Osnove respiratorne fiziologije

Glavna (vendar ne edina) funkcija pljuč je zagotavljanje normalne izmenjave plinov. Zunanje dihanje je proces izmenjave plinov med atmosferskim zrakom in krvjo v pljučnih kapilarah, kar povzroči arterilizacijo krvne sestave: tlak kisika se poveča in tlak CO2 se zmanjša. Intenzivnost izmenjave plinov je v prvi vrsti odvisna od treh patofizioloških mehanizmov (pljučna ventilacija, pljučni pretok krvi, difuzija plinov skozi alveolarno-kapilarno membrano), ki jih zagotavlja zunanji dihalni sistem.

Pljučna ventilacija

Pljučno ventilacijo določajo naslednji dejavniki (AP Zilber):

1. mehanski prezračevalni aparat, ki je v prvi vrsti odvisen od aktivnosti dihalnih mišic, njihove živčne regulacije in gibljivosti prsnih sten;
2. elastičnost in raztegljivost pljučnega tkiva in prsnega koša;
3. prehodnost dihalnih poti;
4. intrapulmonalna porazdelitev zraka in njena skladnost s pretokom krvi v različnih delih pljuč.

Ko je eden ali več zgoraj navedenih dejavnikov moten, se lahko razvijejo klinično pomembne motnje prezračevanja, ki se kažejo v več vrstah ventilacijske respiratorne odpovedi.

Med dihalnimi mišicami ima najpomembnejšo vlogo diafragma. Njeno aktivno krčenje povzroči znižanje intratorakalnega in intraplevralnega tlaka, ki postane nižji od atmosferskega tlaka, kar povzroči vdih.

Vdih se doseže z aktivnim krčenjem dihalnih mišic (diafragme), izdih pa se pojavi predvsem zaradi elastičnega vleka samih pljuč in prsne stene, kar ustvarja gradient izdihovalnega tlaka, ki je v fizioloških pogojih zadosten za iztis zraka skozi dihalne poti.

Ko je treba povečati volumen prezračevanja, se zunanje medrebrne, skalene in sternokleidomastoidne mišice (dodatne inspiratorne mišice) skrčijo, kar vodi tudi do povečanja volumna prsnega koša in zmanjšanja intratorakalnega tlaka, kar olajša vdih. Dodatne izdihovalne mišice veljajo za mišice sprednje trebušne stene (zunanja in notranja poševna, ravna in prečna).

Elastičnost pljučnega tkiva in prsne stene

Elastičnost pljuč. Gibanje zračnega toka med vdihom (v pljuča) in izdihom (iz pljuč) je določeno z gradientom tlaka med atmosfero in alveoli, tako imenovanim transtorakalnim tlakom (Ptr _/ t ₎:

Рtr/t = Рalv Рatm _{, kjerje} Рalv alveolarni tlak in Рatm atmosferski _tlak.

Med vdihom postaneta Palv _in Ptr _/t negativna, med izdihom pa pozitivna. Na koncu vdiha in na koncu izdiha, ko se zrak ne premika po dihalnih poteh in je glotis odprt, je Palv _enak Pa _atm.

Raven P _alv je nato odvisna od vrednosti intraplevralnega tlaka (P _pl ) in tako imenovanega elastičnega povratnega tlaka pljuč (P _el ):

Elastični povratni tlak je tlak, ki ga ustvari elastični parenhim pljuč in se usmeri v pljuča. Višja kot je elastičnost pljučnega tkiva, večje mora biti znižanje intraplevralnega tlaka, da se pljuča med vdihom razširijo, in posledično večje mora biti aktivno delo inspiratornih dihalnih mišic. Visoka elastičnost spodbuja hitrejši kolaps pljuč med izdihom.

