Patofyziologie respiračního systému III
Plicní cirkulace & perfuze, limitující faktory
Plicní hypertenze
Plicní embolie
Plicní edém
ARDS
Shrnutí - respirační insuficience
Plicní vs. systémový oběh
• Plíce jsou jediným orgánem, kterým prochází veškerá krev!!!
– v objemu, který se rovná srdečnímu výdeji (cardiac output, CO)
• Tlak je generován pravou komorou (right ventricle, RV)
– pří zvýšení CO (např. fyzická aktivita) musí být plicní cirkulace schopna pojmout objem
bez významného zvýšení práce RV
• distenze a „recruitment“ v klidu uzavřených kapilár
– tj. vzhledem k jiným tlak a objemovým poměrům a délce je i morfologie plicní cév jiná
• méně hladké svaloviny, větší roztažnost tlakem a zvýšeným průtokem
• ale svalovina malých plicních arterií je důležitá – viz hypoxická vazokonstrikce
• Plicní vaskulární rezistence (PVR) kolísá mezi nádechem a nádechem, tedy s
objemem plic (viz dále)
• Plíce mají dvojí krevní zásobení
– deoxygenovaná krev z RV cestou plicní arterie (PA)
– systémové (nutriční) zásobení dýchacích cest (po úroveň resp. bronchiolů) bronchiální
cirkulací
• odstup z descendentní aorty
• bronchiální vény z malé části drénují do pulmonální vény a podílí se tak na fyziologickém
zkratu
• 4 hlavní plicní vény ústí do levé síně (LA)
Plicní vs. systémový oběh
• Plicní cirkulace
–  tlak /  odpor /  poddajnost
• menší tlakový gradient je dostačující k překonání vzdálenosti mezi RV a LA
– odpověď na  PO2
(tj. alveolární hypoxie) – vazokonstrikce
• s cílem optimalizace VA/Q nepoměru, redistribuce krve do lépe ventilovaných oblastí plic
– největší pokles tlaku v plicním kapilárním řečišti
• Systémová cirkulace
–  tlak /  odpor /  poddajnost
• obrovský tlakový gradient je nutný k překonání velké vzdálenosti mezi LV a RA
– odpověď na  PO2
(tj. hypoxemie) – vazodilatace
• s cílem zvýšení průtoku a dodávky kyslíku
– největší pokles tlaku před kapilárním řečištěm
Pokles tlaku mezi začátkem a koncem „malého“ a „velkého“ oběhu
Co determinuje průtok (plicní) cévou – efekt PVR
• Q = P / R
– Q = flow
– P = pressure difference
– R = resistance
Plicní cirkulace – alveolární a extra-alveolární cévy
• alveolární cévy
– kapiláry alveolárních sept
– působí na ně alveolární tlak (měnící se během nádechu a
výdechu)
• nádechem jsou tedy komprimovány
• extra-alveolární cévy
– arterie a vény v intersticiu lemující větvení dýchacích cest
• tvoří tzv. „bronchovaskulární svazek“
– roztahovány „radiální trakcí“ elastických elementů
intersticia
• tudíž nádechem jsou otevírány
– místo, kde se iniciálně
začíná kumulovat tekutina
při plicním edému
Pulmonary vascular resistance - minimal at FRC
Vztah mezi objemem plic a PVR
• PVR je hlavní determinantou afterloadu
RV
• významně roste při obou extrémech
objemu plic
– během nárůstu z reziduálního objemu (RV)
k celkové plicní kapacitě (TLC) “alveolární”
cévy (červeně) jsou zvýšeně komprimovány
zvýšeným alveolárním tlakem, takže jejich
rezistence roste
– zatímco “extra-alveolární” cévy (modře) se
dilatují (a napřimují) s inflací plic
• u zdravého člověka tyto protichůdné
efekty inflace určují minimální PVR při
funkční reziduální kapacitě (FRC)
Při fyzické zátěži se zvyšuje CO - „recruitment“ a
distenze plicních kapilár
„Starling resistor“ – efekt alveolárního tlaku na průsvit cév
Nerovnováha mezi mezi ventilací a perfuzí
• distribuce krve v plicích je fyziologicky
nerovnoměrná vlivem gravitace /
hydrostatického tlaku
– roste od apexu k bázím plic
• toto přispívá k jistému nepoměru mezi
VA/Q ratio i u zdravých lidí
– vezmeme-li v úvahu efekt alveolárního tlaku
na perfuzi můžeme definovat teoretické zóny
plic (1 – 3)
• vzhledem k větší perfuzi bází plic je
příspěvek těchto oblastí větší
Koncept plicních zón
