Pathophysiology of the
respiratory system II
Reprační insuficience
Kontrola ventilace
Defense mechanisms of the respiratory system
Klasifikace poruch respirace
• (1) Poruchy ventilace: lokální nebo celk. hypoventilace
• prostá hypoventilace (zpravidla mimoplicní příčina) ( VA/Q poměru) V‘A= (VT-VD) x f
– CNS (intoxikace s útlumem resp. centra, úraz hlavy… )
– obrna respir. svalů, myasthenia gravis
– obstrukce horních dýchacích cest
• obstrukční nemoci = zúžení dýchacích cest ( VA/Q poměru, spirometrie norm. FVC, FEV1)
– lokalizovaná obstrukce
» bronchiální obstrukce (cizí těleso, nádor, zánět, uzliny..)
» atelektáza
– generalizovaná obstrukce
» reverzibilní (astma bronchiale)
» ireverzibilní (CHOPN, cystická fibróza)
• restrikční nemoci = redukce funkčního parenchymu plic nebo omezení dýchacích pohybů
(spirometrie  FVC, norm. FEV1)
– parenchymové (sarkoidóza, idip. plicní fibróza, pneumokoniózy, bronchopneumonie)
– extraparenchymové (deformity hrudní stěny, páteře)
• kombinované
• (2) Poruchy difúze: ztluštění alveolokapilární membrány
• plicní fibróza
• pneumokoniózy
– silikóza, azbestóza,…
• bronchopneumonie
• (3) Poruchy perfuze (Q):  VA/Q poměru (plicní zkrat)
• plicní embolie
• hypotenze
2
RESPIRAČNÍ INSUFICIENCE
3
Respirační insuficience
• prakticky všechny druhy respiračních poruch
mohou vyústit do RI
– tíže nemocí se hodnotí podle jejich efektu na
výměnu plynů
• cílem respirace je dosažení optimálních
hodnot krevních plynů jejich výměnou s okolím,
proto jsou hl. kritérii resp. insuficience hodnoty
kr. plynů
– ↓paO2 (hypoxémie) je konstantní součástí
• a tím pádem rovněž pokles saturace hemoglobinu
– pulzní oxymetrie!
– ↑paCO2 (hyperkapnie) jen někdy, často normo- či dokonce hypokapnie
• klasifikace resp. insuficience
– I. typ neboli parciální neboli hypoxemická (↓paO2 10 kPa a normo či ↓paCO2)
• selhání oxygenace
– II. typ neboli globální neboli ventilační (↓paO2 8kPa a ↑paCO2 6 kPa)
• selhání mechanické ventilace
– kompenzovaná – normální hodnota pH krve (vzestup bikarbonátů)
– dekompenzovaná – pokles pH krve pod 7,36 (respirační acidóza)
4
Proč se O2 a CO2 chová odlišně
• naprostá většina plicních
patologií s různým VA/Q
(ne)poměrem způsobuje
hypoxémii
• zda bude přítomna i hyperkapnie
ovlivňuje
– různá difuzibilita O2 a CO2
• poruchy difuze zpravidla nevedou
k hyperkapnii
– rychlost ekvilibrace O2 a CO2 v
plicní kapiláře
• zrychlení průtoku ovlivní O2 více
– různá forma transportu O2 a CO2
krví
• hyperventilace sníží PCO2, ale
vzhledem k tomu, že hemoglobin
je 100%je saturován již při
normální ventilaci, není další
zvýšení účinné
5
Respirační insuficience
• mimoplicní důvody změny paO2
(hypoxemie) se zpravidla mezi RI
neřadí
– kardiovaskulární (zejm. srd. vady s
pravolevým zkratem)
• klasifikace RI
– latentní RI: hodnoty krevních plynů v
klidu jsou normální, zhoršují se při
zátěži
– manifestní RI: hodnoty krevních plynů
jsou patologické již v klidu
• průběh:
– akutní: náhlý vznik
• aspirace cizího tělesa, pneumotorax,
astmatický záchvat, ARDS, plicní edém aj.
