Patofyziologie respiračního systému I Vztah struktury a funkce dýchacích cest a plic Komponenty respirace vedoucí k její základní roli = výměna plynů - ventilace & difuze & perfuze Mechanika dýchání Rezistence v dýchacích cestách Dynamické komprese/kolaps při usilovném dýchání Obstrukční nemoci (CHOPN a bronchiální astma) VZTAH STRUKTURA-FUNKCE JAKO DŮLEŽITÝ FAKTOR PORUCH RESPIRACE & DŮVODY JEJICH PORUCHY Delikátní propojení struktury a funkce • Zásadní funkce respiračního systému spočívá ve výměně plic, tj. extrakci kyslíku ze vnějšího prostředí a odstraňování odpadních plynů , tj. oxidu uhličitého – na konci hlubokého nádechu je 80% objemu plic tvořeno vzduchem, 10% krví a 10% tkání • ale plocha plicní tkáně tvoří obrovskou plochu ! • Plíce musí poskytovat – velkou povrchovou plochu pro kontakt s vnějším prostředím (plocha tenisového kurtu) pro výměnu plynů – tkáň (alveolární stěna) musí klást minimální překážky pro difuzi plynů • Ale těsný kontakt s vnějším prostředím představuje pro plíci riziko poškození inhalací např. prachových částic, plynů a infekčních agens – obranné mechanismy jsou tedy naprosto klíčové a jsou zajištěny kombinací strukturních a imunologických mechanismů Struktura dýchacích cest • Tvořeny cca 23 (18-30) úrovněmi dělení (223 tj. cca 8 milionů alveolárních saků) mezi tracheou a alveoly – do zhruba prvních 7 dělení mají bronchy: • ve stěně chrupavku a hladkou svalovinu • epiteliální výstelku s řasinkami a gobletovými bb. • submukózní hlenové žlázky • endokrinní bb. - Kulchitsky nebo APUD (amine precursor and uptake decarboxylation) obsahující 5-hydroxytryptamin – dalších 16-18 dělení bronchiol už neobsahuje: • chrupavku • muskulární vrstvu resp. tato se progresivně ztenčuje • skoro žádné Gobletovy bb. v jednovrstevném řasinkovém epitelu • ale obsahují granulované Clara bb. produkující surfaktantu podobnou substanci Struktura dýchacích cest v pásmu kondukce a respirace Alveoly • každá plíce obsahuje cca 300-400 milion alveolů s celk. plochou 40 - 80m2 • buněčné typy tvořící epitelovou výstelku – pneumocyty I. typu • extrémně tenká cytoplasma a tedy minimální bariéra pro výměnu plynů • odvozeny od pneumocytů II. typu • spojeny vzájemně pomocí tight junctions, které omezují přesuny tekutiny mezi kapilárou a alveoly • snadno zranitelné, ale mohou se dělit/regenerovat! – pneumocyty II. typu • je jich poměrně dost ale zaujímají menší plochu než pneumocyty I. typu • zdroj surfaktantu – makrofágy Alveolo – kapilární bariéra • Alveolární epitelie – pneumocyty typu I – pneumocyty typu II • Kapilární endotel – ne-fenestrovaný • Intersticium – buňky (velmi málo!) • fibroblastsy • kontraktilní bb. • imunitní bb. (intersticiální makrofágy, mastocyty, …) – ECM • elastinová a kolagenová vlákna Obranné mechanizmy – shrnutí (detaily později) ABNORMALITY VENTILACE & PLICNÍ MECHANIKY Respirace vedoucí k výměně plynů zahrnuje • ventilace = mechanický proces – dýchání v užším slova smyslu • difuze = chemický proces – přestup plynů skrze alveolo-kapilární bariéru • perfuze = cirkulační proces – cirkulace krve plicní cirkulací 11 úmrtí na plicní onemocnění je téměř vždy důsledkem neschopnosti překonat alterované mechanické vlastnosti plic nebo hrudní stěny (nebo obou) Mechanika ventilace – dechový cyklus • tlaky a tlakové gradienty – tlak na povrchu těla (body surface, Pbs) • obvykle totožný atmosférickému tlaku (Pao) – alveolární tlak (Palv) – „elastický“ tlak (Pel) • generovaný plicním parenchymem a povrchovým napětím – pleurální tlak (Ppl) – trans-pulmonální lak (PL) • tlakový rozdíl mezi alveolem a pleurální dutinou • PL = Palv - Ppl – trans-torakální tlak (Prs) • tlakový rozdíl mezi alveolem a povrchem těla • determinuje aktuální fázi ventilace, tj. inspirium nebo expirium • Prs = Palv - Pbs Plicní objemy a kapacity (tj. ≥ 2 objemy) • poměr RV ku TLC (RV/TLC ratio) je u zdravých jedinců méně než 0.25 • u většiny plicních nemocí je zvýšen RV/TLC poměr, a to následovně: – obstrukční nemoci v důsledku  RV – restrikční nemoci v důsledku  TLC Ventilace (dýchání) jako mechanický proces • Nádech/inspirium – aktivní proces, který je výsledkem poklesu bránice a pohybu žeber nahoru a ven účinkem kontrakce interkostálních svalů • v klidu je v naprosté většině u zdravého člověka dostatečná kontrakce bránice – dýchací svaly jsou v zásadě kosterní svaly, nicméně mnohem méně náchylné k únavě • jejich únava může hrát roli při vzniku respiračního selhání jak v důsledku svalových či neurologických poruch tak i pro závažnou chronickou obstrukci dýchacích cest – nádech proti zvýšenému odporu může vyžadovat zapojení pomocných dýchacích svalů • krční (mm. sternocleidomastoidei a scaleni), ramena, záda • Výdech/expirium – normálně pasivní proces, který je výsledkem relaxace dýchacích svalů a elastického smrštění plic (elastický recoil) – při námaze či při obstrukci je nutné zapojení pomocných dýchacích svalů • břišní stěna a vnitřní interkostální svaly Dýchací svaly Plicní mechanika zahrnuje dva typy odporů • (1) STATICKÝ = elastická smrštivost – = mechanické vlastnosti plic (a hrudní stěny), které se nemění v čase • (2) DYNAMICKÝ = rezistence dýchacích cest – vlastnosti plic a konvekčního pásma dýchacích cest, které se mění v čase • tlak nutný k roztažení plic musí překonat oba typy odporů • energie potřená pro dýchací svaly k překonání těchto odporů je za normálních okolností velmi malá – 2-5 % celkové spotřeby O2 • ale dramaticky roste při zvýšení některého z odporů (až ke 30%) • Relationship between transpulmonary pressure (PL) and the pleural (Ppl), alveolar (PA), and elastic recoil (Pel) pressures of the lung • Alveolar pressure is the sum of pleural pressure and elastic recoil pressure • Transpulmonary pressure is the difference between pleural pressure and alveolar pressure (ad 1) Elastické vlastnosti plic a dýchacích cest • jsou zodpovědné za přirozenou tendenci se smršťovat a toto generuje negativní tlak v pleurální dutině – síla těchto retrakčních sil je úměrná objemu plic • např. při větších plicních objemech je plíce roztažena více a tím je generován negativnější intrapleurální tlak – na konci klidného výdechu je retrakční síla plíce v rovnováze s tendencí hrudní stěny k tomu se „rozevřít“ ven • v tomto okamžiku jsou respirační svaly v klidu a plicní objem odpovídá funkční reziduální kapacitě (FRC) – v případě malých dýchacích cest je jejich otevření výsledkem radiální trakce generované elastickými vlákny parenchymu the system of airway elastic fibres Situace při dosažení FRV • elastická smštivost plic má tendenci zmenšovat objem plíce (dovnitř), naopak smrštivost hrudní stěny ven má tendenci objem zvětšovat = při FRC jsou v rovnováze a svaly jsou relaxované • pokud se otevře hrudník (hrudní chirurgie) nebo při traumatickém pneumothoraxu, plíce se smrští na objem, kdy je transpulmonární tlak roven nule – hrudník se rozevírá – plíce kolabuje, nicméně není úplně bezvzdušná – zůstává cca 10% TLC The transmural pressure across the respiratory system at FRC is zero. At TLC, both lung pressure and chest wall pressure are positive, and they both require positive transmural distending pressure. The resting volume of the chest wall is the volume at which the transmural pressure for the chest wall is zero, and it is approximately 60% of TLC. At volumes greater than 60% of TLC, the chest wall is recoiling inward and positive transmural pressure is needed, whereas at volumes below 60% of TLC, the chest wall tends to recoil outward Elastickou smrštivost určují dva typy sil • Plicní poddajnost/compliance (“roztažnost”) – viz křivka plak-objem plíce – definována jako změna objemu plíce způsobená jednotkou změny transpulmonárního tlaku (L/kPa) • CL = ∆𝑉 ∆𝑃 • Povrchové napětí generované vrstvou tekutiny pokrývající povrch alveolu – dáno kohezivními silami mezi molekulami stejného typu • na vnitřním povrchu všech alveolů je tekutina která klade odpor roztažení plíce a toto by generovalo celkové obrovské povrchové napětí • aplikovaný LaPlaceův zákon: pokud by povrchové napětí generované danou tekutinou bylo stejné, pak snížení poloměru (r) během výdechu zvýšilo tlak (P) a menší alveoly by se vyprázdnily do