• zóna 1
– u normální plíce (ve vzpřímeném postoji)
prakticky neexistuje
– patologicky se zvětšuje u
• hypotenze/hypovolemie (např. krvácení)
• mechanická ventilace plic pozitivním přetlakem
• zóna 2
– průtok je určen rozdílem Pa a PA a ne
tlakovým gradientem Pa – Pv
– patologicky se zvětšuje u
• hypoventilace a dýchání s malých TD
• zóna 3
– průtok je určen rozdílem Pa – Pv, protože
oba jsou větší než alveolární tlak (PA)
– patologicky se zvětšuje u
• PH a atelektázy
PLICNÍ HYPERTENZE
Plicní hypertenze
• definována jako abnormální vzestup krevního tlaku v plicnici
– nejedná se o onemocnění (s výjimkou primární PAH), ale hemodynamickou
abnormalitu, která provází řadu onemocnění
• kritéria PH – tlak v a. pulmonalis
– systolický tlak > 35 mmHg,
– střední tlak > 25 mmHg,
– diastolický tlak > 12 mmHg
• Z hlediska hemodynamiky a rozlišujeme:
– prekapilární PH
• normální tlak v zaklínění
– sk. 1, 3, 4 a některé 5
– postkapilární PH
• sk. 2
– hyperkinetickou PH
• některé 5 – např. hyperthyreóza, srdeční vady (komunikace) aj.
• Z hlediska příčin rozlišujeme:
– plicní arteriální hypertenze (PAH),
– PH při onemocnění levého srdce,
– PH u respiračních chorob a nebo při hypoxémii,
– PH u chronické trombotické nebo embolické nemoci,
– PH z jiných příčin
Pravostranná plicní katetrizace ke zjištění PAP a PCWP
(jako aproximace PLA)
Plicní hypertenze (mean PAP >25 mmHg)
(A–G): důvod nárůstu tlaku v plicnici
• A - pulmonary arteries and arterioles:
– pulmonary arterial hypertension
– pulmonary hypertension associated with lung diseases
(PH-lung)
• B - pulmonary venules:
– pulmonary veno-occlusive disease
• C - pulmonary veins:
– PV stenosis
• D - left atrium:
– stiff LA
• E - mitral valve:
– mitral stenosis
– mitral regurgitation
• F - left ventricle:
– heart failure with reduced ejection fraction
– heart failure with preserved ejection fraction
• G left ventricular outflow tract:
– aortic stenosis
Primární/idiopatická/familiární PAH
• důsledkem remodelace stěn
plicních arterií
– hypertrofie hladké svaloviny
medie
• zvýšení rezistence plicních arterií a
tím i ke zvýšení tlaku v plicním
řečišti
• tlak v zaklínění normální (do 12
mmHg)
• velmi vysoké hodnoty středního
tlaku v plicnici (okolo 60 mmHg)
• velmi špatná prognóza
onemocnění, naštěstí vzácná
• genetická predispozice
Plicní hypertenze u respiračních chorob
• primární onemocnění je v plicích
• typicky jde o prekapilární
hypertenzi
– tlak v zaklínění je normální
• etiologie
– CHOPN
– intersticiární fibróza
– syndrom obstrukční spánkové
apnoe
– aj.
• cor pulmonale
Hypoxická plicní vazoconstrikce (HPV)
• fyziologický fenomén – konstrikce malých arterií plic při
alveolární hypoxii
– u hypoventilace a nízkého VA/Q poměru
• je to homeostatický mechanismus vlastní plicní vaskulatuře
– odklonění krve k lépe ventilovaným oblastem plica tedy
optimalizace ventilačně – perfuzního poměru a systémové
dodávky kyslíku
• mechanismus
– v odpovědi na nízký kyslík v alveolu se v mitochondrii mění
produkce ROS a „redoxní coupling“ toto přenáší na hladké svalové
buňky medie pulmonálních arterií
– toto blokuje draslíkové kanály, depolarizuje a aktivuje napěťově
řízené kalciové kanály
– zvýšení intracel. Ca vede k vazokonstrikci
– přetrvávající hypoxie aktivuje rho kinase a hypoxia-inducible factor
(HIF)-1α, což vede k cévní remodelaci a plicní hypertenzi (PH)
– následkem výšení předtížení RV je její remodelace (hypertrofie),
tedy cor pulmonale
• primární role HPV je udržení vysoké PVR ve fetální cirkulaci u
neventilovaných fetálních plic - HPV divertuje krev do
systémové vaskulatury
Mechanism of HPV The current model of the
cellular mechanism of hypoxic
pulmonary vasoconstriction in
a rat pulmonary artery (PA).
