Patofyziologie respiračního systému II
Výměna plynů v plicích
Transport plynů krví a „kyslíková kaskáda“
Hypoxemie – klasifikace možných příčin
(1) hypoventilace / (2) porucha difuze / (3) zkrat / (4) VA/Q nepoměr
Ventilačně – perfuzní nepoměr jako nejběžnější příčina
Kontrola ventilace
Respirační insuficience
Příklady restrikčních nemocí limitujících výměnu plynů
Výměna plynů v plicích
• hlavní funkce dýchacího systému - výměna plynů mezi krví a vnějším
prostředím – se řídí časově se měnícími požadavky organismu na O2
– udržovány v optimálním rozsahu regulací intenzity ventilace (viz kontrola ventilace
dále)
• požadavky definovanými především spotřebou ATP a jeho doplněním
mitochondriemi oxidační fosforylací
• a ostatními O2 náročnými procesy
• hnací silou pro výměnu O2 (a recipročně pro CO2) je postupné snižování
jeho parciálního tlaku , tj. koncentrační gradient mezi vdechovaným
vzduchem, krví a tkáněmi
– parciální tlak = tlak, který by měl plyn, kdyby sám zabíral stejný objem při stejné
teplotě
• rozpustnost plynu je důležitý parametr
– pro CO2 velmi vysoké = v těle neexistují žádné biologické bariéry, které by blokovaly
difuzi CO2
• dechový objem při každém dechovém
cyklu „přidá“ pouze 0.5l ke stávající
FRC, což znamená, že složení
alveolárního vzduchu je víceméně
konstantní
• alveolo-kapilární výměna
plynu probíhá mezi
alveolem a krví prostou
difúzí přes alveolární
membránu (epitelová
vrstva), plicní intersticium a
kapilární stěnu (endotelová
vrstva)
• v minulosti se někteří
fyziologové domnívali, že
se jedná o aktivní transport
– analogií s plynovým
měchýřem ryb
Výměna plynů v plicích
Funkční klasifikace dýchacích cest
• Kondukční pásmo (= anatomický mrtvý prostor)
• nos (ústní dutina)
• larynx
• trachea
• hlavní bronchy & bronchioly
– vedení vzduchu, zvlhčení & ohřátí, eliminace znečišťujících částic a
ochrana
• Respirační (acinární) pásmo (= výměna plynů)
• respirační bronchioly
• alveolární dukty & saky
• alveoly
– alveolární ventilace
• koncepce plicního acinu
– funkční 3-D jednotka – část parenchymu kde jsou veškeré dýchací
cesty větvením každého jednotl. terminálního bronchiolu (a jsou
rovněž všechny „alveolizované“, tudíž participují na výměně
plynů)
• 3 generace větvení respiračních bronchiolů a násl. cca 8 generací větvení
alveolárních duktů
• každý plicní lalůček (= anatomická jednotka) obsahuje 10 – 30 acinů
Lalůček (= morfologická jednotka, 3 – 5 acinů) vs. acinus (= funkční jednotka)
Vývoj plic u člověka (od prenatálního období do dospělosti)
20‐tinásobné zvýšení plochy pro výměnu plynů
(Kajekar R. 2007. Environmental factors and developmental outcomes in the lung. Pharmacol Therap 114:129–145)
Výměna plynů v plicích jako hlavní funkce dýchacího systému
• Alveolární ventilace (VA = VT – VD)
– v klidu je rovnováha mezi konstantní rychlostí tvorby oxidu uhličitého v těle a rychlost
difúze v plicích
• zatímco vzduch proudí v kondukčním pásmu dýchacích cest (horní i dolní dýchací cesty tvořící
