Układ oddechowy

Rola płuc:

• oddychanie zewnętrzne - wentylacja płuc i dyfuzja gazów przez błonę pęcherzykowo-włośniczkową (dla odróżnienia od oddychania pośredniego - transport gazów we krwi małego i dużego krążenia, oraz oddychania wewnętrznego, czyli komórkowego);

• miejsce biosyntezy prostacykliny i rozkładu PGE i PGF (90%), oraz leukotrienów i tromboksanów (100%);

• biorą udział w syntezie fosfolipidów (np. surfaktantu), białek (np. kolagen, elastyna) i węglowodanów (np. śluzowielocukrowce) oraz antyproteaz (chroniących sprężyste i kolagenowe podścieliska płuc);

• inaktywacja czynników naczynioruchowych - bradykinina (80%), serotonina (100%), Ach (100%) i NA (30%). Adrenalina, histamina i wazopresyna przechodzą niezmienione;

• zamiana angiotensynogenu I w angiotensynę II dzięki obecności na powierzchni śródbłonka enzymu konwertującego nieczynny dekapeptyd w czynny oktapeptyd;

• filtr - wychwytują cząstki większe niż krwinka (skrzepy, komórki nowotworowe);

• funkcja obronna - usuwanie przez fagocyty, neutrofile i makrofagi płucne różnych antygenów i bakterii z atmosfery;

• rezerwuar krwi dla lewej komory (płuca zawierają 10-20% krwi całego organizmu).

Górne drogi oddechowe obejmują jamę nosową z zespołem zatok przynosowych, jamę ustną, jamę gardłową i krtań.

Dolne drogi oddechowe rozpoczynają się od chrząstki pierścieniowatej krtani i obejmują:

• strefę przewodzącą złozoną z drzewa oskrzelowego od tchawicy (generacja 0) do oskrzelików końcowych włącznie (generacja 16), czyli z dróg oddechowych nie zawierajacych pęcherzyków w swoich ścianach;

• strefę przejściową obejmującą 3 rzędy oskrzelików oddechowych (generacje 17-19), wyścielone nabłonkiem płaskim, zarówno pęcherzykowym jak i niepęcherzykowym;

• strefę oddechową złożoną z przewodów pęcherzykowych (generacje 20-22), kończące się w woreczkach pęcherzykowych zawierających 3-4 pęcherzyki (generacja 23). W sumie w płuchach występuje ok. 300mln pęcherzyków płucnych.

Nabłonek pęcherzyków składa się z:

• pneumocytów typu I - spłaszczone, ze znikomą ilością cytoplazmy i organelli. Pokrywają 95 % powierzchni pęcherzyków;

• pneumocytów typu II - kuboidalne, sterczą do światła pęcherzyków, zawierają więcej zasadochłonnej cytoplazmy i liczne organella. W ich cytoplazmie występują ciałka laminarne zawierające materiał fosfolipidowy, który po połączeniu z białkiem w aparcie Golgiego wydzielany jest jako surfaktant. Komórki te są małe, ale liczne (stanowią 60% populacji komórek nabłonka, a pokrywają tylko 5% powierzchni pęcherzyków). Mogą stanowić populację rezerwuarową dla pneumocytów typu I.

Jednostkę czynnościową płuc stanowi gronko (acinus), czyli obszar płuca zaopatrywany przez jeden oskrzelik oddechowy I rzędu (czyli wszystkie rozgałęzienia od generacji 17).

Strefa przewodząca otrzymuje krew odżywczą z krążenia dużego (tt. oskrzelowe odchodzące od aorty piersiowej, dwu górnych tętnic międzyżebrowych, tętnicy podobojczykowej lub t. piersiowej wewnętrznej), natomiast strefa przejściowa i oddechowa otrzymuje już krew z krążenia płucnego.

Oskrzela główne, płatowe, segmentowe i dalsze (do generacji 8) stanowią chrząstkowe drogi oddechowe, natomiast od oskrzelików (generacja 9) zaczynają się błoniaste drogi oddechowe, w których silnie rozwinięta jest mięśniówka gładka, tworząc błonę Reisessena.

Kontrola aktywności skurczowej oskrzeli:

	Skurcz miocytów	Rozkurcz miocytów
Nerwy autonomiczne	Nerwy błędne (przez Ach) → receptory cholinergiczne M3 (nerwy pobudzane są też odruchowo przez SO2 i dym tytoniowy).	Nerwy współczulne (przez NA i A) → receptory adrenergiczne β2 (działają przez wzrost stężenia cAMP w komórkach mięśniowych).
NANC (neuromediatory nieadrenergiczne i niecholinergiczne)	Substancja P, kininy (PHM, PHI), CGRP (peptyd pochodny genu kalcytoninowego).	NO (działa przez wzrost stężenia cGMP), VIP.
Inne	Histamina (wydzielana przez komórki tuczne) → działają przez receptory histaminowe H1. Leukotrieny (C4, D4), TXA2, PGF2α, PAF (aktywujący czynnik płytkowy) → wydzielane są przez neutrofile i eozynolfile.	Atropina → blokuje receptory M3 Izoproterenol → pobudza recept. Β2 Aspiryna → hamuje syntezę PG Mepyramina → blokuje recept. H1

W spoczynku człowiek oddycha przeciętnie 5 razy na minutę, pobierając i wydychając każdorazowo około 500ml powietrza, czyli 6-8 litrów na minutę (z tego organizm pobiera około 250ml O₂, i wydala 200ml CO₂).

Za wentylację płuc odpowiada skurcz przepony (zwiększenie objętości klatki piersiowej w wymiarze pionowym), mięśni międzyżebrowych zewnętrznych (pociągają dolne żebra ku górnym) i wewnętrznych (pociągają górne żebra ku dolnym).