Drug pomemben kazalnik, obraten elastičnosti pljučnega tkiva – apatična pljučna komplianca – je merilo kompliance pljuč, ko so zravnana. Na komplianco (in velikost elastičnega povratnega tlaka) pljuč vpliva veliko dejavnikov:

1. Pljučni volumen: pri nizkem volumnu (npr. na začetku vdiha) so pljuča bolj prožna. Pri visokem volumnu (npr. na višini maksimalnega vdiha) se pljučna komplianca močno zmanjša in postane nična.
2. Vsebnost elastičnih struktur (elastin in kolagen) v pljučnem tkivu. Emfizem pljuč, za katerega je značilno zmanjšanje elastičnosti pljučnega tkiva, spremlja povečanje raztegljivosti pljuč (zmanjšanje elastičnega povratnega tlaka).
3. Zgostitev alveolarnih sten zaradi njihovega vnetnega (pljučnica) ali hemodinamskega (zastajanje krvi v pljučih) edema, pa tudi fibroza pljučnega tkiva, znatno zmanjša raztegljivost (popustljivost) pljuč.
4. Sile površinske napetosti v alveolah. Nastanejo na vmesniku med plinom in tekočino, ki alveole od znotraj obloži s tanko plastjo, in težijo k zmanjšanju površine te površine, kar ustvarja pozitiven tlak znotraj alveolov. Tako sile površinske napetosti skupaj z elastičnimi strukturami pljuč zagotavljajo učinkovito sesedanje alveolov med izdihom in hkrati preprečujejo ravnanje (raztezanje) pljuč med vdihom.

Surfaktant, ki obdaja notranjo površino alveolov, je snov, ki zmanjšuje površinsko napetost.

Višja kot je aktivnost surfaktanta, večja je njegova gostota. Zato se med vdihavanjem, ko se gostota in s tem aktivnost surfaktanta zmanjšata, sile površinske napetosti (tj. sile, ki težijo k zmanjšanju površine alveolov) povečajo, kar prispeva k poznejšemu kolapsu pljučnega tkiva med izdihom. Ob koncu izdiha se gostota in aktivnost surfaktanta povečata, sile površinske napetosti pa zmanjšata.

Tako po koncu izdiha, ko je aktivnost površinsko aktivne snovi največja in so sile površinske napetosti, ki preprečujejo ravnanje alveolov, minimalne, poznejše ravnanje alveolov med vdihom zahteva manjšo porabo energije.

Najpomembnejše fiziološke funkcije površinsko aktivnih snovi so:

• povečana pljučna komplianca zaradi zmanjšanja sil površinske napetosti;
• zmanjšanje verjetnosti kolapsa alveolov med izdihom, saj je pri nizkih pljučnih volumnih (na koncu izdiha) njegova aktivnost največja, sile površinske napetosti pa minimalne;
• preprečevanje prerazporeditve zraka iz manjših v večje alveole (po Laplaceovem zakonu).

Pri boleznih, ki jih spremlja pomanjkanje surfaktanta, se poveča togost pljuč, alveoli se sesedejo (razvije se atelektaza) in pride do odpovedi dihanja.

[ 1 ]

Plastični odmik prsne stene

Elastične lastnosti prsne stene, ki imajo tudi velik vpliv na naravo pljučne ventilacije, so določene s stanjem skeletnega sistema, medrebrnih mišic, mehkih tkiv in parietalne plevre.

Pri minimalnih volumnih prsnega koša in pljuč (med maksimalnim izdihom) in na začetku vdiha se elastični odmik prsne stene usmeri navzven, kar ustvari negativni tlak in spodbuja raztezanje pljuč. Ko se pljučni volumen med vdihom poveča, se elastični odmik prsne stene zmanjša. Ko pljučni volumen doseže približno 60 % vrednosti VC, se elastični odmik prsne stene zmanjša na nič, torej na raven atmosferskega tlaka. Z nadaljnjim povečanjem pljučnega volumna se elastični odmik prsne stene usmeri navznoter, kar ustvari pozitivni tlak in spodbuja kolaps pljuč med naslednjim izdihom.

Nekatere bolezni spremlja povečana togost prsne stene, kar vpliva na sposobnost prsnega koša, da se raztegne (med vdihom) in zgrudi (med izdihom). Med take bolezni spadajo debelost, kifoskolioza, pljučni emfizem, masivne adhezije, fibrotoraks itd.

Prehodnost dihalnih poti in mukociliarni očistek

Prehodnost dihalnih poti je v veliki meri odvisna od normalnega odtekanja traheobronhialnih izločkov, kar zagotavlja predvsem delovanje mukociliarnega mehanizma očistka in normalen refleks kašlja.