mrtvý prostor) a typ toku se liší mezi turbulentním / přechodným / laminárním (v závislosti na
Reynoldsově čísle - viz jinde), v alveolech se plyn pohybuje výhradně difuzí
– produkce CO2 může být sice snížena ochlazením těla
– a naopak zvýšena CO2 cvičením nebo patologií
– nicméně PACO2 je víceméně konstantní (nebo kolísá velmi málo)
– všechen CO2 v alveolu pochází z oblastí plic podílejících se na výměně a protože CO2
podléhá prakticky kompletní difúzi (nezastaví jej žádná biologická bariéra), je PACO2
ekvivalentní Pa CO2
• (1) Rovnice alveolární ventilace
• popisuje efektivitu ventilace („mechaniky“), protože CO2 se vždy dostane až
do alveolu, ale odsud musí být vydýchán
• dává odpověď na otázku je alveolární ventilace dostatečná? k udržení
fyziologických hodnot krevních plynů
• umožňuje vypočítat alveolární ventilační rychlost
– V'A = (V'CO2 /PaCO2 ) * K = 4,2 L/min
– takže alveolární ventilace je přímo úměrná rychlosti s jakou je CO2 vydýcháván (V'CO2)
a nepřímo úměrná koncentraci v krvi (PaCO2)
• velmi instruktivní pro pochopení vlivu změn alveolární ventilace na parciální tlak CO2
– např. jestliže se V'A zdvojnásobí (např. volní hyperventilací), pak se PaCO2 sníží na polovinu
– naopak, jestliže se alveolární ventilace (V'A) sníží na polovinu (např. hypoventilací), pak se PaCO2
zdvojnásobí
V alveolech se plyn pohybuje výhradně difuzí
• mezi inspiriem a expiriem existují minimální změny
– během dýchání (dovnitř a ven) se zcela nevyměňuje „zatuchlý“ vzduch v
plicích
– ve skutečnosti většina objemu vzduchu zůstává v plicích a každý dech pouze
„ředí“ čerstvým vzduchem stávající (FRC)
• v klidu, s typickým klidovým objemem (VT) kolem 500 ml se 150 ml
ztrácí/setrvá v mrtvém prostoru (VD) a zbývajících 350 ml se smíchá
do mnohem většího objemu 3000 ml stávajícího FRC (VA = VT – VD)
– takže to není cyklická proces vdech - výměna plynů - a výdech ale kontinuální
děj „ředění“ existující směsi plynů v plicích
Výměna plynů v plicích jako hlavní funkce dýchacího systému
• (2) Rovnice alveolárních plynů
• popisuje vzájemnou závislost alveolárních plynů a
odvozuje PAO2
– demonstruje, že koncentrace plynů v alveolu a
jejich dynamika je vzájemně propojena
– PAO2 = (0,21 x (760 - 47)) - (PaCO2 x 1,25) = 100
mmHg
• v podstatě dva plyny soutěží o parciální tlaky
– pokud se jeden zvyšuje, druhý musí snížit
• dusík se nemění, není metabolicky aktivní, tudíž se
ekvilibruje s prostředím a s výjimkou rychlých změn atm.
tlaku (viz potápění a dekomprese) nehraje roli
• ředí ve směsi kyslík tak, že není dlouhodobě toxický
• nicméně přispívá k výsledné viskozitě dýchaného
vzduchu a někdy je vhodné jej nahradit (např. při
inhalační anestezii) jiným plynem umožňujícím lepší
proudění a distribuci (např. He)
– totéž při dýchání za velkých tlaků – přístrojové potápění
• normálně je PaCO2 ve smíšené žilní krvi (tj. v plicní
tepně) stejný jako alveolu (cca 45 mmHg)
• pokud PaCO2 zdvojnásobí (např. hypoventilace),
pak PAO2 klesne na polovinu, tj. cca 50 mmHg
„KYSLÍKOVÁ KASKÁDA“ V ORGANIZMU
Co dýcháme?
