Fylogeneze a srovnávací biologie plicního oběhu M. Riedel
Prof. Dr. Dr. med. Martin Riedel, FESC Narozen 1948 v Brně, promoval 1972 summa cum laude v Brně. Interní erudici získal v nemocnici ve Zlíně (1972–75) a na dnešní Klinice kardiologie pražského IKEM (1975–83). Jeho celoživotním zájmem se stala kardiopulmonální problematika. V r. 1979 spoluorganizoval mezinárodní sympozium Pulmonary Circulation III. Kandidátskou práci na téma Dlouhodobý osud a kardiopulmonální funkce u nemocných s chronickou plicní tromboembolickou nemocí obhájil v r. 1981. Pracoval ve výboru Čs. společnosti fyziologie a patologie dýchání (1977–83, vědecký sekretář 1981–83) a jako předseda Pracovní skupiny plicní cirkulace při Evropské kardiologické společnosti (1979–84). Je Fellow Evropské kardiologické společnosti. V r. 1983 emigroval do Německa, nostrifikoval z vnitřního lékařství a kardiologie a složil atestaci z pneumologie. Pracuje v Německém srdečním centru v Mnichově, které je klinikou mnichovské Technické univerzity. Věnuje se především problematice chorob plicního oběhu, kardiopulmonálních zátěžových testů, pooperačních kardiopulmonálních komplikací, vrozených srdečních vad v dospělosti a invazivní bronchologie. Publikoval přes 160 odborných prací (z toho 75 česky). Pedagogická činnost zahrnuje mimo výuky studentů v Mnichově i kapitoly ve standardních anglických učebnicích kardiologie (Diseases of the Heart, Saunders 1996) a pneumologie (Respiratory Medicine, Saunders 1995 a 2003). Monografie Choroby plicního oběhu vyšla česky 2000 (Galén, Praha, 295 s.). Do monogragfie Klinická fyziologie krevního oběhu (Galén, Praha 2002) napsal stať Patofyziologie plicního oběhu. Od r. 1992 pravidelně přednáší a vede semináře na 2. LF UK v Praze a na LF MU v Brně. V r. 2000 byl jmenován docentem a v r. 2003 profesorem vnitřního lékařství.
Klíčová slova plicní oběh – savčí plíce – výměna plynů – evoluce – konvekční transport – plicní difuze – plicní kapilární tlak – úroveň metabolizmu
Souhrn Během evoluce se vyvinulo několik transportních systémů plynů, přitom jsou všechny schopny, i navzdory velké vzdálenosti mezi prostředím a jednotlivými buňkami tkání, dostatečně zásobit tkáně kyslíkem a odstranit metabolicky tvořený CO2. Podkladem vysoké úrovně metabolizmu u savců byl přechod z anaerobního k aerobnímu buněčnému metabolizmu a přechod z vody na souši. K uspokojení zvýšené potřeby kyslíku se vyvinul plicní oběh jako místo kontaktu jednoho difuzního a dvou konvekčních transportních systémů. Fyzikální požadavky těchto dvou konvekčních systémů si vynutily kompromisy. Na vnitřní (kardiovaskulární) straně to je závislost na vysokém tepenném tlaku, úporně udržovaném neurohumorálními mechanizmy na úkor retence solí a vody. Na vnější (plicní) straně to je potřeba velké výměnné plochy v orgánu o malých rozměrech. Systém ventilace sem a tam ve slepém systému dýchacích cest v sobě skrývá nebezpečí blokády a zaplavení, které představují každodenní problémy internisty. Hypoxická plicní vazokonstrikce nepřináší extrauterinně žijícím savcům při generalizované alveolární hypoxii žádné výhody.
Keywords pulmonary circulation – mammalian lung – gas exchange – evolution – convective transport – lung diffusion – pulmonary capillary pressure – metabolic rate
Summary Phylogeny and comparative biology of the pulmonary circulation. Several systems of gas transport have developed during evolution, all of which are able to sufficiently supply oxygen to the tissues and eliminate CO2 produced by the metabolism, in spite of great distances between the environment and the individual cells of the tissues. Mammals are at the end of a gradual metabolic evolution in the course of which the step from anaerobic to aerobic cellular metabolism and the transition from water to land life formed the basis for an increase in metabolic rate. To meet the increasing need for oxygen, the pulmonary circulation developed as the meeting place of one diffusive and two convectional transport systems. The physical requirements of the two convectional systems necessitated compromises. On the internal (cardiovascular) side it is a dependence on a high arterial pressure, fiercely defended by neurohumoral mechanisms at the expense of a retention of water. On the external (pulmonary) side it is the need for a large exchange interface, combined with the convenience of an organ of limited dimensions. The system of to–and–fro ventilation into a blind tree of airways carries with it the twin perils of blockage and flooding which are everyday concerns of internists. Hypoxic pulmonary vasoconstriction in the presence of a generalized alevolar hypoxia brings to mammals living ex utero no benefit.