– chronická: pomalu progredující,
projevy kompenzace
• CHOPN, plicní fibrózy, cystická fibróza
– chronická s akutním zhoršením:
exacerbace CHOPN
• diagnostika respirační insuficience
– vyšetření krevních plynů a acidobazické
rovnováhy (Astrup)
• arteriální krev (a.radialis, a. cubitalis, a.
femoralis)
• arterializovaná krev (ušní lalůček)
• kapilární krev (bříška prstů) – nepřesné
– parametry:
• pH krve – norma 7,36-7,44
• paO2 – parciální arteriální tlak kyslíku
• paCO2 – parciální arteriální tlak oxidu
uhličitého
• HCO3 - bikarbonáty (norma 22,0-26,0
mmol/l)
• BE – výchylka bazí (přebytek nebo
nedostatek)
• SatO2 – nasycení hemoglobinu kyslíkem
(norma > 90%)
6
CONTROL OF RESPIRATION
& ITS DISORDERS
7
Control of respiration
• central chemoreceptors
in medulla oblongata
• peripheral
chemoreceptors in aorta
and glomus caroticum
(via n. glossopharyngeus
and vagus)
– active when PaO2
below 10kPa
– activation supported by
hypercapnia
• pulmonary
mechanoreceptors 8
Central chemoreceptors
9
• sensitive to PaCO2 (and subsequent
formation of H+ in CF)
• H+ cannot go through
hematoencephalic barrier therefore
response to other than respiratory
acidosis slower
– increase in [H+] due to metabolic
acidosis (e.g. diabetic ketoacidosis) will
subsequently increase ventilation with
a fall in PaCO2 causing deep (Kussmaul)
breathing
• very quick adaptation to acute or
intermittent hypercapnia, however,
gets adapted to chronic hypercapnia
due to HCO3- in cerebrospinal fluid
– problem in COPD - in these patients
hypoxaemia is the chief stimulus to
respiratory drive
– oxygen treatment may therefore
reduce respiratory drive and lead to a
further rise in PaCO2
Peripheral chemoreceptors - oxygen senzors
• Glomus caroticus and aortic bodies sensitive
to change of Pa02
– decrease of 02 in these cells closes K+
channels  depolarization  
intracellular Ca2+  excitation 
activation of the respiratory centre
• When hypoxemia is not accompanied with
hypercapnia, activation of this sensors is
when PaO27,3 kPa (55 mm Hg)
10
Respiratory stimuli
• Coordinated
respiratory
movements result
from rhythmical
discharges arising in
interconnected
neurones in the
reticular substance of
the brainstem
(medulla oblongata),
known as the
respiratory centre
– via the phrenic and
intercostal nerves to
the respiratory
musculature (principal
and aucilliary
respiratory muscles) 11
- the pulmonary blood flow of 5 L/min carries 11 mmol/min (250
mL/min) of oxygen from the lungs to the tissues
- ventilation at about 6 L/min carries 9 mmol/min (200 mL/min) of
carbon dioxide out of the body
- normal PaO2 is between 11 and 13 kPa (83 - 98 mmHg)
- normal PaCO2 is 4.8-6.0 kPa (36-45 mmHg)
12
Respiratory centres
• Respiratory centre is formed by
several groups of neurons:
– The basic automatic rhytm of
respiration is due to activity of
Dorsal Respiratory Group (DRG) —
inspiration neurons – efferent
impulses go to diaphragma and
inspiration intercostal muscles
• DRG also obtain afferent stimuli
from the peripheral
chemoreceptors and several
pulmonary receptors
– Ventral Respiratory Group (VRG)
contains both inspiration and
expiration neurons
• inactive during to normal
ventilation, increased ventilation
leads to their activation
13
Higher respiratory centres
• Medulla
– quiet inspiration
– effort inspiration and forced
expiration
• Pons - Pneumotaxic and
apneustic centres can modulate
depth of ventilation and its
frequency
– Apneustic centre:
• supports inspiration by the activity
of inspiration neurons
– Pneumotaxic centre:
• antagonises apneustic centre
• inhibition of inspiration
• Ventilation can be modulate by
cortex, limbic system and
hypothalamus (emotions and
diseases).
