Úvod do PF respiračního systému
Vztah struktury a funkce dýchacích cest a plic
- obranné mechanismy dýchacíchcest a plic
Komponenty respirace vedoucí k její základní roli = výměna plynů
- ventilace & difuze & perfuze
Ventilace – mechanika dýchání
- tlaky
- objemy a kapacity
- statický a dynamický odpor
- dynamické komprese
- obstrukce vs. restrikce
Difuze – princip výměny plynů v plicích
- alveolo-kapilární membrána
- „kyslíkovákaskáda“
Plicní cirkulace – základní principy
Zahřívací otázky
• (1) proč dýcháme???
• (2) jak dýcháme???
– princip klidového dýchání
• (3) kdy dýcháme???
– pořád (vitální funkce), smrt = „dodýchal“, „vydechl naposledy“
VZTAH STRUKTURA-FUNKCE JAKO DŮLEŽITÝ FAKTOR
PORUCH RESPIRACE & DŮVODY JEJICH PORUCHY
Respirace vedoucí k výměně plynů zahrnuje
• (1) ventilace= mechanický proces
– dýchání v užším slova smyslu
• (2) difuze = chemický proces
– přestup plynů skrze alveolo-kapilární bariéru
• (3) perfuze = cirkulačníproces
– cirkulace krve plicní cirkulací
4
úmrtí na plicní onemocnění je téměř vždy důsledkem
neschopnosti překonat alterované mechanické
vlastnostiplic nebo hrudní stěny (nebo obou)
Delikátní propojení struktury a funkce
• Zásadní funkce respiračního systému spočívá ve výměně plic, tj. extrakci
kyslíkuze 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 tenisovéhokurtu) 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 klíčovéa jsou zajištěny kombinací
strukturních a imunologickýchmechanismů
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
Obranné mechanizmy – shrnutí (detaily později)
Mukociliární eskalátor
• Kondukčnípásmo (= anatomickýmrtvý prostor)– g1-15
• nos (ústní dutina)
• larynx
• trachea
• hlavní bronchy& bronchioly
– vedenívzduchu, zvlhčení& ohřátí,eliminaceznečišťujících částica
ochrana
• Respirační(acinární) pásmo (= výměna plynů) – g16 - 23
• respirační bronchioly
• alveolární dukty& saky
• alveoly
– alveolárníventilace
• koncepce plicníhoacinu
– funkční 3-D jednotka – část parenchymu kdejsou veškeré dýchací
cesty větvenímkaždéhojednotl.terminálního bronchiolu (ajsou
rovněžvšechny„alveolizované“,tudíž participujínavýměně
plynů)
• 3 generace větvení respiračních bronchiolůa násl.cca 8 generací větvení
alveolárních duktů
• každýplicní lalůček(= anatomická jednotka)obsahuje 10 – 30 acinů
Funkční klasifikace dýchacích cest
Alveoly
• každá plíce obsahuje cca 300-400 milion
alveolů s celk. plochou 40 - 80m2
• buněčné typy tvořící epitelovouvýstelku
– pneumocytyI. typu
• extrémnětenkácytoplasma a tedy minimální
bariéra pro výměnu plynů
• odvozeny od pneumocytůII. typu
• spojeny vzájemněpomocítight junctions,které
omezujípřesuny tekutiny mezi kapilárou a alveoly
• snadno zranitelné, ale mohou se
dělit/regenerovat!
