Respirační systém I (mechanika dýchání, vitální kapacita, transport plynů) Dýchání Soubor procesů sloužící k výměně dýchacích a krevních plynů • mezi vnějším prostředním a plícemi– vnější dýchání • mezi krví a tkání – vnitřní dýchání Vnější dýchání zahrnuje – ventilaci, distribuci a difuzi plynů - aby bylo účinné, musí na to navazovat perfúze (prokrvení) plic dýchací cesty alveoly alveolo-kapilární m. plícní kapiláry TRANSPOR T O2 V KRVI DIFUZE O2 PŘES ALVEOLO- KAPILÁTRNÍ MEMBRÁNU DIFUZE O2 Z PERIFERNÍ KAPILÁRY DO BUŇKY VENTILACE PLIC Morfologie – horní dýchací cesty Stavba: nosní dutina, nosohltan, hrtan, (vedlejší nosní dutiny, ústní dutina) nosní dutina ústní dutina hltan průdušnice hrtan http://zdraviamy.cz/uploads/images/headNeckKey.jpg • Bohatě prokrvené a inervované • Funkce senzitivní, ochranná (filtrace, ochranné reflexy), ohřívání a vlhčení vdechovaného vzduchu, hlasová Morfologie – dýchací cesty • Průdušnice (trachea) – průřez 2,5 cm2 Dichotonické větvení – jedna průduška se dělí na dvě • Průdušky (bronchi) • 2 hlavní (1. generace dělení) • 5 sekundárních (2. generace) • 18 terciálních (3. generace) • 4. genreace průdušek • ….. • Průdušinky (bronchioly) • Bronchioly terminales (cca 16. generace) celkový průřez 500 cm2 • Bronchioly respiratory • alveolární kanálky • Alveolární kapsy • Plicní alveoly (22. – 23. generace) Základní jednotka plicní tkáně: plicní lalůček (acinus) Konduktivní zóna - transport a úprava vzduchu (ohřátí, zvlhčení, čištěni) - = anatomický mrtvý prostor Acinus, přechodná a respirační zóna - výměna dýchacích plynů Dýchací cesty Dýchací cesty od nosu až k terminálním bronchiolům: • Mucinózní buňky – tvorba sekretu (vlhčení a mechanická ochrana sliznice, fixace škodlivých látek) • Řasinkový epitel – posun sekretu směrem k faryngu (při zničeném řasinkovém epitelu se hlen odstraňuje kašlem) Dýchací cesty Průdušnice a průdušky • prstencovitá chrupavka podkovovitého charakteru - výztuha dýchacích cest • na otevřeném místě chrupavky hladká svalovina - změna průsvitu průdušek chrupavka epitelžláza hladký sval Směrem od průdušnice k malým průduškám klesá podíl chrupavky (průdušinky už jsou bez chrupavky) a roste podíl svaloviny (nejvíce v terminálních průdušinkách) Mrtvý prostor (průměrně 150 ml) • Prostor dýchacích cest, kde nedochází k výměně plynů mezi vzduchem a krví • Anatomický – pouze konduktivní zóna • Funkční (fyziologický) – anatomický prostor + neprokrvené nebo nepropustné alveoly • U zdravého je anatomický=fyziologickému mrtvému prostoru • V nádechu se mrtvý prostor zvětšuje (roztažení dýchacích cest) ciliární cylindrický epitel lamina propria viscerální pleura buňky hladké svaloviny chrupavka krevní cévy žláza pohárková buňka mukus Hladký sval ve stěně dýchacích cest • inervován především vagem – bronchokonstrikce (acetylcholin, muskarinové receptory) • Sympatická inervace slabší – adrenalin a noradrenalin – bronchodilatace (beta-receptory) • Histamin způsobuje bronchokonstrikci (alergická reakce) 𝑹 = 𝟖 ∙ 𝜼 ∙ 𝒍 𝝅 ∙ 𝒓 𝟒 Odpor dýchacích cest l - délka trubice  - viskozita r - poloměr trubice, má největší vliv na odpor díky 4. mocnině • bronchokonstrikce – zvýšení odporu • bronchodilatace – snížení odporu Alveolární systém Průměr alveolů: 0,1 – 0,3 mm Počet alveolů: 300 – 400 milionů Plocha alveolů: 50 – 100 m2 Tloušťka alveolu: desetina m  Účinná výměna plynů https://embryology.med.unsw.edu.au/embryology/images/thumb/d/d4/Alveolar-sac-01.jpg/300px-Alveolar-sac-01.jpg http://images.slideplayer.cz/10/2900749/slides/slide_43.jpg Pneumocyt I. typu Pneumocyt II. typuProstor alveolu Prostor alveolu kapilára Složení alveolu • Pneumocyt I. typu - tvoří membránu alveolu • Pneumocyt II. typu - tvorba surfaktantu • Kapiláry – často menší než velikost krvinky • Makrofágy Plicní oběh • oběh • funkční (okysličení krve, krev z pravé komory) • nutriční (výživa plic, 2% oběhu, krev z levé komory) Boron and Boulpaep, Medical Physiology Mechanika dýchání • Hlavní nádechové svaly: bránice (80 % dechové práce, inervuje n. phrenicus), zevní mezižeberní svaly (mm. intercostales externi) • Pomocné dýchací svaly: m. sternocleidomastoideus, skupina skalenových svalů • Výdechové svaly: vnitřní mezižeberní svaly, svaly přední stěny břišní nádech výdech Nádech je aktivní Klidový výdech pasivní - elastické vlastnosti plic a hrudního koše Usilovný výdech je aktivní Mechanika dýchání akcesorní svaly mm. intercostales ext. diafragma mm. intercostales int. břišní svaly inspirační svaly exspirační svaly Tlaky v plicích pohrudnice http://worldartsme.com/images/happy-lungs-clipart-1.jpg poplicnice Pleurální štěrbina – mezi poplicnicí a pohrudnicí Pleurální tekutina Alveolární (pulmonální) tlak Pleurální (štěrbinový) tlak (vždy záporný) Objem vdechovaného vzduchu atmosférický tlak (zde 0) Elastické vlastnosti plic Plicní poddajnost (compliance): 𝐶 = ∆𝑉 ∆𝑃 Pozor, elasticita = 1/C Dostatečná poddajnost usnadňuje nádech. Patologicky zvýšená poddajnost ztěžuje výdech (plicní emfyzém). Nízká poddajnost ztěžuje nádech. Elasticita plic je dána: • Vlastní tkáňovou elasticitou (vlákna elastinu a kolagenu) • Silami povrchového napětí (síly povrchového napětí v alveolech: rozhraní tekutina-vzduch, surfaktantem) Dechová práce (P. V) • Elastická (65%) – překonání elastických sil hrudníku a plic • Dynamická práce (35%) • překonání odporu dýchacích cest (28%) • Překonání tření při vzájemném pohybu neelastickcých tkání (7%) V PP V Pneumotorax • nahromadění vzduchu či jiného plynu v pleurální dutině s částečným nebo úplným kolapsem plíce • Může být traumatický (poranění hrudníku, zlomenina žeber), spontánní – není znám původ nebo důsledek onemocnění (CHOPN, cysticá fibróza), či způsobený chirurgickým zákrokem • Projevy: dušnost, bolest, vyšší odpor plic, snížení srdečního plnění, pokles krevního tlaku, snížená saturace krve kyslíkem, • Tenzní pneumotorax: vzniká tzv. ventilovým mechanismem, kdy při nádechu proniká do pleurální dutiny vzduch a při výdechu se defekt uzavírá, čímž se vzduch hromadí v dutině. Nejnebezpečnější, protože vzduch hromadící se v dutině hrudní postupně utlačuje všechny orgány mediastina na nepostiženou stranu, čímž se utlačuje i druhá plíce, zhoršuje funkce srdce a hrozí poškození velkých cév. Laplaceův zákon P1 > P2 P1 P2r T P 2 =Pr T P: tlak v