Využití kyslíku v těle
• neexistují žádné významné zásoby O2 v těle
– dostupný kyslík vydrží po dobu 5min
• proto dýchání musí být kontinuální proces
• narušení znamená
– život ohrožující náhlou situaci (<5min)
• reversibilní ztráta zraku za 7s
• bezvědomí za  10s
– klinická smrt (5 – 7min), příp. mozková smrt
– smrt organizmu (>10min)
• 85 – 90% O2 je použito v aerobním metabolismu za produkci a
spotřeby ATP
– udržení iontových gradientů
– svalová kontrakce a relaxace
– chemické syntetické reakce
• zbývající procesy jsou méně citlivé na PaO2
– hydroxylace steroidů
– detoxikace xenobiotik v játrech
– syntéza NO (vazodilatace)
– degradace hemu hemoxygenázou
Transport kyslíku krví
• zatímco CO2 lze považovat za jednoduchý roztok v plazmě
– přičemž přenášený objem je úměrný jeho parciálnímu tlaku (fyzikálně
rozpuštěný)
• O2 je přenášen v chemické kombinaci s hemoglobinem v
červených krvinkách a vztah mezi přenášeným objemem a
parciálním tlakem (fyzikálně rozpuštěná frakce) není lineární
– při fyziologickém PaO2 (90mmHg/12kPa) a normální koncentraci
hemoglobinu je téměř 100% nasycení Hb,
– pokud je PaO2 alespoň 10kPa/60 mmHg, saturace se výrazně nesnižuje
• výhoda pro pobyt ve vysoké (ale ne extrémní) nadmořské výšce
– saturace Hb měřena pulzním oxymetrem
• O2 difunduje do tkání podle jejich požadavků (spotřeba v
mitochondriích pro adekvátní produkci ATP)
– O2 v tkáních musí být > 0.13kPa/1mmHg = kritické kyslíkové napětí
• organismus potřebuje hodně kyslíku:
– 250 ml/min  350 L/den v klidu
– mnohem více (10x) během cvičení
• celkové množství O2 v krvi
– [O2] = 1,39  [Hb]  % nasycení / 100 + 0,003  PO2 = 20,5 ml/dl
Posun disociační křivky Hb a efekt koncentrace [Hb]
Transport CO2 krví
• CO2 lze považovat za jednoduchý roztok
v plazmě
– přenášený objem je úměrný jeho
parciálnímu tlaku (fyzikálně rozpuštěný)
• rozpustnost CO2 je mnohem vyšší (20)
než v příladě O2, tudíž fyzikálně
rozpuštěný CO2 jako transportní forma
je podstatně významnější než u O2
„Kyslíková kaskáda“ – progresivní pokles dostupnosti kyslíku
• důvody pro normální postupné snižování PO2 mezi vzduchem a
krví:
– "kompetice" s CO2 v alveolech při daném atmosférickém tlaku
• viz rovnice alveolárních plynů
– méně než 100% difúze přes alveolo-kapilární membránu
• nepravidelnost její tloušťky a změny rychlost plicní perfuze
– viz dále difuzní & perfuzní omezení
– nižší rozpustnost O2 ve srovnání s CO2
– fyziologický pravo-levý zkrat
• míchání okysličené a neokysličené krve
– viz nutriční kr. zásobení velkých dýchacích cest prostřednictvím aa. bronchiales a
jejich částečná drenáž do v. pulmonalis
– drenáž vv. cordis minimae (Thebesii) do levé síně a dalších dutin
– fyziologická ventilačně-perfuzní nerovnováha (viz dále)
– fyziologicky malý zlomek abnormálních Hb
• Met-Hb
• COHb
– variabilní extrakce kyslíku tkáněmi
• patologické zhoršení těchto efektů přispívá k většímu poklesu
kyslíkového gradientu a může způsobit hypoxii
– hypox(em)ická
– anemická
– cirkulační
– histotoxická
Hypoxie a její efekt na regulaci genové transkripce
• efekt hypoxie ve smyslu funkční
adaptace tkáně je částečně způsobena
její schopností vyvolat změny v genové
transkripci
• regulace exprese široké škály genů
zapojených do hypoxických adaptací je
do značné míry způsobena aktivací
transkripčního faktoru citlivého na
hypoxii
– hypoxií-indukovatelného faktoru 1 (HIF-1)
• HIF-1 je heterodimer
• hladiny HIF-1 alfa a HIF-1 beta v závislosti na
dostupnosti kyslíku v dané tkáni/buňce přímo
regulují expresi genů s HIF-1 responzivním
elementem v promotoru způsobem závislým
na dávce
„Kyslíková kaskáda“ - shrnuto
Kvantitativně
• (1) inhalovaný atmosférický vzduch
– 21% O2, 0.03% CO2, 78% N2, vodní páry 0.6% a další minoritní plyny (argon,
helium, ..)