Relevant ion channels are
displayed. Under normoxia,
the membrane potential of
the smooth muscle of the PA
is held at approximately −50
mV because of the TASK-like
background current of a K +
channel. Hypoxic conditions
initially decrease TASK activity.
When combined with TXA 2 ,
activation of NSC induces
membrane depolarization up
to the threshold voltage for
activation of K v channels
(Step 1). In addition to the
NSC activation, hypoxic
inhibition of the K v current
further depolarizes the
membrane potential (Step 2).
As the membrane potential
depolarizes above −40 mV, the
activation of VOCC L
eventually allows for Ca 2+
influx for contraction of
smooth muscles. K v , voltagegated
K + channel; NSC,
nonselective cation channel;
TASK-1, background-type K +
channel with a two-pore
domain (K2P); TXA 2 ,
thromboxane A 2 ; VOCC L ,
voltage-gated L-type Ca 2+
channels.
Chronická tromboembolická plicní hypertenze (CTEPH)
• stav, kdy po plicní embolii nedojde ani přes
adekvátní terapii k dostatečné rekanalizaci
trombů
– naopak dochází k jejich reorganizaci, fibrotizaci,
trvalému přichycení ke stěně arterií a možnému
následnému narůstání
– cca 2 – 4 % pacientů po proběhlé plicní embolii
• tlak v zaklínění je normální
– může být při přítomnosti trombů obtížné jej
katetrizačně měřit
• v závislosti na rozsahu PE
– masivní – akutní cor pulmonale a příp. úmrtí
– střední – porucha VA/Q (mrtvý prostor),
přetížení RV
– drobná – často bez příznaků
• PE typicky následek hluboké žilní trombózy
Plicní embolie jako následek hluboké žil. trombózy
PLICNÍ EDÉM
Plicní edém
• definice: abnormální akumulace tekutiny v
extravaskulárním prostoru plic
• co určuje distribuci tekutin v plicním parenchymu?
– (1) hydrostatický tlak
• favorizuje filtraci v plicích, protože je pozitivní oproti tlaku v
intersticiu
– (2) onkotický tlak (zejm. albumin)
• inhibuje filtraci, protože je velmi nízký v intersticiu
– (3) permeabilita
• permeabilita kapilární vrstvy  alveolární vrstvy
– rozdílná mezibuněčná spojení
• částečně propustné pro albumin
• výsledkem je malý tlakový gradient do intersticia, ale
ne do alveolu!!!
– alveolární epitelie aktivně „pumpují tekutinu“ ven
• Na/K ATPasa
• aquaporiny
• CFTR
• plicní edém vede k poruše výměny plynů ( difuze) a
dušnosti (popř. kašel – suchý nebo vlhký)
– změna poddajnosti a peribronchiální edém
Plicní kapiláry – Starlingovy síly
Ochrana plic proti edému
Zásadní role lymfatického systému plic
Patofyziologie plicního edému
• kardiogenní
– následek onemocnění srdce a násl. plicní hypertenze
• LVHF
• nekomp. SAH
• mitrální (aortální) stenóza
– zvýšen hydrostatický tlak
• ne-kardiogenní
– následek poškození alveolů nebo kapilár
• inhalace toxických substancí
• infekce
• trauma hrudníku
– systémové faktory
• sepse
• nízký onkotický tlak (játra, ledviny)