Gdy wentylacja przekroczy 50-100 litrów/min włączają się dodatkowe mięśnie wdechowe (m. mostkowo-obojczykowo-sutkowy, mm. piersiowe, m. najszerszy grzbietu, mm. pochyłe, m. zębaty przedni, mm. dźwigacze łopatki, mm. czworoboczne, mm. równoległoboczne i prostowniki kręgosłupa). Ponadto włączają się mięśnie rozszerzające górne drogi oddechowe (skrzydełka nosa, jamę ustną czy dźwigacze podniebienia).

Wydech jest w zasadzie aktem biernym. Zachodzi pod wpływem sprężystości płuc i klatki piersiowej. Dopiero w drugiej fazie wydechu, gdy staje się on wzmożony i wiąże się z pokonywaniem oporów oddechowych, włączają się mięśnie wydechowe (międzyżebrowe wewnętrzne), więc tę fazę można uznać za akt czynny. Gdy wentylacja przekroczy 40 litrów/min włączają się dodatkowe mięśnie wydechowe (m. czworoboczny lędźwi, m. biodrowo-żebrowy, m. zębaty dolny, mm. tłoczni - wewnętrzny i zewnętrzny skośny, prosty oraz poprzeczny brzucha).

Ciśnienie transpulmonalne to różnica między ciśnieniem w pęcherzykach a jamą opłucnej. W czasie zwykłego wydechu wynosi około 5cmH₂O, i zapobiega zapadaniu się pęcherzyków (równoważy siły retrakcji płuc).

Ciśnienie transtorakalne to różnica między ciśnieniem atmosferycznym a jamą opłucnej, i również w czasie zwykłego wydechu wynosi 5cmH₂O, bo wtedy ciśnienie w pęcherzykach jest równe ciśnieniu atmosferycznemu.

Ciśnienie wewnątrzopłucnowe po wydechu wynosi -5cmH₂O. Wdechowe poszerzenie klatki piersiowej przez mięśnie wdechowe pociąga za sobą obniżenie ciśnienia wewnątrzopłucnowego do -8cmH₂O, warunkując rozciąganie pęcherzyków, i spadek w nich ciśnienia do -1cmH₂O, co wystarcza na wymuszenie przepływu powietrza z zewnątrz (z atmosfery) do pęcherzyków. W czasie wydechu siły sprężystości płuc i klatki piersiowej uciskają pęcherzyki i powodują wzrost w nich ciśnienia do +1cmH₂O, i w związku z tym bierny odpływ gazu z pecherzyków.

Płuca płodu nie zawierają powietrza, a ściany pęcherzyków są pozlepiane ze sobą. Pokonanie tych sił retrakcji wymaga podczas pierwszego oddechu potężnego skurczy mięśni wdechowych, obniżając ciśnienie wewnątrzopłucnowe do -60mmHg.

Podczas oddychania wykonywana jest praca, która jest zużywana na pokonanie oporów sprężystych (70%) i niesprężystych (30%).

Do oporów sprężystych zaliczamy:

• Napięcie powierzchniowe pęcherzyków płucnych (stanowiące ok. 70% oporów sprężystych płuc). Pod jego działaniem pęcherzyki dążą do zapadania się i sklejania. Z prawa Laplace'a wynika, że pod wpływem sił napięcia powierzchniowego w pęcherzyku wytwarza się ciśnienie, które jest tym wyższe, im mniejszy jest promień pęcherzyka (P=2T/R). Zasadnicze znaczenie w zapobieganiu zapadaniu się małych pęcherzyków ma surfaktant (składa się z fosfolipidu oraz komponenty białkowej - A, B, C lub D. Zmniejsza napięcie powierzchniowe poprzez tworzenie warstwy z jednej strony hydrofilnej - fosfatydylocholina skierowana do fazy wodnej, z drugiej strony hydrofobowej - reszty kwasów palmitynowych skierowane do fazy gazowej. Tym samym surfaktant bierze udział w utrzymywaniu suchości pęcherzyków, zmniejszając działanie ssące sił napięcia na osocze w kapilarach. Syntezę surfaktantu pobudzają nerwy błędne i współczulne, glikokortykoidy nadnerczowe i hormony gruczołu tarczowego, a hamuje insulina, co ma znaczenie dla płodów, których matki chorują na cukrzycę).

• Napięcie sprężyste zrębu łącznotkankowego płuc (stanowiący ok. 30% oporów sprężystych płuc). Wywołane jest obecnością włókien sprężystych i kolagenowych. Napięcie to wzrasta w miarę rozciągania płuc.

Do określenia sprężystości płuc używa się terminów:

• elastancja - stosunek wzrostu ciśnienia transpulmonalnego do przyrostu objetości (ΔP/ΔV)

• podatność - stosunek przyrostu objętości płuc do ciśnienia rozciągającego (ΔV/ΔP)

Podatność dynamiczną określa się mierząc zmiany objętości płuc i odpowiadające im ciśnienie wewnątrzopłucnowe od początku do końca wdechu lub wydechu. Podatność statyczną oznacza się mierząc kolejne objętości wydychanego powietrza, i odpowiadające im wartości ciśnienia.

Podatność płuc zmniejsza się u osób starszych, przy zmianie pozycji ciała na leżącą, przy płytkim i szybkim oddychaniu, u osób nieprzytomnych, a także w takich stanach patologicznych jak: zwłóknienie, niedodma, obrzęk, nacieki zapalne i nowotworowe.

