FYZIOLOGIE DÝCHÁNÍ Jana Slavíková
PRAHA 1997
Ústav fyziologie Lékařské fakulty Univerzity Karlovy v Plzni Vedoucí katedry: Doc. MUDr. Jana Slavíková, CSc.
© Jana Slavíková, Praha 1992 ISBN 80 7066-658-7
Tento učební text obsahuje přednášky z fyziologie dýchání a je určen studentům lékařské fakulty UK v Plzni. Rozsahem odpovídá látce přednášené v posledních letech a obsahu znalostí, které požadujeme u zkoušky. Důvodem k jeho napsání je snaha o úsporu času a možnost věnovat se v přednáškách jen vybraným kapitolám a těm moderním poznatkům, které, s ohledem na rychlý rozvoj oboru, nemohou být v textech zachyceny. Děkuji doc. MUDr. H. Vízkovi, CSc. z ústavu patologické fyziologie 2. lékařské fakulty UK v Praze za ochotu, se kterou se ujal recenze textu, za kritický komentář, doplňky a opravy v textu. Stejně tak děkuji i prof. MUDr. P. Sobotkovi, DrSc. z Ústavu patologické fyziologie lékařské fakulty UK v Plzni za pečlivé posouzení a kritické připomínky. Dále bych chtěla poděkovat p. V. Hlavičkové ze vyhotovení obrázkové dokumentace a p. J. Lodrové za pečlivé přepsání rukopisu do definitivní podoby pro tisk. doc. MUDr. J. Slavíková, CSc.
Dýchací soustava je v úzkém aktivním spojení se zevním prostředím. Zajišťuje příjem kyslíku z atmosféry a výdej oxidu uhličitého do atmosféry. Jedná se o trvalý děj, který začíná s prvním vdechem novorozence a končí smrtí jedince. Přívod kyslíku do organismu nelze přerušit na dobu delší než několik minut bez závažných následků, neboť zásoby kyslíku, které má organismus k dispozici po přerušení jeho přívodu, nejsou velké. Tvoří je kyslík v alveolech, kyslík obsažený v krvi, kyslík rozpuštěný v tkáních a kyslík navázaný na myoglobin. Celkově tyto zásoby činí 1,1 l (při výdechu) - 1,8 l (při hlubokém vdechu). Při klidové spotřebě 250 ml O2 za 1 minutu představuje toto množství funkční rezervu na dobu asi 4-7 min. Člověk si existenci nepatrných zásob kyslíku vůbec neuvědomuje. Stálý přívod kyslíku do organismu je zajišťován zcela automaticky. Fyziologický mechanismus transportu kyslíku udržuje jeho nepřetržitou dodávku tkáním. Ta je neustále upravována bez vědomé kontroly tak, aby odpovídala aktuálním nárokům jednotlivých tkání na spotřebu kyslíku. Převážná část kyslíku přijatého do organismu se spotřebuje k získávání energie z různých substrátů přijímaných v potravě. Menší část se spotřebuje při biochemických reakcích, při nichž je kyslík použit k syntéze některých látek. Dýchací systém zajišťuje ještě tzv. nerespirační funkce. Sem patří fonace - vznik zvukového projevu a jeho formování. Dýchání přispívá i k ochraně a obraně organismu před vniknutím škodlivin a podílí se jako pomocný mechanismus na termoregulaci, defekaci a mikci. Základní pojmy: 1. Výměnu vzduchu mezi zevním prostředím a plícemi nazýváme plicní ventilací. Ta je vždy spojena s přísunem vdechovaného vzduchu do různých části plic, tj. s intrapulmonální distribucí a se smísením tohoto vzduchu se vzduchem v plicích přítomným. Tyto procesy zahrnujeme také pod pojem zevního dýcháni. Fyzikálně-biologickou podstatu této činnosti nazýváme mechanikou dýcháni. 2. Přesun kyslíku z alveolů do krve plicních kapilár a oxidu uhličitého v opačném směru nazýváme vlastní respirací. Ta probíhá na základě difúze. Jejím předpokladem je kromě zevního dýcháni průtok krve kapilární sítí opřádající alveoly, tzv. plicní perfúze, zajišťovaná plicní cirkulací. 3. Další transport krevních plynů zajišťuje systémová cirkulace. Jejich přesun mezi krví, tkáňovým mokem, buňkami a naopak se uskutečňuje opět difúzí. Tento proces nazýváme také vnitřním dýcháním. 4. Regulace dýcháni zahrnuje mechanismy zajištující automatickou mimovolní plicní ventilaci a její přizpůsobení aktuálním metabolickým požadavkům organismu.
1. Plicní ventilace 1.1. Mechanika dýchání Plíce a hrudník jsou pružné struktury těsně na sebe naléhající. Mezi viscerální a parietální pleurou je štěrbina (cavum pleurae) vyplněná malým množstvím tekutiny. V průběhu ontogenetického vývoje hrudník roste rychleji než plíce, které jsou v důsledku adhesivity pleurální tekutiny roztahovány. Hrudník tak udržuje přiměřený objem hrudní dutiny a tím i určitý objem vzduchu v plicích. Výměna vzduchu mezi zevním prostředím a alveoly (plicní ventilace) je zajišťována změnami objemu plic a hrudníku v průběhu dechového cyklu. V klidové poloze je tlak vzduchu v dýchacích cestách a plicích roven tlaku atmosférickému. Při vdechu, inspiriu, se objem plic zvětšuje a intrapulmonální tlak klesá pod hodnotu tlaku atmosférického. Tím se vytváří tlakový gradient mezi okolní atmosférou a alveoly a vzduch proudí dovnitř. Na vrcholu vdechu je tlak intrapulmonální opět roven tlaku atmosférickému. Při výdechu,
exspiriu, se tlakové poměry obrací. Objem hrudníku a plic se zmenšuje a hodnota intrapulmonálního tlaku převýší hodnotu tlaku atmosférického. Proto proudí vzduch z plic do atmosféry. Zmíněné tlakové rozdíly činí při klidném dýchání asi 0,2 kPa (obr. 1). Hrudník mění objem v zásadě dvojím způsobem: 1) poklesem bránice, který zvětšuje jeho objem, nebo vzestupem bránice, který objem zmenšuje. Změny probíhají ve směru kraniokaudálním. 2) Vzestupem nebo poklesem žeber, které mění předozadní a příčný rozměr hrudníku a plic.
Změny objemu plic při klidném dýchání zajišťuje převážně (ze 60-70%) první z uvedených mechanismů (obr. 2). Bránice je v klidové poloze vyklenutá do dutiny hrudní. Kontrakce v inspiriu bránicí oploští. Tím se objem hrudní dutiny zvětší ve směru kraniokaudálním. Změna je doprovázena stlačením břišních útrob a vyklenutím břišní stěny. Inspirium je aktivní děj, neboť ke kontrakci bránice, příčně pruhovaného svalu, dochází v důsledku aktivity jeho motoneuronů. Ty jsou uloženy v míše v oblasti C3-C5 a jejích eferentní vlákna probíhají v n.phrenicus. V exspiriu bránice jednoduše relaxuje, hrudník a plíce v důsledku pružnosti a hmotnosti zaujmou klidovou výchozí polohu, ke které napomáhá i opětné vyklenutí bránice tlakem břišních útrob. Proto je klidový výdech dějem pasivním. Při klidném dýcháni činí posun bránice asi 1,2 cm, při vdechu maximálním volním úsilím až 10 cm. Druhý způsob rozepětí plic zvednutím žeber je zajištěn kontrakcí zevních mezižeberních svalů v důsledku vzruchové aktivity nn.intercostales, segmentální inervace Th1Th11 (obr. 2).
V klidové poloze směřují žebra dopředu a dolů, čímž umožňují, že dolní okraj sterna směřuje k páteři. Při kontrakci zevních mezižeberních svalů se žebra zvedají, směřují horizontálně, čímž umožňují oddálení sterna od páteře a zvětšení objemu hrudníku v předozadním a příčném směru asi o 30-40%. Svaly, které zvětšují hrudní objem (zajišťují inspirium), se nazývají inspirační. K těm patří ještě mm.scaleni, které zvedají první dvě žebra; mm.sternocleidomastoidei, které zvedají sternum; mm. serrati, zvedající četná žebra a mm. pectorales maiores et minores, zvedající žebra při fixaci končetin. Funkce těchto svalů se však uplatňuje pouze při svalové práci či volní hyperventilaci nebo zvýšeném odporu dýchacích cest, tj. usilovném, nikoliv klidném dýchání. Proto se označují jako pomocné svaly dýchací. Svaly, které táhnou žebra dolů při aktivním exspiriu (svalová práce, kašel) se nazývají exspirační. K nim patří svaly břišní (m.rectus abdominis, m.obliquus abdominis externus et internus, m.transversus thoracis et abdominis) a mm.intercostales interni.
1.2. Poddajnost a smrštivost plic a hrudníku V předchozí kapitole jsme se zmínili o pružnosti plic a hrudní stěny. Pružnost je vlastnost těles nabývat po přechodné deformaci původní tvar. Tato vlastnost se týká většiny tkání lidského těla. Mírou pružnosti je poddajnost (compliance) nebo její převrácené hodnota - smrštivost - (elastance), Poddajnost měříme jako poměr změny objemu ku změně tlaku:
C= C = poddajnost dV = změna objemu dP = změna tlaku
dV (1) dP(kPa )
Pro smrštivost platí převrácený vztah: E=
dP(kPa ) dV (1)
E = smrštivost
Poddajnost hrudníku je dána anatomickou stavbou hrudníku. Spojení žeber a sterna umožňuje zvedání, rotaci i ohýbání žeber a to jak v kostěných, tak chrupavčitých oddílech žeber. Poddajnost izolovaných plic dospělého člověka je asi 2 l/1 kPa. Tzn., že při zvýšení intrapulmonálního tlaku o 0,1 kPa plíce zvětší svůj objem o 200 ml. Poddajnost plic v hrudníku je 1 l/1 kPa. Grafické vyjádření poddajnosti plic je zachyceno na obr. 3, který znázorňuje závislost změn objemu plic na změnách interpleurálního tlaku. Vztah těchto změn je různý pro inspirium a exspirium.
Poddajnost plic je určena dvěma základními silami: 1) vlastní elasticitou tkáně 2) elastickými silami povrchového napětí na rozhraní alveolární tekutina – vzduch ad 1) Základní mikroskopické elementy plicní tkáně určující její poddajnost jsou vlákna elastinu a kolagenu. Elastin je poddajnější než kolagen, tzn., že se působením síly značně protáhne a přestane-li síla působit, zaujme opět původní délku. Kolagenní vlákna se za srovnatelných podmínek protahují méně. Význam má i prostorové uspořádání těchto morfologických elementů. I málo pružné vlákno se může stát velmi elastické při vhodném prostorovém uspořádání, jak je tomu např. u spirály ocelové struny. Složení a struktura plicní tkáně odpovídá asi za 1/3 celkové elasticity.
ad 2) Vnitřek alveolu je potažen tenkým filmem tekutiny. Na rozhraní mezi kapalnou a plynnou fází vzniká povrchové napětí, tj. síla působící směrem k plícnímu hilu, která má tendenci vypudit vzduch z alveolů a plíce kolabovat. V plicích zdravého člověka odpovídá tato síla za 2/3 celkové plicní elasticity. Význam povrchového napětí ilustruje obr. 4, který porovnává poddajnost plic plněných vzduchem s poddajností plic plněných fyziologickým roztokem.
V případě plic plněných fyziologickým roztokem odpadá vliv povrchového napětí a poddajnost je určována výlučně vlastní plicní elasticitou. Proto tlak nutný k rozepětí plic vzduchem je asi 3x větší než tlak nutný k rozepětí plic fyziologickým roztokem. Pokus je důkazem kvantitativního podílu vlastní elasticity plicní tkáně a elastické síly povrchového napětí na úhrnné elastické cíle plic, vyjádřené tendencí k jejím kolapsu. Pro roztažitelné sférické předměty platí fyzikální princip, definovaný v Laplaceově zákonu. Vyjadřuje vztah mezi tlakem uvnitř tohoto předmětu, který je nutný k udržení určitého rozepětí, povrchovým napětím a jeho poloměrem; P=
2T r
P = distenzní tlak T = povrchové napětí r = poloměr
Z uvedeného vztahu vyplývá, že distenzní tlak stoupá s přírůstkem povrchového napětí a že velikost povrchového napětí je nepřímo úměrná poloměru alveolu. Menší alveolus má větší povrchové napětí a tady větší elasticitu, vyjádřenou tendencí ke kolapsu, než alveolus větší. Při propojení takového systému nestejně velkých alveolů by mohlo dojít k vyprázdnění malých alveolů do větších a k redukci plochy pro výměnu plynu. Proti této skutečnosti jsou plíce zajištěny přítomností surfaktantu, který udržuje poměrnou stálost velikosti všech plicních alveolů při daném tlaku vzduchu.
Surfaktant je povrchový aktivní faktor, který významně redukuje povrchové napětí. Je secernován tzv. granulárními pneumocyty II. Jedná se o sekreční buňky alveolárního epitelu, které tvoří asi 10% výstelky alveolu a které obsahují granula se směsí fosfolipidů, bílkovin a iontů. Nejdůležitějšími složkami surfaktantu je dipalmitát lecitinu, surfaktantový apoprotein a vápenaté ionty. Právě dipalmitát lecitinu je zodpovědný za redukci povrchového napětí. Tvoří vrstvičku, která se rozprostírá na povrchu alveolární tekutiny, neboť mé část hydrofilní, rozpuštěnou v tekutině o část hydrofobní, směřující do vzdušného prostoru. Vyjádřeno kvantitativně, je povrchové napětí rozhraní surfaktant - vzduch 2,3 - 14krát menší než povrchové napětí rozhraní voda - vzduch. Velikost závisí na poloměru alveolu. Zmenšuje-li se poloměr alveolu, zvětšuje se vrstvička surfaktantu. Při zvětšení poloměru alveolu se vrstva surfaktantu snižuje. Proto je účinek surfaktantu větší v menších alveolech než v alveolech rozepjatých a velikost povrchového napětí je tak snižována více v menších než větších alveolech. Tím surfaktant podstatně přispívá ke stabilitě velikosti plicních alveolů. Surfaktant má ještě další významné účinky: redukcí povrchového napětí zvětšuje poddajnost plic a tím snižuje dechovou práci spojenou s jejich rozepětím; dále udržuje alveoly "suché", neboť brání transudaci tekutiny do alveolu. Předpokládá se, že má i účinky protimikrobiální a imunologické, neboť obsahuje imunoglobuliny. Nepřítomnost surfaktantu způsobuje kolaps alveolů s nevzdušností. K tomu může dojít u předčasně narozených dětí, protože sekrece surfaktantu začíná v 6. - 8. měsíci těhotenství. S ohledem na malý poloměr alveolů novorozenců může mít velikost povrchového napětí, v nepřítomnosti dostatečného množství surfaktantu, fatální důsledky. Surfaktant však není jediným faktorem, který zajišťuje stabilitu velikosti plicních alveolů, která je podmínkou účinné výměny dýchacích plynů. Význam má i strukturní uspořádání plicní tkáně, kde společná interalveolární septa prakticky vylučují existenci sousedství malého a velkého alveolu. Dalším podpůrným momentem stability alveolu je skutečnost, že každá plíce se skládá asi z 50 000 primárních plicních lalůčků obklopených septy, která penetrují plicní parenchym, čímž oddělují alveoly základních funkčních jednotek.