• atm. tlak 760 mmHg (101 kPa)
• PO2: 0.21 x 760 = 160 mmHg
• analogicky PCO2 = 0.3mmHg
• (2) alveolární vzduch (směs inhalovaného vzduchu a organizmem
vytvořeného CO2)
– PAO2 = 100mmHg (13.3kPa), PACO2 = 40 mmHg (5.3kPa), Pv. páry = 47 mmHg
• PAO2 v alveolu trochu nižší než v atmosférickém vzduchu kvůli vyšší PACO2
difundujícím z krve
• (3) arteriální krev
– PaO2 = 90mmHg (12kPa), PaCO2 = 45 mmHg
• difuze kyslíku má limitace (<100%) a rovněž v důsledku P-L fyziol. zkratu
• (4) venózní krev
– PvO2 = 30 CO2 - 50mmHg
vzduch (P) alveolus (PA) arterie (Pa) véna (Pv)
O2 21kPa/150mmHg 13.3 kPa/100mmHg 12kPa/90mmHg 5.3kPa/40mmHg
CO2 0.03kPa/0.3mmHg 5.3kPa/40mmHg 5.3kPa/40mmHg 6.0kPa/45mmHg
PŘÍČINY HYPOXEMIE (TJ. RESPIRAČNÍ INSUFICIENCE /
SELHÁNÍ)
Hypoxemie ( PaO2) – klasifikace příčin
• (1) Hypoventilace ( V'A)
–  PaO2 kvůli  PAO2 při normálním atmosférickém tlaku
a normální FiO2
• (2) Porucha difuze
– (a) snížení tlak. gradientu
•  atmosférický tlak
– např. u plicní edém u akutní horské nemoci
»  PaO2 kvůli  PAO2 kvůli  atm. P při normálním FiO2
•  FiO2 ve vdechované směsi plynů
– uzavřený prostor
– (b) zkrácení času v kapiláře
– (c) ztluštění alveolo-kapilární bariéry
•  PaO2 při normálním PAO2 a atm. P a normálním FiO2 (= zvýšený P(A-a)O2)
• (3) pravolevý (R-L) zkrat
– patol. komunikace mezi srd. dutinami
•  PaO2 při normálním PAO2 a atm. P a normálním FiO2 (= zvýšený P(A-a)O2)
• (4) Ventilačně – perfuzní nerovnováha
– naprosto nejběžnější příčina (viz dále)
•  PaO2 při variabilním PAO2 a normálním atm. P a FiO2
(1) Hypoventilace jako příčina hypoxemie
(vede k  PaO2 + hyperkapnii. tj.  PaCO2)
• normálně je PaCO2 ve smíšené žilní krvi (tj. plicní arterie) 40
mmHg a téměř stejná hodnota je v alveolu (40 mmHg)
• jestliže se PaCO2 zvýší (např. zdvojnásobí) v důsledku
hypoventilace (tj. VA např. na polovinu – viz rovnice alveolární
ventilace) pak PAO2 klesne (např. na polovinu – viz rovnice
alveolárních plynů)
– fakticky je pokles PaO2 větší než nárůst PaCO2 protože RQ = 0.8
• můžeme při hypoventilaci normalizovat PAO2?