větších a v konečném důsledku fůzovaly v menší počet větších alveolů – tato „kolabující tendence“ je balancována plicním surfaktantem výrazně snižujícím povrchové napětí Plicní surfaktant • Komplexní směs lipidů a proteinů na povrchu alveolů (tedy rozhraní kapalné a plynové fáze) redukující povrchové napětí – povrchová vrstva je tvořena fosfolipidy (dipalmitoyllecithin) – hlubší vrstva (hypofáze) tvořena proteiny (SP-A, -B, -C, -D) • Surfaktant udržuje plicní objem na konci expirace • Kontinuálně a velmi rychle recykluje – ovlivněno hormony vč. glukokortikoidů • porucha maturace plic u předčasně narozených novorozenců Pulmonary surfactant adsorption to the interface and surface film formation. Processes that may contribute to transport of surface active surfactant species to the interface include 1) direct cooperative transfer of surfactant from secreted lamellar body-like particles touching the interface, 2) unravelling of secreted lamellar bodies to form intermediate structures such as tubular myelin (TM) or large surfactant layers that have the potential to move and transfer large amounts of material to the interface, and 3) rapid movement of surface active species through a continuous network of surfactant membranes, a so-called surface phase, connecting secreting cells with the interface. Perez-Gil J , Weaver T E Physiology 2010;25:132-141 ©2010 by American Physiological Society Změny elastických vlastností • změna plicní poddajnosti (TLC, FRC, RV) –  plicní emfyzém, do jisté míry stárnutí (TLC, FRC, RV) –  intersticální procesy (TLC, FRC, RV) • např. plicní fibróza, intersticiální edém nebo bronchopneumonie • porucha surfaktantu (TLC, FRC, RV) – novorozenecký nebo adultní syndrom dechové tísně (distress, IRDS nebo ARDS, resp.), tj. tendence ke kolapsu plíce a edém – alveolární edém (poškození/diluce surfaktantu) • nemoci ovlivňující pohyblivost hrudníku či bránice – morbidní obesita – postižení hrudní páteře • např. ankylozující spondylitida a kyfoskolióza – neuropatie • např. Guillain-Barré syndrom – poškození n. frenicus (segmenty C3-C5) – myasthenia gravis (ad 2) Dynamická rezistence dýchacích cest • Plyn proudí v dýchacích cestách pokud existuje tlakový gradient • aplikovaná fyzika pro proudění v dýchacích cestách (odpor, viskozita, typ proudění, …) – Poiseuille zákon říká, že tlak je • přímo úměrný toku, délce trubice a viskositě • nepřímo úměrný poloměru • Překonání zvýšené rezistence vyžaduje usilovný výdech – proč Proudění vzduchu v dýchacích cestách Kde je nejvyšší resistence v dýchacích cestách? Proudění vzduchu v dýchacích cestách • od trachei po periferii se dýchací cesty stávají stále užšími, ale početnějšími! – příčný průřez roste s počtem dýchacích cest s jejich větvením – rychlost toku vzduchu je nejvyšší v trachei a klesá progresivně k periferii (rychlost toku závisí ploše příčného průřezu) • se začátkem respiračního pásma, tj. od terminálních bronchiolů, je tok plynů realizován prakticky výhradně difuzí – viz depozice prachových částic a jiných partikulí zde a ne v alveolu • Celkově je rezistence k proudění vzduchu velmi nízká (0.1-0.2 kPa/L u zdravého člověka), ale kontinuálně roste směrem od malých po velké dýchací cesty • Tonus dýchacích cest je kontrolován autonomním nervovým systémem – bohatá vagová eferentní inervace – mnoho adrenergních receptorů na povrchu bronchiálních svalů aktivované cirkulujícími katecholaminy • není anatomická sympatická inervace! • Rezistence v dýchacích cestách je také funkcí plicních objemů – protože dýchací cesty jsou „napnuty/rozpjaty“ alveoly (tj. drženy otevřené radiální trakcí) – viditelné při bronchoskopii – pacienti s obstrukcí profitují z dýchání za větších plicních objemů Rezistence dýchacích cest – efekt změny průměru • příklad jak luminální sekret/mukus a bronchokonstrikce při astmatu mění rezistenci v dýchacích cestách – (a) podle Poiseuilleuova zák. je rezistence k toku (R) úměrná reciproční hodnotě poloměru (r) ve čtvrté mocnině – (b) bez hlenu snižuje bronchokonstrikce poloměr dýchacích cest na polovinu a tím zvyšuje rezistenci 