1.3. Plicní tlaky a jejich změny V klidové poloze (tj. na konci klidného výdechu nebo na začátku klidného vdechu) jsou plíce stále mírně rozepjaté a obsahují určité množství vzduchu. Toto rozepětí vyvolává trvalou tendenci plic smrštit se zpět směrem k plicnímu hilu, neboli kolabovat. Smrštivost plic označujeme jako retrakční sílu plic a, jak již bylo vysvětleno, je způsobené z 1/3 přítomností elastických elementu v plicní tkáni a jejich uspořádáním, a ze 2/3 přítomností povrchového napětí na rozhraní tekutina-vzduch. Toto napětí se přenáší prostřednictvím viscerální pleury do pleurální štěrbiny, kde se v porovnání s atmosférickým tlakem vytváří podtlak. Nabodnutím interpleurálního prostoru je možné změřit hodnoty interpleurálního tlaku a jeho změny v průběhu ventilace plic (viz praktická cvičení). U člověka se používá nepřímé metody stanovení interpleurálního tlaku. Měří se ezofageální tlak pomocí katetru, zasunutého do střední částí jícnu. Jsou-li dýchací cesty otevřené a průchodné, je interpleurální tlak trvale negativní. Na začátku klidného vdechu činí jeho hodnota -0,5 kPa, na vrcholu inspiria -0,8 kPa, v exspiriu se vrací k výchozí negativní hodnotě. Při usilovném dýchání může negativita interpleurálního tlaku na vrcholu inspiria výrazné stoupat (-5 kPa), v usilovném exspiriu dosahuje až pozitivních hodnot (6 kPa).
Dojde-li k porušení souvislosti hrudní stěny (při porušení hrudníku) a vzduch vnikne až do dutiny pleurální, vyrovná se tlak interpleurální s tlakem atmosférickým. Tlakový rozdíl zaniká a plíce kolabuje v důsledku uplatnění své retrakční sily. Vznikne tzv. pneumothorax, který může být otevřený, ventilový nebo uzavřený podle toho, zda se zachovává komunikace v průběhu inspiria a exspiria, nebo pouze inspiria. Ke stejné situaci může dojít při komunikaci interpleurálního prostoru s prostorem intraalveoárním. Po uzavření komunikace se vzduch postupně vstřebá a plíce se opět rozepne. Tlak intraalveolární a intrapulmonální je představován tlakem, přenášeným z pleurální štěrbiny prostřednictvím viscerální pleury na plicní parenchym. Je nepřístupný přímému měření a jeho hodnota se posuzuje z hodnot tlaku tracheálního, ústního nebo nosního. Transpulmonální tlak udává hodnotu rozdílu tlaku intraalveolárního a interpleurálního. Je aktuální mírou elastických sil, které při daném rozepětí deformují stěnu alveolu (obr. 5).
1.4. Funkce dýchacích cest Respirační soustava se skládá z přívodných dýchacích cest a z plic. Dýchací cesty dělíme na horní - nos, ústa a nosohltan (nasopharynx), kde se vzduch ohřívá a sytí vodními parami a dolní - hrtan (larynx), průdušnice (trachea) a průdušky (bronchi). Dýchací cesty se dělí zpravidla dichotomicky, tzn., že každý úsek proximální se dělí na dva distální. Takových dělení je 22-24. Celkový průsvit dýchacích cest se proto distálně zvětšuje i když je průměr jednotlivých bronchů výrazně menší (obr. 6). Nejmenší jsou tzv. terminální bronchioly (průměr několik desetin mm), jimiž končí vlastní dýchací cesty.
Průdušky nejsou pouze imobilními trubicemi, ale opatřeny chrupavčitými a muskuloelastickými elementy představují systém s vyváženou mírou pružnosti a pevnosti. Chrupavka je přítomná pouze v bronších, nikoliv v bronchiolech. Pružnost umožňuje vdech a pevnost udržuje volný průchod při výdechu. Průsvit tracheobronchiálního stromu je udržován rozdílem tlaků intrabronchiálních a extrabronchiálních, napětím hladké svaloviny ve stěně bronchů a mechanickými vlastnostmi stěn dýchacích cest. Za patologických okolností se uplatňuje i stav sliznice a obsah v dýchacích cestách. Tonus hladké svaloviny svalů stěny průdušek je základním regulátorem průsvitu hlavně malých průdušek. Podíl hladké svaloviny na skladbě stěny se směrem do periferie relativně zvyšuje. Hladká svalovina bronchiálního stromu je inervována parasympatickými (cholinergními) a sympatickými (adrenergními) nervovými vlákny. Stimulace parasympatiku vagovými vlákny vyvolá zúžení bronchiálního stromu (bronchokonstrikci) a zvýšení odporu dýchacích cest. Stimulace sympatiku působí rozšíření bronchů - bronchodilataci prostřednictvím beta2-receptorů. Proto látky snižující tonus parasympatiku a zvyšující tonus sympatiku se používají v léčbě astmatu. Tonus hladkých svalů bronchiálního stromu se periodicky mění. Při nádechu se dýchací cesty aktivně i pasivně rozšiřují a prodlužují, při výdechu se zužují a zkracují. Lumen bronchů je vystlán sliznicí, která má zpočátku na povrchu víceřadý řasinkový epitel. Ten se postupně snižuje na dvouřadý, v bronchiolech na jednořadý řasinkový. V bronchiální výstelce jsou bazálně uloženy buňky s granuly v cytoplasmě (bb. Kultschického), produkující nejrůznější biogenní aminy (histamin, serotonin) a kininy, tedy látky, které mají, mimo jiné, schopnost ovlivňovat průsvit hladké svaloviny bronchů a cév. Povrch dýchacích cest od nosu až k terminálním bronchiolům je pokryt sekretem podslizničních serózních žlázek a mucinosních buněk, které jsou inervované parasympatikem. Sekret: a) svlažuje sliznici, b) vytváří ochranný film, c) fixuje škodlivé látky, které se v hlenu zachycují, rozpouští je a ředí, d) je předpokladem funkce řasinek. Ty ve spodní serózní vrstvě bronchiálního sekretu kmitají, čím posouvají horní mucinosní vrstvu orálním směrem do faryngu, odkud je hlen odstraňován polykáním. Překročí-li množství vznikajícího sekretu asi 150 ml/24 h, nebo hromadí-li se sekret při nedostatečné funkci řasinkových epitelií, objevuje se kašel jako podstatně účinnější forma odstraňování obsahu z dolních dýchacích cest.
Z terminálních bronchiolů odstupují respirační bronchioly, z nich pak ductuli a sacculi alveolares, na které nasedají alveoly. Celé toto konečné větvení, označované jako acinus, představuje vlastní plicní parenchym, na jehož úrovni probíhá vlastní respirace. Někdy také hovoříme o tzv. terminální resorpční jednotce. Struktura alveolů je velmi dobře přizpůsobena jejich funkci. Nepatrná velikost (0,1-0,3 mm), velký počet (300-400 milionů), ohromná plocha (50-100 m2), velmi jemná struktura stěny (několik desetin µm) jsou předpokladem účinné výměny plynů. Výstelka je tvořena dvěma odlišnými druhy epiteliálních buněk. Pneumocyty I. typu jsou ploché buňky kryjící kapiláry; tvoří vlastní respirační epitel. Regenerují z pneumocytů II. typu (granulárních), které jsou kubické a obsahují v cytoplasmě granula; secernují surfaktant.
1.5.
Odpor respiračního systému Při vdechu musí inspirační svaly překonávat dynamický odpor dýchacích cest a plicní
tkáně. Odpor dýchacích cest je dán odporem trubic, kterými vzduch proudí. Vzniká vzájemným třením molekul vzduchu a třením molekul vzduchu o stěny dýchacích cest. Tento odpor představuje asi 80% celkového odporu. Odpor proudění vzduchu je přímo úměrný tlakovému gradientu (tlak atmosférický -tlak intraalveolární) a nepřímo úměrný proudu vzduchu (ml/min). Odpor dýchacích cest je primárné určen průsvitem bronchů a bronchiolů; mění se se čtvrtou mocninou jejich poloměru. Méně pak závisí na rychlosti proudu vzduchu. Průsvit dýchacích cest ovlivňuje řada faktorů: 1. Kromě již zmíněné sympatické a parasympatické inervace buněk hladké svaloviny může být tonus hladké svaloviny bronchů a bronchiolů ovlivněn humorálně. Např. histamin, který se uvolňuje při alergických reakcích ze žírných buněk plícního intersticia má přímé bronchokonstrikční účinky. 2. Některé dráždivé látky, které jsou příčinou reflexní bronchokonstrikce zprostředkované parasympatikem (prach, kouř, SO2, kyselé částice smogu), mohou mít i přímé lokální bronchokonstrikční účinky, 3. Edematosní prosáknutí sliznic dýchacích cest a nadměrné množství hlenu vede k zmenšení průsvitu a tím ke zvýšení odporu. 4. Udržování volného průsvitu průdušek napomáhá elastický tah tkání, které se na ně upínají. Při úbytku těchto elastických sil dochází snáze k zúžení průsvitu. 5. Cizí těleso v dýchacích cestách, obstrukce bronchů procesem pronikajícím do lumina či stlačení z okolí, mohou být dalšími příčinami zmenšení průsvitu. Odpor plicní tkáně je zbytkem dynamických odporů (po odečtení odporu dýchacích cest od celkového odporu plic) a zahrnuje odpory vzniklé třením struktur plic a hrudníku i odpor setrvačný. Představuje zbývajících 20% celkového odporu.
1.6.
Dechová práce
Jak už bylo vysvětleno, dochází při klidném dýchání ke kontrakci dýchacích svalů pouze v inspiriu, které je dějem aktivním. Klidové exspirium je děj zcela pasivní, zajištěný retrakční silou plic, pružností a hmotností hrudníku při relaxaci dýchacích svalů. Dýchací svaly tedy vykonávají v inspiriu dechovou práci, která má tři složky: 1) práci, nutnou k překonání retrakční síly plic, kterou nazýváme prací elastickou nebo
také statickou; je tím menší, čím je poddajnost plic vetší. Je nízká při malém dechovém objemu. 2) práci, nutnou k překonání odporu plicní tkáně, kterou nazýváme prací tkáňového odporu; je prací dynamickou. 3) práci, nutnou k překonání proudového odporu, který kladou dýchací cesty proudu vzduchu a která je závislá na rychlosti proudu vzduchu. Nazýváme ji prací odporu dýchacích cest. Je tím menší, čím menší je odpor dýchacích cest a stoupá se zvětšováním rychlosti proudu vzduchu. Je prací dynamickou. Tři rozličné typy dechové práce jsou znázorněny graficky na obr. 7. Křivka, označená inspirium, vyjadřuje progresivní změnu interpleurálního tlaku a objemu plic během vdechu. Vyznačená oblast představuje celkovou dechovou práci, kterou vykonávají inspirační svaly. Tato oblast je rozdělena do třech různých segmentů, které představují tři různé složky dechové práce. Oblast 1 – znázorňuje elastickou práci; lze ji vyjádřit součinem síly nutné k rozepětí plic udávané v tlakových jednotkách (kPa) a dráhy, kterou představuje ventilovaný objem. Elastická práce =
dP ⋅ dV 2
kde dP je změna interpleurálního tlaku, dV je změna objemu. Oblast 2 – znázorňuje práci tkáňového odporu; je vyznačena svislým šrafováním. Oblast 3 – znázorňuje práci odporu dýchacích cest; je vyznačena podélným šrafováním.
Z uvedeného obrázku je patrné, že při klidném dýchání připadá největší podíl dechové práce na překonání plicní elasticity (1), jenom malé procento je nezbytné k překonání tkáňového odporu (2) a o něco více k překonáni odporu dýchacích cest (3). Za situace intenzivního dýchání, kdy proudí vzduch dýchacími cestami vysokou rychlostí, se podíl této práce (3) zvyšuje. U pacientů s plicními chorobami se všechny tři složky dechové práce zvyšují. Elastická práce a práce tkáňového odporu stoupají u plicní fibrosy, práce odporu dýchacích cest stoupá u chorob spojených s obstrukcí dýchacích cest.
U onemocnění spojených s vysokým odporem dýchacích cest nebo vysokým tkáňovým odporem, dochází k aktivnímu exspiriu a exspirační práce může být dokonce vyšší než práce inspirační. To platí zvláště o bronchiálním astmatu, při kterém se odpor dýchacích cest v exspiriu může zvýšit mnohonásobně. Energetická náročnost dechové práce při klidném dýchání je nepatrná, činí pouze 35% celkové energetické spotřeby organismu. Během intenzivní svalové práce však může stoupnout až na 50ti násobek a to zvláště u osob s omezenou poddajností plic nebo zvýšeným odporem dýchacích cest. Znamená to, že hlavním limitujícím faktorem intenzity svalové práce je schopnost organismu zajistit dostatek energie pro vlastní respiraci. Značné zvýšení práce dýchacích svalů je doprovázeno subjektivním pocitem dušnosti – dyspnoe.
1.7. Plicní objemy a kapacity Jednoduchou metodu studia plicní ventilace, která registruje objemy vdechovaného a vydechovaného vzduchu nazýváme spirometrií. Schéma jednoduchého spirometru (spirografu) je na obr. 8.
Přístroj se skládá ze dvou do sebe zapadajících válců. Dolní je vyplněn vodou, horní je obrácen dnem vzhůru a je dobře vyvážen. Uvnitř přístroje je nádobka s natronovým vápnem k absorpci oxidu uhličitého, přes kterou je veden vydechovaný vzduch. Vdechová trubice ústí nad hladinu vody pod horní válec, který se plní směsí vzduchu s kyslíkem. Pacient je k zařízení připojen náustkem a tlačkou má stisknutý nos. Změny objemu plynu ve válci v průběhu dýchání jsou registrovány graficky na otáčející se válec. Rozeznáváme 4 plicní objemy a 4 plicní kapacity, zaznamenané v následujícím obr.-9.
