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)
Zahřívací otázky
• (1) proč dýcháme???
– výměna plynů
• (2) jak dýcháme???
– princip klidového dýchání
• (3) kdy dýcháme???
– pořád (vitální funkce), smrt = „dodýchal“, „vydechl naposledy“
(1) VZTAH STRUKTURA-FUNKCE JAKO DŮLEŽITÝ FAKTOR
PORUCH RESPIRACE & DŮVODY JEJICH PORUCHY
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
5
úmrtí na plicní onemocnění je téměř vždy důsledkem
neschopnosti překonat alterované mechanické
vlastnosti plic nebo hrudní stěny (nebo obou)
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 v pásmu kondukce a respirace
Obranné mechanizmy – shrnutí (detaily později)
Mukociliární eskalátor
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
• Kondukční pásmo (= anatomický mrtvý prostor) – větvení 1 – 15
• nos (ústní dutina)
• larynx
• trachea
• hlavní bronchy & bronchioly
– vedení vzduchu, zvlhčení & ohřátí, eliminace znečišťujících částic a
ochrana
• Respirační (acinární) pásmo (= výměna plynů) – větvení 16 – 23
• respirační bronchioly
• alveolární dukty & saky
• alveoly
– alveolární ventilace
• koncepce plicního acinu
– funkční 3-D jednotka – část parenchymu kde jsou veškeré dýchací
cesty větvením každého jednotl. terminálního bronchiolu (a jsou
rovněž všechny „alveolizované“, tudíž participují na výměně plynů)
• 3 generace větvení respiračních bronchiolů a násl. cca 8 generací větvení
alveolárních duktů
• každý plicní 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 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
(2) PRINCIP VENTILACE A DŮVODY JEJÍCH
ABNORMALIT
Dýchací svaly
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
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)
– 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
Mechanické vlastnosti hrudní stěny vs. plic = protisměrná
elastická smrštivost
plíce má tendenci se smršťovat
(povrchové napětí + elasticita
parenchymu)
hrudník má tendenci se rozpínat
(anatomie hrudního koše a
svalstva)
výsledná rovnováha
Pneumotorax = absence neg. i-pleurálního P
Je negativní hodnota i-pleurálního tlaku homogenní?
situace na konci klidového expiria
gravitace a vlastní váha plic snižují negativitu
při bázích (naopak v oblasti apexů)
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
Spirometrie a základní klasifikace ventilačních poruch
nemůžu dostatečně vydechnout
nemůžu se dostatečně nadechnout
Obstrukční Restrikční
problém je v dýchací cesty (bronchy a bronchioly) plicní parenchym
abnormalita
ventilace
expirium – nelze dostatečně vydechnout
(obstrukce výdechu)
inspirium – nelze dostatečně nadechnout (restrikce
nádechu)
příklady nemocí bronchiální astma extrinsické (není problém v plíci)
COPD (tj. chronická bronchitida + emfyzém) deformita hrudníku (např. kyfoskolióza),
bronchiektasie neurologické (Guillan–Barré, paralýza bránice, ALS)
bronchiolitida útlum respiračního centra
břicho (těhotenství, hepato-/splenomegalie, ascites, …)
intrinsické (problém v plicní tkáni) – plicní fibróza při
pneumokonióze (silikóza, azbestóza, …)
autoimunní (SLE, sklerodermie, RA, …)
léky indukované (cytostatika, …)
idiopatická plicní fibróza
akutní reversibilní (pneumonie, plicní edém, …)
spirometrie FEV1, FVC, FEV1/FVC, normální nebo TLC
(soudkovitý hrudník), RV
FEV1, FVC, FEV1/FVC, normální nebo TLC, RV
další známky DLCO normální, A-a gradient viz dále
dýchání hypo- nebo hyperventilace hyperventilace
(3) MECHANICKÁ VENTILACE PLIC STOJÍ ENERGII
– MUSÍ SE PŘEKONAT REZISTENCE
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
• (1, 2 a 3) 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 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
• 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