– s využitím rovnice alveolárních plynů lze vypočítat jaké inspirační frakce
kyslíku povede k návratu hodnot PaO2 k normálu
• PAO2 100mmHg = (FiO2 ?? x (760 - 47)) - (PaCO2 80mmHg x 1.25) = 0.28, tj. 28%
• příklady „čisté“ hypoventilace – typicky extra-pulmonární
– porucha/útlum dechového centra v CNS
• kongenitální, předávkování tlumivými léky a intoxikace, trauma CNS, metabolická
alkalóza, encefalitidy, …
– neuromuskulární
• myasthenia gravis, ALS, svalové dystrofie, cervikální spinální/míšní poškození, …
– hrudní stěna
• deformity, úrazy, obezita, …
(2) Porucha difuze jako příčina hypoxemie
( PaO2 + normokapnie)
• patologicky připadají v úvahu dvě
situace
– (1) zkrácení času, po kterou krev setrvá
v kapiláře (dané délky)
– kyslík je „perfusion-limited“
• zrychlením průtoku nebo omezením
průtoku částí řečiště se zkrátí čas
– extrémní fyzická námaha
– blokáda části plicního řečiště (např. plic.
embolie)
– hyperkinetická cirkulace
– levo-pravý zkrat
– (2) ztluštění alveolo-kapilární bariéry
patologickým procesem
– akutně nebo chronicky
• PaO2 bývá typicky normál v klidu a
hypoxemie se objevuje při námaze
Fickův zákon/princip: V'gas = D * A * ΔP/T
• V'gas = rychlost difuze plynu přes
permeabilní membránu
• D = difuzní koeficient konkrétního
plynu pro danou membránu
• A = area/plocha povrchu
membrány dostupná k difuzi
• ΔP = rozdíl parciálních tlaků plynu
napříč membránou
• T = tloušťka membrány
Kyslík je za normálních okolností limitován perfuzí
Plyny nedifundují přes homogenní bariéru
Příklady nemocí vedoucích k omezení difuze
• kyslík může být za patologických okolností „diffusion-limited“
– nejprve při zátěži, teprve ve velmi pokročilých stádiích i při klidovém
dýchání
• difuzní intersticiální plicní nemoci
– idiopatická plicní fibróza
– plicní postižení asociované s autoimunitními nemocemi
• např. revmatická artritida, sclerodermie, …
– sarkoidóza
– léky indukované
– hypersensitivní pneumonitida
– pneumokoniózy
• v důsledku inhalace látek/částic pronikajících až k parenchymu a iniciujících
fibrotizaci a jizvení, např.
• silikóza (způsobené prachem s obsahem volného krystalického oxidu
křemičitého)
• azbestóza (způsobené prachem azbestu)
• „hornické plíce“
• manifestují se typicky námahovou dušností, suchým kašlem a
paličkovitými prsty
– rozšíření koncových článků prstů na rukou nebo na nohou zřejmě v
důsledku otevření cévních spojek mezi tepenným a venózním řečištěm na
základě dlouhodobé tkáňové hypoxie
• typicky při chronických plicních nebo kardiovaskulárních nemocech
• difuzní porucha se zpravidla kombinuje VA/Q nepoměrem, protože
fibrotizace zasahuje i stěny dých. cest a cév
Idiopatická plicní fibróza (IPF)
• onemocnění související s věkem, přičemž převážná
většina jedinců je diagnostikována ve věku >60 let
• střední doba přežití 3-5 let po diagnóze
• patogeneze IPF není plně objasněna
– současná hypotéza je, že subklinické alveolární
epiteliální poškození (v kombinaci z věkově
podmíněnými změnami) epiteliálních buněk u
geneticky citlivých jedinců vede k aberantnímu
hojení, sekreci růstových faktorů, cytokinů a
chemokinů, akumulaci fibroblastů a jejich
diferenciaci do myofibroblastů a ukládání
extracelulární matrice (ECM)
– příklady genů zodpovědných za predispozici
• surfaktantový protein (SP)-C
• mucin 5B
• další geny podílející se na buněčné adhezi, integritě a
mechanotransdukci
Proposed pathophysiological features of IPF: Recurrent epithelial cell injury in genetically susceptible individuals causes
senescence of epithelial cells and epithelial mesenchymal transition (EMT), releasing profibrogenic mediators induces
fibrocytes/fibroblasts migration and differentiation into profibrotic macrophages/myofibroblasts, resulting in aberrant
matrix deposition with destructing lung architecture. SNP: single nucleotide polymorphism; TGF: transforming growth factor;
HGF: hepatocyte growth factor; PGE2: prostaglandin E2; FGF-1: fibroblast growth factor-1; FGF-2: fibroblast growth factor-2;
CTGF: connective tissue growth factor; PDGF: platelet-derived growth factor; VEGF: vascular endothelial growth factor;
MMP: matrix metalloproteinases; TIMP: tissue inhibitors of metalloproteinases.