– pneumocytyII. typu
• je jich poměrnědostale 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
(1) PRINCIP VENTILACE A DŮVODY JEJÍCH
ABNORMALIT
Ventilace (dýchání) jako mechanický proces
• Nádech/inspirium
– aktivní proces, který je výsledkem poklesu bránice a pohybu
žeber nahoru a ven účinkem kontrakce zevních interkostálních
svalů
• v klidu je v naprosté většině uzdravého člověkadostatečná
kontrakce bránice,nicméně dá se žít i s paralýzou bránice
– dýchací svalyjsou v zásadě kosterní svaly,nicméně mnohem
méně náchylné k únavě
• jejich únava může hrát roli při vzniku respiračního selhání jak v
důsledku svalovýchči neurologickýchporuchtak i pro závažnou
chronickouobstrukci dýchacíchcest
– nádech proti zvýšenému odporu může vyžadovatzapojení
pomocných dýchacích svalů
• krční (mm. sternocleidomastoidei a scaleni),ramena,záda
(serratus)
• Výdech/expirium
– normálně pasivní proces, který je výsledkem relaxace
dýchacích svalů a následného elastického smrštěníplic
(elastický recoil + povrchové napětí)
– při námaze či při obstrukci je nutné zapojení pomocných
dýchacích svalů
• břišní stěna a vnitřní interkostální svaly
Normální klidové dýchání
Boyle-Mariottův zákon
(platný pro ideální plyn)
Mechanika ventilace – dechový cyklus
• tlaky a tlakové gradienty
– tlak na povrchu těla (body surface, Pbs)
• obvykle totožný atmosférickému tlaku
(Pao)
– i-alveolární tlak (Palv)
– elastický/kolabující tlak (Pel)
• generovaný plicním parenchymem a
povrchovým napětím
– i-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
Mechanické vlastnosti hrudní stěny vs. plic = protisměrná
elastická smrštivost
plícemá tendencise smršťovat
(povrchové napětí+ elasticita
parenchymu)
hrudník má tendenciserozpínat
(anatomie hrudního koše a
svalstva)
výslednárovnováha
Pneumotorax = absence neg. i-pleurálního P
Je negativní hodnota i-pleurálního tlaku homogenní?
situace na konci klidového expiria
gravitacea vlastníváhaplic snižují negativitu
při bázích (naopakv oblastiapexů)
Plicní objemy a kapacity (tj. ≥ 2 objemy)
• poměr RV ku
TLC (RV/TLCratio)
je u zdravých
jedinců méně než
0.25
• u většiny plicních
nemocí je zvýšen
RV/TLCpoměr, a
to následovně:
– obstrukčnínemoci
v důsledku RV
– restrikčnínemoci
v důsledku TLC
Spirometrie
• absolutně nejčastější plicní funkční test (pulmonary
function tests, PFTs)
• umožňuje klasifikovat ventilační poruchy
– obstrukční
– restrikční
• využitelná pro provokační testy
– COPD vs. astma  bronchodilatator(sa-B2agonista)
PEFR
Je rozdíl mezi klidovým a usilovným výdechem!
Limitace spirometrie
• spirometrie měří všechny objemy a
kapacity s výjimkou těch
obsahujících RV
– RV, FRC a TLC
normálně80% FVC
RV (normálně
20%TLC)
TLC
Spirometrie a základní klasifikace ventilačních poruch
nemůžu dostatečněvydechnout
nemůžu se dostatečněnadechnout
Obstrukční Restrikční
problém je v dýchací cesty (bronchya bronchioly) plicní parenchym
abnormalita
ventilace
expirium – nelze dostatečněvydechnout
(obstrukce výdechu)
inspirium – nelze dostatečněnadechnout(restrikce
nádechu)
příklady nemocí bronchiální astma extrinsické (není problém v plíci)
COPD (tj. chronickábronchitida+ emfyzém) deformitahrudníku (např.kyfoskolióza),
bronchiektasie neurologické (Guillan–Barré,paralýzabránice,ALS)
bronchiolitida útlum respiračníhocentra
břicho (těhotenství,hepato-/splenomegalie,ascites,…)
intrinsické (problémv plicní tkáni) – plicní fibrózapři
pneumokonióze (silikóza, azbestóza,…)
autoimunní (SLE,sklerodermie, RA, …)
léky indukované (cytostatika,…)
idiopatickáplicní fibróza
akutní reversibilní (pneumonie, plicní edém, …)
spirometrie FEV1,FVC,FEV1/FVC,normálnínebo TLC
(soudkovitý hrudník), RV
FEV1,FVC,FEV1/FVC,normální nebo TLC,RV
další známky DLCO normální, A-a gradientviz dále
dýchání hypo- nebo hyperventilace hyperventilace
Plicní mechanika zahrnuje dva typy odporů
• (1) STATICKÝ = elastická smrštivost
– = mechanickévlastnostiplic (a hrudní
stěny), kterése nemění v čase
• (2) DYNAMICKÝ = rezistence dýchacích
cest
– vlastnosti plic a konvekčního pásma
dýchacích cest,kterése 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 % celkovéspotřeby 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 dýchacíchcest je jejich
otevření výsledkem radiální trakce
generované elastickými vlákny
parenchymu
the systemof airway
elastic fibres
Situace při dosažení FRV
• elastická smrštivost 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
• jednostranně
– plíce kolabuje,nicméněnení úplně
bezvzdušná
• minimálníobjem– zůstávácca 10%
TLC – proč????