60
Úvod Fylogeneze je nedílnou součástí vývojové biologie, a je škoda, že se na ni v současné době zapomíná. Srovnávací biologie pomáhá internistovi při vysvětlení mechanizmů některých srdečních vad, mechanizmů nemocí plicního oběhu a interakcí mezi srdcem a plícemi u kriticky nemocných pacientů.
Aerobní život Život na planetě začal v atmosféře bez kyslíku. První organizmy získávaly energii štěpením komplexních molekul, které vznikly za nesmírného horka při stvoření světa. Některé tyto primitivní cesty anaerobního metabolizmu přetrvávají dodnes v každé buňce našeho těla. Komplexní molekuly se asi spotřebovaly, a proto, či spíše náhodou, začaly modrozelené řasy před třemi miliardami let vytvářet biologicky užitečnou energii ze slunečního světla pomocí chlorofylu [1]. Problémem pro ostatní obyvatele planety se stalo to, že v tomto novém procesu přeměny energie vznikal a následně se v atmosféře hromadil vysoce toxický odpadový produkt – kyslík. Jeho toxicita spočívá v tvorbě volných radikálů kyslíku, které inaktivují bílkoviny oxidací jejich sulfhydrylových skupin a ničí buněčné membrány tvorbou peroxidů tuku. Toto znečištění ovzduší vedlo ke smrti téměř všech tehdy existujících organizmů, a nebezpečí z něj plynoucí pro celou světovou komunitu muselo být obrovské. Ta na to reagovala, a to nesporně genetickými procesy, vývojem prostředků chemické obrany. Některé byly jednoduché nitrobuněčné látky jako glutathion, jiné byly enzymy, například superoxid–dismutáza. I dnes chrání tyto mechanizmy naše těla a zabraňují například, aby v nás tuková tkáň nežlukla [1,2]. Život je však vždy oportunistický, a tak se jednou některé organizmy naučily, jak využít vlastností kyslíku jako donátoru elektronů a příjemce protonů a použít v elektronovém transportním řetězci jeho redukci k tvorbě ATP. Ještě více fascinující bylo včlenění těchto aerobních mikrobů jadernými buňkami do své cytoplazmy, v níž jako mitochondrie zůstávají dodnes. Tím se kyslík změnil ze smrtícího polutantu atmosféry na nejnezbytnější element pro život na planetě [1,3,4].
www.kardiologickarevue.cz
Fylogeneze a srovnávací biologie plicního oběhu
a větší složitostí živočichů se tedy stal vnitřní proudivý systém nezbytným. Zevní proudivý systém se přitom zachoval a u primitivních strunatců slouží současně k filtrování potravy i respirační výměně. I u tak pokročilých forem života, jaké představují ryby, je jeho funkce stále smíšená – průtok vody ústy slouží k polykání a jeho průtok žábry slouží k výměně nejen respiračních plynů, ale i solí a dusíkatých zplodin metabolizmu (obr. 1). WATER
O2 BLOOD
PO2(I) PO2(a) PO2(E) PO2(v)
Obr. 1. Rybí žábry jsou komplexní struktury. K výměně plynů dochází na povrchu lamel. Směr proudu vody mezi lamelami je opačný než směr krevního proudu. Tento protiproudový výměník umožňuje rychlou ekvilibraci parciálního tlaku kyslíku (pO2) mezi krví a vodou proudící mezi lamelami. Kontakt krve s čerstvou vodou je navíc stálý (na rozdíl od střídání vdechu a výdechu u plic). I – inspirium, E – exspirium, a –tepenný, v – žilní.