1. Dechový objem (Tidal volume, VT): je objem vzduchu vdechnutého nebo vydechnutého jedním dechem. Klidový VT činí 0,5 l. 2. Inspirační rezervní objem (IRV): je objem vzduchu, který lze vdechnout maximálním volním inspiračním úsilím nad hodnotu klidného vdechu. Činí 3-3,3 I. 3. Exspirační rezervní objem ( ERV): je objem vzduchu, který lze vydechnout maximálním volním exspiračním úsilím nad hodnotu klidného výdechu. Činí asi 1,0 l. 4. Reziduální objem (RV): je objem vzduchu, který zůstává v plicích po maximálním výdechu. Činí asi 1,2 l. Dva nebo více objemů vytváří tzv. kapacity. 1. Inspirační kapacita (IC): zahrnuje dechový objem a inspirační rezervní objem. Je rovna objemu vzduchu vdechnutém maximálním vdechem. Činí 3,5-3,8 l. 2. Funkční reziduální kapacita (FRC): zahrnuje exspirační rezervní objem a reziduální objem. Je rovna objemu vzduchu, který zůstává v plicích po klidném výdechu. Činí asi 2,2 l. 3. Vitální Kapacita (VC): zahrnuje dechový objem, inspirační rezervní objem a exspirační rezervní objem. Je rovna vzduchu, který lze vydechnout po maximálním vdechu. Činí 4,5 - 4,8 l. 4. Celková plicní kapacita (TLC): zahrnuje všechny objemy, tj. vitální kapacitu a reziduální objem. Je rovna objemu vzduchu v plicích na vrcholu maximálního vdechu. Činí asi 6,0 l. Uvedené hodnoty platí pro muže. U žen jsou všechny hodnoty o 20-25% nižší. Jednotlivé objemy se mohou měnit u téhož jedince v závislosti na věku, zaměstnání, tělesné aktivitě a při různých chorobných stavech. Relativně méně variabilní jsou hodnoty vitální kapacity, která závisí zejména na tělesné výšce, hmotnosti, povrchu, věku, pohlaví a trénovanosti. Průměrné hodnoty, zjištěné u větších souborů, jsou uváděny v příslušných tabulkách jako hodnoty náležité. S těmi porovnáváme hodnoty naměřené a vyjadřujeme je v procentech hodnot náležitých. Na rozdíl od ostatních objemů plic, které lze měřit přímo (viz praktická cvičení), reziduální objem můžeme měřit pouze nepřímo. Po výdechu vitální kapacity napojíme vyšetřovaného na uzavřený okruh, vyplněný čistým kyslíkem. Po několika minutách dýchání dochází k vyrovnání koncentrace dusíku v uzavřeném systému, který se skládá z objemu plic s objemu mimoplicního okruhu (Vex). Porovnáním frakce dusíku (FN2) ve vzorku vzduchu získaném z plic při inhalaci kyslíku s frakcí ve vzorku vzduchu získaném před inhalací (0,78) vypočítáme reziduální objem ze vztahu:
RV ⋅ 0,78 = ( RV + Vex ) ⋅ FN 2 Věkem se reziduální objem postupně zvětšuje a vitální kapacita se zmenšuje. Vzniká stařecký emfyzém. Výrazně se reziduální objem zvětšuje při některých plicních onemocněních. Spirografické vyšetření lze kromě zjišťování základních ventilačních hodnot využít i k posouzení funkční zdatnosti dýchacího ústrojí. K tomuto účelu se provádějí různé funkční zkoušky (viz praktická cvičení). Mezi ně patří např.: rozepsaná usilovná vitální kapacita (FVC), rozepsaný usilovný výdech vitální kapacity za 1 sec (FEV1sec), (vyjadřuje se v procentech FVC) a střední výdechová rychlost za 1 sec (FMF1sec nebo MEF1sec). Ze spirografického záznamu lze dále stanovit: dechovou frekvenci (df), minutovou ventilaci ( V = VT ⋅ df ), maximální minutovou ventilaci (Vmax) a dechovou rezervu (dr) - viz praktická cvičení.
1.8. Hodnoty plicní ventilace, typy dýchání Klidová minutová ventilace plic (V) je množství vzduchu, které vdechneme nebo vydechneme za 1 min. Vypočteme ji jako součin dechového objemu a klidové dechové frekvence. V klidu je dechový objem asi 0,5 l a frekvence asi 12-16 dechů/min. V = 0,5 ⋅ (12 − 16) = 6 − 8 l / min
Tento typ dýchání označujeme jako eupnoe. Hodnota klidové minutové ventilace se může změnit při poklesu dechové frekvence bradypnoe nebo naopak jejím vzestupu - tachypnoe, nebo poklesu dechového objemu hypopnoe nebo naopak jeho vzestupu - hyperpnoe. Nejčastěji se mění oba parametry současně a dochází k hypo - nebo hyperventilaci. Zástava dechu se označuje jako apnoe. Volní zástavu dechu lze měřit na vrcholu inspiria nebo exspiria, po hyperventilaci a po fyzické námaze. Minutová plicní ventilace se může zvyšovat, stoupají-li nároky organismu na výměnu plynů (svalová práce, trávení, termoregulace). Při intenzivní fyzické námaze může dechový objem dosáhnout hodnoty 3,5 l a frekvence až 40 dechů/min. Při maximálním volním dechovém úsilí lze ze spirografického záznamu stanovit hodnotu maximální plicní ventilace (Vmax), která může být až 180 l/min.
1.9. Alveolární ventilace Plicní ventilace zajišťuje neustálý přívod atmosférického vzduchu do oblasti plic, které jsou v těsném kontaktu s krví protékající plicními kapilárami a ve kterých probíhá vlastní respirace. Tato oblast, jak už bylo zmíněno, zahrnuje respirační bronchioly, alveolární duktuly a alveoly (obr. 10).
Vzduch obsažený v této části plic se označuje jako alveolární vzduch. Při vdechu přichází do této nejperifernější oblasti nejdříve vzduch z dýchacích cest, ke kterému se přidává část čerstvě vdechnutého atmosférického vzduchu. Zbývající část vdechnutého vzduchu zůstane v dýchacích cestách. Při výdechu se nejdříve vydechne objem vzduchu v dýchacích cestách, který je následován vzduchem alveolárním. Z řečeného vyplývá, že část vdechovaného vzduchu se vůbec do oblasti respirace nedostává, neboť pouze vyplňuje dýchací cesty. Tento vzduch je vzduchem mrtvého prostoru dýchacího, protože se nepodílí na výměně dýchacích plynů. Jeho objem u mladých lidí činí 150ml a mírně se zvětšuje s přibývajícím věkem. Objem dýchacích cest, tj. prostor, který se za fyziologických podmínek nepodílí na výměna dýchacích plynů, nazýváme anatomickým mrtvým prostorem. Někdy však může dojít k situaci, kdy je omezen nebo zastaven průtok krve plicními kapilárami, což vede k omezení nebo zástavě výměny plynů v určitých oblastech respirace. Z funkčního hlediska je tato oblast také mrtvým prostorem a přičteme-li její objem k objemu dýchacích cest, získáme fyziologický nebo efektivní mrtvý prostor. U zdravých osob se anatomický a fyziologický mrtvý prostor neliší, neboť všechny alveoly jsou funkční. Za chorobných stavů může efektivní mrtvý prostor činit 1-2 l. Z dechového objemu 500 ml při klidném dýchání přichází do oblasti respirace pouze 350 ml (dechový objem - mrtvý prostor dýchací). Za 1 min. se dostane do oblasti respirace objem vzduchu (alveolární ventilace), který lze stanovit jako součin dechové frekvence a dechového objemu, od kterého odečteme mrtvý prostor dýchací.
VA = df ·(VT -VD) VA = minutová alveolární ventilace VT = dechový objem VD = mrtvý prostor dýchací
VA = 12 · (500-150) = 4200 ml/min Velikost alveolární ventilace závisí na dechové frekvenci a dechovém objemu. Význam velikosti dechového objemu a dechové frekvence pro hodnotu VA vyplývá z následujícího porovnání (tab. 1). A B C Tab. 1
VT(ml) 500 150 1 000
df 12 40 6
V(l/min) 6 6 6
VA(l/min) 4,2 0 5,1
Čím větší je dechová frekvence, tím větší je ventilace mrtvého prostoru a alveolární ventilace klesá. Teoreticky lze stanovit, že klesne-li dechový objem na hodnotu objemu mrtvého prostoru dýchacího, je alveolární ventilace rovna nule. Ve skutečnosti, s ohledem na představu proudění vzduchu v plicích, existuje mírná alveolární ventilace i při poklesu dechového objemu na 60-70 ml. V opačném případě, je-li dechový objem jeden a více litrů, stává se objem mrtvého prostoru dýchacího zanedbatelný. Velikost alveolární ventilace je jedním z hlavních faktorů, které určují koncentraci kyslíku a oxidu uhličitého v alveolárním vzduchu, tedy v oblasti respirace. Distribuce vzduchu v plicích však není rovnoměrná. Tento jev se přičítá hmotnosti plic, která působí, že oblasti horních částí plic jsou roztaženější (mají vetší FRC) než oblasti dolních částí plic. To odpovídá měřením, která ukázala, že interpleurální tlak u stojícího člověka je v apexu plic vyšší než při basi. Proto se při stejné změně interpleurálního tlaku alveoly v horních částech plic roztahují méně než alveoly při basi. Alveolární ventilace se tedy směrem od apexu k basi plic zvyšuje.
2. Respirace Vlastní respirací nazýváme výměnu kyslíku a oxidu uhličitého mezi alveolárním vzduchem a krví protékající plicními kapilárami. Tato výměna probíhá na respirační membráně procesem difúze.
2.1. Atmosférický a alveolární vzduch Suchý atmosférický vzduch obsahuje: 21% kyslíku, 78% dusíku, 0,04% oxidu uhličitého a 0,92% inertních plynů. Celkový barometrický tlak u hladiny moře je 101 kPa. Každý plyn přítomný ve směsi působí takovým tlakem, který odpovídá zastoupení jeho objemu (frakci) ve směsi. Tento tlak se nazývá tlakem parciálním, označuje se symbolem p a vypočte se vynásobením celkového tlaku frakcí dotyčného plynu (tab. 2). Proto v suchém vzduchu při hladině moře je pO2 101 x 0,21 = 21 kPa pCO2 101 x 0,0004 = 0,04 kPa pN2 101 x 0,78 = 79 kPa Při vdechu se vzduch v dýchacích cestách ohřívá a sytí vodními parami. Parciální tlak vodních par v alveolárním vzduchu při 37°C je 6,3 kPa. Proto celkový tlak plynů v alveolárním vzduchu je 94,7 kPa a úměrně této hodnotě se snižují i parciální tlaky jednotlivých plynů ve směsi vzduchu, které do alveolů přichází. Složení alveolárního vzduchu a tedy i parciální tlaky určitých plynů zastoupených ve směsi alveolárního vzduchu se od atmosférického vzduchu liší (tab. 3). atmosférický vzduch(kPa) alveolární vzduch (kPa) Tab. 3
O2 21 13,5
C02 0,04 5,3
N2 79 76
H2 O 0,6 6,3
Rozdíl vzniká z několika příčin: 1. Uplatňuje se zmíněný pokles parciálních tlaků plynů v důsledku sycení směsi vodní parou. 2. Na počátku každého vdechu přichází do alveolů nejdříve vzduch z mrtvého prostoru dýchacího, který má nižší obsah kyslíku a vyšší obsah oxidu uhličitého než vzduch atmosférický. 3. Kyslík trvale difunduje z alveolů do krve plicních kapilár. 4. Oxid uhličitý trvale difunduje v opačném směru, z krve do alveolů. 5. Na konci klidného výdechu zůstává v plicích objem vzduchu roven funkční reziduální kapacitě, který činí asi 2 200 ml. Každým dechovým cyklem se vymění v oblasti respirace pouze 350 ml vzduchu (asi 1/6 FRC), což je objem, který zastoupení i parciální tlaky jednotlivých plynů v alveolárním vzduchu výrazně neovlivní. Průměrné složení alveolárního vzduchu je za fyziologických okolností poměrně konstantní. Každá jeho změna je vzápětí upravována různými regulačními mechanismy. Fyziologické hodnoty pO2 a pCO2 v alveolárním vzduchu označujeme jako normoxii a normokapnii. Zvýšení hodnot pO2 a pCO2 v alveolárním vzduchu označujeme jako hyperoxii a hyperkapnii, snížení těchto hodnot jako hypoxii a hypokapnii.K podstatnějším změnám pO2 a pCO2 dochází za patologických okolností. Zvýšení alveolární ventilace při svalové práci je mechanismem, který zajišťuje vyšší přísun kyslíku a vyšší vydej vznikajícího oxidu uhličitého. Obsah plynů v alveolárním vzduchu se nemění. Jestliže se z nějakých příčin alveolární ventilace zvýší více než to vyžaduje metabolická situace organismu, obsah oxidu uhličitého v alveolárním vzduchu se sníží a obsah kyslíku se zvýší. Fyziologickým příkladem je volní hyperventilace, doprovázená hypokapnií (pokles pCO2) nejen v alveolárním vzduchu, ale i v arteriální krvi.
Hypokapnie způsobuje posun pH na alkalickou stranu, vzniká respirační alkalóza. Naopak, jestliže v důsledku snížení ventilace (úmyslné apnoe), se hodnoty pCO2 v alveolárním vzduchu zvyšují, mluvíme o hypoventilaci, doprovázené hyperkapnií. Zvýšení pCO2 v alveolárním vzduchu i arteriální krvi vede k posunu pH na kyselou stranu, čímž vzniká respirační acidóza.
2.2. Plicní cirkulace Plíce mají dvojí krevní oběh: 1. Funkční, který zahrnuje: t.pulmonalis, vystupující z pravé komory; aa.pulmonales a jejich větvení podél bronchů; plicní kapiláry; vv.pulmonales, které ústí do levé síně. Jedná se o tzv. malý plicní oběh, který se podílí na výměně dýchacích plynů. 2. Nutriční, který zahrnuje: rr.bronchiales a vv.bronchiales; ty se vlévají do v.azygos, hemiazygos nebo do vv.intercostales a do véna cava superior. Je součástí systémového oběhu a zajišťuje výživu bronchů, veškerého vaziva plic a viscerální pleury. Na periferii bronchiálního stromu tvoří rr.bronchiales drobné anastomosy s větvemi a.pulmonalis. Tyta arterioarteriální anastomosy se uplatňují především při ucpání (embolii) některé z větví a.pulmonalis. Kromě toho jsou zde spojky mezi jemnými větvemi vv.bronchiales a vv.pulmonales. Oba typy anastomos přispívají k synchronizaci plicní a bronchiální cirkulace. Venoarteriální zkraty však umožňují, že k oxygenované krvi, která odtéká z plicních kapilár se přidává malý objem krve deoxygenované. Tento fyziologický zkrat mírně snižuje pO2 arteriální krve. V plicním oběhu je uloženo asi 9% celkového objemu krve, tj. asi 450 ml. Toto množství se může snížit na polovinu např. po ztrátě krve při úrazu, kdy se část krve z malého oběhu přesune do cév velkého oběhu. V případě selhávání levé komory může objem krve v malém oběhu naopak stoupnout až na dvojnásobek. Plicním řečištěm proteče za 1 minutu stejný objem krve, jaký proteče za 1 minutu systémovým oběhem. Na změnách kapacity plicního řečiště i velikosti průtoku se podílí uspořádání plicního řečiště a struktura stěny jeho cév. Artérie malého oběhu jsou kratší ve srovnání s artériemi systémovými. Mají velký průsvit a jsou značně distensibilní, neboť jejich stěna je tenká, protože obsahuje méně hladké svaloviny. Plicní kapiláry jsou široké, početné a vzájemně anastomosují: každý alveolus "sedí" v kapilárním košíčku. Vény jsou také kratší, mají větší průsvit, ale strukturou stěny se prakticky neliší od vén systémových. Lymfatická drenáž plic je bohatší ve srovnání s ostatními tkáněmi.
Tyto okolnosti určují i tlakové poměry v malém oběhu. Jak je patrné z obr. 11, je průměrná hodnota systolického tlaku v a.pulmonalis asi 3,3 kPa, diastolického tlaku asi l,0 kPa a středního arteriálního tlaku asi 2,0 kPa. Velmi nízké hodnoty 0,9 kPa dosahuje tlak krve v plicních kapilárách. Průtok krve jednotlivými částmi plic není obvykle stejnosměrný. Především je zde závislost velikosti průtoku na velikosti ventilace jednotlivých části plic. Okrsky špatně ventilované mají nízkou koncentraci kyslíku v alveolárním vzduchu a vyšší koncentraci oxidu uhličitého. Hypoxie vyvolá do 3 – 10 minut lokální vasokonstrikci, takže průtok krve méně ventilovanou částí plic se snižuje a krev se přesune do lépe ventilovaných oblastí. Tento mechanismus, fungující zcela opačně v plicích ve srovnání s ostatními tkáněmi, umožňuje za daných okolností optimální oxygenaci krve.
