용할 수 있다.
• 고압 산소 치료: 고압 산소는 으깨진 손상, 구획 증후군 및 기타 급성 외상성 허혈과 같이 관류가 불량한 외상 부상 치료에 유용하다. 심각한 감압병의 치료에도 효과적이며, 일산화탄소 중독 및 당뇨병성 족부에도 효과가 있다.
• 만성 저산소증 관리: 만성 폐쇄성 폐 질환(COPD) 환자의 경우, 장기간 산소 치료(LTOT)는 비교적 적은 유량의 보충 산소(대부분 환자에서 3L/min 미만)로 저산소혈증을 교정할 수 있다. 지속적인 저산소혈증에 대한 환자 평가 후 가정 산소 처방을 갱신해야 한다.
• 기타: 산소 공급, 부정맥 치료, 전해질 교정 등이 있다.

9. 예방

고산병의 영향을 완화하기 위해, 신체는 동맥의 산소 분압(P_aO2)을 정상 수준으로 되돌려야 한다. 고소 순응은 신체가 고지대에 적응하는 수단으로, P_O2를 표준 수준으로 부분적으로만 회복시킨다. 과호흡은 신체가 고지대 조건에 대한 가장 일반적인 반응으로, 호흡의 깊이와 속도를 증가시켜 폐포의 산소 분압(P_O2)을 증가시킨다. 그러나 과호흡으로 P_O2가 개선되더라도 정상 수준으로 돌아오지는 않는다. 3000미터 이상에서 일하는 광부와 천문학자에 대한 연구에 따르면 완전한 순응 상태에서도 폐포 P_O2가 개선되었지만, P_O2 수준은 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 환자의 지속적인 산소 치료 임계값과 같거나 그 이하로 유지된다. 또한 순응과 관련된 합병증으로, 신체가 혈액 순환 중 적혈구 수를 증가시키는 적혈구 증가증은 혈액을 끈적하게 만들어 혈전 위험을 높인다.

고지대 상황에서는 산소 농축 또는 구획 가압만이 저산소증의 영향을 완화할 수 있다. 가압은 차량에서, 그리고 지상 시설의 비상 상황에서 실현 가능하다. 주위 압력에서 산소 농도를 증가시킴으로써 낮은 기압의 영향을 상쇄하고 동맥 P_O2 수준을 정상 용량으로 회복시킨다. 소량의 보충 산소는 기후 조절 실에서 등가 고도를 낮춘다. 4000m에서 산소 농축기와 기존 환기 시스템을 통해 산소 농도 수준을 5% 증가시키면 3000m의 등가 고도를 제공하며, 이는 고지대에서 일하는 점점 더 많은 저지대 거주자에게 훨씬 더 견딜 만하다. 칠레의 5050m에서 일하는 천문학자에 대한 연구에서 산소 농축기는 산소 농도 수준을 거의 30%(즉, 21%에서 27%로) 증가시켰다. 이는 작업자의 생산성 증가, 피로 감소, 수면 개선으로 이어졌다.

산소 농축기는 기후 조절 환경의 고지대 산소 농축에 적합하다. 유지 보수와 전력 소모가 적고, 지역에서 구할 수 있는 산소원을 사용하며, 산소 실린더를 원격 지역으로 운송하는 비용이 많이 드는 작업을 없앤다.

10. 역학

저산소증은 다양한 원인으로 인해 흔하게 발생하며, 유병률은 원인 질환에 따라 다르다. 흔한 원인으로는 폐렴이나 만성 폐쇄성 폐 질환 등이 있으며, 시안화물 중독과 같이 드문 경우도 있다. 고지대에서 산소 분압 감소와 같은 원인은 지역적으로 분포하거나 특정 인구 통계와 관련될 수 있다.

전신 저산소증은 소방, 전문 다이빙, 광업 및 지하 구조, 가압되지 않은 항공기에서의 고고도 비행 등 여러 고위험 직업에서 직업적 위험 요소로 작용한다. 생명을 위협할 수 있는 저산소혈증은 중환자에게 흔하게 나타난다. 국소 저산소증은 당뇨병, 감압병, 사지 혈액 공급에 영향을 미치는 외상의 합병증일 수 있다.

미숙한 폐 기능으로 인한 저산소증은 조산의 흔한 합병증이다. 미국에서는 자궁 내 저산소증과 출생 질식이 신생아 사망의 10대 원인으로 함께 묶여 있다.

11. 역사

"저산소증"이라는 용어는 1945년에 과학 출판물에서 처음 사용된 것으로 기록되어 비교적 최근에 사용되기 시작했다. 이전에는 모든 수준의 산소 결핍에 대해 "무산소증"이라는 용어가 광범위하게 사용되었다. 산소 부족의 영향에 대한 조사는 19세기 중반부터 시작되었다.^[7]

2019년 노벨 생리학·의학상은 윌리엄 G. 캐린 주니어, 피터 랫클리프 경, 그레그 L. 세멘자에게 수여되었는데, 이들은 서로 다른 산소 농도에 적응하고 감지하는 세포 메커니즘을 발견하여 산소 수치가 생리적 기능에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 기반을 마련하였다.

참조

_[1] 저널 Hypoxia: molecular pathophysiological mechanisms in human diseases 2022
_[2] 저널 Effects of Prenatal Hypoxia on Nervous System Development and Related Diseases 2021-10-25
_[3] 저널 Hepatic Dysfunction in Asphyxiated Neonates: Prospective Case-Controlled Study 2015-01-12
_[4] 간행물 Hypoxia https://www.ncbi.nlm[...] National Academies Press (US) 2023-06-11
_[5] 웹사이트 The role of hypoxia in the tumor microenvironment and development of Cancer Stem Cell: A novel approach to developing treatment https://cancerci.bio[...] 2023-12-01
_[6] 웹사이트 Physiology, Oxygen Transport And Carbon Dioxide Dissociation Curve https://www.ncbi.nlm[...] StatPearls Publishing 2024-08-23
_[7] 저널 The invention of hypoxia. 2021-05-01
_[8] 웹사이트 【新型コロナウイルス 格闘の証言】急変する新型コロナ肺炎 体内では何が起きているのか（自撮り） https://www.nhk.or.j[...] 2023-08-14
_[9] 웹사이트 COVID-19: How do we explain 'happy' hypoxia? https://www.medicaln[...]
_[10] 서적 Pulmonary Pathophysiology: The Essentials Williams & Wilkins 1977
_[11] 저널 Medical Problems in High Mountain Environments. A Handbook for Medical Officers http://archive.rubic[...] US Army Research Inst. of Environmental Medicine Thermal and Mountain Medicine Division Technical Report 2009-03-05