Difuze a konvekce Život vznikl ve vodě a první buňky v ní volně plavaly. Jednobuněčné organizmy byly vzhledem ke svým malým rozměrům schopné vyměňovat živiny a exkrementy přímo přes svou stěnu. Tento pohyb materiálů do buňky a z ní se konal difuzí, i když proudy ve vodním okolí poskytly občas, především pro vícebuněčné organizmy, zevní konvekční (proudivou) pomoc. S růstem mnohobuněčných organizmů se stala difuze nedostatečnou a organizmy, aby si zajistily dostatečnou výměnu látek, začaly okolní vodu ovlivňovat vlastním pohybem. Pro mnoho jednoduchých organizmů, například mořských hub, korálů nebo medúz představuje okolní voda jediný konvekční transport, sloužící polykání, respiraci i vyměšování [1]. Konvekce umožňuje rychlý transport plynů na velkou vzdálenost, nemůže však Žábry
Žábry
V LA
V A
překonávat hranice a vyžaduje energii. Difuze umožňuje transport přes tkáňové bariéry, vyžaduje však velkou výměnnou plochu a krátkou difuzní dráhu [5]. Krogh odhadl, že sférický organizmus s poloměrem 1 cm, spotřebovávající 100 ml kyslíku na 1 kg za hodinu (tj. asi polovinu spotřeby kyslíku člověkem v klidu), by potřeboval, aby byl pouhou difuzí zásoben jeho střed kyslíkem, zevní tlak kyslíku ve výši 25 atmosfér (19 000 mmHg). Vypočítal též, že organizmus, pokud má žít pouze difuzí (za předpokladu, že žije ve vodě plně saturované vzduchem při tlaku 1 atmosféry), nemůže mít poloměr větší než 0,5 mm. Některé větší organizmy žijící ve vzduchu (určité druhy hmyzu) získají sice dostatek kyslíku pouhou difuzí, mají však zvláštní systém vzduchových trubic (tracheae), přivádějících vzduch do všech oblastí těla, takže dráha pro difuzi kyslíku k buňkám tkání je krátká [5]. S růstem Plíce
Plíce
V
Plíce
RA
Tělo
Tělo
Ryba
Larva obojživelníků, dvojdyšná ryba
RA
LA
RV
LV
RA
Tělo
Obojživelník, plaz
LA
Tělo
Pták, savec
Obr. 2. Schéma krevních oběhů u obratlovců. U ryb, ptáků a savců je respirační oběh zařazen v sérii se systémovým oběhem. U zvířat dýchajících vzduch intermitentně leží naopak oba oběhy paralelně. U zvířat dýchajících bimodálně je plicní oběh umístěn za žábry. A – síň; V – komora; RA – pravá síň; LA – levá síň, LV – levá komora; RV – pravá komora.
Kardiologická revue 3/2004
Migrace zvířat na souši vedla k velkému omezení zevního proudivého systému. U obojživelníků sice stále dochází k významné výměně vody, solí, močoviny a respiračních plynů přes vlhkou kůži, ale pohyb dále od břehu vyžadoval silnou neprostupnou kůži. Výměnná funkce kůže byla proto zavržena a kůže převzala úlohu v regulaci teploty, která se stala nezbytnou s vývojem teplé krve. Výměna respiračních plynů se nyní omezila na nově vyvinuté plíce, zatímco vylučování dusíkatého odpadu se omezilo na ledviny. Musel se přeměnit i vnitřní konvekční systém, krevní oběh.
Potřeba kyslíku Vývoj teplokrevných ptáků a savců byl spojen s výrazným zvýšením spotřeby kyslíku. Toto zvýšení umožnilo nové zevní konvekční médium – vzduch. Kyslík je málo rozpustný ve vodě (asi 0,3 ml/100 ml/100 mmHg), jeho hojnost ve vzduchu však umožnila výrazné snížení objemu ventilace (k nabrání stejného množství kyslíku musí projít mnohem menší objem vzduchu plícemi než vody žábrami, obr. 1). Na druhé straně se vnitřní proudivé médium (tj. krev) podstatně nezměnilo, takže vnitřní distribuce zvýšeného množství kyslíku mohlo být dosaženo pouze zvýšením srdečního výdeje. Srdeční výdej se u většiny savců pohybuje kolem 90–150 ml/min/kg, zatímco u ryb jen kolem 10–40 ml/min/kg. Bílý kosterní sval ryby získává svou energii především anaerobní glykolýzou, zatímco červený kosterní sval savců a ptáků je bohatý na mitochondrie, a umožňuje zvýšené užívání kyslíku. Glykolýza může poskytnout energii jen pro krátkodobou činnost. Výhodou oxidativního metabolizmu je, že umožňuje dlouhodobou aktivitu, díky které se teplokrevná zvířata stala dominující silou na planetě [3,4].