Další skutečností, která je příčinou regionálních rozdílů v průtoku krve plícemi, je působení zemské tíže. Uplatňuje se u stojící osoby tak, že snižuje tlak krve v plicních artériích uložených nad úrovní srdce a zvyšuje ho v artériích pod úrovní srdce. V důsledku toho je průtok krve apikálními partiemi plic zřetelně nižší než průtok krve basálními partiemi (obr. 12). Tyto rozdíly v průtoku vymizí u ležící osoby. Průtok krve plícemi stoupá při svalové práci, neboť zvyšuje-li se výdej levé komory, zvyšuje se i výdej pravé komory.
Přitom vzestup tlaku krve v plicních artériích, jak je patrné z obr. 13, je poměrně malý. Důvodem je již zmíněná velká poddajnost plicních cév a otvírání plicních vlásečnic, které byly v klidu uzavřeny. Velmi nízký tlak krve v plicních kapilárách je pro funkci plic mimořádné významný. Při tlaku krve 0,9 kPa v plicních kapilárách a onkotickém tlaku plasmy 3,3 kPa vzniká v plicích silná tendence k nasávání tekutiny do kapilár. Ta vede ke vzniku podtlaku (negativního tlaku) v intersticiu, které je dehydratováno a zmenšeno na minimum. Efekt je tak výrazný, ze basální membrány kapilárního endothelu a alveolárního epitelu navzájem splývají. Tak se vzdálenost mezi krví a alveolárním vzduchem stává nepatrnou. Dalším důsledkem nasávacího tlaku je skutečnost, že jakákoliv tekutina, která se dostane do alveolu, je rychle přesunuta do intersticia a alveoly jsou udržovány trvale "suché", což je základní podmínka účinné výměny dýchacích plynů. Začne-li selhávat levá komora, stoupá tlak v levé síni a krev se začne hromadit (městnat) nejdříve v plicních žilách, později i v artériích. Stoupá tlak krve v plicních kapilárách, a převýší-li hodnotu onkologického tlaku plasmy, začne se vyvíjet plicní otok (edém). Přibývá tekutiny v intersticiu, později i v alveolech. Tím je ohrožena výměna dýchacích plynů. Při chronickém zvýšení tlaku krve v plicních kapilárách se edém plic někdy nevyvine, neboť tekutina je odvedena lymfatickými cévami. Ty jsou schopny se rozšířit a zvýšit odtok mízy z plic až na dvacetinásobek normy. Edém plic se může vyvinout také při poškození membrány plicních kapilár infekcí nebo vdechnutím toxických látek, např. chloru nebo kysličníku siřičitého. Cévy plicního řečiště mají sympatickou a parasympatickou inervaci. Za normální situace vede stimulace sympatiku k mírnému vzestupu periferního odporu a stimulace parasympatiku k mírnému poklesu periferního odporu plicního řečiště. Popsané efekty jsou však malé a jejich význam je zanedbatelný. Z experimentálních studií vyplývá, že sympatické inervace se může uplatňovat v rozvoji určitých patologických stavů. Dojde-li k poškození tkáně s velkým obsahem tuku, dostávají se kapénky tuku do krve, krví jsou zaneseny do plic, kde ucpou velké množství cév. Vznikne plicní embolizace, doprovázená vzestupem tlaku krve v plicních artériích. Stav může být dále zhoršován rozsáhlou vasokonstrikcí, která vznikne jako důsledek reflexní aktivace sympatiku. Pacient je ohrožen přetížením a selháním pravé komory. Stejná situace vzniká, jeli do plic zanesena krevní sraženina. V poslední době se uvažuje o příznivém účinku zvýšené sekrece atriálního natriuretického faktoru (ANF), neboť u pacientů s plicní embolizací byla zaznamenána jeho zvýšená hladina v plasmě. Nález lze vysvětlit rozpínáním pravé síně, které
souvisí s přetížením pravé komory srdeční. ANF by měl podle této představy rozšiřovat plicní artérie a tím snižovat odpor plicního řečiště. Zvýšená natriureza a diuréza snižuje celkový objem krve a tím i velikost žilního návratu, což opět snižuje práci pravé komory. Bronchodilatační účinky ANF by zlepšily ventilaci plic a sycení krve kyslíkem.
2.3. Difúze plynů alveolokapilární membránou Výměna plynů probíhající přes respirační neboli alveolokapilární membránu se uskutečňuje difúzí. V plynné směsi jednotlivé složky difundují na základě tlakového gradientu. Pro vznik tlakového gradientu je rozhodující parciální tlak jednotlivých plynů. Velikost difúze za jednotku času vztažená na jednotku tlakového gradientu se nazývá faktorem přenosu (pro kyslík, oxid uhličitý nebo oxid uhelnatý) nebo difúzní kapacitou plic. Fyziologická hodnota difúzní kapacity pro kyslík je 150 ml/min/1 kPa. Ve stáří a při plicních onemocněních se zmenšuje. Při práci se několikanásobně zvětšuje. Difúzní kapacita plic pro oxid uhličitý je mnohem větší než pro kyslík. Proto se oxid uhličitý neretinuje v organismu ani při alveolokapilárním bloku. Rychlost difúze v plynném prostředí je nepřímo úměrná druhé odmocnině molekulové hmotnosti plynu. Při molekulových hmotnostech 32 pro kyslík a 44 pro oxid uhličitý to znamená, že rychlost difúze oxidu uhličitého je 0,86ti násobkem rychlosti difúze kyslíku. Rychlost difúze v kapalném prostředí závisí na rozpustnosti plynu v příslušné kapalině. Rozpustnost oxidu uhličitého je 23krát větší než rozpustnost kyslíku. Z toho vyplývá, že oxid uhličitý difunduje z krve do alveolů asi 20krát snadněji než kyslík ve směru opačném. Parciální tlak plynu v kapalině je stejný jako v plynné fázi, se kterou je kapalina v rovnováze. Velikost difúze je přímo úměrná velikosti difúzní plochy, tlakovému gradientu a rozpustnosti plynu, nepřímo úměrná délce difúzní dráhy a druhé odmocnině molekulové hmotnosti plynu. Difúzní dráha pro dýchací plyny se sestává z povrchové vrstvičky surfaktantu, alveolárního epitelu, basální membrány, intersticia s elastickými vlákny, basální membrány, kapilárního endothelu, vrstvičky plasmy v kapilární krvi, membrány erytrocytů a intracelulární tekutiny erytrocytu. Prostup plynů buněčnými membránami je umožněn jejich rozpustností v lipidech. Minimální tloušťka respirační membrány je 0,2 µm. Patologické prodloužení difúzní dráhy může nastat při postižení kterékoli z jejích složek (ztluštění alveolární stěny, otok - edém intersticia, edém intraalveolární ap.). Tento tzv. alveolokapilární blok omezuje difúzi kyslíku a krev odtékající z plic má nižší pO2. Poruchy difúze oxidu uhličitého za patologických podmínek nevznikají. Tlakový gradient pro difúzi plynů je hodnota velice těžko stanovitelná, neboť se liší na začátku i konci kapilár (obr. 14).
Jak je patrné z obrázku, je pO2 v alveolech vždy vyšší než na začátku plicních kapilár, a proto molekuly kyslíku pronikají z alveolů do kapilární krve. PO2 v krvi odtékající z plicních vén do levé síně není zcela vyrovnán s pO2 v alveolech. Příčinou je příměs venosní krve z tzv. veno-arteriálních zkratů a také nerovnoměrnost plicní ventilace a perfúze v různých částech plic (viz obr. 16). PCO2 ve smíšené venosní krvi přitékající do plicních kapilár je vždy vyšší než pCO2 v alveolárním vzduchu. Proto molekuly oxidu uhličitého pronikají z krve do alveolů. Na začátku kapilár je tlakový gradient pro oxid uhličitý největší, na konci kapilár se zmenšuje až vymizí; pCO2 v alveolárním vzduchu a v krvi se vyrovnává.
Odhaduje se, že průchod krve plicní kapilárou trvá asi 1s. To je doba dostatečná k dosažení rovnováhy mezi parciálními tlaky plynů v kapiláře a alveolu. Předpokládá se, že u zdravého člověka se parciální tlaky vyrovnají již za 0,25 s, tzn. v 1/4 plicní kapiláry (obr. 15), takže je tu dostatečná časová rezerva, která se uplatňuje při zrychlení průtoku krve při svalové práci. Difúzní plocha není stálou veličinou. Za fyziologických podmínek závisí na prokrvení plic a na počtu otevřených kapilár. U dospělého člověka se odhaduje na 70 m2. Patologicky se zmenšuje při destrukci alveolárních sept, při poruše ventilace (např. při ucpání - obstrukci dýchacích cest) nebo při uzávěru cév (plicní embolie). Velikost difúzní plochy závisí tedy na přiměřené ventilaci i perfúzi; avšak ani u zdravého člověka nejsou všechny alveoly stejně ventilovány a stejně perfundovány. U stojícího člověka je plicní ventilace v apikálních částech plic menší než v částech basálních. Stejně tak perfúze apikálních části plic je menší ve srovnání s perfúzí částí basálních. Vzhledem k tomu, že plicní cévy snadno kolabují, a také proto, že perfúzní tlak v plicích je nízký se předpokládá, že po určitou část dechového cyklu se může perfúze v apikálních částech plic zcela zastavit. Přírůstek průtoku krve směrem k basi plic je strmější ve srovnání s přírůstkem plicní ventilace (obr. 16).
Analogická situace může vzniknout při různých chorobných stavech, kdy určité oblasti plic mohou být dobře ventilovány a nedostatečně perfundovány nebo naopak méně ventilovány a dobře perfundovány. Podmínkou účinnosti výměny plynů je tedy přiměřená ventilace i perfúze respirační membrány. K posouzení vztahu těchto dvou parametrů byl zaveden tzv. ventilačně-perfúzní poměr nebo kvocient. U zdravého člověka činí průměrně 0,8 a vypočte se jako podíl minutové alveolární ventilace a průtoku krve plicním řečištěm.
VA (min utová alveolární ventilace ) 4,2 l / min = 0,8 = Q (min utový průtok plicními kapilárami ) 5,3 l / min
Klesá-li ventilace alveolů při dobré perfúzi, je tento poměr < 0,8. Za této situace klesá pO2 v alveolárním vzduchu a stoupá pCO2. Dojde-li naopak k omezené perfúzi v určitých
oblastech při dobré ventilaci, je ventilační perfúzní kvocient > 0,8. Lokálně může tento poměr nabývat hodnoty od nuly (perfundovaný alveolus bez ventilace) až po nekonečno (ventilovaný alveolus bez perfúze). Jak je patrné z obr. 16, u zdravého člověka se ventilačně-perfúzní kvocient mění s polohou těla. Ve vzpřímené poloze klesá od apexu k basi plic. V oblasti vrcholů je jeho průměrná hodnota 3,0, v basálních částech plic okolo 0,5. Horní části plic u stojícího člověka působí tedy jako alveolární mrtvý prostor, dolní časti plic jsou oblastí příměsi venosní krve ke krvi arteriální. Nepoměr ventilace a perfúze mírně snižuje účinnost výměny dýchacích plynů. Je jednou z již zmíněných příčin rozdílu mezi pO2 v alveolárním vzduchu a pO2 v arteriální krvi. Ideální situace nastává při svalové práci, kdy se průtok plícemi a alveolární ventilace zvyšuje a výměna dýchacích plynů probíhá téměř optimálně. Důležitá je skutečnost, že organismus je schopen poruchy ventilačně-perfuzního poměru částečně kompenzovat dvěma lokálními reflexy. Při uzávěru bronchů vzniká v hypoventilované oblasti lokální hypoxie a hyperkapnie, která vyvolá vasokonstrikci arteriol a venul s následným snížením perfúze. Tak je vyvolán kompenzační přesun krve do lépe ventilovaných alveolů. Naopak, v oblasti málo perfundovaných alveolů, hypokapnie způsobí bronchokonstrikci, čímž dochází k přesunu vzduchu z málo perfundovaných částí plic do partií lépe perfundovaných
3. Transport dýchacích plynů mezi plícemi a tkáněmi
3.1. Transport kyslíku 3.1.1. Mechanismy transportu Kyslík je v krvi transportován ve dvojí formě: 1. V malém množství je rozpuštěný v plasmě. Množství rozpuštěného kyslíku v krvi odtékající z plicních kapilár závisí na pO2 v alveolárním vzduchu a na rozpustnosti kyslíku v krvi. Činí 3 ml/l krve. Tyto molekuly vytvářejí parciální tlak kyslíku v arteriální krvi, který je za normálních okolností 12,5 kPa. Kyslík fyzikálně rozpuštěný v krvi je v dynamické rovnováze s chemicky vázaným kyslíkem. Celkové množství transportovaného kyslíku je podstatně větší než by odpovídalo fyzikálně rozpuštěnému množství. 2. Chemicky vázaný kyslík, kterého je v krvi převážná část, se transportuje v reverzibilní vazbě na hemoglobin jako oxyhemoglobin. Přítomnost hemoglobinu v krvi zvyšuje její transportní schopnost pro kyslík 70krát. Protože 1,0 g hemoglobinu váže 1,34 ml kyslíku a koncentrace hemoglobinu u muže je 150 g/l, obsahuje 1l arteriální krve při plném nasycení asi 200 ml kyslíku. Toto množství označujeme jako kyslíkovou kapacitu krve. Hemoglobin je chromoprotein, který se skládá ze čtyř podjednotek. Každou podjednotku tvoří hem, vázaný na řetězec globinu. Hem je komplexní sloučenina, tvořená protoporfyrinem IX s centrálním atomem dvojmocného železa. Všechny lidské hemoglobiny mají stejný hem, odlišnost tkví v globinové složce. Ta je tvořena čtyřmi polypeptidovými řetězci, z nichž vždy dva a dva jsou shodné. V lidských hemoglobinech jsou zastoupeny řetězce α, β, γ, δ a ε. V hemoglobinu dospělého typu je globin tvořen dvěma řetězci α a dvěma řetězci β (Hb α2, β2). Železo hemu váže kyslík, přičemž zůstává dvojmocné (oxygenace). 1 molekula hemoglobinu tak váže 4 molekuly kyslíku. Při vazbě kyslíku na hemoglobin se uplatňuje tzv.
alosterický efekt. Vazba první molekuly vede ke konformační změně příslušného řetězce globinu, tato změna se přenese na druhý řetězec a hem se změněným řetězcem naváže snáze kyslík (má vyšší afinitu). Změna konformace prvních dvou podjednotek je sledována změnou konformace druhých dvou podjednotek a rychlým navázáním zbylých dvou molekul kyslíku. Z tohoto důvodu má vazbová křivka hemoglobinu pro kyslík charakteristické esovité zakřivení.
3.1.2. Vazba kyslíku na hemoglobin Čím je určeno procento saturace hemoglobinu a které faktory toto procento ovlivňují? (obr. 17)
Jak vyplývá z obrázku, nejdůležitějším faktorem je pO2 arteriální krve, tj. množství fyzikálně rozpuštěného kyslíku. V rozsahu pO2 1-8 kPa dochází k rychlému přírůstku saturace hemoglobinu, za kterým následuje pomalejší vzestup v rozsahu 9-13 kPa. Je-li pO2 12-13 kPa, je saturace 97%; znamená to, že 1l arteriální krve obsahuje přibližně 195 ml kyslíku vázaného na hemoglobin a 3 ml kyslíku v rozpuštěné formě. Význam "plateau" v konečné části křivky je následující. Za určitých fyziologických situací (svalová práce spojená s hyperventilací, vysoká nadmořská výška) nebo při srdečních či plicních onemocněních, dochází k mírné redukci alveolárního pO2. Z křivky je patrné, že i při poklesu pO2 na 8 kPa klesá saturace hemoglobinu pouze o 10% a zásobení tkání kyslíkem není ohroženo. Křivka zleva doprava tedy vyjadřuje vazbu kyslíku na hemoglobin a označujeme ji jako křivku vazebnou či asociační. Křivka zprava doleva vyjadřuje uvolňování kyslíku z vazby na hemoglobin a označujeme ji jako křivku disociační .