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
• (1, 2 a 3) Povrchovénapětígenerované vrstvou
tekutiny pokrývajícípovrchalveolu
– dáno kohezivními silami mezi molekulami stejného typu
• na vnitřním povrchu všech alveolů je tekutina která klade
odpor roztažení plíce a toto generuje 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“ resp. přesněji povrchové
napětí ne rozhraní tekutina plyn je balancována plicním
surfaktantem
• (4) Plicní elasticita/compliance(“recoil”)
– viz křivka plak-objem plíce
– definována jako změna objemu plíce způsobená
jednotkou změny transpulmonárního tlaku (L/kPa)
• CL =
∆𝑉
∆𝑃
Historická miskoncepce
Plicní surfaktant
• Komplexnísměs lipidůa proteinůna
povrchu alveolů (tedy rozhraníkapalnéa
plynovéfáze) redukujícípovrchovénapětí
– povrchová vrstvaje tvořena fosfolipidy
(dipalmitoyllecithin)
– hlubšívrstva (hypofáze)tvořenaproteiny
(SP-A, -B, -C, -D)
• Surfaktantudržuje plicníobjemna konci
expirace
• Kontinuálněa velmi rychle recykluje
• Tvoříse relativněpozdněv průběhu
gestace (od 28. ttg)
– ovlivněno hormonyvč. glukokortikoidů(taky
thyroxina prolaktin)
• porucha maturace plicu předčasně narozených
novorozenců
– inhibiceinzulinem
• riziko u matekdiabetičekvč. GDM
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-GilJ , Weaver T E Physiology 2010;25:132-141
©2010 by American Physiological Society
Syndrom dechové tísně novorozenců (nRDS)
• syndrom hyalinních membrán
• léčba surfaktantem
– vepřový nebo modifikovaný hovězí
• sterilní
– syntetický
– next generation
• rekombinantní SP proteiny
• indikace: RDS
– ARDS, aspirace, … slabší evidence
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
• poruchasurfaktantu (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 ovlivňujícípohyblivosthrudníku čibránice
– 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 dýchacícesty stávajístále užšími, ale početnějšími!
– příčný průřez roste s počtemdýchacíchcest s jejichvětvením
– rychlosttoku vzduchu jenejvyššív tracheia klesá progresivněk periferii (rychlosttoku
závisíplošepříčného průřezu)
• se začátkem respiračního pásma, tj. od terminálních bronchiolů, je tok plynů realizován
prakticky výhradně difuzí
– viz depozice prachových částica jiných partikulí zde a ne v alveolu
• Celkově je rezistencek proudění vzduchuvelmi nízká (0.1-0.2kPa/Lu
zdravého člověka), ale kontinuálně rostesměremod malýchpo velké
dýchacícesty
• Tonus dýchacích cest je kontrolován autonomnímnervovým systémem
– bohatávagová eferentníinervace
– mnoho adrenergníchreceptorů na povrchu bronchiálních svalů aktivované
cirkulujícími katecholaminy
• není anatomická sympatická inervace!
• Rezistencev dýchacíchcestáchje také
funkcí plicníchobjemů
– protožedýchacícesty jsou „napnuty/rozpjaty“
alveoly (tj. drženy otevřenéradiální trakcí)
– při nádechu průsvitroste, přivýdechu klesá
– viditelné při bronchoskopii
– pacienti s obstrukcíprofitujíz dýcháníza
větších plicních objemů
Airway-Parenchymal Interdependence
Rezistence dýchacích cest – efekt změny průměru
• příklad jak luminální sekret/mukusa
bronchokonstrikcepři astmatu mění
rezistenci v dýchacíchcestách
– (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
Rozdíl mezi klidovým a usilovným výdechem
po většinu trvání výdechu je rychlost proudění „effort-
independent“
Flow-volume loop: peak inspiratory and initial expiratory flow rates are dependent
on effort, whereas expiratory flow rates later in expiration are independent of effort
• 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 tlakuv dých. cestáchpředkompresí a jejich
opětovné otevření a pokračování usilovného výdechu
– u zdravých tak dých. cesty „vibrují“ kolem EPP = „dynamická komprese“
Proč je výdechová rychlost limitována?
Mechanismus dynamické komprese při usilovném výdechu
Pressures,incm H2O, are shown at differentpointsinthe breathing cycle,atmospheric pressure is zero,and valuesforalveolarand
intrapleural pressure are giveninthe appropriate spaces. The yellow arrows show the directionand magnitude of the transmural
pressure across the lungs. By convention, transmural pressure is calculated as alveolar pressure minus intrapleural pressure. If
transmural pressure is positive, it is an expanding pressure on the lung and the yellow arrow points outward.