Kardiovaskulární systém U korýšů a měkkýšů je vnitřní proudivý systém otevřený; srdeční pumpa žene hemolymfu tepnami do mezibuněčného prostoru, odkud se otvory vrací zpět k srdci [6]. U obratlovců se kardiovaskulární systém stal převážně uzavřeným (obr. 2), krev je oddělena od intersticiální tekutiny kapilární stěnou. V některých místech oběhu (např. v játrech, slezině, kostní dřeni a ledvinných glomerulech) je však tato separace neúplná. Lymfatický systém navíc
61
Fylogeneze a srovnávací biologie plicního oběhu
b
a LAo
RAo
LAo
PA F.P. RA
LA
RV
Obr. 3. Krevní oběh u dvoudyšných ryb. Ve vodě jsou žábry perfundované, ductus otevřený a vazomotorický segment plicní tepny (VSPA) zavřený. Na úrovni srdce dochází k velkému zkratu. Při dýchání vzduchu jsou žaberní zkraty otevřené, ductus zavřený a VSPA otevřený. Nitrosrdeční zkrat je minimální. umožňuje přímou komunikaci mezi intersticiální tekutinou a krví. Rybí srdce má jen jednu síň a jednu komoru. Krev je vypuzena z komory do ventrální aorty, odkud prochází kapilární sítí žáber, než se dostane do dorzální aorty. Tkáně jsou zásobeny krví z dorzální aorty druhou kapilární sítí, která je zapojena v sérii s výměnnými kapilárami v žábrách. Dvojdyšné ryby (Dipnoi) jsou evolučně první obratlovci s vyvinutými plícemi (obr. 3). Obvykle žijí ve vodě, kde přijímají kyslík žábrami, a periodicky se vynořují k nadechnutí vzduchu. Africký Protopterus dýchá vzduch obligátně a plíce je hlavním místem příjmu kyslíku. Během období sucha může Protopterus přežívat měsíce v blátě při dýchání vzduchu. Mezi systémovým a plicním oběhem existuje krátká svalová céva s hojnou cholinergní inervací – ductus, která je strukturou velmi podobná tepenné dučeji u savců. Začátek plicní tepny tvoří vazomotorický segment, obdobně jako u obojživelníků a plazů. Krev může po průchodu žaberními oblouky perfundovat plicní oběh, nebo může být po průchodu žábrami zkratována skrze ductus přímo do systémové dorzální aorty. Při dýchání vody je ductus dilatován (pravděpodobně hypoxickým podnětem) a plicní tepna zúžena (pravděpodobně stimulací vagu). Při dýchání vzduchu je naopak ductus následkem zvýšeného tlaku kyslíku zúžen a plicní tepna v důsledku
62
RAo
PA
LV
F.P. LA
RA
RV
LV
Obr. 4. Průtok krve srdcem krokodýla. (a) Výtok krve ze srdce do systémového a plicního oběhu je na souši oddělený, protože levá aortální chlopeň je díky nízkému odporu v plicní tepně (PA) a vysokému tlaku v aortě uzavřená. (b) Během ponoření se při apnoe dostává část výdeje pravé komory do systémového oběhu, protože při konstrikci plicní tepny dosáhne tlak v pravé komoře (RV) úrovně tlaku v komoře levé (LV). FP – foramen Panizzae; LAo – levá aorta; RAo – pravá aorta; LA – levá síň, RA – pravá síň.
sníženého cholinergního tonusu dilatována. Zkratování krve mezi plicním a systémovým oběhem skrze ductus je analogické úloze ductus arteriosus Botalli u savčího zárodku [7,8]. Srdce obojživelníků a plazů (s výjimkou krokodýlů) má dvě síně a jednu komoru, která pumpuje krev jak do plic, tak do zbytku těla. Systémová žilní krev se vrací do pravé síně, zatímco krev z primitivních plic do levé síně. Spirální chlopeň v conus arteriosus a poloha síňokomorových ústí umožňuje usměrnit většinu systémového návratu do plic a většinu plicní žilní krve do zbytku těla. Larvy obojživelníků (např. pulci) poskytují nejnázornější obraz ontogenetických aspektů plicního oběhu; představují jasný přechod od Protoptera k dospělým obojživelníkům a plazům. Mají žábry k dýchání vody a plíce k dýchání vzduchu. Na rozdíl od Protoptera odstupuje navíc plicní tepna přímo z ventrální aorty do plic. Většina průtoku je zajištěna žábrami; odpor v plicní tepně je asi třikrát vyšší než odpor v žaberních obloucích. Během metamorfózy žábry zanikají, role ductus arteriosus se omezuje a plicní tepna se rozšiřuje a zajišťuje většinu plicního průtoku [7]. U ptáků a savců je systémový oběh zcela oddělen od plicního, s výjimkou nevýznamného spojení bronchiálním oběhem. Srdce má dvě komory, které perfundují příslušné oběhy pod různým tlakem. Tělo je zásobeno pouze plně oxygenovanou krví.