Zaščitno funkcijo mukociliarnega aparata določa ustrezno in usklajeno delovanje ciliarnega in sekretornega epitelija, zaradi česar se tanek film izločka premika po površini bronhialne sluznice in se odstranijo tujki. Gibanje bronhialnega izločka nastane zaradi hitrih impulzov cilij v kranialni smeri s počasnejšim povratkom v nasprotni smeri. Frekvenca nihanj cilij je 1000-1200 na minuto, kar zagotavlja gibanje bronhialne sluzi s hitrostjo 0,3-1,0 cm/min v bronhih in 2-3 cm/min v sapniku.

Prav tako je treba vedeti, da bronhialna sluz sestoji iz dveh plasti: spodnje tekoče plasti (sol) in zgornjega viskozno-elastičnega gela, ki se ga dotikajo konice cilij. Funkcija ciliarnega epitelija je v veliki meri odvisna od razmerja med debelino sluzi in gela: povečanje debeline gela ali zmanjšanje debeline sola vodi do zmanjšanja učinkovitosti mukociliarnega očistka.

Na ravni dihalnih bronhiolov in alveolov mukociliarnega aparata ist. Tukaj se čiščenje izvaja s pomočjo refleksa kašlja in fagocitne aktivnosti celic.

V primeru vnetne poškodbe bronhijev, zlasti kronične, se epitelij morfološko in funkcionalno obnovi, kar lahko povzroči mukociliarno insuficienco (zmanjšanje zaščitnih funkcij mukociliarnega aparata) in kopičenje sputuma v lumnu bronhijev.

V patoloških pogojih prehodnost dihalnih poti ni odvisna le od delovanja mukociliarnega mehanizma očistka, temveč tudi od prisotnosti bronhospazma, vnetnega edema sluznice in pojava zgodnjega ekspiratornega zaprtja (kolapsa) majhnih bronhijev.

[ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ]

Regulacija bronhialnega lumna

Tonus gladkih mišic bronhijev določa več mehanizmov, povezanih s stimulacijo številnih specifičnih receptorjev bronhijev:

1. Holinergični (parasimpatični) učinki se pojavijo kot posledica interakcije nevrotransmiterja acetilholina s specifičnimi muskarinskimi M-holinergičnimi receptorji. Zaradi te interakcije se razvije bronhospazem.
2. Simpatična inervacija gladkih mišic bronhijev pri ljudeh je izražena v majhni meri, v nasprotju z na primer gladkimi mišicami žil in srčne mišice. Simpatični učinki na bronhije se izvajajo predvsem zaradi vpliva adrenalina v krvnem obtoku na beta2-adrenoreceptorje, kar vodi do sprostitve gladkih mišic.
3. Na tonus gladkih mišic vpliva tudi tako imenovani "neadrenergični, neholinergični" živčni sistem (NANC), katerega vlakna potekajo kot del vagusnega živca in sproščajo več specifičnih nevrotransmiterjev, ki interagirajo z ustreznimi receptorji bronhialnih gladkih mišic. Najpomembnejši med njimi so:
   • vazoaktivni črevesni polipeptid (VIP);
   • snov R.

Stimulacija VIP receptorjev vodi do izrazite sprostitve, beta receptorjev pa do krčenja gladkih mišic bronhijev. Domneva se, da imajo nevroni sistema NANH največji vpliv na regulacijo lumna dihalnih poti (KK Murray).

Poleg tega bronhiji vsebujejo veliko število receptorjev, ki interagirajo z različnimi biološko aktivnimi snovmi, vključno z vnetnimi mediatorji - histaminom, bradikininom, levkotrieni, prostaglandini, faktorjem aktivacije trombocitov (PAF), serotoninom, adenozinom itd.

Tonus gladkih mišic bronhijev uravnava več nevrohumoralnih mehanizmov:

1. Bronhialna dilatacija se razvije s stimulacijo:
   • beta2-adrenergični receptorji adrenalin;
   • VIP receptorje (sistem NANH) z vazoaktivnim črevesnim polipeptidom.
2. Zoženje bronhialnega lumna se pojavi, ko ga stimulirajo:
   • M-holinergični receptorji acetilholin;
   • receptorji za snov P (sistem NANH);
   • Alfa-adrenergični receptorji (na primer z blokado ali zmanjšano občutljivostjo beta2-adrenergičnih receptorjev).