16-krát – (c) malé množství/tloušťka hlenu (tM), které normálně redukuje poloměr pouze nepatrně (jednu desetinu) v nekonstrihované průdušce/průdušince (srovnej s panelem a) – (d) stejné množství hlenu společně s bronchokonstrikce velmi významně zvyšuje rezistenci v dýchacích cestách Oba odpory v dýchacích cestách určují dechovou práci • tlak nutný k roztažení plic (generovaný dýchacími svaly) musí překonat oba typy odporů • energie potřená pro dýchací svaly k překonání těchto odporů je za normálních okolností velmi malá – 2 – 5% celkové spotřeby O2 – ale dramaticky roste při zvýšení některého z odporů (až ke 30%) • složky dechové práce – neelastická práce • viskózní odpor = 7 % • odpor dýchacích cest = 28 % – elastická práce = 65 % • dechová práce souvisí s dušností (dyspnoe) – což je subjektivní příznak mnoha onemocnění – popisována jako pocit nedostatku vzduchu nebo ztíženého a namáhavého dýchání Dechová práce Dušnost (dyspnoe) • námahová či klidová – při fyzické námaze je mírný stupeň dušnosti normální, patologickou se stává jen při velmi mírném stupni námahy (např. pomalá chůze) • náhle vzniklá vs. pomalu progredující • ortopnoe – zmírnění typickou polohou v sedě v předklonu – lepší práce dech. svalů a menší žilní návrat • bez ohledu na to jak je dušnost častým symptomem, mechanizmy jejího vzniku nejsou zcela známy • uvažovány následující vlivy: – změna plicních objemů • detekovány receptory ve svalech hrudní stěny při neúměrné změně jejich délky – napětí generované svaly při kontrakci • vnímáno Golgiho šlachovými orgány – rozlišují mezi normálním sval. napětím a napětím při oslabení nebo patologii – centrální percepce dechového úsilí (chemoreceptory, neokortex, … ?) běžné příčiny dyspnoe Rozdíl mezi klidovým a usilovným výdechem Rozdíl mezi klidovým a usilovným výdechem • pohyb vzduchu dýchacími cestami je vždy výsledkem tlakových gradientů mezi alveoly a vnějším prostředím – alveolární tlak (PALV) je roven elastické smrštivosti plíce (PEL) plus intrapleurálnímu tlaku (PPL) – pozitivní PALV během expiria a negativní během inspiria • během klidného dýchání je podtlak v pleurální dutině zodpovědný za distenzi dýchacích cest – při usilovném výdechu u zdravého člověka (např. kašel) jsou dýchací cesty komprimovány pozitivním pleurálním tlakem přes 10 kPa – dýchací cesty se neuzavírají kompletně, protože tlakový gradient je udržen rovněž zvýšeným alveolárním tlakem • při usilovném výdechu překročí transmurální tlak jak PALV tak PPL – mezi alveolem a ústy bude bod/úsek (C), kde se tlak v dýchacích cestách vyrovná intrapleurálnímu tlaku = equal pressure point (EPP), za tímto místem dojde ke kompresi dých. cest – EPP není fixní, protože během výdechu dochází k poklesu tlaku a zmenšení plicního objemu, takže se posouvá distálněji – iniciálně je v dých. cestách s chrupavkou a teprve později dochází ke kolapsu • toto má však za následek okamžitý nárůst tlaku v dých. cestách před kompresí a jejich opětovné otevření a pokračování usilovného výdechu – u zdravých tak dých. cesty „vibrují“ kolem EPP = „dynamická komprese“ Proč je výdechová rychlost limitována? EPP a dynamické komprese/kolaps dých. cest Důsledky • dynamické komprese dých. cest způsobuje jejich předčasné uzavření „air trapping“ a vede ke zvýšení plicních objemů • toto nicméně iniciálně napomáhá překonání dynamických odporů protože je zvětšen objem, což zvětšuje kalibr dých. cest a elastickou smrštivost • při progresi obstrukce a dalším zvyšování rezistence, usilovný výdech vázne (circulus vitiosus) • předčasné uzavírání a inspirační „otevírání“ kolabovaných cest vede k typických hlavním a vedlejším poslechovým nálezům • význam PEEP ventilace Spirometrie a základní klasifikace ventilačních poruch Mechanizmy obstrukce dýchacích cest • Zúžení dýchacích cest může nastat v důsledku: – a) kumulace hlenu, sekretu či jiného materiálu v lumen dýchacích cest – b) ztluštění stěny dýchacích cest (hypertrofie) – c) zkrácení hladkých svalů okolo ve stěně dýchacích cest (bronchokonstrikce) – d) kolaps stěny dýchacích cest při ztřátě kontaktů (emfyzém)