Respirační a systémový oběh je u ryb, ptáků a savců v sérii (obr. 2), a proto je průtok respiračním systémem a systémový průtok stejný. Naproti tomu u obratlovců dýchajících vzduch intermitentně (dvojdyšné ryby, obojživelníci, vodní plazi) se plicní oběh vyvinul paralelně k systémovému oběhu. Tím se může plicní a systémový průtok měnit nezávisle na sobě, takže perfuze plic se přizpůsobí intermitentní ventilaci bez omezení systémové perfuze. Navíc jsou (s výjimkou krokodýlů) oba oběhy perfundovány jedinou komorou a stejným tlakem, a perfuze je tedy funkcí relativních odporů těchto paralelně uspořádaných oběhů. Problémem jediné komory je ovšem míšení systémové a plicní žilní krve v srdci. Toto míšení je sice omezeno laminárním prouděním výdeje pravé a levé síně, částečným septem v truncus arteriosus u obojživelníků a odděleným plicním a systémovým výtokem u vodních plazů, ale s výjimkou krokodýlů, kteří mají dvě komory, mu není úplně zabráněno. Krokodýli mají dvě srdeční komory, které na souši fungují jako u savců (tj. výdej pravé komory jde do plicního a levé do systémového oběhu). Mají jako ostatní plazi dvě párové systémové aorty (obr. 4). I když levá systémová aorta odstupuje z pravé komory, část výdeje levé komory prochází skrze dučej mezi oběma aortami (tzv. foramen Panizzae) do levé aorty [9]. Levá aortální chlopeň je navíc vzhledem k vyššímu tlaku v levé komoře než v komoře pravé uzavřená, takže celý výdej pravé
www.kardiologickarevue.cz
Fylogeneze a srovnávací biologie plicního oběhu
komory může proudit jen do plicnice. Při delší apnoe však mohou krokodýli snížit plicní průtok bez omezení systémového průtoku, protože vagově zprostředkovaná cholinergní konstrikce plicní tepny zvýší výtokový odpor pravé komory, což vede ke zvýšení tlaku v pravé komoře na úroveň komory levé, a tím k otevření levé aortální chlopně s následným pravolevým zkratem. Tento zkrat je výhodný tehdy, když nejsou plíce po delší dobu ventilovány, a zásobu kyslíku v krvi je třeba odklonit do systémového oběhu [7,9]. Na rozdíl od krokodýlů měli býložraví dinosauři jenom jednu aortu a pravděpodobně zcela oddělené oběhy, takže evolučně představují výše vyvinuté živočichy s vyšší metabolickou aktivitou, než jsou dnešní krokodýli [10].
Plicní a systémové perfuzní tlaky Rozdělení oběhového systému na dvě části u ptáků a savců bylo spojeno s výrazným rozdílem v tepenných tlacích. Důvod pro vysoký systémový tlak se obvykle připisuje nezbytnosti perfundovat hlavu ve vzpřímené poloze. Například u žirafy je střední tepenný tlak udržován mezi 200 až 300 mmHg [11]. Perfuzní tlak u primitivních ryb je jen kolem 30 mmHg; protože v rybě nepanuje téměř žádný hydrostatický gradient, je tento tlak dostatečný k zajištění perfuze všech tkání, jejichž metabolizmus je oproti teplokrevným živočichům nízký. Toto vysvětlení je však neúplné. Tepenný tlak u krocana je stejně vysoký jako u žirafy (častým problémem krocanů je ruptura aorty, což trápí jejich chovatele). A proč je krevní tlak malé myši stejně vysoký jako u nás, a u vrabce ještě vyšší? Nebo proč potřebuje tuleň čtyřikrát vyšší krevní tlak než žralok? Srovnáním krevních tlaků u obratlovců je zřejmé, že vysoký krevní tlak je známkou teplokrevných zvířat s vysokou metabolickou aktivitou. Vysoký tlak je následkem separace oběhu do dvou částí a ohromného zvýšení kapacity tělesné zátěže při užívání kyslíku červenými svaly [3,4]. Důvod vysokého tepenného tlaku u teplokrevných zvířat spočívá v kapacitě srdce zvýšit svůj výdej během tělesné zátěže. Při maximální zátěži dochází k maximální dilataci tepen zásobujících svaly, takže celkový systémový cévní odpor je na téměř nejnižší anatomicky možné úrovni. Perfuzní tlak při cvičení je takový, jakého je třeba k zásobení dilatovaných cév krví. I kdyby byl celý systém nastaven na nízký klidový tlak, musel by se tlak při cvičení zvýšit na tuto úroveň. K tomu by levá komora musela naráz velmi zvýšit nejen svůj výdej, ale i ejekční tlak. Z experimentů na izolovaném srdci víme, že k tomu je myokard špatně uzpůsoben [12]. Asi se ukázalo pro tělo jako nejúčinnější udržovat stabilní vysoký tepenný tlak a modulovat lokální přívod krve změnami regionálního periferního odporu [4].
Kardiologická revue 3/2004
Nízký tepenný tlak v plicním řečišti, spolu s nízkým plicním cévním odporem a relativně vysokým žilním tlakem, umožňují jen malý tlakový spád přes plicní řečiště (okolo 5 mmHg). To přispívá ke stabilitě a nízké hodnotě kapilárního tlaku. Největší nebezpečí pro plicní kapilární tlak spočívá v přesunu krve ze systémového do plicního kompartmentu a ve zvýšení celkového objemu krve. Plicní krevní objem činí jen desetinu systémového krevního objemu. Proto je plicní kapilární tlak obzvláště citlivý k jakékoli poruše funkce levé komory. Jen malé snížení výdeje poškozenou levou komorou vede k významnému přesunu krve do plicního oběhu, a tím ke zvýšení plicního kapilárního tlaku s nebezpečím edému plic. To neplatí pro pravou komoru, protože maximální množství krve, které může být přesunuto z plic do systémového oběhu, je méně než půl litru, a tento účinek by neměl být jiný než podání jedné transfuze krve. Je tedy neštěstím evoluce, že levá komora musí překonávat mnohem větší dotížení než pravá a že věnčité tepny, perfundované vysokým tlakem, jsou náchylné k arterioskleróze [4,13].