Podatność płuc jest natomiast większa u osób młodych, przy pojedynczym głębokim wdechu (ziewnięcie) oraz w takich stanach chorobowych jak: rozedma (zanik elementów sprężystych tkanki łącznej płuc).

Na podatność całkowitą, oprócz podatności płuc składa się również podatność klatki piersiowej: (1/podatność_całkowita=1/podatność_płuc+1/podatność_{klatki piersiowej}).

Przy normalnym wdechu sprężystość klatki piersiowej działa w przeciwnym kierunku niż siły retrakcji płuc! Dopiero przy głębokim wdechu, klatka piersiowa stanowi opór dla wdechu.

Opory niesprężyste zależne są od przesuwania powietrza w drzewie oskrzelowym, daltego mimo że średni udział w całości oporów określamy jako 30%, to podczas zwolnionego oddychania udział ten spada (do 15%), a podczas wzmożonego - wzrasta (do 60%). Opór dróg oddechowych jest wprost proporcjonalny do ciśnienia napędowego, a odwrotnie proporcjonalny do przepływającego powietrza (R=ΔP/V). Zgodnie z prawem Poiseuille'a, na opór wpływają również takie czynniki jak gęstość gazu (n), długość dróg oddechowych (L) i ich promień, z czego ten ostatni ma największe znaczenie (R=8nL/πr⁴).

85% oporu pochodzi z górnych dróg oddechowych, a 15% z reszty.

W górnych drogach oddechowych mamy przepływ burzliwy (ΔP=V²*R), a w dolnych laminarny (ΔP=V*R). W pęcherzykach płucnych zachodzi już tylko dyfuzja.

Drogi oddechowe mogą być źródłem takich odruchów jak:

• kaszel (szybko adaptujące się recept. podnabłonkowe RAR → n. X → rdzeń przedłużony)

• kichanie (nerwem trójdzielnym do rdzenia przedłużonego)

Spirometria w układzie otwartym polega na wydychaniu powietrza do worka Douglasa. Znając częstość oddechów pozwala to obliczyć średnią objętość oddechową.

Spirometria w układzie zamkniętym pozwala na dokładny pomiar objętośći płucnych:

TLC - total lung capacity

RV - objętość zalegająca → 20% TLC

(nie wyznaczana bezpośrednio przez spirometr)

VC - pojemność życiowa → 80% TLC

IRV - wdechowa objętość zapasowa → 50% TLC

TV - tidal volume (objętość oddechowa) → 10% TLC

ERV - wydechowa objetość zapasowa → 20% TLC

IC - objętość wdechowa (IRV + TV) → 60% TLC

EC - objętość wydechowa (TV + ERV) → 30% TLC

FRC - funkcjonalna objętość zalegająca → 40% TLC

FRC i RV wyznaczamy stosując metodę helową lub metodę platyzmografii kabinowej.

Objętość zalegająca (RV) składa się z objętośći zapadowej (opuszcza płuca po otwarciu jam opłucnych i zapadnięciu płuc), i objętości minimalnej/resztkowej (powoduje, że zapadnięte płuca unoszą się na wodzie, co wykorzystuje się w sądownictwie, by ocenić czy płód urodził się żywy i wykonał pierwszy wdech).

Maksymalna wysiłkowa wentylacja (MBC) i maksymalna dowolna wentylacja (MVV) są dynamicznymi próbami czynnościowymi płuc i służą do określenia rezerw czynnościowych płuc (określają maksymalną ilość powietrza, jaka może przepłynąć przez płuca w trackcie 1 minuty, i wynoszą odpowiednio 125-170 l/min oraz 180-200 l/min).

Natężona objętość wydechowa sekundowa (FEV₁) to objętość gazu wydychana w ciągu pierwszej sekundy maksymalnie szybkiego wydechu, i prawidłowo wynosi 75% natężonej pojemności życiowej płuc. Wyznaczana jest w teście Tiffeneau. W chorobach restrykcyjnych płuc (np. po wycięciu tkanki płucnej) wzajemny stosunek wzajemny stosunek FEV₁ i VC jest zachowany (75%), natomiast przy niewydolności obturacyjnej (np. astma oskrzelowa) FEV₁ jest znacznie mniejsze, i może stanowić 40% VC.

PEF (peak expiratory flow) - czyli maksymalna prędkość wypływu powietrza w czasie forsownego wydechu. Przeciętnie wynosi 500-600 litrów/minutę.

Na wentylację całkowitą (V_E) składa się wentylacja pęcherzykowa (V_A) i wentylacja przestrzeni martwej (V_D). Wyróżniamy:

• anatomiczną przestrzeń martwą - objętość przewodzących dróg oddechowych (dwa razy tyle ml, ile kg waży dany osobnik ~150ml). Gdy objętość oddechowa zrówna się z objętością przestrzeni martwej (przy krótkich, płytkich oddechach), wentylacja pęcherzyków ustaje (bo powietrze, które wdychamy wypełnia przestrzeń martwą, a nie dostaje się do pęcherzyków). Objętość przestrzeni martwej określa się metodą Fowlera, podając do wdechu czysty tlen, i oznaczając stężenie N₂ (pochodzącego z pęcherzyków) w kolejnych porcjach powietrza wydechowego;

• fizjologiczna przestrzeń martwa - dodatkowo obejmuje pęcherzykową przestrzeń martwą (czyli pęcherzyki płucne, w których odbywa się wentylacja, ale które nie biorą udziału w wymianie gazowej, np. przez zanik sieci naczyniowej). Oznaczamy ją metodą Bohra, czyli mierząc stężenie wydychanego CO₂, zakładając że pochodzi z gazu pęcherzykowego.