3.1.3. Uvolňování kyslíku z hemoglobinu Místem spotřeby kyslíku a produkce oxidu uhličitého jsou buněčné mitochondrie. Výměna plynů mezi krví v kapilárách, intersticiální tekutinou a buňkami probíhá opět difúzí. Aby se mohla difúze uskutečnit, musí být zachován tlakový gradient. V intersticiální tekutině tkání je pO2 v klidu 5,3 kPa, v intracelulární tekutině je ještě nižší, jeho hodnota se pohybuje mezi 2-3 kPa. Hodnota pO2 v intersticiální tekutině není stálá, ale mění se v závislosti na intenzitě metabolismu tkání a velikosti krevního průtoku. Intracelulární pO2 2-3 kPa představuje ohromnou funkční rezervu, neboť teprve při poklesu pO2 v buňce na 0,5 kPa, váznou buněčné oxidační procesy. Při poklesu pO2 na 5,3 kPa, což je hodnota pO2 ve venosní krvi, klesá saturace hemoglobinu na 75%. Znamená to, že krev odtékající z tkání obsahuje ještě 75% oxyhemoglobinu. 25% kyslíku z celkové vazby se uvolnilo a bylo využito v procesu biologických oxidací. 25% z kyslíkové kapacity 200 ml/l je 50 ml/l, takže venosní krev obsahuje ještě 150 ml/l kyslíku a 1,2 ml/l kyslíku rozpuštěného. Protože tkáněmi proteče za 1 minutu asi 5 l krve, je spotřeba kyslíku tkáněmi 250 ml/min. Rozdíl mezi obsahem kyslíku v arteriální a venosní krvi označujeme jako arteriovenosní diferenci. Procentuelní vyjádření spotřeby kyslíku tkáněmi z celkové vazebné kapacity pro kyslík je tzv. utilizační koeficient kyslíku a vypočte se jako poměr:
arteriovenosní diference (ml / l ) = 0,25 kyslíková kapacita pro O2 v arteriá ln í krvi (ml / l ) Tkáně tedy v klidu využívají pouze 1/4 množství kyslíku, který je k nim dopraven arteriální krví. Při intenzivní svalové práci se však spotřeba kyslíku může zvýšit až na 150170 ml O2/l krve a utilizační koeficient kyslíku se zvyšuje na 75-85%. V tkáních může být tedy uvolněno trojnásobné množství kyslíku z 1 l krve. Srdeční výdej při intenzivní svalové činnosti může stoupnout na šesti- až sedminásobek klidové hodnoty. Vynásobením těchto dvou čísel dostaneme dvacetinásobný vzestup v přísunu kyslíku tkáním. Tato hodnota se tyká dobře trénovaných maratónských běžců a představuje horní hranici možnosti přísunu kyslíku tkáním. Představa pohybu kyslíku mezi plícemi a tkáněmi je zachycena v následujícím obr. 18.
Venosní krev přitékající do plic má při klidovém metabolismu pO2 5,3 kPa a hemoglobin je saturován ze 75%. Kyslík, jehož parciální tlak v alveolárním vzduch je 13,3 kPa, difunduje do plasmy krve plicních kapilár, kde se rozpouští. Tím stoupá pO2 v plasmě a je příčinou difúze kyslíku do intracelulární tekutiny erytrocytů. Vzestup pO2 v intracelulární tekutině umožní vazbu kyslíku na hemoglobin. Převážná většina kyslíku, který difunduje z alveolů do krve, nezůstává rozpuštěná, ale váže se na hemoglobin (97%). V tkáňových kapilárách se situace obrací. Protože pO2 v krvi přitékající je vyšší než pO2 v intersticiální tekutině, difunduje kyslík po svém gradientu přes kapilární stěnu. Tím klesá pO2 plasmy pod hodnotu pO2 v intracelulární tekutině erytrocytů a kyslík difunduje z erytrocytů do plasmy. Pokles erytrocytárního pO2 je příčinou disociace oxyhemoglobinu, který uvolňuje kyslík. Paralelně probíhá difúze kyslíku z intersticiální tekutiny do buněk. Ve svalových buňkách se část kyslíku váže na myoglobin a slouží jako rezerva při zvýšených nárocích na kyslík.
3.1.4. Hemoglobin jako "tkáňový kyslíkový pufrovací" systém Kromě toho, že hemoglobin transportuje kyslík tkáním, má ještě další významnou úlohu; je zařízením, které udržuje pO2 v tkáních (obr. 19).
Tato jeho funkce vyplývá z charakteru vazbové či disociační křivky. Vzhledem ke klidovým nárokům tkáně na kyslík, určuje vazebná schopnost hemoglobinu horní hranici pO2 v tkáních, která nemůže přesáhnout hodnotu 5,3 kPa. Intenzivní svalová práce však vyžaduje vyšší přísun kyslíku. Toho je dosaženo po relativně malém poklesu pO2, neboť v této části je průběh disociační kPa křivky strmý. Malý pokles pO2 je příčinou uvolnění velkého množství kyslíku. PO2 v tkáních pouze zcela výjimečné klesá pod 3 kPa. Lze konstatovat, že hemoglobin i velké nároky tkání na kyslík zajišťuje v relativně malém tlakovém rozmezí; mezi pO2 2,5-5,3 kPa. Při poklesu pO2 v alveolárním vzduchu na 8 kPa (vysokohorská prostředí), klesá saturace hemoglobinu pouze nepatrně a sycení tkání kyslíkem není narušeno. Naopak, stoupne-li pO2 v alveolárním vzduchu (při potápění do větších hloubek), nemůže stoupnout saturace hemoglobinu nad 100%. Obsah kyslíku v arteriální krvi se zvýší pouze nepatrně v důsledku malého přírůstku rozpuštěného kyslíku. V rozsahu změn pO2 v alveolárním vzduchu 8-66 kPa, vzhledem k vazebné schopnosti hemoglobinu pro kyslík, se tkáňový pO2 téměř nemění.
3.1.5. Faktory, které ovlivňují vazebnou křivku hemoglobinu pro kyslík
1) Změny pH krve Vzestup koncentrace vodíkových iontů posouvá saturační křivku hemoglobinu doprava a dolů. Znamená to, že za situace poklesu pH krve klesá při daném pO2 afinita hemoglobinu pro kyslík, (při vzestupu pO2 se méně kyslíku váže na hemoglobin, naopak při poklesu pO2 se více kyslíku uvolňuje). To má fyziologický význam. V krvi tkáňových kapilár je vyšší koncentrace vodíkových iontů, a proto se zde uvolňuje větší množství kyslíku. V krvi plicních kapilár je naopak menší koncentrace vodíkových iontů, což vede k usnadnění vazby kyslíku na hemoglobin. Konečně v tkáních s vyšším metabolismem je vyšší produkce vodíkových iontů a z krve se uvolňuje více kyslíku. Pokles afinity hemoglobinu ke kyslíku souvisí s vazbou vodíkových iontů na hemoglobin a změnou jeho struktury. 2) Změna koncentrace oxidu uhličitého Vzestup koncentrace oxidu uhličitého má stejný účinek (Bohrův efekt). Při průtoku krve tkáňovými kapilárami stoupá pCO2 v krvi, vazebná křivka se posouvá doprava a dolů a uvolňování kyslíku z vazby na hemoglobin je usnadněno. Při průtoku krve plícemi naopak pCO2 klesá, křivka se posouvá doleva a usnadňuje se vazba kyslíku na hemoglobin. 3) Vliv teploty Vzestup teploty má na vazbovou křivku stejný vliv jako vzestup koncentrace vodíkových iontů a oxidu uhličitého, tj. posouvá ji doprava a dolů. Vysvětlení je podobné. Při svalové činnosti stoupá teplota, která zvyšuje uvolňováni kyslíku z krve protékající svalovými kapilárami. 4) Vliv 2,3-difosfoglycerátu Erytrocyty obsahují velké množství 2,3-difosfoglycerátu (DPG), který vzniká při jejich metabolismu v procesu anaerobní glykolýzy. DPG se váže na hemoglobin, čímž způsobuje posun vazebné křivky doprava a dolů. Při hypoxii trvající více hodin se množství DPG v krvi zvyšuje, posouvá křivku ještě více doprava a dolů a napomáhá uvolňování kyslíku. Zároveň však snižuje schopnost hemoglobinu vázat kyslík při nízkém alveolárním pO2. O jeho významu v adaptaci organismu na hypoxii se proto diskutuje. Stručně lze shrnout, že vazba kyslíku na hemoglobin závisí na pO2, na koncentraci oxidu uhličitého, koncentraci vodíkových iontů, teplotě a množství DPG (obr. 21).
Tyto faktory se podílejí na uvolňování kyslíku během průtoku krve tkáňovými kapilárami a vzniku redukovaného hemoglobinu a naopak na přeměně redukovaného hemoglobinu na oxyhemoglobin v krvi plicních kapilár. Tkáně a vysokým metabolismem zvyšují extrakci kyslíku z krve právě pro nízký pO2, vyšší koncentraci oxidu uhličitého a
vodíkových iontů a vyšší teplotu.
3.1.6. Vazba hemoglobinu s oxidem uhelnatým Oxid uhelnatý se váže na dvojmocné železo za vzniku karboxy- nebo karbonylhemoglobinu. Vazebná křivka pro oxid uhelnatý má téměř shodný průběh s vazebnou křivkou pro kyslík. Rozdíl spočívá pouze v rozdílu tlaků (pCO) na ose x. Protože hemoglobin má k oxidu uhelnatému 230krát vyšší afinitu než ke kyslíku, jsou hodnoty pCO rovny 1/230 hodnot pO2. Je-li pCO v alveolárním vzduchu 0,06 kPa (což je asi 1/230 pO2), jde o rovnovážnou kompetici obou plynů, která způsobí, že vazebná kapacita hemoglobinu pro kyslík je z poloviny obsazená oxidem uhelnatým. Hodnota pCO 0,09 kPa, odpovídající asi 0,1% oxidu uhelnatého ve vdechovaném vzduchu, může být smrtelná (obr. 22).
Léčba otravy oxidem uhelnatým spočívá v dýchání čistého kyslíku, lépe pod vyšším tlakem, neboť k vytěsnění oxidu uhelnatého dojde rychleji. Důležitý je i vzestup obsahu rozpuštěného kyslíku, který může udržet arteriovenosní diferenci. K čistému kyslíku se přidává několik % oxidu uhličitého, který účinně stimuluje dýchací centrum. Vzestup alveolární ventilace snižuje koncentraci oxidu uhelnatého v alveolech, čímž urychluje uvolňování oxidu uhelnatého z krve.
3.2. Transport oxidu uhličitého
3.2.1. Difúze oxidu uhličitého z buněk do tkáňových kapilár a z plicních kapilár do alveolů Oxid uhličitý, vznikající v buňkách v procesu metabolismu, zvyšuje intracelulární pCO2, který je za klidových podmínek asi 6,2 kPa. Protože v arteriální krvi, které přitéká do tkání, je pCO2 5,3 kPa, difunduje oxid uhličitý z tkáňového moku do plasmy až do dosažení rovnovážného stavu. Ke stejnému vyrovnání dochází mezi plasmou a intracelulární tekutinou erytrocytů. Hodnota pCO2 intersticiální tekutiny není stálá, ale mění se v závislosti na produkci oxidu uhličitého v buňkách (tj. v přímé závislosti na úrovni metabolismu), nepřímo pak v závislosti na velikosti průtoku krve tkáněmi. Pokles průtoku krve zvyšuje pCO2, vzestup průtoku krve snižuje pCO2. PCO2 krve přitékající do plicních kapilár je 6,1 kPa, pCO2 alveolárního vzduchu 5,3 kPa. Malý tlakový gradient (0,8 kPa) při vysoké rozpustnosti oxidu uhličitého zajišťuje rychlý přesun oxidu uhličitého do alveolů. PCO2 v kapilární krvi se vyrovnává s pCO2 v alveolárním vzduchu již v 1/3 kapiláry; zcela stejné jako v případě sycení krve kyslíkem.
3.2.2. Mechanismy transportu oxidu uhličitého Transport oxidu uhličitého je méně problematický než transport kyslíku. Vzhledem k jeho vysoké rozpustnosti v tělesných tekutinách je jeho obsah v krvi vyšší než obsah kyslíku. 1 l arteriální krve obsahuje asi 500 ml oxidu uhličitého, 1 l venosní krve asi 540-550 ml oxidu uhličitého. Výdej oxidu uhličitého při minutovém průtoku 5 l/min je 200 ml/min. Oxid uhličitý je transportován ve třech formách (obr. 23):
1. V malém množství je rozpuštěný v plasmě a v intracelulární tekutině erytrocytů. Toto množství činí asi 35 ml/l venosní krve a představuje 7% z celkového transportovaného množství. 2. Rozpuštěný oxid uhličitý reaguje s vodou za vzniku kyseliny uhličité. V plasmě je tato reakce pomalá, a proto nevýznamná, avšak uvnitř erytrocytů přítomnost enzymu karboanhydrázy urychluje reakci 5 000krát. Rovnovážného stavu dosahuje tato reakce v průběhu zlomku sekundy. To umožňuje reakci velkého množství oxidu uhličitého s vodou erytrocytů dříve, než krev opustí kapiláry. Malé množství vzniklé kyseliny uhličité disociuje za vzniku vodíkových iontů a bikarbonátového aniontu. Většina volných vodíkových iontů reaguje s redukovaným hemoglobinem, který je silným nárazníkem. Zbývající bikarbonát difunduje do plasmy výměnou za chloridové ionty. Tento přesun probíhá velkou rychlostí a je umožněn existencí bikarbonát-chloridového bílkovinného nosiče, lokalizovaného v membráně erytrocytů. Výsledkem je vzestup obsahu chloridů a vody v erytrocytech venosní krve, nazývaný chloridovým posunem (Hamburgerův efekt). Proto mají erytrocyty ve venosní krvi větší objem a venosní krev vyšší hodnotu hematokritu. Ve formě bikarbonátu se v krvi přenáší největší množství oxidu uhličitého, minimálně 70%, jestliže zvířeti podáme inhibitor karboanhydrázy, výrazně omezíme transport oxidu uhličitého ze tkání do plic a pCO2 intersticiální tekutiny se může zvýšit až nad 10 kPa. 3. Oxid uhličitý reaguje v erytrocytech také s hemoglobinem, za vzniku karbaminohemoglobinu. Jde o reverzibilní vazbu na aminové skupiny globinové složky hemoglobinu, ze kterých se oxid uhličitý v plicích lehce uvolňuje a difunduje do alveolů. Malé množství oxidu uhličitého stejným způsobem reaguje s bílkovinami plasmy za vzniku karbaminoproteinu. Tato vazba je méně významná, neboť kvantitativně představuje asi 1/4 vazby oxidu uhličitého na hemoglobin. Teoreticky tvoří množství oxidu uhličitého transportované z tkání do plic v těchto dvou formách zbývajících 23% celkového transportovaného množství.