Vývoj plic Plíce se vyvinula jako orgán k uspokojení výrazně zvýšených požadavků na kyslík, získávaný z nového zevního konvekčního média – vzduchu. Vyžadovalo to přeorganizovat jak zevní, tak vnitřní konvekční systém. Zevní konvekční systém se vyvinul do komplikovaného větvícího se systému dýchacích cest. Malá hmotnost vzduchu umožnila pohyb sem a tam namísto kontinuálního jednosměrného proudění přes žábry. Zatímco žába a ještěrka při dýchání vzduch polykají a k výměně plynů dochází i přes vlhkou kůži, plazi se stali při zrohovatění tělesného povrchu zcela závislí na dýchání plícemi. Vyvinula se u nich žebra a z polykacího dýchání se stalo dýchání nasávací. U savců přibyla k vylepšení dechové mechaniky ještě bránice. Zatímco plíce žáby jsou jen kulaté či oválné vaky s hladkým povrchem, s evolucí dochází ke stále jemnějšímu členění těchto prostor až do asi 1 milionu terminálních dýchacích trubic s 400 miliony alveolů [14] o průměru asi 150 µm u člověka. Tím se plocha pro výměnu plynů podstatně zvětšila. U člověka mají alveoly při výdechu celkovou plochu asi 80 m2 (40krát větší než lidský povrch) a při vdechu 120 m2, a tato plocha je uspořádaná do prostoru dostatečně malého, aby nebyl pro tělo překážejícím břemenem. Přes tuto membránu dochází k výměně respiračních plynů difuzí, nikoli konvekcí [5]. Vzduchová pumpa (tj. plíce) nemá na rozdíl od krevní pumpy žádné chlopně – pohybuje vzduch sem a tam stejným souborem trubic, které přivádějí čerstvý vzduch do alveolů a sbírají z nich vzduch alveolární. V těchto trubicích nedochází k výměně plynů; představují „mrtvý prostor“. Mrtvý prostor vzduchové pumpy je
nevýhodný, protože vyžaduje více ventilace a více práce pro pumpu; na druhé straně je výhodou, že eliminuje potřebu separátních trubic pro sběr vydechovaného plynu, a tím umožňuje více prostoru v plicích pro difuzi. Rozdělit vhodné množství čerstvého vzduchu téměř současně do 400 milionů alveolů různé velkosti skrze 1 milion trubic různé délky a průsvitu představuje obdivuhodné inženýrské dílo. Navíc protože se vzduch ve vodících trubicích nepodílí na výměně plynů, musí být vnitřní průměr těchto trubic malý (k minimalizování objemu mrtvého prostoru), ale zase ne tak malý, aby vzduchová pumpa musela vyvíjet nadměrnou práci k překonání třecího odporu při proudění vzduchu těmito trubicemi. Z tohoto hlediska nepředstavuje lidská plíce zdaleka vrchol evoluce; plíce např. kočky nebo především netopýra jako létajícího savce je mnohem účinnější. Zcela jiný konstrukční princip plic ptáků představuje pokračování evoluce směrem ke zvýšení výkonnosti [5].