– zvýšena permeabilita nebo snížen onkotický tlak
Plicní edém – RTG – intersticiální vs. alveolární
ARDS (syndrom dechové tísně dospělých)
• synonyma šoková plíce, syndrom
hyalinních membrán, post-traumatická
plíce, …
• mortalita klesá, ale stále vysoká
– 35 – 45%
• etiologie
– pulmonální (primární ARDS)
• aspirace žaludečního obsahu (2nd)
• pneumonie
• inhalační trauma
• plicní kontuze
• tonutí
• tuková embolie
• reperfuzní poranění po transplantaci plic
– etrapulmonální (sekundární ARDS)
• sepse/septický šok (1st)
• trauma – hypovolemický šok
• pankreatitida (SIRS)
• intoxikace léky
• opakované transfuze
ARDS (syndrom dechové tísně dospělých)
• průběh
– latentní – působení vyvolávající příčiny
– akutní fáze – začne jako intersticiální a pokračuje do alveolárního
edému
• průnik neutrofilů a aktivace, uvolnění proteáz a oxidační stres
• destrukce surfaktantu ( povrchové napětí a atelektázy), alveolárních
epitelií (I i II) a plicního parenchymu
• alveolární edém s vysokým obsahem proteinů
• hyalinní membrány (nekrotické epitelie a fibrin)
• aktivace trombocytů a mikrotrombotizace kapilár
– proliferativní/hojení
• ústup edému
• chronický zánět, aktivace myofibroblastů, neovaskularizace
• re-epitelizace alveolů (typ II)
– pozdní
• difuzní intersticiální fibróza
• event. tvorba cyst
• klinicky změna poddajnosti plic, porucha difuze
• může vyžadovat dlouhou mechanickou ventilaci
• závažnost lze odhadnout dle poměru PaO2/FiO2
– např. PaO2 60 mmHg při dýchání 80% O2 = 60/0.8 = 75
– normálně > 300, těžký průběh < 100
RESPIRAČNÍ INSUFICIENCE JAKO MOŽNÉ VYÚSTĚNÍ CELÉ ŠKÁLY
PLICNÍCH NEMOCÍ A STAVŮ
„Kyslíková kaskáda“ určující fyziologický PaO2
V/Q mismatch –
causes difference
in PO2 between
pulmonary
capillaries and
pulmonary vein
Klasifikace příčin hypoxemie ( PaO2)
• (1) Hypoventilace ( V'A)
– PaO2 je nízký kvůli nízkému PAO2 při retenci CO2 (viz )
• za předpokladu normálního atmosférického tlaku a normální FiO2
• (2) Porucha difuze
– (a) nízká koncentrace nebo parciální tlak kyslíku ve inspirovaném
vzduchu
• např. vysoká nadmořská výška
–  PaO2 při  PAO2 při  atmosférickém tlaku a normálním FiO2
• nebo vydýchaný vzduch v uzavřeném prostoru bez cirkulace nebo hoření
– (b) zkrácení doby průchodu krve kapilárou (normálně cca 0.75s)
– (c) ztluštění alveolo-kapilární bariéry
•  PaO2 při normálním PAO2 a atmosférickém tlaku a FiO2
• tj.  P(A-a)O2
• (3) R-L zkrat
–  PaO2 při normálním PAO2 a atmosférickém tlaku a FiO2
• tj.  P(A-a)O2
• (4) Ventilačně – perfuzní nepoměr
–  PaO2 s variabilním PAO2 (heterogenita ve ventilaci mezi alveoly)
při normálním atmosférickém tlaku a FiO2
Respirační insuficience (RI)
• cílem respirace je udržet optimální hodnoty krevních plynů
prostřednictvím jejich výměny se zevním okolím
• tzn. definitorickým kritériem RI jsou hodnoty krevních plynů!