During inspiration,the diaphragmcontracts,
causingthe volume of the thorax to increase. As
lung volume increases,the pressure in the lungs
must decrease. (Boyle’s law)Halfway through
inspiration(B), alveolarpressure falls below
atmospheric pressure (−1 cmH2O). The
pressure gradient betweenthe atmosphere and
the alveoli drives airflow into the lung. Air flows
into the lungs until, at the end of inspiration (C),
alveolarpressure is once againequal to
atmospheric pressure; the pressure gradient
betweenthe atmosphere andthe alveoli has
dissipated, andairflow into the lungs ceases.
During inspiration,intrapleural pressure
becomes evenmore negative thanat rest.
There are two explanations forthis effect: (1)As
lung volume increases,the elastic recoil of the
lungs also increases andpulls more forcefully
against the intrapleural space,and (2) airway
and alveolar pressures become negative.
Together, these two effects cause the
intrapleural pressure to become more negative,
orapproximately −8 cmH2O at the end of
inspiration. The extent to which intrapleural
pressure changes during inspirationcanbe used
to estimate the dynamic compliance of the
lungs.
Normally,expiration is a
passive process. Alveolar
pressure becomes
positive (higher than
atmospheric pressure)because
the elastic forces ofthe lungs
compress the greatervolume
of air in the alveoli. When
alveolar pressure increases
above atmospheric pressure
(D), air flows out of the lungs
and the volume in the lungs
returns to FRC. The volume
expiredis the tidal volume. At
the end of expiration (A),all
volumes and pressures return
to their values at rest and the
systemis ready to begin the
next breathing cycle.
EPP a dynamické komprese/kolaps dých. cest
EPP a dynamická komprese /
kolaps dých. cest při COPD
Důsledky
• dynamické komprese dých. cest způsobuje jejich
předčasnéuzavření „air trapping“a vede ke
zvýšení plicních objemů
– toto nicméně iniciálně napomáhápřekonání
dynamických odporů protožeje zvětšen objem,což
zvětšujekalibr dých.cest a elastickou smrštivost
• při progresi obstrukce a dalším zvyšování
rezistence,usilovný výdech vázne (circulus
vitiosus)
• předčasnéuzavírání a inspirační „otevírání“
kolabovanýchcest vede k typickýchhlavním a
vedlejšímposlechovým nálezům
• význam PEEP ventilace
Eupnoe vs. abnormální vzorec dýchání
• výměna plynů prostou difuzí
– tlakový gradient, plocha,teplota,
rozpustnost,tloušťkamembrány,
molekulováhmotnost,viskozita
• O2  CO2
• eupnea
– f  VT = 12-18/min  500 mL
• patologievzhledem k frekvenci,
dechovému objemu a poloze subjektu
– tachypnea hypopnea
– ortopnea platypnea trepopnea,
– dyspnea
– apnea
Oba odpory v dýchacích cestách určují dechovou práci
• tlak nutný k roztaženíplic (generovaný dýchacímisvaly)musí
překonatobatypy odporů
• energie potřenáprodýchacísvaly k překonánítěchtoodporů je
za normálních okolnostívelmi malá
– 2 – 5% celkovéspotřeby O2
– ale dramatickyrostepři zvýšení některéhoz odporů (až ke 30%)
• složky dechové práce
– neelastická práce
• viskózní odpor = 7 %
• odpordýchacích cest = 28 %
– vyšší při zúžení dýchacíchcest,které může nastat v důsledku:
» a) kumulace hlenu, sekretuči jiného materiáluv lumen dýchacíchcest
» b) ztluštění stěny dýchacíchcest (hypertrofie)
» c) zkrácení hladkýchsvalůokolo ve stěně dýchacíchcest (bronchokonstrikce)
» d) kolaps stěny dýchacíchcest při ztrátě kontaktů(emfyzém)
– elastickápráce= 65 %
• dechovápráce souvisís dušností(dyspnoe)
– což je subjektivní příznak mnohaonemocnění
– popisována jakopocitnedostatku vzduchuneboztíženého a
namáhavéhodýchání
Dechová práce
Dušnost (dyspnoe)
• námahová či klidová
– při fyzické námaze je mírný stupeň dušnosti
normální, patologickou se stávájen 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 vesvalech hrudní stěny při
neúměrné změně jejich délky
– napětí generované svaly při kontrakci
• vnímáno Golgiho šlachovýmiorgány
– rozlišují mezi normálním sval. napětím a napětím při
oslabení nebo patologii
– centrálnípercepce dechového úsilí
(chemoreceptory,neokortex, … ?)
běžné příčiny dyspnoe
Děkuji za pozornost !