3.2.3. Disociační křivka oxidu uhličitého Oxid uhličitý je přenášen krví v několika formách: 1. jako volný 2. v chemické vazbě s vodou, hemoglobinem a plasmatickými proteiny. Celkové množství oxidu uhličitého obsažené v krvi závisí na pCO2. Tuto závislost vyjadřuje vazebná či disociační křivka (obr. 24).
Závislost obsahu oxidu uhličitého na pCO2 má na rozdíl od vazebné křivky pro kyslík trvale vzestupný charakter (tj. obsah oxidu uhličitého v krvi se zvyšuje se vzestupem pCO2). Fyziologická operační šíře v organismu je úzká, pohybuje se v rozmezí 5,3-6,1 kPa. Arteriovenosní diference obsahu oxidu uhličitého je 40-50 ml/l krve.
3.2.4. Uvolňování oxidu uhličitého z krve v plicích Vznik redukovaného hemoglobinu v tkáních podporuje přenos oxidu uhličitého krví, naopak vazba kyslíku na hemoglobin v plicích podporuje uvolňováni oxidu uhličitého z krve. Tento mechanismus se nazývá Haldaneův efekt a z kvantitativního hlediska je daleko důležitější pro uvolňování oxidu uhličitého v plicích než Bohrův efekt pro uvolňování kyslíku v tkáních. Haldaneův efekt vyplývá ze skutečnosti, že oxyhemoglobin je silnější kyselina než redukovaný hemoglobin. Uvolňování oxidu uhličitého z krve plicních kapilár napomáhají dvě skutečnosti: 1. Oxyhemoglobin jako silnější kyselina disociuje více vodíkových iontů. Ty reagují s bikarbonátem ze vzniku kyseliny uhličité. Za katalýzy karboanhydrázou se kyselina uhličitá rozkládá na vodu a oxid uhličitý, který difunduje z krve do alveolů. 2. Oxyhemoglobin má také menší schopnost vázat oxid uhličitý ve formě karbaminohemoglobinu. Znamená to, že v přítomnosti většího obsahu kyslíku krev obsahuje méně oxidu uhličitého než při poklesu obsahu kyslíku.
Haldaneův efekt tedy usnadňuje přenos oxidu uhličitého venosní krví, neboť v krvi tkáňových kapilár se hemoglobin redukuje. Naopak v plicních kapilárách usnadňuje uvolňování oxidu uhličitého, neboť zde vzniká oxyhemoglobin. Kvantitativní význam Haldaneova efektu pro transport oxidu uhličitého z tkání do plic je znázorněn na obr. 25.
Je zde zachycena část disociační křivky oxidu uhličitého; a to plnou čarou při pO2 13 kPa - situace v plicních kapilárách, přerušovanou čarou při pO2 5,3 kPa, což je situace v tkáňových kapilárách. Bod A znázorňuje, že při pCO2 6,2 kPa (situace ve tkáních) je v krvi obsaženo asi 540 ml/l oxidu uhličitého. Při průtoku krve plícemi klesá pCO2 na 5,3 kPa, zatímco pO2 se zvyšuje na 13 kPa. Kdyby nedošlo k posunu disociační křivky v důsledku Haldaneova efektu, kleslo by množství oxidu uhelnatého pouze o 20 ml/l krve. Avšak vzestup pO2 v plicích posouvá disociační křivku dolů, takže dochází k uvolnění asi 40-50 ml CO2/l. Haldaneův efekt přibližné zdvojnásobuje množství oxidu uhličitého transportovaného z tkání a uvolněného v plicích. Vznik kyseliny uhličité v krvi tkáňových kapilár snižuje pH krve. Tento pokles však není velký s ohledem na nárazníkové systémy krve. Arteriální krev má pH přibližné 7,41. Přísun oxidu uhličitého z buněk do krve tkáňových kapilár snižuje pH na 7,37. K opačné změně dochází v krvi plicních kapilár. Při vzestupu metabolismu v tkáních nebo při poklesu průtoku krve tkáněmi může klesnout pH až o 0,5 a vzniká tkáňová acidóza.
3.2.5. Respirační kvocient Uvedené hodnoty spotřeby kyslíku a výdeje oxidu uhličitého v průběhu metabolismu jsou hodnoty klidové a průměrné. Za normálních klidových podmínek je objem spotřebovaného kyslíku větší než objem vydaného oxidu uhličitého. Poměr výdeje oxidu uhličitého k přijmu kyslíku se nazývá respiračním kvocientem (R). R=
výdej CO 2 40 ml / 1 l = = 0,8 příjem O 2 50 ml / 1 l
Hodnota R se mění v závislosti na metabolických podmínkách. V případě, že jsou
metabolické nároky kryty pouze glycidy stoupá R na 1,0. V případe využívání tuků klesá R na 0,7. Důvodem je, že při oxidaci cukrů spotřeba 1 mol kyslíku vede k produkci 1 mol oxidu uhličitého. C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O Při oxidaci tuků klesá produkce oxidu uhličitého, neboť velké množství kyslíku reaguje s vodíkovými ionty za vzniku vody místo oxidu uhličitého. Při příjmu běžné stravy, která se skládá z bílkovin, cukrů a tuků, je průměrná hodnota R 0,825.
4. Regulace dýchání
4.1. Nervová regulace dýchání Nervový systém řídí a přizpůsobuje velikost alveolární ventilace požadavkům organismu tak, že i při zvýšených nárocích (svalová práce) je hodnota pO2 a pCO2 v krvi udržována na konstantní úrovni. Klasické pokusy na zvířatech ukázaly, že po protnutí mozkového kmene příčným řezem těsně nad mostem se dýcháni prakticky nezmění. Transmurální léze těsně pod prodlouženou míchou zase dýchání zcela zastaví. Dechový rytmus tedy vzniká v dolní části mozkového kmene a k jeho realizaci je nezbytné neporušené spojení mezi prodlouženou míchou o spinální míchou. V dolní části mozkového kmene je totiž uloženo dechové neboli respirační centrum.
4.1.1. Respirační centrum Skládá se ze tří skupin neuronů, které jsou lokalizovány bilaterálně v prodloužené míše a mostu (obr. 26). 1) Dorsální respirační skupina je lokalizována v dorsální části prodloužené míchy a skládá se pouze z inspiračních neuronů. 2) Ventrální respirační skupina je lokalizována ve ventrolaterální části prodloužené míchy a obsahuje jak inspirační tak exspirační neurony. 3) Pneumotaxická oblast je lokalizována dorsálně v horní části mostu a je nadřazena dorsální respirační skupině.
ad 1) Aktivita dorsální respirační skupiny neuronů je pro vznik dechového cyklu rozhodující. Její neurony se táhnou celou délkou prodloužené míchy. Převážnou většinu neuronů představuje nc.tractus solitarii, část je tvořena buňkami retikulární formace prodloužené míchy. Do nc. tractus solitarii přicházejí aferentní vlákna z IX. a X. hlavového nervu, které přivádějí sensorické signály z periferních chemoreceptorů a různých typu plicních receptorů. Dorsální respirační skupina neuronů je místem vzniku základního rytmu dýcháni. Neurony této oblasti vykazují spontánní aktivitu (automacii) i po přerušení aferentních vlivů a vlivů z nadřazených oblastí mozku. Vzruchová aktivita z těchto neuronů je vedena prostřednictvím bulbospinálních drah k motoneuronům předních rohů míšních v segmentech, z nichž vychází inervace k inspiračním svalům. Automacie vzruchové aktivity těchto neuronů má zvláštní charakter. Začíná pomalu, poté se zrychlí na konstantní úroveň a rychle ustává; tento cyklus se opakuje 12-15krát za 1 min. Charakter signálu může být pozměněn rychlejším nástupem vzruchové aktivity, nebo kontrolou okamžiku, kdy se vzruchová aktivita vypíná. To je běžná kontrola frekvence dýchání. Častější vypnutí zkracuje dobu inspiria a z dosud neznámých důvodů zkracuje i dobu exspiria. ad 3) Pneumotaxická oblast je nadřazená dorsální inspirační skupině neuronů. Jejím vlivem dochází k vypnuti inspiračního signálu. Úroveň aktivity této oblasti reguluje délku inspiria. Je-li silná, zkracuje trvání signálu a délka inspiria trvá 0,5 s. Je-li slabá, prodlužuje inspirační signál na 5-10 s. Primární funkcí pneumotaxické oblasti je tedy vypnutí inspiračního signálu a tak zajištění střídání inspiria a exspiria; úroveň její aktivity mění frekvenci dýchání v rozsahu několika dechů/min - 30-40 dechů/min. Kromě pneumotaxického centra ovlivňují trvání inspiria i signály z dýchacích cest. Ve stěně bronchů a bronchiolů jsou tahové receptory reagující na protažení; podráždění těchto receptorů vyvolá vzruchovou aktivitu, která je vedena vagovou aferentací do dolní části mozkového kmene; zde působí inhibičně. Rozepětí stěn dýchacích cest při vdechu tedy vede zpětnou vazbou k vypnutí inspiračního signálu a zástavě inspiria. Tento reflex se nazývá Heringův-Breuerův inflační reflex, avšak u člověka se uplatňuje až za situace, kdy dechový objem stoupá nad 1,5 l. Jedná se o mechanismus, který chrání plíce před nadměrnou inflací, nikoliv o mechanismus klidové regulace dýchání.
ad 2) Aktivita ventrální respirační skupiny neuronů je důležitá v regulaci usilovného dýcháni, tj. ze situace, kdy se mechaniky dýchání účastní i pomocné dýchací svaly. Stejně jako skupina dorsální, táhne se tato skupina neuronů celou délkou prodloužené míchy. Nachází se v nc.ambiguus a nc.retroambiguus. Funkce této skupiny se od funkce dorsální skupiny neuronů podstatně liší. 1. Její neurony jsou v průběhu klidného dýchání zcela neaktivní. 2. Aktivují se za situace potřeby zvýšeného dýchání tak, že se vzruchová aktivita dorsální skupiny neuronu rozšíří i na skupinu ventrální. 3. Elektrická stimulace některých neuronů ventrální skupiny vede k inspiriu, zatímco jiných k exspiriu. Aktivita této oblasti tedy zajišťuje usilovné dýcháni s aktivním inspiriem i exspiriem a vzestupem plicní ventilace. V dolní části mostu je lokalizována další skupina neuronů označovaná jako apneustické centrum. Jeho činnost může být demonstrována pouze po přerušení vagové aferentace a po oddělení pneumotaxického centra. Za této situace vzruchová aktivita tohoto centra stimuluje dorsální inspirační skupinu neuronů, čímž brání vypnutí inspiračního signálu. Objevuje se apneusis, což je zástava dýcháni v téměř maximálním inspiriu, které je přerušované ojedinělými krátkými exspiracemi. Aktivita apneustického centra podporuje inspirium, avšak při normálním dýchání vzruchy z pneumotaxické oblasti a inflačních receptorů dýchacích cest jeho vliv potlačí. Popsaná spontánní aktivita jednotlivých oblasti respiračního centra zajištující klidové inspirium a exspirium musí být ovlivnitelná v poměrně širokém rozsahu tak, aby velikost alveolární ventilace v každém okamžiku zajišťovala potřeby organismu na přísun kyslíku a výdej oxidu uhličitého. Při intenzivní svalové činnosti stoupá spotřeba kyslíku a produkce oxidu uhličitého až na dvacetinásobek normy. To musí být kompenzováno vzestupem alveolární ventilace. Tato změna je zajištěná dvojím způsobem: 1. Ovlivněním činnosti respiračního centra změnami v chemickém složení krve, zvláště koncentracemi oxidu uhličitého, kyslíku, vodíkových iontů. 2. Ovlivněním činnosti respiračního centra z jiných oblasti CNS.
4.2. Chemická regulace dýchání Dýchání udržuje koncentraci kyslíku, oxidu uhličitého a vodíkových iontů v tělesných tekutinách na poměrně konstantní úrovni. Vzestup obsahu oxidu uhličitého a vodíkových iontů stimuluje respirační centrum; dochází ke zvýšení ventilace, která je zajištěna zvýšenou vzruchovou aktivitou nervových vláken inervujících inspirační a exspirační svaly. Výsledkem je pokles obsahu oxidu uhličitého v krvi i pokles koncentrace vodíkových iontů, neboť klesá obsah kyseliny uhličité. Naproti tomu změny obsahu kyslíku v krvi nemají přímý vliv na respirační centrum, ale působí prostřednictvím periferních chemoreceptorů.
4.2.1. Přímá chemická kontrola respiračního centra vlivem oxidu uhličitého a vodíkových iontů V prodloužené míše několik µm pod povrchem ventrálně a bilaterálně se nachází tzv. centrální chemosensitivní oblast, která je v těsném kontaktu a mozkomíšním mokem (obr. 27). Tato oblast je vysoce citlivá na změny koncentrace oxidu uhličitého a vodíkových lontů.
Její aktivace vede ke stimulaci respiračního centra a to inspiračních neuronů, čímž se zvětšuje dechový objem i dechová frekvence. Přímým stimulem neuronů této oblasti jsou vodíkové ionty; protože však pomalu přestupují z krve do intersticiální tekutiny mozku nebo do cerebrospinální tekutiny, uplatňuje se ve skutečnosti více vliv oxidu uhličitého, i když nepřímo. Oxid uhličitý zcela volně přechází přes bariéry krev-mozek, krev-cerebrospinální tekutina; při vzestupu jeho koncentrace v krvi stoupá pCO2 v intersticiální tekutině prodloužené míchy i v mozkomíšním moku. Oxid uhličitý zde reaguje s vodou ze vzniku kyseliny uhličité. Ta disociuje za vzniku vodíku a bikarbonátového aniontu. Paradoxně působí v centrální chemosensitivní oblasti více vodíkových iontů při vzestupu koncentrace oxidu uhličitého v krvi než při vzestupu koncentrace vodíkových iontů v krvi. Oxid uhličitý je tedy hlavním stimulem dýchání. Mozkomíšní mok je v těsném kontaktu s krví arachnoidálních plexů. Za několik sekund po zvýšení pCO2 krve začne stoupat koncentrace vodíkových iontů v cerebrospinální tekutině, která vede k maximálnímu vzestupu alveolární ventilace v průběhu několika minut. Tento efekt se postupné snižuje, v průběhu 1-2 dnů dosáhne 1/5 původní hodnoty; centrální chemosensitivní oblast se "adaptuje". Příčina tohoto poklesu není známa.