• PaO2 ≤60 mmHg a příp. PaCO2 ≥ 50 mmHg
– ↓PaO2 (hypoxemie) je konstantní komponenta RI
• pokles pod 60 mmHg má už efekt na saturaci Hb
– ↑PaCO2 (hyperkapnie) může být součástí (typicky porucha ventilace a
VA/Q mismatch), ale často vidíme normo- nebo hypokapnii (v důsledku
hyperventilace)
• klasifikace RI
– typ I neboli parciální neboli hypoxemická
• ↓PaO2 10 kPa a normální nebo ↓PaCO2
• neostatečná oxygenace krve při poruše difuze, zkratu a VA/Q
– např. porucha perfuze při PE nebo dominantní emfyzém
– typ 2 neboli globální neboli ventilační
• ↓PaO2 10kPa and PaCO2 6 kPa
• porucha mechanické ventilace
– kompenzovaná – normální pH krve
» retence bazí a acidifikace moči
– dekompensovaná – pokles pH krve < 7,36 (respirační acidóza)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 20 40 60 80 100 120
PaCO2(mmHg)
PaO2 (mmHg)
Respirační insuficience
• důvodem RI může být porucha jakékoliv z funkcí
respiračního systému – ventilace, difúze i perfúze plic a nebo
jejich kombinací
• dynamika
– akutní RI = rychle se rozvinuvší onemocnění plic u před tím
zdravého člověka
• infekce, ARDS, , obstrukce dých. cest, hypoventilace, …
– exacerbace resp. progrese do té doby chron. onemocnění
(„acute–on–chronic“ RI)
– chronická RI
• charakter poruchy výměny krevních plynů je u různých
nemocí a stavů rozdílný:
– A – čistá hypoventilace
• např. intoxikace/útlum CNS, neuromuskulární, trauma hrudníku,
obstrukce horních dých. cest, pneumothorax
– B –  VA/Q
• např. chron. bronchitida, astma
– C – intersticiální onemocnění plic
• fibróza, edém, bronchopneumonie
– D – R-L zkrat
• ASD, VSD, PDA
– E – efekt oxygenoterapie
A
C
B
D
E
Kyslík může být jak „perfusion“ tak „diffsuion“ limited
• za fyziologických okolností je kyslík „perfusion-limited“ plyn, tj. po dubu průchodu krve kapilárou se
při norm. PAO2 kompletně ekvilibruje
• patologicky může být omezeno např. zvýšením/zrychlením plicní perfuze (globálně či regionálně)
– např. oblast mimo PE, hyperkinetická cirkulace, …
• patologicky může být kyslík i „diffusion-limited“ plyn, tj. v důsledku změn parametrů difuze
(rozpustnost, plocha, gradient, vlastnosti membrány) nedochází ke kompletní ekvilibraci
– např. intersticiální onem. plic, edém ale také extrémní fyzická zátěž
Akutní vs. chronické RI
Klinický obraz RI
• tachypnoe, dyspnoe, zapojení pomocných dýchacích svalů;
• tachykardie;
• poslechový nález s oslabením až vymizením dýchacích šelestů;
• cyanóza;
• anxiozita, agitovanost, kvantitativní porucha vědomí.[1]
• Hypoxemie dráždí periferní chemoreceptory, čímž dojde k hyperventilaci. Na podkladě
aktivace sympatiku vzniká tachykardie, tachypnoe, úzkost a zvýšené pocení. Při další
progresi hypoxemie se přidávají neurologické příznaky jako je snížení mentálního
výkonu, zmatenost a případně oběhová nestabilita (změny krevního tlaku a srdeční
frekvence). Při další progresi selhává i ventilace, což vede k hyperkapnii s útlumem
CNS.[2]
• Hyperkapnie se projevuje změnami vědomí (spavost může být vystřídána neklidem,
třesem a bolestí hlavy). U těžší hyperkapnie může být nitrolební hypertenze. Při dalším
vzestupu pCO2 nastupuje kóma. Centrální cyanóza bývá zejména u chronických
pacientů s polycytémií.[2]
pO2
kidney
erythropoetin
Blood marrow
erytropoesis
Sugar
Lipids
Proteins
cell
+ O2 CO2
CO2
H2O
mitochondria
mitochondria
Histotoxic hypoxia
Hypoxic hypoxia
O2
Circulation hypoxia (ischemic)
Anemic hypoxia
RI je jednou z
příčin
generalizované
hypoxie
Multidimenzionální klasifikace nemocí plic
• prakticky každý stav může být charakterizován mnoha
parametry
– je omezena ventilace a jak?
• spirometrie, krevní plyny a další
– obstrukční (FEV1) vs. restrikční (FVC, TLC)
– je ovlivněna výměna plynů a jak?
• analýza krevních plynů, ABR aj.
– 4 příčiny hypoxemie (hypoventilace,  difuze, R-L zkrat, VA/Q mismatch)
– příp. jaký typ RI podle příp. CO2 retence
• hypoxemická (typ 1, parciální) vs. hyperkapnická (typ 2, globální) RI
– je příp. porucha ABR kompenzované či (tj. akutní nebo
chronická)?
• respirační acidóza vs. alkalóza
– jaká je klinická symptomatologie?
• kašel / dušnost / cyanóza / změna frekvence a hloubky dýchání