Pomiary składu:

• w aparacie Haldane'a CO₂ pochłaniany jest przez KOH, a O₂ przez pirogallol lub BrCl₂

• za pomocą analizatora podczerwieni → oznaczamy stężenie CO₂

• za pomocą analizatora paramegnetycznego → oznaczamy stężenie O₂

W gazie wydechowym, oprócz oczywistego (ze względu na wymianę gazową) spadku O₂ i wzrostu CO₂, obserwujemy wzrost N₂ z 79% do 80% (bo większa ilość tlenu jest wdychana, niż jest wydychane CO₂, w związku z czym względna procentowa zawartość N₂ wzrasta).

Regulacja szerokości naczyń:

Płucne łożysko naczyniowe różni się od łożyska krążenia dużego skąpą ilością zawartych w ścianie włókien mięśniowych i kolagenowych, przez co naczynia krążenia płucnego są bardzo podatne na rozciąganie i wykazują małą aktywność naczynioruchową. Zwykła średnica kapilarów pęcherzykowych odpowiada średnicy krwinki, ale może się zmieniać zależnie od ciśnienia wewnątrzpęcherzykowego (przy spadku ciśnienia, kapilary ulegają otwarciu, czyli rekrutacji). Czynna regulacja w krążeniu płucnym ma o wiele mniejsze znaczenie niż w krążeniu dużym. Największe znaczenie ma hipoksja i hiperkapnia, która przeciwnie niż w krążeniu dużym (gdzie powoduje rozszerzenie naczyń) odpowiedzialna jest za zwężenie (tak samo na hipoksję i hiperkapnię reaguje mięśniówka oskrzeli), przy czym działanie zwężające na naczynia wywiera prężność gazów w świetle pęcherzyków, a ich prężność w krwi ma niewielkie znaczenie. Wpływ odruchów naczynioruchowych pochodzących z baro- i chemoreceptorów naczyniowych na krążenie płucne jest stosunkowo niewielki. Acetylocholina działa przez receptory M₃ powodując rozkurcz, natomiast noradrenalina, działając przez receptory α₁ warunkuje skurcz naczyń. Noradrenalina działa również rozkurczowo (choć w bardzo niewielkim stopniu) poprzez receptory α₂ i β₂. Działanie naczynioruchowe mają również inne czynniki:

Skurcz	Rozkurcz
Adenozyna (przez receptory A1), Angiotensyna II, Endotelina (przez receptory ETA), Serotonina (przez receptory 5-HT1), TXA2, LTC4, LTD4, PGF2α	Adenozyna (przez receptory A2), Bradykinina, Histamina, Tachykinina, Endotelina (przez receptory ETB), Serotonina (przez receptory 5-HT1C), PGI2, PGE2, wazopresyna, ANP, VIP, NO

Profil ciśnień w krążeniu płucnym:

Krążenie płucne jest układem niskociśnieniowym i niskooporowym, brak w nim naczyń oporowych. Tylko w życiu płodowym krążenie płucne jest wysokooporowe i wysokociśnieniowe, z powodu skurczowego działania hipoksji i hiperkapni.

Średnie ciśnienie w tętnicy płucnej wynosi 15mmHg (podczas gdy w aorcie - 100mmHg). Ciśnienie napędowe w krążeniu płucnym wynosi 9mmHg (15-6=9; 6mmHg → ciśnienie w lewym przedsionku), czyli 10 razy mniej niż w krążeniu systemowym (100-5=95; 5mmHg → ciśnienie w prawym przedsionku). Opór naczyniowy jest też ok. 10 razy większy w dużym krążeniu, głównie na skutek działania grubszej warstwy mięśniowej. Opór jest też inaczej rozłożony. W krążeniu dużym 47% przypada na naczynia oporowe, 19% na tętnice, 27% na kapilary a 7% na żyły. W krążeniu płucnym natomiast 60% oporów przypada na kapilary, a na tętnice i żyły po 20%. Na opór wpływają również czynności oddechowe - przy niewielkim wdechu opór się zmniejsza, natomiast przy głębszym wdechu kapilary ulegają uciśnięciu i opór ulega podwyższeniu.

W płucach, w pozycji stojącej możemy wyróżnić 4 strefy:

• strefę 1 - szczytową: ciśnienie wewnątrz kapilar jest niższe niż wewnątrz pęcherzyków, przez co kapilary są zamknięte, a pęcherzyki nie biorą udziału w wymianie gazowej. W warunkach prawidłowych strefa ta nie występuje, ale pojawia się np. po krwotoku;

• strefę 2 - podszczytową: ciśnienie w kapilarach jest wyższe od wewnątrzpęcherzykowego, a to z kolei wyższe od żylnego. Przepływ krwi zależny jest tu od różnicy ciśnień tętniczo-pęcherzykowych. Po przepłynięciu krwi do żył płucnych, obserwujemy tzw. „efekt wodospadu”, czyli nagły wzrost przepływu;

• strefę 3 - środkową: przepływ uwarunkowany jest różnicą między ciśnieniem w tętniczkach a ciśnieniem w żyłkach płucnych;

• strefę 4 - dolną: ciśnienie w kapilarach jest wyższe nie tylko od wewnątrzpęcherzykowego, ale też od śródmiąższowego, zatem przepływ zależny jest tylko od ciśnienia napędowego.

Krążenie płucne rozpoczyna się od pnia płucnego, który dzieli się na tętnicę płucną prawą i lewą. Dalsze rozgałęzienia, aż do kapilar pęcherzykowych towarzyszą drzewu oskrzelowemu. Do lewego przedsionka serca krew wraca przez żyły płucne.