• Tvoří se relativně pozdně v průběhu
gestace (od 28. ttg)
– ovlivněno hormony vč. glukokortikoidů (taky
thyroxin a prolaktin)
• porucha maturace plic u předčasně narozených
novorozenců
– inhibice inzulinem
• riziko u matek diabetiček vč. 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-Gil J , 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
• 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
Eupnoe vs. abnormální vzorec dýchání
• výměna plynů prostou difuzí
– tlakový gradient, plocha, teplota,
rozpustnost, tloušťka membrány,
molekulová hmotnost, viskozita
• O2  CO2
• eupnea
– f  VT = 12-18/min  500 mL
• patologie vzhledem k frekvenci,
dechovému objemu a poloze subjektu
– tachypnea  hypopnea
– ortopnea  platypnea  trepopnea,
– dyspnea
– apnea
(4) DYNAMICKÁ KOMPRESE DÝCHACÍCH CEST (BĚHEM
USILOVNÉHO DÝCHÁNÍ A PŘI MNOHA PLICNÍCH ONEMOCNĚNÍ)
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
Mechanismus dynamické komprese při usilovném výdechu
Pressures, in cm H2O, are shown at different points in the breathing cycle, atmospheric pressure is zero, and values for alveolar and
intrapleural pressure are given in the appropriate spaces. The yellow arrows show the direction and 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 diaphragm contracts,
causing the volume of the thorax to increase. As
lung volume increases, the pressure in the lungs
must decrease. (Boyle’s law) Halfway through
inspiration (B), alveolar pressure falls below
atmospheric pressure (−1 cm H2O). The
pressure gradient between the atmosphere and
the alveoli drives airflow into the lung. Air flows
into the lungs until, at the end of inspiration (C),
alveolar pressure is once again equal to
atmospheric pressure; the pressure gradient
between the atmosphere and the alveoli has
dissipated, and airflow into the lungs ceases.
During inspiration, intrapleural pressure
becomes even more negative than at rest.
There are two explanations for this effect: (1) As
lung volume increases, the elastic recoil of the
lungs also increases and pulls 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,
or approximately −8 cm H2O at the end of
inspiration. The extent to which intrapleural
pressure changes during inspiration can be 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 of the lungs
compress the greater volume
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
expired is the tidal volume. At
the end of expiration (A), all
volumes and pressures return
to their values at rest and the
system is ready to begin the
next breathing cycle.
• 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?
Rozdíl mezi klidovým a usilovným výdechem
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
(5) PŘÍKLADY OBSTRUKČNÍCH NEMOCÍ
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)
Chronická obstrukční plicní nemoc (CHOPN)
• CHOPN není pouze plicní choroba, nýbrž
systémově se projevující syndrom
– CHOPN má plicní a systémovou komponentu
• definice plicní komponenty CHOPN:
– trvalá bronchiální obstrukce, který není plně
reverzibilní, obvykle progreduje a je spojena s
abnormální zánětlivou odpovědí na škodlivé
částice a plyny
– bronchiální obstrukce u CHOPN je způsobena
individuálně rozdílnou kombinací
• chronické bronchitidy (s excesivní produkcí
respiračního sekretu)
• plicního emfyzému (tj. destrukce plicního
parenchymu)
• obstrukční bronchiolitidy (s obstrukcí malých
dýchacích cest)
• systémová komponenta zahrnuje
– změny plicní vaskulatury
– hypoxickou hypoxii
COPD
• CHOPN je jednou z nejčastějších chronických nemocí a zároveň jednou z nejčastějších příčin mortality
v celosvětovém měřítku
– 4. místo v pořadí nejčastějších příčin úmrtí v zemích s vysokou prevalencí kouření