(3) Pravolevý zkrat jako příčina hypoxemie
( PaO2 + normokapnie + velký A-a gradient)
• frakce srdečního výdeje, která obchází normální cirkulaci
– neokysličená krev z pravostranných srdečních oddílů se dostává
do levostranných a obchází respirační pásmo dýchacích cest
– fyziologicky toto nastává v nutriční bronchiální cirkulaci a v
důsledku drenáže vv. cordis minimae (Thebesii) do levé síně a
dalších dutin
• Anatomické příčiny R-L zkratu
– intra-pulmonální
• pulmonální arterio-venózní malformace
– extra-pulmonální
– pravolevé nitro- a mimo-srdeční zkraty
• defekty septa síní či komor (ASD, VSD)
• otevřený ductus arteriosus (PDA)
• Patologické „funkční“ příčiny podporující R-L zkratování
– neventilované alveoly
– tekutina v alveolech
• Hypoxemie způsobená R-L zkratem typicky nereaguje
nebo jen minimálně na oxygenoterapii
(4) Ventilačně-perfuzní nerovnováha jako příčina hypoxemie
( PaO2 + hyperkapnie)
• Alveolární složení vzduchu
– parciální tlaky kyslíku a oxidu uhličitého v dané
alveolární jednotce jsou do značné míry určeny
relativní rychlostí ventilace a perfuze tohoto alveolu
• Ventilačně-perfuzní nerovnováha je zdaleka
nejčastější příčinou arteriální hypoxemie
• Pro efektivní výměnu plynu je důležité, aby byl co
nejlepší poměr mezi alveolární ventilací (VA) a jejich
perfuzí (Q)
– v ideálním alveolu VA /Q ratio = 1, ale …!
• V'A/Q' poměr není ani v alveolech zdravých plic
uniformní
– důsledkem gravitace/hydrostatického tlaku existuje
vertikální gradient distribuce krve i vzduchu v plíci
– jak za vzpřímeného postoje (a sedu) tak vleže
• ačkoliv platí jako pro distribuci krve tak vzduchu, že je
nejnižší v apexech plic a nejvyšší při bázích plic, rozdíl je
větší u krve než pro vzduch
Vztah mezi ventilací a perfuzí ve zdravé plíci
• Variabilita VA/Q poměru vede k jisté míře
nepoměru oběma směry, tj. ku
– fyziologickému „mrtvému prostoru“ v
apexech plíce (max. VA/Q = 3.3)
– fyziologickému „zkratu“ při bázích plic (min.
VA/Q = 0.7)
•  PAO2,  PACO2 and  pH
• Krev z různých zón se míchá, nicméně
vzhledem k distribuci perfuze směrem k bázím
plic je efekt VA/Q nepoměru z oblastí blíže
bázím plic největší
– alveoly s nižším VA/Q (směrem k plicním bázím
s většinou perfuze) ovlivňují arteriální PaO2
více (PaO2 97 mmHg)
– ALE protože ventilace se tak významně neliší
mezi zónami plic, je PO2 vydechovaného
alveolárního vzduchu 100 mmHg!!!