Żyły płucne, oprócz krwi utlenowanej, transportują także pewną ilość krwi nieutlenowanej, ze względu na istnienie tzw. przecieku płucnego. Wyróżniamy w nim:

• przeciek płucny anatomiczny - związany z występowaniem zespoleń między żyłami oskrzelowymi i żyłami płucnymi (tylko 1/3 krwi żylnej z oskrzeli odpływa do żyły nieparzystej i żył międzyżebrowych, natomiast 2/3 odpływa z dystalnych odcinków drzewa oskrzelowego do lewego przedsionka przez żyły płucne), bezpośrednich zespoleń między tętnicami a żyłami płucnymi (z ominięciem pęcherzyków) oraz żył Tebezjusza (drenujących krew z mięśnia sercowego prosto do lewej komory).

• przeciek płucny fizjologiczny wynika z nierównomierności stosunku wentylacji do przepływu krwi. Najlepiej wentylowane są najniżej położone części płuc (więc np. leżąc na lewym boku, będzie to lewe płuco), które wprawdzie zaczynają się wypełniać później niż szczytowe części płuc, ale to wypełnienie jest większe. Nierównomierny przepływ natomiast spowodowany jest siłą ciężkości słupa krwi, różnicami regionalnymi w ciśnieniu wewnątrzopłucnowym i wewnątrzpęcherzykowym oraz stanami patologicznymi (skurcz zatkanie, ucisk). Przepływ krwi w przyszczytowych częściach płuc wynosi zaledwie 10% przepływu tego, co w partiach przypodstawnych. W spoczynku wentylacja (V) wynosi 4,2l/min, a przepływ (Q) 5l/min. Współczynnik V/Q wynosi więc średnio 0,85, przy czym w górnych partiach (gdzie wentylacja przeważa nad przepływem) jest to ok. 3,3 a w dolnych (przepływ przeważa nad wentylacją) - ok. 0,55. Istnieją mechanizmy ograniczające odchylenia stosunku V/Q od optimum (0,85). Gdy V/Q jest niskie: niedostateczna wentylacja → hipoksja → skurcz naczyń → zmniejszenie przepływu → zbliżenie stosunku do optymalnego. Gdy V/Q jest wysokie: nadmierna wentylacja → rozszerzenie naczyń → zwiększenie przepływu → zbliżenie stosunku do optymalnego. Nadmierna wentylacja również powoduje spadek prężności CO₂, a zatem skurcz oskrzelików i wtórne zmniejszenie wentylacji, co również zbliża stosunek V/Q do optymalnego.

Prawa gazowe:

• prawo Boyle'a → opisuje odwrotnie proporcjonalną zależność między objętością a ciśnieniem gazu w stałej temperaturze: PV=K (K - wartość stała);

• prawo Charlesa → opisuje proporcjonalną zależność między objętością a temperaturą gazu pod stałym ciśnieniem: V=KT;

• prawo Daltona → ciśnienie wywierane przez dany gaz w mieszaninie nosi nazwę ciśnienia parcjalnego, i równa się całkowitemu ciśnieniu pomnożonemu przez procentowy udział, jaki dany gaz ma w całkowitej objętości mieszaniny gazowej (jedynie ciśnienie parcjalne pary wodnej zależne jest nie od ciśnienia całkowitego, ale od temperatury);

• prawo Grahama → prędkość dyfuzji jest odwr. prop. do pierwiastka masy cząsteczkowej;

• prawo Henry'ego → liczba cząsteczek gazu rozpuszczających się w płynie jest wprost proporcjonalne do ciśnienia parcjalnego gazu nad powierzchnią tego płynu.

Dyfuzja jest procesem biernym, który w pęcherzykach płucnych jest czynnie przyspieszany przez cytochrom C-450 obecny w siateczce śródplazmatycznej pneumocytów I. Dyfuzja przebiega znacznie szybciej niż przepływ krwi w kapilarach. W spoczynku krwinki przepływają przez kapilarę przez ok. 0,75s a równowaga zostaje osiągnięta po 0,25s. Dyfuzyjność gazu w środowisku płynnym zależy od gradientu ciśnień i od rozpuszczalności gazu w płynie. Ciśnienia parcjalne gazów w pęcherzykach ulegają tylko niewielkim wahaniom, ze względu na fakt, że FRC kilkakrotnie przewyższa objętość oddechową, czyli ilość świeżego powietrza dostającego się do pęcherzyków. Dzięki temu gradient ciśnień jest praktycznie stały, i dla tlenu wynosi 60mmHg (100mmHg - 40mmHg), a dla CO₂ - tylko 5mmHg (45mmHg - 40mmHg). Mimo to prędkość dyfuzji CO₂ jest ok. 21 razy większa (ze względu na współczynnik rozpuszczalności tego gazu).

Dyfuzja w tkankach również odbywa się dzięki różnicy ciśnień: wewnątrzkomórkowe ciśnienie parcjalne tlenu wynosi średnio 23mmHg, a CO₂ - ok. 46mmHg (gradient wynosi 1mmHg dla CO₂!)

Długość drogi dyfuzyjnej to odległość jaką przebywa O₂ od gazu w pęcherzykach do cząsteczki Hb.

Pojemność dyfuzyjna to objętość gazu dyfundująca w ciągu 1 min przy gradiencie 1mmHg. Zależy od dyfuzji przez błonę pęcherzykową i od szybkości wiązania tlenu z Hb lub tworzenia węglanów przez CO₂. Wzrost pojemności dyfuzyjnej podczas wysiłku jest wynikiem otwierania nieczynnych w spoczynku kapilar i ścieńczenia błony pęcherzykowej (z powodu pogłębionych oddechów).