Obr. 28 ilustruje kvantitativní vliv změn pCO2 a pH krve na velikost alveolární ventilace. Z křivek je patrné, že k podstatně větším změnám alveolární ventilace dochází vlivem vzestupu pCO2, než vlivem poklesu pH. Důvodem je již zmíněná malá propustnost hematoencephalické bariéry pro vodíkové ionty. Kromě toho se zde uplatňuje další skutečnost. Vzestup ventilace plic při poklesu pH vede k poklesu pCO2 v krvi; tím se zmenšuje stimulační vliv oxidu uhličitého na chemosensitivní oblast a zvyšováni ventilace je omezeno. Oxid uhličitý je konečným produktem metabolismu. Jeho koncentrace v tělesných tekutinách významně ovlivňuje chemické reakce a tedy pH krve. Stimulace respiračního centra oxidem uhličitým je nezbytný zpětnovazebný mechanismus regulace koncentrace oxidu uhličitého i pH tělesných tekutin. Schopnost oxidu uhličitého stimulovat dýchání se v praktické medicíně často využívá. Jestliže se zvýší koncentrace oxidu uhličitého ve vdechovaném vzduchu z 0,04% na 5%, zvyšuje se ventilace ze 7 na 26 l/min. Léčebně se používá kyslík s 2-5% příměsí oxidu uhličitého (pneumoxyd). Vyšší koncentrace oxidu uhličitého se nepoužívají, neboť příměs 7% oxidu uhličitého vyvolá hyperkapnii, které nemá stimulační, ale tlumivý účinek na CNS včetně dýchacího centra. Způsobuje bolest hlavy, zmatenost až koma (narkotický účinek oxidu uhličitého). Vzestup pCO2 může zvýšit ventilaci plic maximálně na desetinásobek normy, tj. na 70 l/min. Dýchací ústředí reaguje také na pokles pCO2 v tělesných tekutinách. Jestliže volně hyperventilujeme, dojde k poklesu pCO2 v krvi (hypokapnii). Dýchání se na krátkou dobu zastaví. Během této apnoické pauzy stoupá pCO2 v krvi a situace normalizuje. Z pozorování vyplývá, že základní podmínkou automatické činnosti respiračního ústředí je normální pCO2 v tělesných tekutinách,
4.2.2. Periferní chemoreceptory a respirační aktivita. Úloha kyslíku v regulaci dýchání Kromě centrální chemosensitivní oblasti je aktivita respiračního centra ovlivňována změnami koncentrace oxidu uhličitého, kyslíku a vodíkových iontů v krvi prostřednictvím speciálních receptorů lokalizovaných mimo CNS - periferních chemoreceptorů (obr. 29). Jde o samostatná tělíska, která mají vlastní cévní zásobení a velký krevní průtok. Při přepočtu na jednotku hmotnosti mají největší průtok krve ze všech orgánů v těle. Jsou lokalizována jednak bilaterálně v blízkosti bifurkace karotidy (glomus caroticum), jednak podél oblouku aorty (glomus aorticum). Aferentní inervaci karotických tělísek zajišťuje n.sinus carotici (Heringův nerv), který je větví IX. hlavového nervu. Přivádí vzruchovou aktivitu k dorsální respirační skupině neuronů. Aferentní vlákna z aortálních tělísek jsou vedena X. hlavovým nervem k dorsální respirační skupině neuronů.
Chemoreceptory jsou stimulovány při poklesu pO2 krve, která jimi protéká. Závislost vzruchové aktivity aferentních vláken na změnách pO2 arteriální krve je znázorněna na obr. 30.
Určitou vzruchovou aktivitu lze zaznamenat i při vysokém pO2 v krvi. Při pO2 13 kPa je vzruchová aktivita asi 200 vzruchů/s. K největší produkci vzruchů dochází v rozsahu pO2 84 kPa. Nervová zakončení mohou být stimulována při hypotenzi s poklesem průtoku krve tělísky i při normálním pO2 krve. Periferní chemoreceptory reagují i na vzestup pCO2 a koncentrace vodíkových iontů, avšak přímý efekt obou těchto vlivů prostřednictvím centrální chemosensitivní oblasti nastupuje dříve (chemosensitivní oblast je citlivější); proto se periferní chemoreceptory v této oblastí neuplatňuji. Mechanismus dráždění chemoreceptorů poklesem pO2 není známý. Tělíska obsahují dva typy buněk, mezi nimiž jsou nemyelinizovaná nervová zakončení. Jedni autoři se přiklánějí k názoru, že jedna skupina buněk má funkci chemoreceptorů: jejich podráždění následně stimuluje nervová zakončení. Jiní autoři předpokládají, že na pokles pO2 reagují přímo nervová zakončení. Vzruchy, které jsou z chemoreceptorů přivedeny do mozkového kmene, stimulují respirační centrum, což vede k vzestupu alveolární ventilace (obr. 31).
Z křivky na obr. 32 je patrné, že alveolární ventilace se nemění až do poklesu pO2 arteriální krve na 8 kPa. Teprve při poklesu pod tuto hodnotu alveolární ventilace stoupá, avšak pouze na 1,5-1,7 násobek klidové hodnoty. To je změna velmi malá ve srovnání s účinkem vzestupu pCO2, který zvyšuje alveolární ventilaci až na desetinásobek normy.
Vysvětleni je následující; vzestup alveolární ventilace při poklesu pO2 vede k vydýchání většího množství oxidu uhličitého. Výsledkem je pokles pCO2, doprovázený poklesem koncentrace vodíkových iontů. Na jedné straně je tedy dýchání stimulováno poklesem pO2, na straně druhé inhibováno poklesem pCO2 a koncentrace vodíkových iontů. Výsledkem těchto protichůdných vlivů je vzestup alveolární ventilace maximálně o 75%. Je třeba zdůraznit, že všechny tři mechanismy chemické regulace dýchání (vzestup pCO2, vzestup koncentrace vodíkových iontů a pokles pO2) jsou ve skutečnosti téměř stejně účinné, tj. za experimentální situace, kdy se bude měnit pouze jedna regulovaná veličina, (pokles pO2 při konstantním pCO2), bude vliv poklesu pO2 na velikosti alveolární ventilace stejný jako vliv vzestupu pCO2 a koncentrace vodíkových iontů (obr. 32). Přesto je za fyziologické situace v organismu náhlý pokles pO2 v regulaci velikosti alveolární ventilace méně účinný. Z charakteru vazebné křivky hemoglobinu pro kyslík vyplívá, že změny alveolární ventilace v poměrně širokém rozsahu neovlivňují transport kyslíku k tkáním.
(Klesne-li alveolární ventilace na polovinu normy, sníží se saturace hemoglobinu asi o 10%. Plné 100% saturace je dosaženo při normálních hodnotách alveolární ventilace jako při ventilaci desetinásobné). Na druhé straně změny alveolární ventilace výrazně ovlivňují hodnoty pCO2 v krvi. Proto je mimořádné důležité, že právě koncentrace oxidu uhličitého je za fyziologické situace hlavním mechanismem, který reguluje dýchání. Vliv poklesu pO2 na regulaci dýchání se uplatňuje za patologických okolností, kdy může dojít k situaci, že vzestup pCO2 a koncentrace vodíkových iontů je doprovázen poklesem pO2. Za této situace se všechny tři mechanismy vzájemné podporují a pO2 mechanismus může být nejdůležitějším vzhledem k tomu, že centrální chemosensitivní oblast se vzestupu pCO2 po krátké době přizpůsobuje. Fyziologickou situací, kdy se uplatňuje vliv poklesu pO2 v regulaci dýchání, je výstup do větší nadmořské výšky. Pokles pO2 ve vdechovaném vzduchu snižuje pO2 arteriální krve. Drážděním periferních chemoreceptorů se zvýší alveolární ventilace o 2/3 klidové hodnoty. To je jen malé zvýšení, jehož příčinou je již zmíněný pokles pCO2 a koncentrace vodíkových iontů. Avšak v průběhu několika dnů se centrální chemosensitivní oblast "adaptuje" na pokles pCO2, přestává na něj reagovat a alveolární ventilace se zvyšuje 5-7krát; jde o proces aklimatizace při pomalém výstupu do velkých nadmořských výšek, který umožňuje
přizpůsobit dýchání podmínkám nižšího tlaku.
4.3. Regulace dýcháni při svalové činnosti Při svalové činnosti se spotřeba kyslíku a produkce oxidu uhličitého zvyšuje až dvacetkrát (obr. 33).
Jak vyplývá z obrázku, úměrně s velikostí metabolismu se zvětšuje i minutová plicní ventilace, čímž se pCO2 a pH udržuje na téměř normální hodnotě. Protože víme, že pCO2 zvyšuje úroveň plicní ventilace maximálně 10-11krát, tj. na 70 l/min a hodnota maximální minutové ventilace je asi dvojnásobná (150-170 l/min), musí se na velikosti této hodnoty podílet ještě jiné regulační faktory. Nejdůležitější je aktivace respiračního centra vlivy z vyšších mozkových ústředí a ze svalových proprioreceptorů. Vzruchová aktivita z motorických oblastí mozkové kůry, vedená eferentními drahami ke spinálním motoneuronům, se šíří kolaterálami do mozkového kmene, kde aktivuje činnost respiračního ústředí. Během svalové činnosti jsou drážděny proprioreceptory ve svalech, šlachách a kloubních pouzdrech. Vzruchová aktivita je z těchto receptorů vedena aferentními drahami do míchy; vzestupné dráhy vydávají kolaterály, jejichž prostřednictvím je také aktivována respirační oblast. (Důkazem je, že i pasivní pohyb končetiny zvětšuje plicní ventilaci).
Pro řízení dýchání při svalové činnosti je rozhodující nervová regulace. Chemická regulace provádí opravu nervové regulace, není-li přiměřená svalové práci (obr. 34). Vliv mozkové kůry na činnost respiračního ústředí se v průběhu života upřesňuje procesem učení. Zpočátku signál z mozkové kůry vyvolává nepřiměřeně velké zvýšení alveolární ventilace (hyperventilaci), takže pCO2 klesá pod normu. Opakováním určité svalové činnosti se korové stimulace respiračního centra upřesňuje tak, že velikost ventilace zcela odpovídá metabolickým nárokům organismu.
4.4. Ostatní faktory ovlivňující dýchání Dýchání může být ovlivněno volním úsilím. Můžeme úmyslně hyperventilovat nebo hypoventilovat tak, že může dojít k odchylkám pO2, pCO2 i pH arteriální krve. Volní kontrola není zprostředkována přes respirační ústředí; vzruchová aktivita mozkové kůry je vedena přímo ke spinálním motoneuronům pro dýchací svaly, Respirační centrum může být ovlivněno vasomotorickým centrem vzhledem k blízké lokalizaci obou center. Téměř všechny vlivy, které aktivují vasomotorické centrum, zvyšují i plicní ventilaci. Vzestup tělesné teploty zvyšuje ventilaci jednak urychlením metabolismu, tedy chemickým ovlivněním nepřímo, jednak přímo, stimulací respiračního centra zvýšenou teplotou. Bolestivé podněty a zvýšená koncentrace adrenalinu stimuluje ventilaci. Lze sem zařadit i obranné reflexy dýchací (kašel, kýchání) a reflexní zástavu dýchání při vdechnutí škodlivin.
5. Hypoxie, hyperkapnie Hypoxie je stav, při kterém je nedostatek kyslíku v celém organismu nebo v některých jeho částech. 1. Hypoxická hypoxie vzniká při omezeném přísunu kyslíku z atmosférického vzduchu k erytrocytům. Příčinou může být pokles pO2 v atmosféře při výstupu do vyšší nadmořské výšky. Pokles pO2 v alveolech vede k poklesu pO2 v arteriální krvi. Jedině tento typ hypoxie je fyziologický, ostatní jsou patologické. Patři sem různé typy hypoventilace při chorobách nervově-svalových nebo plicních a choroby, které vedou k omezení přenosu kyslíku z alveolárního vzduchu do krve plicních kapilár. Nejčastější příčinou hypoxické hypoxie v klinické praxi jsou lokální poruchy v poměru ventilace - perfúze. 2. Transportní hypoxie (anemická) nastává při poklesu transportní kapacity krve pro kyslík. Arteriální pO2 je normální, ale množství hemoglobinu schopného vázat kyslík je sníženo. V klidu nebývá hypoxie intenzivní, výrazněji se projevuje pří námaze. Příčinou může být snížení koncentrace hemoglobinu v krvi pří anemii, při poklesu objemu cirkulující krve po silném krvácení nebo otrava oxidem uhelnatým. 3. Stagnační hypoxie (cirkulační, ischemická) vzniká při poklesu průtoku krve. V krvi je normální obsah kyslíku, avšak průtok např. končetinou je omezen a nezajišťuje dostatečný přísun kyslíku buňkám. Dochází k ischemii. Vzniká při šokových stavech, srdečním selhání nebo intravaskulární obstrukci. 4. Histotoxická hypoxie vzniká za situace, kdy buňky nejsou schopny využít přivedený kyslík, např. pro otravu buněčných enzymů (otrava kyanidy vede k blokádě cytochromoxidázy) nebo při poklesu aktivity buněčných enzymů při těžkých B avitaminózách (choroba beri-beri). Hypoxie těžkého stupně může být příčinou smrti; v méně těžkém stupni je příčinou poklesu psychické aktivity, neschopnosti svalové práce, někdy až komatu. Některé formy hypoxií jsou doprovázeny modravým zbarvením kůže, tzv. cyanózou. Toto zbarveni se objeví, když deoxygenovaná krev v kapilárách obsahuje více než 5 g/100 ml redukovaného hemoglobinu. S cyanózou se nesetkáváme při anemiích, neboť při nízké koncentraci hemoglobinu není pravděpodobné, že by koncentrace redukovaného hemoglobinu dosáhla 5 g%; naopak cyanóza je častým příznakem polycytémie. Hyperkapnie je vzestup pCO2 v tělesných tekutinách. Ve spojení s hypoxií se objevuje pouze při hypoventilaci nebo při poklesu průtoku krve. Hyperkapnie je jednou z příč in dyspnoe - namáhavého dýchání se zapojením pomocného dýchacího svalstva spojeného s úzkosti z dechové nedostatečnosti. Stoupne-li pCO2 nad 8 kPa, je dyspnoe výrazná, při pCO2 12-13 kPa je pacient v letargii až komatu. Nad 13 kPa může dojit k smrti. Pro označení stavu vyvolaného obstrukcí dýchacích cest, kdy se s hypoxii dostaví hyperkapnie, se užívá termín asfyxie.
5.1. Léčba kyslíkem Léčba kyslíkem je indikovaná jen u určitých typu hypoxií. Důležitá je u hypoxických hypoxií. Je-li pO2 v atmosférickém vzduchu nižší, vdechování čistého kyslíku zcela upraví původní pokles pO2 v arteriální krvi. U všech typů hypoventilace zajišťuje dýchání čistého kyslíku přísun 5krát většího
množství kyslíku do alveolu s každým vdechem. U hypoxie, jejíž příčinou je pokles difúze kyslíku, zajišťuje dýchání čistého kyslíku 5krát vyšší gradient pro difúzi kyslíku a tedy zlepšení sycení hemoglobinu kyslíkem. U transportních hypoxií zvyšuje dýchání čistého kyslíku množství rozpuštěného kyslíku v krvi a tak zvyšuje obsah kyslíku v arteriální krvi, i když se množství transportovaného kyslíku ve vazbě na hemoglobin nemění (obr. 35).
Obrázek zároveň znázorňuje účinnost léčby čistým kyslíkem v podmínkách přetlaku (nad 101 kPa) v hyperbarické komoře. U hypoxií stagnačních je účinek léčby čistým kyslíkem malý, neboť příčina spočívá v omezeném průtoku krve. Větší množství rozpuštěného kyslíku může však být za určitých patologických stavů pro pacienta rozhodující (obr. 36). U hypoxií histotoxických je léčba kyslíkem neúčinná. U onemocnění, kde hrozí nebezpečí hyperkapnie, (např. při poklesu aktivity respiračního centra), je léčba kyslíkem kontraindikovaná.