„KYSLÍKOVÁ KASKÁDA“ V ORGANIZMU
Výměna plynů v plicích
• hlavní funkce dýchacíhosystému- výměnaplynů mezikrví a vnějším
prostředím– se řídí časově se měnícími požadavky organismuna O2
– udržoványv optimálním rozsahu regulacíintenzity ventilace (viz kontrola ventilace
dále)
• požadavky definovanými především spotřebouATP a jeho doplněním
mitochondriemioxidačnífosforylací
• a ostatnímiO2 náročnýmiprocesy
• hnací silou pro výměnu O2 (a recipročněpro CO2) je postupnésnižování
jeho parciálního tlaku , tj. koncentračnígradientmezi vdechovaným
vzduchem, krví a tkáněmi
– parciální tlak = tlak, který by měl plyn, kdyby sámzabíralstejný objempři stejné
teplotě
• rozpustnost plynuje důležitý parametr
– pro CO2 velmi vysoké= v těle neexistují žádnébiologické bariéry, které by blokovaly
difuzi CO2
• dechový objem při každém dechovém
cyklu „přidá“pouze 0.5l ke stávající
FRC, což znamená, že složení
alveolárního vzduchu je víceméně
konstantní
Co dýcháme?
Využití kyslíku v těle
• neexistují žádné významné zásoby O2 v těle
– dostupnýkyslík vydrží po dobu5min
• proto dýchání musí být kontinuální proces
• narušení znamená
– život ohrožujícínáhlou situaci (<5min)
• reversibilníztráta zraku za7s
• bezvědomíza 10s
– klinická smrt (5 – 7min), příp. mozková smrt
– smrt organizmu(>10min)
• 85 – 90% O2 je použito v aerobním metabolismu za produkci a
spotřeby ATP
– udržení iontových gradientů
– svalová kontrakce a relaxace
– chemické syntetické reakce
• zbývající procesy jsou méně citlivé na PaO2
– hydroxylacesteroidů
– detoxikacexenobiotik v játrech
– syntézaNO (vazodilatace)
– degradacehemu hemoxygenázou
Transport kyslíku krví
• zatímcoCO2 lze považovatza jednoduchýroztokv plazmě
– přičemž přenášený objemje úměrný jeho parciálnímu tlaku (fyzikálně
rozpuštěný)
• O2 je přenášen v chemické kombinaci s hemoglobinem v
červených krvinkách a vztah mezi přenášeným objemem a
parciálním tlakem (fyzikálně rozpuštěnáfrakce) není lineární
– při fyziologickém PaO2 (90mmHg/12kPa)a normální koncentraci
hemoglobinu je téměř 100% nasycení Hb,
– pokud je PaO2 alespoň 10kPa/60 mmHg, saturacesevýrazněnesnižuje
• výhoda pro pobyt ve vysoké (ale ne extrémní) nadmořské výšce
– saturaceHb měřena pulzním oxymetrem
• O2 difunduje do tkání podle jejich požadavků(spotřeba v
mitochondriíchpro adekvátní produkci ATP)
– O2 v tkáních musí být > 0.13kPa/1mmHg =kritické kyslíkovénapětí
• organismuspotřebujehodně kyslíku:
– 250 ml/min  350 L/den v klidu
– mnohem více (10x) během cvičení
• celkové množství O2 v krvi
– [O2]= 1,39  [Hb]  % nasycení /100 + 0,003  PO2 = 20,5 ml/dl
Posun disociační křivky Hb a efekt koncentrace [Hb]
Transport CO2 krví
• CO2 lze považovat za jednoduchý roztok
v plazmě
– přenášený objem je úměrný jeho
parciálnímu tlaku (fyzikálně rozpuštěný)
• rozpustnostCO2 je mnohem vyšší (20)
než v případě O2, tudíž fyzikálně
rozpuštěnýCO2 jako transportní forma
je podstatně významnější než u O2
„Kyslíková kaskáda“ – progresivní pokles dostupnosti kyslíku
• důvody pro normální postupné snižováníPO2 mezi vzduchem a
krví:
– "kompetice" s CO2 v alveolech při daném atmosférickémtlaku
• viz rovnice alveolárních plynů
– méně než 100% difúzepřes alveolo-kapilární membránu
• nepravidelnost její tloušťky a změny rychlost plicní perfuze
– viz dále difuzní & perfuzní omezení
– nižšírozpustnostO2 vesrovnánís CO2
– fyziologický pravo-levý zkrat
• míchání okysličené a neokysličené krve
– viz nutriční kr. zásobení velkých dýchacích cest prostřednictvím aa. bronchiales a
jejich částečná drenáž do v. pulmonalis
– drenáž vv. cordis minimae (Thebesii) do levé síně a dalších dutin
– fyziologická ventilačně-perfuznínerovnováha (viz dále)
– fyziologicky malý zlomek abnormálních Hb
• Met-Hb
• COHb
– variabilní extrakcekyslíku tkáněmi
• patologické zhoršení těchtoefektů přispívá k většímu poklesu
kyslíkového gradientu a může způsobit hypoxii
– hypox(em)ická
– anemická
– cirkulační
– histotoxická
Kvantitativně
• (1) inhalovanýatmosférickývzduch
– 21% O2, 0.03% CO2, 78% N2, vodnípáry 0.6% a dalšíminoritní plyny (argon,
helium, ..)