• po IM, nádorech a CMP
• 85-90% nemocných CHOPN jsou kuřáci
– incidence vyšší až 20x u kuřáků v porovnánís nekuřáky
– efekt prostředí (kvalita ovzduší) hraje významnou roli
– genetika
Chronic bronchitis ( 2mm) and bronchiolitis ( 2mm)
• symptomatická definice
– produktivní kašel s expektorací sputa po většinu dnů během
tří a více měsíců v roce, a to za podmínky, že se tento stav
opakuje nejméně dva následující roky a není vysvětlitelný
jinou příčinou
• avšak pacienti typicky dlouho trpí pouze chronickou
bronchitidou bez obstrukce a teprve po delší době u nich
vznikne bronchiální obstrukce (tj. CHOPN)
– anamnéza dlouhotrvajícího produktivního kašle velmi často
předchází vzniku a rozvoji CHOPN, existují také nemocní
s prokázanou CHOPN, u kterých nemusejí být klinické
projevy chronické bronchitidy vůbec vyjádřeny
– mnoho chronických bronchitid se však do žádného stupně
CHOPN nikdy nerozvine
• přítomnost chronické bronchiolitidy je obligátním
projevem CHOPN dominantně zodpovědným (spolu
s plicním emfyzémem) za obstrukci
– chronický perzistující zánět drobných průdušinek (průměru
≤ 2 mm)
– poměr mezi chronickou bronchiolitidou a plicním
emfyzémem je zcela individuální
Chronic bronchitis – pathological anatomy
• pat.-anat. projev:
– hyperplazie hlenových žlázek a pohárkových bb.
ve velkých i malých dýchacích cestách
– hyperemie a edém stěny bronchů
– metaplazie cylindrického epitelu na dlaždicový
– fibróza a hypertrofie svaloviny větších bronchů
• funkční důsledek: porucha mukociliárního
eskalátoru a perzistující infekce
– zánětová infiltrace
• zejm. makrofágy a lymfocyty ve velkých dých. cestách
• neutrofily a eosinofily v malých
• klinický důsledek: produkce sputa po většinu
dní přinejmenším 3 měsíce v roce alespoň ve
dvou po sobě jdoucích letech
Lung emphysema
• destrukce plicního parenchymu (alveolárních,
duktálních a sakulárních struktur ) tkáně distálně od
terminálního bronchiolu bez přítomnosti výraznější
fibrózy
– patologický, nikoliv klinický pojem
– radiologický korelát při ztrátě více než 40% tkáně:
• zesvětlení plic
• rozšíření postižené tkáně (vzduch)
• funkční důsledek:
– ztráta elastických vlastností plic a kolaps malých dýchacích cest
během exspirace
• proto obstrukční nemoc
– zadržování vzduchu, nárůst reziduálního objemu (hyperinflace)
– expirace je obtížní kvůli ztrátě elastické smrštivosti plíce, redukce
objemu vzduchu vydechnutého pasivním výdechem
– Kombinace zvýšení RV (a FRC) a zmenšeného kalibru bronchiolů
způsobuje „air trapping“ v acinech
– hyperinflace alveolů vede k tvorbě emfyzematózních bul
Zdravá (vlevo) vs. emfyzematózní plíce (vpravo)
Emfyzém – typy u CHOPN
• centroacinární (centrilobulární)
– distenze a poškození plicní tkáně
kolem respiračních bronchiolů,
distální alveolární dukty a alveoly
obvykle nepoškozeny
– nejčastější typ emfyzému u kuřáků
a CHOPN
• panacinární
– distenze a destrukce postihuje celý
acinus, plíce se v nejhorším případě
stanou bulózní
– příčinou často deficit α-1antitrypsinu,
u CHOPN méně častý
Variabilní průnik u CHOPN
Etiologie CHOPN - multifaktoriální
• kouření
– inaktivuje α-1- antitrypsin
– zvyšuje počet neutrofilních granulocytů v dýchacích cestách
• zdroje elastáz a proteáz, které podporují rozvoj emfyzému
– vede k tkáňovému poškození (kyslíkové a dusíkové radikály) a jejich odklízení makrofágy
(zdroj matrixových metaloprotináz)
– podporuje rozvoj hypertrofie slizničních žlázek a tedy CHB
– zhoršuje účinek surfaktantu
• hyperreaktivita dýchacích cest
• genetika (= variabilní důsledky u dvou osob se stejnou „cigaretovou“ zátěží)
– deficit α1-antitrypsinu
• α1-antitrypsin inhibuje neutrofilovou elastázu, která je schopna destruovat plicní tkáň.