alveolu, T: tenze alveolární stěny, r: poloměr alveolu Tenze stěny alveolu je určována povrchovým napětím na rozhraní tekutina-vzduch Laplaceův zákon (při konstantní tenzi): čím větší je poloměr alveolu, tím menší je tlak v alveolu  docházelo by k přesunu vzduchu z menšího alveolu do většího  kolaps menších alveolů Plicní surfaktant • tvořen pneumocytem II. typu • snižuje povrchové napětí v závislosti na velikosti alveolu - čím menší je alveol, tím nižší je povrchové napětí • zvyšuje poddajnost plic, snižuje dechovou práci • fosfolipid (dipalmitoyl fosfatidyl cholin) – hydrofilní a lipofilní část T T r T P 2 = Statické plicní objemy a kapacity Statické plicní objemy: • dechový objem VT (0,5 l) • inspirační rezervní objem IRV (2,5 l) • exspirační rezervní objem ERV (1,5 l) • reziduální objem RV (1,5 l) VT Statické plicní kapacity: • vitální kapacita plic VC (4,5 l) = IRV+VT+ERV • celková kapacita plic TC (6 l) = IRV+DV+ERV+RV • inspirační kapacita IC (3 l) = IRV+DV • funkční reziduální kapacita FRC (3 l) = ERO+RO IC IRV EC ERV RV VC FRC • Závisí na výšce, váze, věku a pohlaví – (RV se zvyšuje, VC se snižuje s věkem) • Všechny objemy lze měřit spirometricky kromě RV a FRC Dynamické plicní parametry • Dechová frekvence f • Klidová (12 – 15 dechů za minutu) • Maximální • Minutová ventilace plic • Klidová MV (cca 8 l/min) • Maximální MMV (až 160 l/min) • Dechová rezerva = MMV/MV Plicní poruchy Obstrukce : zvýšený podpor dýchacích cest (astma, bronchitida, otok hlasivek,… ) Restrikce: snížené plicní objemy (nádor, zánět, otoky plic, pneumotorax,… ) Zvýšení dechové frekvence při konstantním dechovém objemu vede k relativnímu nárůstu mrtvého prostoru restrikce FVC 0 1 2 3 4 1s 1 s V [l] Dynamické plicní parametry – usilovný výdech FEV1 obstrukce • Usilovná vitální kapacita FVC • Absolutní jednosekundová vitální kapacita FEV1 • Relativní jednosekundová vitální kapacita (Tiffaneův index): 𝐹𝐸𝑉1 𝐹𝑉𝐶 ~ 0,7 − 0,8 Tiffaneův index < 0,7: podezření na obstrukční poruchu Tiffaneův index blízký 1: podezření na restrikční poruchu Obstrukčně-restrikční porucha: index je nezměněn Diagnostika obstrukčně restrikčních chorob probíhá na základě více parametrů (rychlost výdech, FEV0,5,…) BAROMETRICKÝ TLAK VZDUCHU NA ÚROVNI MOŘE 1 atmosféra = 760 mm Hg 20 1 kPa = 7,5 mm Hg (torr) O2 20,98 % FO2  0,21 N2 78,06 % FN2  0,78 CO2 0,04 % FCO2 0,0004 Ostatní složky = PO2 = 760 x 0,21 = ~160 mm Hg PN2 = 760 x 0,78 = ~593 mm Hg PCO2 = 760 x 0,0004 = ~ 0,3 mm Hg PARCIÁLNÍ TLAKY PLYNŮ SUCHÉHO VZDUCHU NA ÚROVNI MOŘE SLOŽENÍ SUCHÉHO ATMOSFERICKÉHO VZDUCHU Časový průběh vyrovnávání pO2 a pCO2 v kapiláře s alveolárním vzduchem PO2 100 PCO2 40 mm Hg 40 100 60 80 mm Hg doba kontaktu erytrocytu s respirační membránou v klidu 0,75 s Δ PO2 = 60 mm Hg Δ PCO2 = 6 mm Hg venózní krev PO2 40 PCO2 46 mm Hg vyrovnaný stav s alveolárním vzduchem PO2 100 PCO2 40 mm Hg PO2 PCO2 Ventilace - perfuze Transport kyslíku http://themedicalbiochemistrypa ge.org/images/hemoglobin.jpg hemoglobin hem • Většinou chemicky vázaný na hemoglobin (Fe2+): 1 molekula hemoglobinu váže 4 molekuly O2 • Méně fyzikálně rozpuštěný v plazmě (1,4%) • Hemoglobin: • 2 α, 2  podjednotky, • Každá podjednotka má 1 hem, který váže 1 O2  hemoglobin váže 4 molekuly O2 • Fetální hemoglobin (2α, 2, vysoká afinita k O2) • Methemoglobin (Fe3+) • Karboxyhemoglobin (otrava CO) • Karbaminohemoglobin (navázaný CO2) • Oxyhemoglobin (navázaný O2) • Deoxyhemoglobin (bez navázaného plynu) • Myoglobin – váže O2 ve svalu - 1 globinová jednotka+1 hem (váže jeden O2) – vyšší afinita k O2, než má hemoglobin Saturace hemoglobinu kyslíkem 100% 50%  teploty pH pCO2  DPG  teploty  pH  pCO2  DPG pO2 25 50 75 100 Spotřeba kyslíku při zátěži • Kyslíkový dluh: objem kyslíku po skončení práce, který převyšuje klidovou spotřebu kyslíku – slouží k doplnění rezerv po pracovní zátěži • Kyslíkový deficit: Kyslíkový deficit vzniká nejčastěji v úvodní fázi svalové práce, zejména, vykonává-li se s větší intenzitou. Protože orgány dýchacího i krevního oběhu pracují s určitou setrvačností, nejsou schopné dodat kyslík okamžitě a úroveň jeho spotřeby se jen postupně přizpůsobuje jeho potřebám v pracujících svalových buňkách. Svalové buňky jsou v takovýchto podmínkách pro své kontrakce nuceny získávat energii anaerobním způsobem. Nepoměr mezi nároky a jeho skutečným přívodem vede k vytváření kyslíkového deficitu. Ten je tím větší, čím výraznější bylo zvýšení intenzity zatížení, které vedlo k jeho vytvoření. Při snížení zátěže se organismus opět navrací k dýchání aerobnímu. Transport oxidu uhličitého • fyzikálně rozpuštěný – 5% • chemicky vázaný – KHCO3 a NaHCO3 –75-80% • vazba na plazmatické bílkoviny – karbaminohemoglobin a karbaminoproteiny – 15-20% • v červených krvinkách: enzym karbondehydrogenáza – urychluje tvorbu a rozklad H2CO3 Oxid uhličitý snižuje pH krve, funguje v krvi jako pufr CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3 - Hypoxie nedostatek kyslíku ve tkáních (neplést s ischemií) (ischemie – nedostatečné prokrvení tkáně – zahrnuje hypoxii, hyperkapnii, nahromadění metabolitů, nedostatek živin,….) • Hypoxická hypoxie – méně pO2 v arteriální krvi(menší % kyslíku ve vzduchu, vyšší nadmořská výška, porucha dýchacích svalů, dechového centra, opiáty, porucha ventilace-perfuze, snížená difuze přes alveolární membránu) • Anemická hypoxie – porucha přenosu kyslíku krví (méně krvinek, méně hemoglobinu, nefunkční hemoglobin, otrava CO) • Ischemická (cirkulační, stagnační) hypoxie – snížený průtok krve tkání (obstrukce arterie, selhávání srdce) • Histotoxická hypoxie - porušené využití O2 buňkami (toxiny, kianid) Hyperkapnie a hypokapnie Hyperkapnie: • Vyšší pCO2 • snížené pH krve • zmatenost, poruchy smyslové ostrosti, nakonec koma s útlumem dýchání a smrt Hypokapnie: • Hypoxie mozku díky vazokonstrikci cév - ztráta orientace, závratě, parestézie • Zvýšené pH, při hyperventilaci – tetanické křeče, ztráta vědomí Regulace dýchání Dechové centrum Centrální chemoreceptory, automatické dýchání Mozková kůra Volní dýchání, podmíněné reflexy Podkorové struktury Emoce, změny centrální teploty, změny při reakcích ANS Přímý vliv složení prostředí Hormony (adrenalin, steroidní hormony) baroreceptory Nespecifické mechanoreceptory Receptory kůže, svalů, šlach a kloubů Receptory