Plicní nemoci/stavy vedoucí k VA/Q nepoměru
• celá řada nemocí/stavů vede k VA/Q nepoměru s převahou patologie v
jednom či druhém směru
•  VA/Q ( mrtvý prostor)
– např. plicní embolie, onemocnění stěny cév, částečně emfyzém
– důsledek  VA/Q může být většinou alespoň částečně normalizován kompenzatorní
hyperventilací normálně perfundovaných alveolů
– alveolární hyperventilace redukuje alveolární PCO2 a díky intenzivní difuzi CO2 se
snižuje obsah oxidu uhličitého v krvi (hypokapnie)
•  VA/Q ( plicní zkrat)
– CHOPN s převahou chron. bronchitidy, astma, kolaps plíce nebo atelektáza, částečně
emfyzém, …
– důsledek  VA/Q nemůže být efektivně kompenzován hyperventilací a dochází
vzestupu alveolárního a arteriálního PCO2 (hyperkapnie) samozřejmě společně s
hypoxemií
– nízký alveolární PO2 vede k vasokonstrikčnímu reflexu
Hypoxická plicní vazokonstrikce (HPV)
• fyziologický fenomén při němž se malé plicní arterie (arterioly) kontrahují
vlivem alveolární hypoxie ( PAO2)
– což nastává při „čisté“ hypoventilaci z mimo plicních příčin a při  VA/Q poměru
• typicky u obstrukčních nemocí typu CHOPN s převahou chron. bronchitidy a astmatu
• mimoplicní důvody hypoventilace mohou být přechodné a oxygenoterapií či mechanickou
podporou ventilace lze rychle stav normalizovat
•  VA/Q poměr rezistentní ke kompenzatorní hyperventilaci – větší ventilace dobře
ventilovaných alveolů nemá smysl, krev je už tak plně saturována (viz vazebná/disociační
křivka hemoglobinu)
• HPV je jakousi optimalizací  VA/Q specifickou pro plicní cirkulaci
• všude jinde hypoxie vede k dilataci
– cévy přiléhající hypoventilovaným alveolům se kontrahují a takto se divertuje krev
do lépe ventilovaných oblastí plic (pokud takové existují – viz chron. bronchitida) s
cílem zvýšit VA/Q poměr a systémovou dodávku kyslíku
• primární smysl HPV je asi ve fetální cirkulaci
– HPV udržuje perfuzi mimo in utero neventilovanou plíci a směruje ji do
levostranných srd. oddílů a systémové cirkulace
• avšak dlouhodobě vazokonstrikce zvyšuje afterload pro pravé srdce a vyvíjí se
plicní hypertenze a cor pulmonale (viz poruchy plicní perfuze)
• mechanismus HPV
– v odpovědi na alveolární hypoxii se v mitochondriích dynamicky mění produkce ROS
(reactive oxygen species) a s tím spřažená redoxní aktivace hladkých svalových bb.
ve stěně plicních cév
– dochází k inhibici K+ kanálů, depolarizaci hl. sv. bb., aktivaci napěťově řízených Ca++
kanálů a zvýšení intracel. kalcia, což vede k vazokonstrikci
– trvalejší hypoxie aktivuje rho kinázu, zesiluje vazokonstrikci a stimulací hypoxiainducible
factor (HIF)-1α vede cévní remodelace v plicním řečišti
– konstrikce prekapilárních sfinkterů arteriol a hypertrofie jejich cévní stěny se projeví
plicní hypertenzí (prekapilární) a následně remodelace pravého srdce (koncentrická
hypertrofie) – cor pulmonale
Mechanismus HPV The current model of the
cellular mechanism of hypoxic
pulmonary vasoconstriction in
a rat pulmonary artery (PA).
Relevant ion channels are
displayed. Under normoxia,
the membrane potential of
the smooth muscle of the PA
is held at approximately −50
mV because of the TASK-like
background current of a K +
channel. Hypoxic conditions
initially decrease TASK activity.