• prokázáno cca 75 alel v genu pro α1-antitrypsin
– další geny
• prozánětlivé cytokiny, růstové faktory, rovnováha proteázy/antiproteázy, antioxidační obrana aj.
• expozice dalším respiračním škodlivinám (prach, kouř, profesní expozice, dopravní
zplodiny, spalování biomasy aj.)
– nejvíce rizikovou komponentou jsou drobné částice ≤ 2,5 μm
• recidivující infekce dolních dýchacích cest a plic
Effect of smoking
Plicní cévy u CHOPN
• remodelace (tj. ztluštění stěny, zúžení
lumen a zvýšení rezistence) plicních cév je
při CHOPN přítomna již časně v průběhu
choroby
– endotelová dysfunkce
• zejm. v důsl. oxidačního stresu
– hyperplazie intimy
• buňky (zánětový infiltrát a hl. sval. bb.) a ECM
– hypertrofie medie
• postupně k remodelaci přispívá i hypoxie u
CHOPN a ztráta části kapilár při emfyzému
– vazokonstrikce
– časem prekapilární forma sek. plicní
hypertenze
• cor pulmonale
Patofyziologie CHOPN
• hlavním projevem CHOPN je pokles schopnosti úplně a rychle
vydechnout v důsledku
– generalizovaného poklesu pružnosti (elasticity) plic
– zvýšení odporu v (malých i velkých) dýchacích cestách
• v důsledku těchto změn zodpovědných za obstrukci a zvýšeného úsilí
nemocného během výdechu některé oblasti periferních dýchacích
cest kolabují
– plíce jsou tak na konci výdechu ještě naplněny určitým množstvím
vzduchu „uvězněného“ ve sklípcích kvůli kolabovaným průdušinkám (tzv.
plicní hyperinflace)
– hrudník mění svůj tvar (z oploštělého válce se stává „soudek“) a
zmenšuje schopnost zvýšit rozsah dechových pohybů
• ventilačně perfuzní nerovnováha (viz dále), rozvíjí se hypoxémie
– svalová únava, povšechná slabost, spolupodílí se na vzniku dušnosti
– hypoxie a malnutrice vede k úbytku svalů (↓ free fat mass, FFM)
– vede ke zvýšení tlaku v plicních cévách (sekundární plicní hypertenzi)
– ten zvyšuje afterload pro pravé srdce a vede k jeho remodelaci (cor
pulmonale)
• později popřípadě i k hyperkapnii s respirační acidózou
69
Klinická heterogenita CHOPN
70
• A – pink puffer („růžoví odfukovači“) - převaha
emfyzému
– destrukcí sept vyniká „mrtvý prostor“, ale vzhledem k
současné destrukci kapilár je výsledný ↑ VA/Q menší
a lépe se kompenzuje hyperventilací
• závažná dušnost ale PaO2 a PaCO2 v krvi blízko
normálním hodnotám
• B – blue bloater („modří odulci“) - převaha
bronchitidy
– závažný „zkrat“(↓ VA/Q) vedoucí k hypoxémii a
hyperkapnii
• při takovém VA/Q nepoměru se nedá upravit
hyperventilací a navíc dochází časem k adaptaci na
hyperkapnii, takže tolik nehyperventilují (malá dušnost)
– cyanóza při hypoxémii a sek. polycytemii
– významně se uplatňuje hypoxická vazokonstrikce a
vzniká plicní hypertenze a pravostr. srdeční selhání
(otoky rovněž přispívají k „odulému“ fenotypu)
Hypoxické plicní vazokonstrikce → plicní hypertenze →