dýchacích svalů Receptory plic a dýchacích cest Periferní chemoreceptory Volní dýchání – korové (poškození: syndrom automatického dýchání) Automatické dýchání – prodloužená mícha (poškození: Ondinina kletba) Dechové centrum – nervový regulace • Inspirační neurony • aktivní po čas inspiria, • inervují nádechové svaly • Expirační neurony – aktivní v čase expiria • v klidovém expiriu pouze inhibují aktivitu inspiračních neuronů • při usilovném výdechu aktivují výdechové svaly • Apneustické centrum • Stimulace inspiračních neuronů • Pneumotaktické centrum • Střídavě inhibuje a aktivuje apneustické centrum Hormonální regulace • Serotonin, acetylcholin, histamin, některé prostaglandiny stimulují dýchání • Dopamin, noradrenalin a endorfiny tlumí dýchání Dechové centrum přeseknutí pravidelné dýchání Varolův most prodloužená mícha dýchání nervus vagus nepravidelné dýchání dýchání apneustické centrum pneumotaktické centrum neurony inspirační centrální chemoreceptory a expirační apneustické dýchání Ochranné a obrané dýchací reflexy • Kratschmerův apnoický reflex – různé škodliviny a chemické látky podrážděním sliznice nosu vyvolají zpomalení až zástavu dýchání, laryngo a bronchokonstrikci – ochrana před průnikem škodliviny do plic • Diving reflex – studený podnět na tváři a sliznici nosu vede k zástavě dýchání • Laryngální chemoreflex – podrážení laryngeálních chemoreceptorů vyvolá apnoi, laryngo- a bronchokonstrikci, hypertenzi a bradykardii (zástava dechu a šetření kyslíku pro mozek a srdce během apnoe) – ochrana dolních dýchacích cest před vstupem škodlivých látek • Kýchání – aktivované mechano a chemoreceptory v nose – silný nádech, zvýšení tlaku v plicích při zavřené hlasivkové štěrbině (kompresivní fáze), otevření štěrbiny a vypuzení cizího tělesa nebo hlenu ven (explozivní fáze) • Kašel - podobně jako kýchání, ale podrážděny jsou receptory laryngu, trachey a bronchů a cílem je posunout cizí těleso nebo hlen jen na laryngus • Expirační reflex – prudká respirace při podráždění hlasivek – ochrana před vstupem tělesa do dolních dýchacích cest • Herring-breuerův reflex - Zefektivňuje dýchání (není obranný). Velké protažení plic a hrudníku stimuluje n.vagus, vyvolá ukončení inspiria a zahájí expirium Respirační sinusová arytmie • Zvýšení srdeční frekvence v nádechu a snížení srdeční frekvence ve výdech • S hloubkou dýchání se prohlubuje respirační arytmie, při rychlejším dýchání vymizí • Patrnější u mladších, s věkem vymizí • Příčiny • Centrální generátor – iradiace impulzů z respiračního do kardiomotorického centra v prodloužené míše • Reflexy z receptorů rozpětí plic – útlum inspiračního i kardioinhibičního centra • Oscilace CO2, pH, O2 skrze chemoreceptory • Baroreflex • Bainbridgeův reflex • Změny protažení SA uzlu při nádechu vedou k rychlejšímu vzniku vzruchů Ventilace - perfuze Boron and Boulpaep, Medical Physiology KYSLÍKOVÁ KASKÁDA mmHg Suchý atmosferický vzduch 159 Zvlhčený zahřátý atmosferický vzduch149 Ideální alveolární plyn 105 End-exspirovaný vzduch 105 Arteriální krev 77 Cytoplazma – mitochondrie 3-10 Smíšená žilní krev 40 Žilní krev 20 Efekt nadmořské výšky na sycení krve