Porazdelitev zraka v pljučih in njena skladnost s pretokom krvi

Neenakomernost prezračevanja pljuč, ki obstaja v normi, je najprej določena z heterogenostjo mehanskih lastnosti pljučnega tkiva. Najaktivneje se prezračujejo bazalni deli pljuč, v manjši meri pa zgornji deli pljuč. Sprememba elastičnih lastnosti alveolov (zlasti pri pljučnem emfizemu) ali kršitev bronhialne prehodnosti znatno poslabša neenakomernost prezračevanja, poveča fiziološki mrtvi prostor in zmanjša učinkovitost prezračevanja.

Difuzija plinov

Proces difuzije plina skozi alveolarno-kapilarno membrano je odvisen

1. iz gradienta parcialnega tlaka plinov na obeh straneh membrane (v alveolarnem zraku in v pljučnih kapilarah);
2. od debeline alveolarno-kapilarne membrane;
3. od celotne površine difuzijske cone v pljučih.

Pri zdravi osebi je parcialni tlak kisika (PO2) v alveolarnem zraku običajno 100 mm Hg, v venski krvi pa 40 mm Hg. Parcialni tlak CO2 (PCO2) v venski krvi je 46 mm Hg, v alveolarnem zraku pa 40 mm Hg. Tako je gradient tlaka za kisik 60 mm Hg, za ogljikov dioksid pa le 6 mm Hg. Vendar pa je hitrost difuzije CO2 skozi alveolarno-kapilarno membrano približno 20-krat večja od O2. Zato izmenjava CO2 v pljučih poteka precej popolno, kljub relativno nizkemu gradientu tlaka med alveoli in kapilarami.

Alveolarno-kapilarna membrana je sestavljena iz površinsko aktivne plasti, ki obdaja notranjo površino alveole, alveolarne membrane, intersticijskega prostora, pljučne kapilarne membrane, krvne plazme in eritrocitne membrane. Poškodba vsake od teh komponent alveolarno-kapilarne membrane lahko povzroči znatne težave pri difuziji plinov. Posledično se lahko pri boleznih zgoraj navedene vrednosti parcialnih tlakov O2 in CO2 v alveolarnem zraku in kapilarah znatno spremenijo.

[ 11 ], [ 12 ]

Pljučni pretok krvi

V pljučih sta dva krvožilna sistema: bronhialni krvni obtok, ki je del sistemskega krvnega obtoka, in sam pljučni krvni obtok oziroma tako imenovani pljučni krvni obtok. Med njima obstajajo anastomoze tako v fizioloških kot patoloških pogojih.

Pljučni krvni pretok se funkcionalno nahaja med desno in levo polovico srca. Gonilna sila pljučnega krvnega pretoka je tlačni gradient med desnim prekatom in levim atrijem (običajno približno 8 mm Hg). Venska kri, revna s kisikom in nasičena z ogljikovim dioksidom, vstopi v pljučne kapilare skozi arterije. Zaradi difuzije plinov v alveolah se kri nasiči s kisikom in očisti ogljikovega dioksida, zaradi česar arterijska kri teče iz pljuč v levi atrij skozi vene. V praksi lahko te vrednosti precej nihajo. To še posebej velja za raven PaO2 v arterijski krvi, ki je običajno približno 95 mm Hg.

Raven izmenjave plinov v pljučih z normalnim delovanjem dihalnih mišic, dobro prehodnostjo dihalnih poti in majhno spremembo elastičnosti pljučnega tkiva je določena s hitrostjo perfuzije krvi skozi pljuča in stanjem alveolarno-kapilarne membrane, skozi katero poteka difuzija plinov pod vplivom gradienta parcialnega tlaka kisika in ogljikovega dioksida.

Razmerje med ventilacijo in perfuzijo

Raven izmenjave plinov v pljučih je poleg intenzivnosti pljučne ventilacije in difuzije plinov določena tudi z razmerjem med ventilacijo in perfuzijo (V/Q). Normalno je pri koncentraciji kisika v vdihanem zraku 21 % in normalnem atmosferskem tlaku razmerje V/Q 0,8.

Če so vse ostale okoliščine enake, lahko zmanjšanje oksigenacije arterijske krvi povzročita dva razloga:

• zmanjšanje pljučne ventilacije ob ohranjanju enake ravni pretoka krvi, ko je V/Q < 0,8–1,0;
• zmanjšan pretok krvi z ohranjeno alveolarno ventilacijo (V/Q > 1,0).