cor pulmonale (hypertrofie) → kongestivní srdeční
selhání
Bronchialní astma
• prevalence
– 5-10% u dětí
– cca 5% u dospělých
• definice GINA 2006
– chronický zánět dýchacích cest, v jehož
etiopatogenezi hraje významnou roli řada
buněk a jejich působků
• žírné buňky, eozinofily a T-lymfocyty)
– zánět způsobuje zvýšení průduškové reaktivity
• která vede k opakovaným epizodám pískotů při
dýchání, dušnosti, tlaku na hrudníku a kašle,
převážně v noci a časně nad ránem
– tyto stavy jsou obvykle provázeny
záchvatovitou, rozsáhlou, ale proměnlivou
bronchiální obstrukcí, která je často
reverzibilní, ať již spontánně či po terapii
• typy
– alergické (extrinsic)
• IgE-zprostředkovaná bronchokonstrikce
– nealergické (intrinsic)
• IgE-nezprostředkované = bronchiální hyperreaktivita
– porucha epitelu
– zvýšená citlivost k bronchokonstrikčním
podnětům
IgE-zprostředkované astma
• podkladem je atopie
– genetická predispozice k alteraci
imunitní reakce v imunopatologickou
reakci 1. typu
• zvýšená tvorba IgE
• převaha aktivity CD4+Th2 buněk
(cytokiny IL-4, 5, 6, 13)
• změněná prezentace Ag prostřednictvím
APC
• odlišná reaktivita cílových buněk na
mediátory (histamin)
• snížená supresorická aktivita T bb.
• vyšší množství mastocytů
• vyšší koncentrace FcεR1 na jejich povrchu
– protilátky IgE zaměřeny nejčastěji proti
(aero)alergenům
• domácí (prach, roztoči)
• pyly
• infekční agens (bakterie, viry)
• jiné (i cirkulující)
genetics
Polygenic nature of asthma
Sensibilizace u atopika
Proportions of asthmatic children sensitized to common allergens
Patogeneze alergického astmatu
Inhaled antigen is processed by dendritic cells and presented to Th2 CD4+ T cells. B cells are stimulated to produce IgE, which binds to mast cells. Inhaled antigen binds to IgE, stimulating the
mast cell to degranulate, which in turn leads to the release of mediators of the immediate response and the late response. Histamine and the leukotrienes produce bronchospasm and airway
edema. Released chemotactic factors, along with factors from the Th2 CD4+ T cells, facilitate eosinophil traffic from the bone marrow to the airway walls. These late responses are proposed to
lead to excessive mucus production, airway wall inflammation, injury, and hyperresponsiveness. (GM-CSF—granulocyte-macrophage colony-stimulating factor; IFN-y—interferon gamma; IL—
interleukin)
Mediátory žírných buněk a eozinofilů
78
Patogeneze astmatu - akutní záchvat a chron. fáze
• časná (bezprostřední odpověď)
– do 15-30 min, mediátory žírných buněk (zejm.
histamin)
• zodpovědné za okamžitou reakci a rovněž chemotaxi
dalších buněk
– zvýšená sekrece hlenu, otok sliznice
– kontrakce hladkých svalů (bronchospazmus)
• pozdní odpověď
– po 4-8 hod
– mediátory neutrofilů, eozinofilů
• leukotrieny C, D a E, bazický a kationický protein aj.