Transport tlenu we krwi:

Prawidłowo blisko 99% tlenu we krwi związane jest z hemoglobiną, a tylko 1% w osoczu i płynie wewnątrzkomórkowym krwinek, choć stosunki te zmieniają się w zależności od ciśnienia parcjalnego tlenu w powietrzu oddechowym. Krew żylna dopływająca do płuc wysycona jest w 70% (stanowiąc rezerwę w sytuacjach zwiększonego zapotrzebowania na tlen), a krew tętnicza odpływająca z płuc wysycona jest w ok. 97%.

Maksymalna ilość tlenu, która może być transportowana przez Hb nosi nazwę pojemności tlenowej i wynosi ok. 20,1ml. Krzywa dysocjacji Hb ma kształt sigmoidalny. Na zdolność Hb do wiązania tlenu wpływa: ciśnienie parcjalne, stopień poprzedniego wysycenia Hb tlenem (każda kolejna cząsteczka przyłącza się łatwiej), pH (znane jako efekt Bohra: nagromadzenie CO₂ i innych kwaśnych metabolitów przesuwa krzywą dysocjacji Hb „na prawo”, czyli ułatwia oddawanie tlenu tkankom), temperatura (w prawo przy wzroście ciepłoty) i stężenie 2,3-difosfoglicerynianu (zmniejsza powinowactwo Hb do tlenu, ułatwiając jego oddawanie tkankom).

Transport tlenu przez krew jest również zależna od hematokrytu: w nadkrwistości, mimo zwiększonej zawartości Hb, następuje obniżenie transportu tlenu, gdyż znacznie zwiększa się lepkość krwi i obniża pojemność minutowa serca. Obniżenie wyrzutu o 50% powoduje spadek zużycia tlenu o 30%, natomiast wzrost wyrzutu o 50% zwiększa zużycie tylko o 10%.

Hipoksemia - gdy ciśnienie parcjalne tlenu we krwi spadnie poniżej 85mmHg.

Hipoksja - niedobór tlenu w tkankach. Wyróżniamy hipoksję krążeniową (zastoinową - gdy przepływ krwi w tkankach jest za mały), hipoksyczną (hipoksemia), anemiczną (w wyniku obniżenia zawartości Hb we krwi) i histotoksyczną (dostarczana jest prawidłowa ilość tlenu, ale zużytkowanie w tkankach jest upośledzone z powodu działania czynników toksycznych).

Hiperoksja - uzyskiwana przez oddychanie czystym tlenem. Wskazana jest do leczenia hipoksji hipoksycznej, choroby kesonowej (bo zmniejsza to ciśnienie parcjalne N₂ w gazie pęcherzykowym) i zatrucia CO. Pewne znaczenie ma też w leczeniu hipoksji krążeniowej i histotoksycznej, natomiast nie wpływa na hipoksję anemiczną. Długotrwałe podawanie tlenu prowadzi do zatrucia tlenowego, w którym obserwujemy zaburzenia psychiczne, drgawki a nawet spiączkę (bo tlen unieczynnia enzymy łańcucha oddechowego, upośledza wytwarzanie DNA i syntezę białek, powoduje tworzenie wolnych rodników, zmniejszenie zawartości GABA w tkance mózgowej).

Sinica spowodowana jest dużym stężeniem hemoglobiny zredykowanej (niebieska). Sinica nie pojawia się w hipoksji anemicznej i histotoksycznej (prawidłowe wysycenie Hb tlenem), ani w zatruciu CO (HbCO ma kolor wiśniowy).

CO wykazuje ok. 210 razy większe powinowactwo do Hb niż tlen. W związku z tym Hb jest już w pełni wysycona tlenkiem węgla przy ciśnieniu parcjalnym 0,5mmHg w pęcherzykach. Śmierć następuje zwykle przy ciśnieniu 0,7mmHg. Leczenie obejmuje podawanie tlenu, i również CO₂, który pobudza ośrodek oddechowy wzmagając wentylację i ułatwiając usuwanie CO z ustroju.

CO₂ jest transportowany w 3 postaciach: rozpuszczony fizycznie w płynie osocza i krwinek (krew tętnicza - 6%, krew żylna - 10%), jako jony HCO₃^- (k. tętnicza - 88%, k.żylna - 70%) i jako związki karbaminowe (k.t. - 6%, k.ż. - 20%). CO₂ w HCO₃^- jest zamieniany w erytrocytach przez anhydrazę węglanową. Do osocza przechodzi w zamian za Cl^-, co wzmaga ciśnienie osmotyczne krwinek, a zatem napływ wody (krwinki w krwi żylnej będą więc nieco większe niż w krwi tętniczej).

Efekt Haldane'a - wzrost ciśnienia parcjalnego tlenu ułatwia usuwanie CO₂ (dzięki temu efektowi w płucach uwalnia się ok. 50% CO₂ krwi żylnej).

Hiperkapnia - wzrost ciśnienia parcjalnego CO₂ w krwi tętniczej powyżej 45mmHg. Najczęściej jest wynikiem upośledzenia wentylacji pęcherzyków lub zatkania dróg oddechowych. Prowadzi to do asfiksji, czyli ostrej hiperkapni i hipoksji. Pod wpływem nagromadzenia CO₂ dochodzi do gwałtownych ruchów oddechowych, oraz wzmożonego wyrzucania amin katecholowych do krwiobiegu (przyspieszenie akcji serca). Dopiero przedłużająca się hiperkapnia prowadzi do osłabienia ruchów oddechowych i słabnięcia akcji serca.

Hipokapnia - spadek ciśnienia CO₂ poniżej 20mmHg. Może wystąpić w przypadku hiperwentylacji. Z powodu spadku prężności CO₂ następuje chwilowe zatrzymanie oddechu (bezdech prawdziwy). Hipoksja pobudza chemoreceptory, dzięki czemu powraca oddech (oddychanie okresowe).