5.2. Pobyt ve vysoké nadmořské výšce, létání Se vzestupem nadmořské výšky se barometrický tlak progresivně snižuje. Při hladině moře je tlak mořského vzduchu 101 kPa, ve výšce 3 km je 70 kPa a ve výšce 15 km je 12 kPa. Pokles barometrického tlaku je hlavní příčinou vzniku hypoxické hypoxie u člověka při výstupu do vyšších nadmořských výsek či létání, neboť pO2 ve směsi vzduchu činí jen 21% celkového tlaku. Tento typ hypoxické hypoxie je jediný typ hypoxie, který patři do oblasti fyziologie. PO2 suchého vzduchu při hladině moře je 21 kPa a s přibývající výškou tato hodnota také progresivně klesá (ve výšce 3 km je např. 14 kPa). Tím klesá pO2 v alveolárním vzduchu i v arteriální krvi. Pokles je ve skutečnosti ještě větší v důsledku sycení vzduchu vodní parou a příměsí oxidu uhličitého v alveolárním vzduchu (obr. 37).
Obrázek ilustruje změny saturace arteriální krve kyslíkem při různých nadmořských výškách při dýchání vzduchu a čistého kyslíku. Až do výšky 3 km, při dýchání atmosférického vzduchu, je saturace minimálně devadesátiprocentní, avšak nad 3 km výšky saturace prudce klesá. Ve výšce 6 km činí 70% a ve výšce 7 km 50%. Při dýchání čistého kyslíku zůstává saturace devadesátiprocentní až do výšky 12 km, ve výšce 15 km klesá saturace na 50%. Protože člověk je při vědomí až do poklesu sycení arteriální krve na 40-50%, dochází ke ztrátě vědomí při dýchání vzduchu ve výšce 7 km, při dýchání čistého kyslíku ve výšce patnácti km. Následky hypoxie jsou tím výraznější, čím je větší pokles pO2, čím rychleji tento pokles nastupuje a čím déle trvá. Až do výšky 2,4 km se nezvyšuje plicní ventilace; nad tuto výšku se prostřednictvím dráždění periferních chemoreceptorů zvyšuje při akutně vzniklé hypoxii velikost ventilace o 65%. Další účinky hypoxie, které se objevují od výšky 3,6 km jsou: ospalost, malátnost, únava, bolest hlavy nebo nausea, někdy euforie. Většina těchto příznaků se s přibýváním výšky stupňuje; zvláště výrazná bývá bolest hlavy. Mohou se objevit i záškuby až křeče a ve výšce 7 km u neaklimatizovaných osob koma. Jedním z nejdůležitějších příznaků hypoxie je pokles duševní výkonnosti (zhoršení úsudku, paměti a provádění jemných pohybů), který se projevuje od výšky 2,7 km. Při těžké hypoxii (ve stadiu komatu) se činnost respiračního centra snižuje, neboť neurony trpí nedostatkem kyslíku pro zajištění vlastního metabolismu. Zdržuje-li se člověk ve vyšší nadmořské výšce dny, týdny nebo roky, dochází k tzv. aklimatizaci. Jejím výsledkem jsou stále menší příznaky z poklesu pO2, přibývání schopnosti svalové práce, ev. snášení i větších výšek. Aklimatizace spočívá ve vzniku řady kompenzačních změn v organismu, 1. Vzestup plicní ventilace činí při akutní hypoxii 65% nad normu, avšak při 2-5ti denním pobytu ve velké nadmořské výšce se ventilace zvyšuje na 300-700% normy (vysvětleno dříve). 2. Zvyšuje se tvorba erytrocytů. Hodnota hematokritu stoupá na 60-65% a koncentrace hemoglobinu na 220 g/l. Celkový objem krve se zvyšuje o 20-30%. Tyto změny jsou dlouhodobé a rozvíjejí se v průběhu několika měsíců. 3. V erytrocytech se zvyšuje tvorba 2,3-DPG, který snižuje afinitu hemoglobinu ke kyslíku, ale zvyšuje uvolňování kyslíku v tkáních. 4. Zvyšuje se difúzní kapacita plic, mimo jiné, v důsledku zvýšení průtoku krve plicními kapilárami. 5. Přizpůsobuje se i krevní oběh. Omezuje se průtok krve kůží, ledvinami a zvyšuje se
průtok krve aktivními orgány, tj. svaly, srdcem a mozkem. Později se pozorují změny vaskularizace v těchto tkáních. Zvětšuje se počet kapilár a jejich průsvit. 6. Byly pozorovány i změny na úrovni buněčné. Rozmnožení mitochondrií a přírůstek obsahu buněčných oxidativních enzymů umožňuje efektivnější využití kyslíku. Někteří lidé v Andách a Himalájích se rodí a žijí trvale v nadmořské výšce nad 5 000 m. Jejich přizpůsobení je dokonalejší než u nejlépe aklimatizovaných osob. Mají mohutný hrudník vzhledem k celkové výšce. Jejich srdce, hlavně pravé polovina, je větší k zajištění dostatečného tlaku krve v plicnici a ke zvládnutí většího průtoku plicními kapilárami. Ty jsou zmnožené a rozšířené. Vysoký obsah hemoglobinu zabezpečuje transport dostatečného množství kyslíku při nízkém pO2 v alveolárním vzduchu. Z těchto důvodů jsou osoby trvale žijící v nadmořských výškách schopny i většího pracovního výkonu než osoby nejlépe aklimatizované. Další vlivy, se kterými je nutno počítat ve vyšších nadmořských výškách, jsou pokles teploty a přítomnost ultrafialového záření. Je-li teplota na povrchu země 20°C, je ve výšce 3 km 0°C, ve výšce 6 km -22°C a ve výšce 9 km -44°C. To vyžaduje speciální oblečení. Protože většina ultrafialové části světelného spektra je pohlcena před dopadem na zemský povrch, osoba vystavena slunečnímu záření ve větší nadmořské výšce je ohrožena popáleninami nekrytých části kůže a minimálně podrážděním očních spojivek.
6. Potápění, hyperbarie Při potápění se uplatňují dvě skutečnosti: 1. S přibývající hloubkou stoupá tlak okolí. Zvýšení činí 98 kPa na 10 m hloubky. Aby plíce nezkolabovaly, musí být vzduch do organismu přiváděn také pod vysokým tlakem. Toho lze dosáhnout s použitím dýchacího přístroje, který nastavuje tlak, při kterém se uvolňuje směs plynů z bomby, na hodnotu, která odpovídá příslušná hloubce potápění.
Přívod vzduchu do plic pod vyšším tlakem než je tlak atmosférický označujeme jako hyperbarii. 2. Se zvýšeným tlakem okolí souvisí komprese plynů (obr. 38). Máme-li na hladině moře zvon s obsahem 1 l vzduchu, bude činit objem vzduchu v hloubce 10 m 1/2 l, v hloubce 30 m 1/4 l a v hloubce 70 m 1/8 l. Tj. objem vzduchu se zmenší tolikrát, kolikrát se zvětšil tlak.
6.1. Vliv hyperbarie na organismus. Vzduch obsahuje asi 4/5 dusíku. Jeho schopnost difúze je ve srovnání s kyslíkem asi poloviční. V běžných podmínkách nemá dusík žádný vliv na organismus, avšak při vyšším tlaku má narkotický účinek. Ten se začíná objevovat od hloubky 30-40 m. Příznaky jsou podobné příznakům po požití alkoholu; nejdřív euforie, ztráta soudnosti, ztráta zábran, s přibývající hloubkou únava, nekontrolovatelné chování až koma. Mechanismus narkotického účinku spočívá v rozpustnosti dusíku v lipidech, které tvoří hlavní složku buněčných membrán. Klesá vzrušivost a vodivost nervových buněk. Dýchá-li člověk vzduch pod vyšším tlakem delší dobu, zvětšuje se množství dusíku rozpuštěného v tělesných tekutinách a tkáních. Množství dusíku v organismu závisí na hloubce a délce pobytu pod hladinou. Je-li návrat na hladinu postupný, ubývá dusíku difúzí a vydýcháním. Není-li návrat dostatečně pomalý, vznikají následkem rychlé dekomprese v tělesných tekutinách a tkáních bublinky dusíku. V tkáních jsou bublinky příčinou bolestí, v plasmě mohou ucpat drobné
cévy a způsobit tak poškození myokardu nebo CNS (choroba z dekomprese - kesonová nemoc). Efekt dekomprese je podobný otevření lahve se šumivým nápojem. Při potápění do velkých hloubek je dusík ve směsi vzduchu nahrazován heliem, neboť helium má menší narkotické účinky. Je také méně rozpustný v tělesných tekutinách a má menší hmotnost. Proto rychleji difunduje tkáněmi a rychleji se vylučuje z organismu. Nebezpečí dekomprese je menší.
6.2. Hyperoxie Je opakem hypoxie. Nastává, stoupne-li pO2 v krvi nad fyziologickou normu. Vysoký pO2 může být důsledkem: 1. dýchání čistého kyslíku při léčbě kyslíkem (při normálním tlaku nebo v přetlaku), 2. vzestupu celkového tlaku při normálním zastoupení kyslíku ve směsi při potápění. Při vzestupu alveolárního pO2 se zvyšuje celkový obsah kyslíku v krvi, neboť stoupá množství rozpuštěného kyslíku v krvi. Vysoký pO2 v krvi je příčinou vysokého pO2 v tkáních, což může vést k následnému poškození buněk. To platí zvláště pro mozek. Vzestup pO2 v alveolárním vzduchu na 303 kPa na dobu jedné až několika hodin je u většiny osob příčinou křečí až bezvědomí. Mezi ostatní příznaky akutní otravy kyslíkem patří: nausea, svalové záškuby, závratě, poruchy viděni, zvýšená dráždivost a desorientace.
Na obr. 39 je znázorněna závislost obsahu kyslíku v krvi na pO2 v alveolárním vzduchu. Při vzestupu pO2 v krvi se vazební schopnost hemoglobinu nemění, avšak celkový obsah kyslíku v krvi stoupá v důsledku přírůstku rozpuštěného kyslíku. Při alveolárním pO2 404 kPa je obsah kyslíku v krvi 290 ml/l - bod A. Protože spotřeba kyslíku tkáněmi v klidu je 50 ml/l, zůstává ve venosní krvi ještě 240 ml/l - bod B. Toto množství odpovídá tlaku 190 kPa. Vyznačená plochá na obrázku vyznačuje tlakový rozsah toxického působení kyslíku.
Molekulární kyslík má nízkou oxidační schopnost. Může být však konvertován v "aktivní" formu kyslíku, v tzv. volné kyslíkové radikály, které jsou vysoce reaktivní. Z nich je nejvýznamnější superoxidový radikál (O2-) a peroxidový radikál, ve formě peroxidu vodíku. Malé množství těchto radikálů se tvoří i při fyziologickém tkáňovém pO2 5,3 kPa z rozpuštěného kyslíku. Buňky však obsahují enzymy (peroxidázy, katalázy, superoxid dismutázy), které tyto volné radikály neustále odstraňují. Stoupne-li však pO2 v alveolárním vzduchu nad 202 kPa, přesáhne přírůstek volných kyslíkových radikálů kapacitu redukujících enzymů a důsledkem je poškození až odumření buněk. Právě volné kyslíkové radikály jsou totiž v různé míře toxické. Toxicita spočívá v oxidaci nenasycených mastných kyselin (základní struktury buněčných membrán), která vede ke ztrátě biologických funkci membrán, nebo oxidaci buněčných enzymů se závažným poškozením buněčného metabolismu. Právě nervová tkáň je mimořádné citlivá k těmto vlivům vzhledem k obsahu lipidů. Proto se akutní toxické účinky kyslíku projevují příznaky mozkové dysfunkce. Dlouhodobé dýchání čistého kyslíku (12 hod) i při normálním atmosférickém tlaku může být příčinou chronické otravy kyslíkem, která se projevuje poškozením dýchacích cest a plic (edémem sliznic dýchacích cest, edémem plicním nebo atelektázou).
7. Nerespirační funkce plic Ochranné mechanismy, které zabraňují vniknutí škodlivin do organismu. 1.Ochranná funkce řasinkového epitelu a vrstvy bronchiálního sekretu - viz dýchací cesty. V alveolech jsou alveolární makrofágy, které zachycuji nejjemnější prachové částice, čímž přispívají k filtraci vzduchu. Některé částice pronikají až do intersticia, kde jsou buď vychytávány histiocyty a odsouvány lymfatickými cestami, nebo zde zůstávají a způsobují příznaky tzv. zaprášeni plic. 2. Obranné reflexy dýchací: a) kašlací reflex - je vyvolán drážděním sliznice horních i dolních dýchacích cest působením nadměrného množství hlenu nebo cizorodých látek. Podráždění je vedeno vagovou aferentací do centra v prodloužené míše. Centrum uvede do chodu řadu koordinovaných dějů, které lze popsat takto: provede se hluboký vdech (2,5 l) a poté se uzavře hlasová štěrbina. Následuje usilovný výdech, který vede k velkému vzestupu intrapulmonálního tlaku. Při náhlém otevření hlasové štěrbiny vzduch vyrazí ohromnou silou a rychlostí ven (laminární proudění se mění na turbulentní), čímž s sebou strhává cizorodé substance a nahromaděný sekret. b) kýchací reflex - je vyvolán drážděním sliznice nosní. Aferentní vlákna jsou vedena v trigeminu a ústředí je v prodloužené míše. Usilovné exspirium probíhá stejně jako při kašli, avšak snížením čípku je vzduch částečně usměrněn do dutiny nosní. c) apnoický reflex Kratschmerův - vdechnuté dráždivé látky (čpavek) a jedovaté plyny stimulují receptory horních dýchacích cest a vyvolávají reflexní zástavu dechu, laryngo- a bronchokonstrikci. Zároveň dochází k reflexní bradykardii a poklesu krevního tlaku. Reflexní zástava dechu má význam i při polykání, neboť brání aspiraci potravy.
Ke změnám dýchání dochází při defekaci a mikci. Důležitou funkcí dýchacích cest je vznik řeči, vokalizace. Zahrnuje složité regulační mechanismy uložené v mozku. Základem řeči je však funkce laryngu, která se označuje jako fonace. Přes lumen laryngu jsou napnuty dva silné pruhy elastické tkáně, tzv. hlasové vazy. Jejich napětí a poloha jsou určovány činností několika laryngeálních svalu; navíc tyto svaly ovlivňují i utváření vazů, zvláště jejich okrajů. Proudem vzduchu vypuzovaného z plic se vazy rozkmitají a tím vzniká zvuk. Jeho výška odvisí od napětí vazů a jejich utváření. To je ovšem pouze základ; jaká hláska, slabika či slovo vznikne, odvisí od postavení rtů, jazyka a měkkého patra, jejichž funkce se označuje jako artikulace. Navíc je charakter zvuku určován rezonancí. Jako rezonátory fungují: dutina ústní, dutina nosní, vedlejší dutiny, farynx a také dutina hrudní. Fonace a artikulace se dají navzájem oddělit, jak dokazuje šeptání. Hlasové vazy jsou těsně k sobě přiloženy a pouze dorsálně je mezi nimi malý trojúhelníkový otvor, kudy prochází vzduch, aniž se vazy rozechvějí. Chybí tedy fonace, avšak šum vznikající průchodem vzduchu se využije k artikulaci. Metabolické funkce plic. Pneumocyty II. produkují surfaktant. Endotelové buňky vystýlající plicní kapiláry jsou schopné vychytávat různé cizorodé látky včetně parazitů a nádorových buněk. Podobně se v plicích vychytávají některé biologicky aktivní působky (angiotensin I, serotonin, bradykinin, prostaglandiny). Většina angiotensinu se v plicích přeměňuje na angiotensin II, V buňkách plicní tkáně se syntetizuje a uskladňuje řada biologicky aktivních látek (heparin, histamin, serotonin), které se uplatňují při různých chorobných stavech.