Přizpůsobení perfuze k ventilaci Nižší obratlovci, dýchající vzduch intermitentně (dvojdyšné ryby, obojživelníci, vodní plazi), provedou obvykle jeden nebo několik dechů, po nichž následuje různě dlouhá apnoická pauza. Extrémem je želva, která může pod vodou přezimovat půl roku [3]. Protože tato zvířata neventilují své plíce kontinuálně, musí se výrazně měnit i perfuze plic. Dvojdyšné ryby a larvy obojživelníků mají též žábry k dýchání vody (bimodální dýchání); protože se oba orgány neužívají současně, dochází u těchto živočichů k výrazným přesunům průtoku krve mezi plícemi a žábrami [8]. U nižších obratlovců dýchajících vzduch intermitentně vede apnoe k cholinergně zprostředkované bradykardii, a naopak reflexní tachykardie významně přispívá ke zvýšení srdečního výdeje při dýchání. To kontrastuje s převážně excitační adrenergní regulací srdeční frekvence u ptáků a savců (i když cholinergní inhibice je hlavním mechanizmem bradykardie i při apnoe ptáků a savců, např. kachen, lachtanů či velryb během potápění). Zvýšení srdečního výdeje při dýchání vzduchu tak u savců a ptáků přispívá ke zvýšení plicního průtoku, aniž by se omezil průtok systémový [7]. Distribuce srdečního výdeje u nižších obratlovců dýchajících vzduch intermitentně však závisí především na poměru vstupních odporů do systémového a plicního oběhu. Protože tyto oběhy leží paralelně (obr. 2), dojde při dýchání vzduchu snížením plicního cévního odporu ke zvýšení plicního průtoku. K největší změně tohoto odporu dochází před plicním parenchymem ve vazomotorickém segmentu, a tato změna je regulovaná vago–vagálními reflexy [8]. U ptáků a savců naopak dochází k plicní vazokonstrikci intraparenchymálně na arteriolární úrovni; je způsobena
63
Fylogeneze a srovnávací biologie plicního oběhu
adrenergními, a především hypoxickými stimuly. Proč cholinergní inhibiční reflexy dominují u nižších obratlovců a adrenergní excitační reflexy u ptáků a savců není zcela známo [8], ale jistě to odráží tisíciletý tlak selekce. Parasympatický nervový systém je fylogeneticky starší než sympatický systém. Evoluční úspěch ptáků a savců je způsoben jejich teplokrevností a velkou kardiovaskulární kapacitou pro tělesnou činnost. Tato kapacita má očividně vztah k dobře vyvinuté sympatické regulaci oběhu [7].
ho materiálu se však vyvinul účinný reflexní glosofaryngeální systém, zatímco v terminálních dýchacích cestách reguluje důmyslný systém perfuzi v závislosti na parciálním tlaku kyslíku v alveolech, a tím udržuje optimální saturaci tepenné krve kyslíkem. Destrukce tohoto nesmírně gracilního systému dýchacích cest (především cigaretovým kouřem a zplodinami pálení fosílií) zvyšuje odpor v plicním řečišti a nutí pravou komoru překonávat tento odpor vysokým tlakem. K tomu není pravá komora přizpůsobena, a proto brzy selhává [13].
bě skrývá nebezpečí blokády a zaplavení, které představují každodenní problémy internisty. Hypoxická plicní vazokonstrikce nepřináší extrauterinně žijícím savcům při generalizované alveolární hypoxii žádné výhody.
Nejvíce fascinující z evolučního hlediska je lokální regulace plicní perfuze u savců. Tlak kyslíku v dýchací cestě reguluje tonus sousední cévy. Přizpůsobení perfuze k ventilaci určuje, jak dobře bude krev okysličena. Tento proces však zřejmě nemá žádné regulační mechanizmy. Neexistuje nic, co by monitorovalo, jak je lokální perfuze přizpůsobena lokální ventilaci, a není zde ani žádný kontrolní systém zpětné vazby, který by tento mechanizmus seřídil v případě, kdy by nebyl optimální. Ze všech fyziologických procesů je tento nedostatek regulace jedinečný. A přesto to funguje – plicní oběh plní dobře svoji úlohu a rozhoduje o svých vnitřních záležitostech s minimem regulace či vnějšího zasahování [13].
Druhý nedostatek, náchylnost systému k zaplavení, tkví v nové hranici mezi vzduchem a krví. Edém vzniká buď porušením alveolo–kapilární bariéry (např. reaktivními sloučeninami kyslíku), nebo častěji zvýšením plicního kapilárního tlaku. Kapilární tlak se výrazně zvyšuje při porušené funkci levé komory. Porucha funkce levé komory vede téměř vždy i ke zvýšení celkového objemu krve, který dále zvyšuje plicní kapilární tlak, a tím množství edému. Je to proto, že tělo přikládá udržení tepenného tlaku prioritu – jakékoli jeho ohrožení vyvolá odpověď sympatiku a systému renin–angiotenzin k udržení tlaku za cenu zvýšení krevního objemu a retence solí a vody [4,13,15].
3. Singer D. Phylogenese des Stoffwechsels der Säugetiere. Anästhesiol Intensivmed Notfallmed Schmerzther 2002; 37: 441–460.
Hypoxická plicní vazokonstrikce může u savců představovat přetrvávání primitivní reakce plíce obojživelníků, u nichž jedna céva, tzv. pulmokutánní tepna perfunduje paralelně oba dýchací orgány (plíce a kůži). Během ponoření vede hypoxická plicní vazokonstrikce k odklonění krevního průtoku do kůže. K separaci komor a plicního a systémového oběhu došlo u krokodýlů, kteří nedýchají kůží, ale mají dučej mezi oběma systémovými aortami. Tato dučej, která se při hypoxii dilatuje, přetrvává u savců jako ductus arteriosus, ale pouze ve fetálním období [9].