14
Dyspnea (breathlessness)
• on physical exertion is normal and
not considered a symptom unless the
level of exertion is very light, such as
when walking slowly
• although breathlessness is a very
common symptom, the sensory and
neural mechanisms underlying it
remain obscure
• the sensation of breathlessness is
derived from at least three sources:
– changes in lung volume
• sensed by receptors in thoracic wall
muscles signalling changes in their length
– the tension developed by contracting
muscles
• this can be sensed by Golgi tendon organs
• tension developed in normal muscle can
be differentiated from that developed in
muscles weakened by fatigue or disease
– central perception of the breathing
effort
15
common causes of dyspnea
Apnea
• suspension of external
breathing
• causes
– voluntarily achieved (free diving)
– drug-induced (e.g. opiate
toxicity)
– during sleep
• mechanically induced (e.g. OSA)
• infants (sudden death)
– central apnea syndromes
• periodical breathing
• Cheyne-Stokes breathing
– patients with cardiac failure
– consequence of neurological
disease or trauma
17
Obstructive sleep apnea (OSA)
18
• Flow of air pauses or decreases during sleep because the
airway has become narrowed, blocked, or floppy
– breathing pauses can last from a few seconds to minutes
– may occur 30 times or more an hour
– typically, normal breathing then starts again, sometimes with
a loud snort or choking sound
• During apnea deep sleep shifts to light sleep
– as a result, the quality of sleep is poor, which makes one tired
during the day (excessive daytime sleepiness)
• Commonly undiagnosed, typically overweight adults
• Risks – due to hypoxia
– changes in the neurons
of the hippocampus and
frontal cortex
– hypertension
– coronary artery disease
– type 2 diabetes
– depression
– sleepiness-related
accidents
19
(acute) LUNG INJURY (incl. ARDS
and INFECTION) AND REPAIR
20
Defense mechanisms of the resp. tract
• These can be divided into two kinds of
mechanisms:
– physical
• humidification
• particle removal
– over 90% of particles greater than 10 μm
diameter are removed in the nostril or
nasopharynx (incl. most pollen grains which
are typically >20 microns in diameter)
– particles between 5 - 10 microns become
impacted in the carina
– particles smaller than 1 micron tend to
remain
• mucus
• particle expulsion
– by coughing, sneezing or gagging
– immunological
• humoral
• cellular
• Pulmonary disease often results from a
failure of the many defense
mechanisms that usually protect the
lung in a healthy individual 21
The ciliated epithelium
• Very important defense mechanism
• Each cell contains approx. 200 cilia
beating at 1000 beats per minute in
organized waves of contraction
• Each cilium consists of nine
peripheral pairs and two inner
longitudinal fibrils in a cytoplasmic
matrix
– nexin links join the peripheral pairs
– dynein arms consisting of ATPase
protein project towards the adjacent
pairs.
• Bending of the cilia results from a
sliding movement between adjacent
fibrils powered by an ATP-dependent
shearing force developed by the
dynein arms
– congenital absence of dynein arms
leads to immotile cilia. syndrome
• Mucus, which contains macrophages,
cell debris, inhaled particles and
bacteria, is moved by the cilia
towards the larynx at about 1.5
cm/min (the „mucociliary escalator“)
22
Respiratory tract secretions - mucus
• gelatinous substance (5 mm thick) consisting of acid and neutral polysaccharides
• relatively impermeable to water
– mucus floats on a liquid or sol layer that is present around the cilia of the epithelial cells
• secreted from goblet cells and mucous glands as distinct globules that coalesce
increasingly in the central airways to form a more or less continuous mucus
blanket
• under normal conditions cilia are in contact with the under surface of the gel
phase and coordinate their movement to push the mucus blanket upwards
– it may only take 30-60 minutes for mucus to be cleared from the large bronchi
– there may be a delay of several days before clearance is achieved from respiratory bronchioles
• reduction in mucociliary transport
– one of the major long-term effects of cigarette smoking
• contributes to recurrent infection and in the larger airways it prolongs contact with carcinogens
– air pollutants, local and general anaesthetics
– bacterial and viral infections
– congenital defects in mucociliary transport (characterized by recurrent infections and eventually
with the development of bronchiectasis)
• the 'immotile cilia' syndrome and cystic fibrosis: an abnormal mucus composition is associated with ciliary
dyskinesia
23
Humoral defense mechanisms
• Non-specific soluble factors
– characteristic for lungs
• α-Antitrypsin (α-antiprotease)
– present in lung secretions derived from plasma
– inhibits chymotrypsin and trypsin and neutralizes proteases and elastase
• Surfactant protein A (SPA)
– one of four species of surfactant proteins which opsonizes bacteria/particles, enhancing
phagocytosis by macrophages
– generally found on biological barriers
• Lysozyme
– an enzyme found in granulocytes that has bactericidal properties
• Lactoferrin
– synthesized from epithelial cells and neutrophil granulocytes and has bactericidal properties.