kyslíkem (čísla v závorce jsou hodnoty po aklimatizaci) výška barometrický pO2 pCO2 pO2 tlak alveolární alveolární saturace (mmHg) (mmHg) (mmHg) (mmHg) (%) 0 760 159 40 (40) 104 (104) 97 (97) 3 048 523 110 36 (23) 67 (77) 90 (92) 6 096 349 73 24 (10) 40 (53) 73 (85) 9 134 249 47 24 (7) 18 (30) 24 (38) 12 192 141 29 15 240 87 18 Dýchání s čistým kyslíkem výška barometrický pCO2 pO2 arteriální tlak alveolární alveolární saturace (m) (mmHg) (mmHg) (mmHg) (%) 0 760 40 673 100 3 048 523 40 436 100 6 096 349 40 262 100 9 134 349 40 139 99 12 192 141 36 58 84 15 240 87 24 16 15 Adaptace na vyšší nadmořskou výšku: • Zvýšení koncentrace erytropoetinu, stimulace erytropoézy, zvýšená vyskozita krve, • zvýšení koncentrace 2,3-DPG • rozšíření kapilárního řečiště • úprava acidobazické rovnováhy • zvýšení počtu mitochondrií a myoglobulinu Pracovní kapacita ve vysoké nadmořské výšce work capacity (compare with normal condition) (%) Unacclimatized 50 Acclimatized for 2 months 68 Native living at 4 023 m but working at 5 182 m above sea level 87 Umělá ventilace plic text http://1gr.cz/fotky/idnes/15/082/cl6/ERP5d247c_1929_iron_lung.jpg http://www.fbmi.cvut.cz/files/images/zelezne-plice.jpg Umělá ventilace plic http://www.osel.cz/_popisky/117_/s_1175071970.jpg http://img.mf.cz/335/641/2.jpg http://www.wikiskripta.eu/images/thumb/5/5d/Endotracheal_tube_colored.png/300px-Endotracheal_tube_colored.png Receptory dolních cest dýchacích • Receptory rozpětí plic • Inflační receptory – inflační reflex – při vysokém rozpětí plic utlumují apneustické centrum – zastavení inspiria • Hering-Breureův reflex – vysoké rozpětí plic stimuluje aferentní n. vagus a zastaví další inspirium, u dospělého reflex spíše zajišťuje efektivitu dýchání, ale není životně důležitý • receptory vyvolávající kašel • Dráždivé receptory citlivé na chemické látky – hyperpnoe, bronchokonstrikce, tvorba hlenu Receptory dýchacích svalů - svalová a šlachová vřeténka bránice a mezižeberních svalů (účast na kašli, zvracení) Nespecifické receptory • Okulokardiální a okulorespirační reflex – tlak na oční bulby způsobí zpomalení dýchání • Arteriální baroreceptory – mění dechový vzor • Kožní receptory – stimulace receptorů bolesti vyvolává hluboký nádech, tepelné receptory vedou ke zrychlenému mělkému dýchání • Proprioreceptory svalů a kloubů – stimulace dýchání při tělesné námaze Receptory dýchacích cest Receptory dýchacích cest Receptory plic a dýchacích cest • Inflační receptory – receptory rozpětí dýchacích cest v průdušnici a průduškách • Receptory reagující na mechanické nebo chemické podráždění dýchacích cest, ve sliznici větvení průdušek • Receptory v alveolárních septech • Receptory horních dýchacích cest • Receptory sliznice nosu (čichové, tepelné, mechanické podněty) • Nazopulmonální a nazotorakální reflexy – udržení tonusu dýchacích svalů • Receptory nasofaryngu a orofaringu – aspirační reflexy • Receptory hrtanu • Mechanoreceptory – změny tlaku • Chladové receptory – registrace průtoku vzduchu • Dráždivé receptory – mechano- a chemoreceptory – citlivé na podráždění mechanicky, chemickou látkou, vodou – chrání před jejím vdechnutím