Třetím nedostatkem je plicní vazokonstrikce při generalizované alveolární hypoxii. Evoluční výhoda plicní vazokonstrikční reakce na hypoxii tkví v omezení přítoku krve do neventilovaných oblastí plic; u savců slouží k zajištění rovnoměrného rozložení poměrů ventilace k perfuzi a udržení PaO2. V hypoxickém prostředí, např. ve vysokých výškách, se tato homeostatická nezbytnost rovnoměrného rozložení poměrů ventilace k perfuzi stává vzhledem k tvaru disociační křivky hemoglobinu pro kyslík méně důležitá a nevýhody generalizované hypoxické plicní vazokonstrikce s vývojem plicní hypertenze a remodelace plicních tepen převládají [13].
9. Axelsson M, Franklin CE. The calibre of the foramen of Panizza in Crocodylus porosus is variable and under adrenergic control. J Comp Physiol 2001; 171: 341–346.
Závěr
15. Anand IS, Harris E, Ferrari R et al. Pulmonary haemodynamics of the yak, cattle, and cross breeds at high altitude. Thorax 1986; 41: 696–700.
K plicní vazokonstrikci při akutní hypoxii dochází u celé řady savců. K vývoji plicní hypertenze při chronické hypoxii však dochází jen u živočichů žijících v nížinách. Zvířata žijící ve vysokých výškách jako lama, jak (Bos grunniens) či horská ovce se evolucí zbavila hypoxické plicní vazokonstrikce bez jakékoli očividné nevýhody a k hypoxické plicní hypertenzi u nich nedochází [15,16].
Problémy evoluce Uspořádání dýchacích cest a plicního oběhu je u savců velmi účinné, trpí však třemi nedostatky – (1) náchylností k obstrukci dýchacích cest, (2) náchylností k zaplavení a (3) zbytečnou vazokonstrikcí při generalizované alveolární hypoxii. První nedostatek je vlastní konvekčnímu systému charakteru sem a tam. K obraně průdušnice před inhalací obturující-
64
V plicích se setkávají jeden difuzní a dva proudivé transportní systémy. Proč se tyto systémy vyvinuly tak, jak se vyvinuly, lze vyvodit z analýzy evolučních nezbytností. První byla translokace z vody na souš, druhou pevná nepropustná kůže, třetí zvýšení potřeby kyslíku vyvíjejícími se druhy. Fyzikální požadavky dvou konvekčních systémů si vynutily kompromisy. Na kardiovaskulární straně to je závislost na vysokém tepenném tlaku, úporně udržovaném neurohumorálními mechanizmy na úkor retence solí a vody. Na plicní straně to je potřeba velké výměnné plochy v orgánu o malých rozměrech. Systém ventilace sem a tam ve slepém systému dýchacích cest v so-
Literatura 1. Massabuau J-C. From low arterial- to low tissue-oxygenation strategy. An evolutionary theory. Respir Physiol 2001; 128: 249–261. 2. Comhair AA, Erzurum C. Antioxidant responses to oxidant-mediated lung diseases. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 2002; 283: L246–L255.
4. Harris P. Evolution and the pulmonary circulation. Thorax 1994; 49: S5–S8. 5. Jürgens KD, Gros G. Phylogenese der Gasaustauschsysteme. Anästhesiol Intensivmed Notfallmed Schmerzther 2002; 37: 185–198. 6. McMahon BR. Respiratory and circulatory compensation to hypoxia in crustaceans. Respir Physiol 2001; 128: 349–364. 7. Farrell AP. Comparative biology of the pulmonary circulation. In: Fishman AP. The pulmonary circulation: Normal and abnormal. 1. vyd. Philadelphia: University of Pennsylvania Press 1990: 17–30. 8. Fishman AP, DeLaney RG, Laurent P. Circulatory adaptation to bimodal respiration in the dipnoan lungfish. J Appl Physiol 1985; 59: 285–294.
10. Fisher PE, Russell DA, Stoskopf MK et al. Cardiovascular evidence for an intermediate or higher metabolic rate in an ornithischian dinosaur. Science 2000; 288: 503–505. 11. Guyton AC. The relationship of cardiac output and arterial pressure control. Circulation 1981; 64: 1079–1088. 12. Elzinga G, Westerhof N. How to quantify pump function of the heart. Circ Res 1979; 44: 303–308. 13. Riedel M. Choroby plicního oběhu. Praha: Galén 2000: 295. 14. Ochs M, Nyengaard JR, Jung A et al. The number of alveoli in the human lung. Am J Respir Crit Care Med 2004; 169: 120–124.
16. Williams D. Adaptation and acclimatisation in humans and animals at high altitude. Thorax 1994; 49: S9–S13.
Doručeno do redakce 21. 5. 2004 Přijato k otištění po recenzi 30. 7. 2004
Prof. Dr. Dr. med. Martin Riedel, FESC Deutsches Herzzentrum und I. Medizinische Klinik Technische Universität München, Mnichov, Německo
www.kardiologickarevue.cz