• Interferon (produced by most cells in response to viral infection)
– a potent modulator of lymphocyte function. It renders other cells resistant to infection by any
other virus.
• Complement
– present in secretions and is derived by diffusion from plasma
– in association with antibodies, it plays an important cytotoxic role
• Defensins
– bactericidal peptides present in the azurophil granules of neutrophils
24
Cellular defense mechanisms
• Pulmonary alveolar macrophages
– derived from precursors in the bone marrow and migrate to the lungs via the
bloodstream
– phagocytose particles, including bacteria, and are removed by the mucociliary
escalator, lymphatics and bloodstream
– dominant cell in the airways at the level of the alveoli
• comprise 90% of all cells obtained by bronchoalveolar lavage
– work principally as scavengers and are not particularly good at presenting antigens to
the immune system
• Dendritic cells
– form a network throughout the airways and are thought to be the key antigenpresenting
cell in the airway
• Lymphoid tissue
– the lung contains large numbers of lymphocytes which are scattered throughout the
airways. Sensitized lymphocytes contribute to local immunity through differentiation
into IgA-secreting plasma cells. IgG and IgE are found in low concentrations in airway
secretions from a combination of local and systemic production.
– In addition to these resident cells, the lung has the usual range of acute
inflammatory responses and can mobilize neutrophils promptly in response to injury
or infection and play a major part in inflammatory conditions such as asthma.
25
Summary – lung defense
26
Bronchopneumonie
27
ARDS – nekardiogenní plicní edém
28
Plicní edém
• Nahromadění tekutiny v plicích
• Důvody
– kardiogenní
• zvýšení hydrostatického tlaku v kapilárách
(kardiálně podmíněný plicní edém)
– infarkt myokardu, stenóza dvojcípé
chlopně
– nekardiogenní
• zvýšení propustnosti kapilár „syndrom
vlhké plíce“ (ARDS)
– u septických stavů - bílkoviny pronikají
do intersticia => zvýšený onkotický tlak
v intersticiu
• snížený onkotický tlak v kapilárách
• stadia
– intersticiální edém
• tekutina pouze v intersticiu
• zvýšený tok lymfy a rozšířená lymfat. cest
• plicní funkce postiženy jen málo => rtg?
– alveolární edém
• tekutina prosakuje i do alveolů =>
postižení ventilace, dyspnoe (hypoxémie)
• vykašlávání zpěněného sputa
29
Zvýšení žilního
tlaku v plicním
řečišti
Poškození kapilár
(endotel)
Blokáda
lymfatických
cest
Zvýšení tlaku v
levé síni
Dysfunkce chlopní
Dysfunkce levé
komory srdeční
Onemocnění
koronárních arterií
Snížená
schopnost
odvádět tekutinu
z intersticia
Hromadění
tekutiny v
intersticiálním
prostoru
Zvýšená permeabilita
kapilár a porucha
produkce surfaktantu
Prostup tekutiny a
plasmy do
interstictiálního
prostoru a alveolů
PLICNÍ EDÉM
Plicní edém, důsledky
• důsledky pro mechaniku dýchání
– sníží poddajnost plic
• porucha surfaktantu  kolaps alveolů
• snížení ventilovaných objemů plic
– zvýší odpor dýchacích cest - reflexní bronchospasmus
• snížení objemů plic a edém v cestách
• důsledky pro dýchací plyny
– snížení oxygenace (poruchy difuze)
• snížení ventilačních objemů  V/Q zkrat
• porucha difuse pro snížení plochy, ztluštění membrány,
snížení PAO2
31