– komplexy antigen-protilátka a aktivace
komplementu
– zánět (hyperemie, edém), hypersekrece hlenu,
příp. destrukce epitelu
• chronická fáze
– chronický zánět+ procesy reparační vedoucí
strukturálním i funkčním změnám (remodelace)
dýchacích cest
• ireverzibilní přestavba dýchacích cest
• zvýšení hyperreaktivity (bludný kruh)
79
Časná a pozdní fáze
Chronická fáze
– chronický zánět + repairační
procesy vedou k ireversibilní
strukturní remodelaci a funkčně
k hyper-reaktivitě dýchacích cest
– epitel
•  cilia, deskvamace
• hypertrofie hlenových žlázek a
hyperplazie Gobletových bb.
– bazální membrána
• Fibrotizace v subepiteliálním
prostoru (kolagen)
– svalová vrstva
• hypertrofie SMCs
Hyperreaktivita dýchacích cest jako faktor propojující všechny
typy astmatu
• parasympatická nervová zakončení
jsou ve sliznici blízko povrchu
– její poškození vede k jejich obnažení
a tím zvýšení bronchokonstrikčního
potenciálu
• bronchomotorické testy
– bronchodilatační testy - testy
reverzibility bronchiální obstrukce
• salbutamol 200-400 ug
• ipratropium 80 ug
– bronchokonstrikční – bronchiální
hyperreaktivity
• histamin 1g na 100 ml fyziol. roztoku
• metacholin
Aspirinem-indukované astma (AIA)
• klinicky je typické:
– výskyt prvních obtíží je mezi 30. a 40.
rokem věku, častěji u žen
– celoroční (perzistující) rýma
– nosní polypy s neprůchodností nosu
• frekvence:
– cca 10% dospělých s AB má AIA
• v populaci je to 0,3-0,9%
• „aspirinové trias“
– senzitivita k ASA
– astma
– perzistující rinosinusitis s nosní polypózou a
eozinofilií
 aspirin
bronchokonstrikce
Pathogenesis of virus-induced asthma
Inhaled virus infects epithelial cells and leads to apoptosis of some of them. The release of chemotactic factors promotes the recruitment of
macrophages into the lung parenchyma, where they ingest the dead epithelium. An acute response consisting of bronchospasm occurs at this
time. Similar to allergic asthma, the inhaled virus is processed by dendritic cells and presented to Th2 CD8+ T cells. These cells produce
copious amounts of IFN-y. Perforin released from the T cells leads to apoptosis of infected cells. B cells produce IgG, which is capable of
neutralizing the virus. These events are thought to be related to the chronic response, which consists of airway inflammation, goblet cell
hyperplasia, and airway hyperresponsiveness. (IFN-Y—interferon gamma; IL—interleukin; CCL—chemokine ligand)
86
Klinické příznaky astmatu
• exacerbace s příznaky bronchiální obstrukce a kašlem
– dušnost (expirační dyspnoe), pocit tíže na hrudníku
• zapojení pomocných dých. svalů, zatahování mezižebří, jugul. jamek
– slyšitelné fenomény (pískání)
– kašel (dráždění senzorických nervů mediátory zánětu)
– hyperinflace (hypersonorní poklep, oslabení ozev)
• důsledek obstrukce dých. cest (pomalejší výdech spojený s air-trappingem vedoucí ke  reziduálního objemu (FRV)
• důsledek posunu dýchání na vyšší plicní objemy (adaptivní mechanizmus k redukci zúžení dých. cest zvýšením obvodového
tahu)
– respirační selhání
•  dechová práce vede k únavě dých. svalů (pracují mimo optimální délkové poměry)
– při mírné/střední exacerbaci – mírná hypoxemie (nepoměr ventilace/perfúze) a hypokapnie (zvýšené dechové úsilí)
– závažná exacerbace – přechod přes normokapnii k hyperkapnii
• proč tendence k nočním obtížím
– cirkadiální maximum vagotonie
– minimální hladiny kortisolu (vyšší aktivita zánětlivých procesů)
– alergeny v ložnici (prach, peří, roztoči)
– ochlazení vdechovaného vzduchu (okolní teplota, snížení tělesné teploty ve spánku)
– hlen stékají z průdušek z HCD, GERD, vymizení účinku léků nad ránem