• atm. tlak 760 mmHg (101 kPa)
• PO2: 0.21 x 760 = 160 mmHg
• analogicky PCO2 = 0.3mmHg
• (2) alveolární vzduch (směs inhalovaného vzduchu a organizmem
vytvořeného CO2)
– PAO2 = 100mmHg (13.3kPa),PACO2 =40 mmHg (5.3kPa), Pv.páry =47 mmHg
• PAO2 v alveolu trochu nižší než v atmosférickém vzduchu kvůli vyšší PACO2
difundujícím z krve
• (3) arteriální krev
– PaO2 = 90mmHg (12kPa), PaCO2 =45 mmHg
• difuze kyslíku má limitace (<100%) a rovněž v důsledku P-L fyziol. zkratu
• (4) venózníkrev
– PvO2 = 30 CO2 - 50mmHg
vzduch (P) alveolus(PA) arterie (Pa) véna (Pv)
O2 21kPa/150mmHg 13.3kPa/100mmHg 12kPa/90mmHg 5.3kPa/40mmHg
CO2 0.03kPa/0.3mmHg 5.3kPa/40mmHg 5.3kPa/40mmHg 6.0kPa/45mmHg
Hypoxie a její efekt na regulaci genové transkripce
• efekt hypoxie ve smyslu funkční
adaptace tkáně je částečnězpůsobena
její schopností vyvolatzměny v genové
transkripci
• regulaceexprese široké škály genů
zapojených do hypoxických adaptací je
do značné míry způsobena aktivací
transkripčníhofaktoru citlivéhona
hypoxii
– hypoxií-indukovatelnéhofaktoru 1 (HIF-1)
• HIF-1 je heterodimer
• hladinyHIF-1 alfaa HIF-1 beta v závislostina
dostupnosti kyslíkuv danétkáni/buňce přímo
regulujíexpresi genů s HIF-1 responzivním
elementemv promotoruzpůsobem závislým
na dávce
Plicní vs. systémový oběh
• Plíce jsou jediným orgánem,kterým prochází veškerákrev!!!
– v objemu, který se rovná srdečnímu výdeji(cardiac output, CO)
• Tlak je generován pravoukomorou (rightventricle, RV)
– pří zvýšeníCO (např. fyzická aktivita) musíbýt plicní cirkulace schopna pojmoutobjem
bez významného zvýšenípráceRV
• distenze a „recruitment“ v klidu uzavřených kapilár
– tj. vzhledemk jinýmtlak a objemovýmpoměrůma 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 krevnízásobení
– deoxygenovaná krev z RV cestou plicní arterie (PA)
– systémové(nutriční) zásobenídýchacích 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)
Shrnutí
• Fyziologická struktura plic a dýchacíchcest
zajišťuje, že
– práce spotřebovaná na mechanické dýchání je
minimální
– dýchací cesty a plíce se dovedou účinně bránit
příp. inhalovaným patogenům a částicím
– plocha pro výměnu plynů je obrovská a difuzní
bariéra minimální
– aby se do periferních tkání dostal dostatek O2,
je třeba aby výměna plynů v plicích byla co
nejefektivnější
– udržení koncentračních gradientů nutných pro
zachování prosté difuze plynů je zákl. hnací
silou ventilace
– plicní oběh je uzpůsoben k maximalizaci difuze
plynů přes alveolo-kapilární membránu