Regulacja oddychania

Układ kontrolny regulujący oddychanie składa się z takich komponent jak:

• kompleks oddechowy pnia mózgu („ośrodkowy generator wzorca oddechowego”), zwany krótko ośrodkiem oddechowym. Zapewnia sterowanie automatyczne oddychania. Zlokalizowany jest w tworze siatkowatym pnia mózgu i składa się z neuronów wdechowych (neurony I, przekazujące impulsację do motoneuronów mięśni wdechowych) i wydechowych (neurony E, przekazujące impulsację do motoneuronów mięśni wydechowych). Tworzą one 3 grupy neuronów: grupę grzbietową DRG w obrębie jądra pasma samotnego NTS (zawiera neurony unerwiające motoneurony przeponowe segmentów szyjnych C₃-C₆ strony przeciwnej; tworzą trzy podgrupy: neurony I_{α -} niepobudzane przez mechanoreceptory płucne, neurony I_β - pobudzane przez mechanoreceptory oraz neurony P - mają działanie pobudzające na neurony hamujące wdech, biorąc udział w odruchu Heringa-Breuera), grupę brzuszną VRG w obrębie jądra dwuznacznego n. błędnego NA (poprzez interneurony zaopatruje motoneurony przeponowe i międzyżebrowe zewnętrzne w segmentach Th₁-Th₁₂) oraz grupę dogłowową w pobliżu jądra zatwarzowego NRF (tworzy kompleks Bötzingera zawierający neurony, które prawdopodobnie służą jako „rozrusznik oddechowy”). Kompleks oddechowy bierze udział w rytmogenezie: narastające pobudzenie neuronów I na zasadzie sprzężeń zwrotnych dodatnich → przekazywanie jednocześnie impulsacji do ośrodka pneumotaksycznego mostu, który z kolei hamuje aktywność neuronów wydechowych → spadek pobudliwości i wyładowań neuronów I w wyniku adaptacji → uwolnienie neuronów wydechowych spod hamowania antagonistycznego ośrodka pneumotaksycznego → narastające pobudzenie neuronów E z jednoczesnym hamowaniem zwrotnym neuronów I → adaptacja neuronów E i narastające pobudzenie neuronów I → …

Ośrodek pneumotaksyczny, czyli jądra okołoramienne przyśrodkowe NPBM, w mośćie → w przeciwieństwie do tego, co było napisane na poprzedniej stronie w Konturku, tym razem twierdzi on, że ośrodek pneumotaksyczny nie hamuje neuronów E, ale je pobudza, natomiast hamuje zwrotnie neurony I. Zatem to on (a nie jak poprzednio twierdził, że adaptacja) jest odpowiedzialny za przełączanie wdechu na wydech i odwrotnie. Ładny schemat w Konturku, proponuje zajrzeć → str. 164. Czynniki pobudzające ośrodek pneumotaksyczny przyspieszają i spłycają oddech. Są to np. podwyższona temperatura ciała, pobudzenie nieswoiste tworu siatkowatego (stany emocjonlane) czy zwiększenie pobudliwości mechanoreceptorów płuc (np. przy zwłóknieniach).

Ośrodek apneustyczny zlokalizowany jest w dolnej części mostu. Wywiera toniczne działanie pobudzające na neurony I, powodując długo przeciągające się wdechy (nawet do paru minut) → „oddychanie apneustyczne”;

• ośrodki korowe - warunkują dowolną regulację oddychania; upośledzenie automatycznej kontroli oddychania przy zachowaniu regulacji dowolnej ma miejsce w rzadko wystepującym zespole Ondyny. Oddychanie wtedy ustaje w czasie snu. Oprócz kory mózgowej, w kontroli oddechu biorą udział też układ limbiczny, siatkowaty i podwzgórze;

• mechanoreceptory, wśród których wyróżniamy:

• wolno adaptujące receptory SAR - zwane też inflacyjnymi; zlokalizowane są w mięśniach gładkich tchawicy i oskrzeli; pobudzane rozciąganiem w czasie wdechu, prezkazują impulscję włóknami czuciowymi typu A nerwów błędnych do neuronów I_β pnia mózgu; powodują spłycenie i przyspieszenie oddechów, czyli inflacyjny odruch Heringa-Breuera (deflacyjny wywołany jest spadkiem aktywności tych receptorów);

• szybko adaptujące receptory RAR - zwane też typu I (irritant), deflacyjnymi lub podnabłonkowymi; reagują na czynniki drażniące wywołując odruch kaszlu, oraz na szybkie zapadanie płuc wywołując ziewnięcie lub westchnienie;

• receptory okołokapilarne J (pobudzane przez odkształcenia śródmiąższowe, np. obrzęk, wywołując krótkotrwały bezdech po którym następują krótkie i częste oddechy);

• receptory oskrzelowe włókien aferentnych typu C (odpowiedzialne są za odruchy towarzyszące duszności wywołane autokoidami i kapsaicyną);

• chemoreceptory, wśród których wyróżniamy:

• centralny (strefa chemowrażliwa mózgu CSA górna R i dolna C) - przypisuje mu się 70% napędu oddechowego; nie rejestruje zmian ciśnienia parcjalnego CO₂, ale zmiany stężenia H⁺ w płynie mózgowo-rdzeniowym. Jest na nie b. czuły, bo płyn mózgowo-rdzeniowy ma bardzo małą zdolność buforującą zmiany pH. Ponieważ jony H⁺ nie przenikają jednak bariery krew-mózg, zmiany pH spowodowane są dyfundowaniem CO₂ z krwi tętniczej, który po uwodnieniu i dysocjacji uwalnia jony H⁺ (HCO₃^- też nie przenika bariery!); maksymalna wentylacja zostaje osiągnięta przy oddychaniu mieszanką gazową o zawartości 10% (przy 20-30% dochodzi do śpiączki, a przy 50% do śmierci); nikotyna i acetylocholina pobudzają CSA, natomiast oziębienie czy znieczulenie prokainą wywołuje bezdech. Same zmiany H⁺ w krwi tętniczej mają małe znaczenie, gdyż szybko zostaje wyrównane przy zwiększonej wentylacji. W kwasicy metabolicznej natomiast (gdy pH drastycznie spada) obserwujemy tzw. oddychanie Kussmaula, czyli wybitne pogłębienie oddechów;

• obwodowe - są wrażliwe na spadek prężności tlenu fizycznie rozpuszczonego w osoczu (który nie pobudza bezpośrednio strefy chemowrażliwej, a na same neurony ośrodka oddechowego, podobnie jak i na wszystkie inne neurony działa depresyjnie!), hiperkapnię i kwasicę. Tworzą zgrupowania jako kłębki szyjne i kłębki aortalne. Przekazują impulsacją do ośrodka oddechowego odpowiednio przez n. językowo-gardłowy i n. błędny. Komórki typu I chemoreceptorów posiadają wrażliwe na tlen kanały potasowe, których przewodność maleje proporcjonalnie do stopnia hipoksji, prowadząc do depolaryzacji i pobudzenia odpowiednich nerwów aferentnych poprzez takie neurotransmittery jak: dopamina, NA, serotonina, substancja P, VIP czy enkefaliny.

• motoneurony oddechowe wykazują naprzemienną depolaryzację (przez postsynaptyczny potencjał pobudzający) i hiperpolaryzację (postsynaptyczny potencjał hamujący). Ich aktywność jest również regulowana przez aktywację pętli gamma, dzięki czemu siła skurczu jest każdorazowo dostosowana do istniejących oporów oddechowych.

Rozdział „oddychanie a wysiłek fizyczny” → Konturek rozwodzi się przez 10 stron nad tym, co może być przyczyną dla której podczas wysiłku wzrasta wentylacja. Stawia hipotezy i po kolei je obala... ostatecznie nie wiem do jakiego wniosku doszedł, bo się pogubiłam/znudziłam ;-)

Oddychanie w obniżonym ciśnieniu barometrycznym - powodem hipoksji, mimo niezmienionej procentowo zawartości tlenu w powietrzu (20,9%) jest to, że wytwarzanie CO₂ w organizmie jest niezależne od podaży tlenu, a prężność pary wodnej w gazie pęcherzykowym zależna jest tylko od ciepłoty ciała (~47mmHg). Dlatego w warunkach obniżonego ciśnienia, w pęcherzykach znajduje się normalna ilość CO₂ i H₂O, ale zajmują one większą objętość (są rozprężone), wyraźnie zmniejszając przestrzeń zajmowaną przez tlen. Dlatego powyżej wysokości 6000m n.p.m. Należy oddychać czystym tlenem pod zwykłym ciśnieniem, a powyżej 13700m n.p.m. - czystym tlenem pod zwiększonym ciśnieniem.

W hipoksji wyróżniamy trzy fazy:

• I - wzrost wentylacji tylko o 15% (bo towarzyszący hiperwentylacji spadek prężności CO₂ i wzrost pH hamują ośrodek oddechowy),

• II - hiperwentylacja aklimatyzacyjna (reakcja ostra): po upływie 8-10 godzin wentylacja wzrasta kilkakrotnie (nawet 7-krotnie), osiągając szczyt po 2-4 dniach (dłużej trwająca hipokapnia i podwyższone pH przestają upośledzać ośrodek oddechowy, który w tym momencie reaguje na hipoksję odpowiednio zwiększając wentylację),

• III - reakcja przewlekła: po 4 dniach wentylacja obniża się trochę, ale nadal utrzymuje się na podwyższonym poziomie.

Do objawów hipoksji należy: zmniejszenie ostrości widzenia (wrażliwość siatkówki na hipoksję), ociężałość, zmęczenie fizyczne i umysłowe, bóle głowy, objawy psychiczne. W nocy pojawia się bezsenność i oddychanie okresowe typu Cheyne'a-Stokesa (hiperwentylacja → zmniejszenie prężności CO₂ w krwi tętniczej → chwilowy bezdech → gromadzenie CO₂ w pęcherzykach → wzrost prężności CO₂ w krwi tętniczej → hiperwentylacja → …).

W przypadku nagłego wystawienia na działanie ostrej hipoksji dochodzi do utraty przytomności, nawet po 20s (czas „użytecznej przytomności”, lub „rezerwy czasu”)

Zaburzenia wentylacji płuc mogą być typu:

• hipodynamicznego - upośledzenie sprawności wentylacji w wyniku osłabienia pobudliwości ośrodka oddechowego, uszkodzenia połączeń między ośrodkiem oddechowym a mięśniowym aparatem oddechowym, w porażeniach mięśni oddechowych (choroba Heinego-Medina) czy ich osłabieniu (miastenia gravis)

• obstrukcyjnego - zaburzenia fazy wydechowej (zwężenie oskrzeli wskutek zmian zapalnych błony śluzowej, gromadzenia wydzieliny czy skurczu mięśniówki gładkiej; rozedma)

• restrykcyjnego - zaburzenia fazy wdechowej (zrosty opłucnej, zwłóknienia, nacieki, obrzęk)

• mieszanego - zaburzenia fazy wdechowej i wydechowej jednocześnie

---