When combined with TXA 2 ,
activation of NSC induces
membrane depolarization up
to the threshold voltage for
activation of K v channels
(Step 1). In addition to the
NSC activation, hypoxic
inhibition of the K v current
further depolarizes the
membrane potential (Step 2).
As the membrane potential
depolarizes above −40 mV, the
activation of VOCC L
eventually allows for Ca 2+
influx for contraction of
smooth muscles. K v , voltagegated
K + channel; NSC,
nonselective cation channel;
TASK-1, background-type K +
channel with a two-pore
domain (K2P); TXA 2 ,
thromboxane A 2 ; VOCC L ,
voltage-gated L-type Ca 2+
channels.
Příklady ventilačně – perfuzních (ne)poměrů
VA and Q measured with the multiple inert gas infusion technique. [Left] healthy subject,
[Middle] COPD type A (i.e. emphysema), [Right] COPD type B (i.e. chronic bronchitis).
Dif. dg. hypoxemie
Arteriální hypoxemie refrakterní k zvýšení inspirační frakce O2
KONTROLA RESPIRACE & JEJÍ
PORUCHY
Kontrola respirace
• centrální chemoreceptory v medulla
oblongata
• periferní chemoreceptory v oblouku
aorty a glomus caroticum (via n.
glossopharyngeus a n. vagus)
– aktivní při PaO2 (<10kPa)
– k jejich aktivaci ale přispívá významně
také hyperkapnie
• plicní mechanoreceptory
Centrální chemoreceptory
• sensitivní ke PaCO2 (a násl. tvorbě H+ v cerebrospinálním
moku)
• H+ neprostupuje hematoencefalickou bariérou a tudíž
odpověď na primárně metabolickou acidózu je opožděná
– vzestup [H+] při metabolické acidóze (např. diabetická
ketoacidóza) vede ke zvýšení ventilace (pomalé ale hluboké
dýchání Kussmaulovo) a násl. poklesu PaCO2
• významně se uplatňují také periferní chemoreceptory
• velmi pohotová reakce na akutní nebo intermitentní
hyperkapnii
• při chronické hyperkapnii se reakce snižuje, protože dochází
ke kompenzatornímu HCO3- v cerebrospinální tekutině a
tedy „pufrování“
– problém u COPD
• pacienti s chron. bronchitidou se „adaptují“ na hyperkapnii a
hyperventilace ustupuje
• v této fázi se stává hypoxemie hnací silou respirace
• a tím pádem musí být velká obezřetnost při oxygenoterapii, protože
zvýšení PaO2 může snížit respirační úsilí a dále zvýšit PaCO2
– se všemi důsledky pro ABR
Periferní chemoreceptory – „kyslíkové senzory“
• Glomus caroticus a aortální tělíska jsou senzitivní ke
změnám PaO2 a změnám pH
– pokles O2 v těchto buňkách vede k uzávěru K+ kanálů 
depolarizace   intracelulárního Ca2+  excitace 
aktivace respiračního centra
• Pokud není hypoxemie provázena hyperkapnií, aktivace
těchto senzorů nastává při PaO27,3 kPa (55 mmHg)
Respirační stimuly
• koordinované periodické
respirační pohyby jsou
výsledkem rytmické aktivace
ve vzájemně propojených
neuronech mozkového
kmene (medulla oblongata)
tvořících respirační centrum
– cestou n. frenicus a
interkostálních nervů
inervujících dýchací svaly (jak
hlavní tak pomocné)
Respirační centra
• (1) Medulla oblongata – řídí klidovou respiraci a rovněž
usilovné dýchání
– respirační centrum je tvořeno několika skupinami neuronů:
• základní automatický rytmus dýchání je determinován aktivitou
Dorzální Respirační skupiny ( Group) neuronů (DRG)
– inspirační neurony – eferentní impulsy jdou k bránici interkostálním
svalům
– DRG také získává aferentní podněty z periferních chemoreceptorů a
některých plicních receptorů
• Ventrální skupina (Group) neuronů (VRG) obsahuje inspirační i
exspirační neurony, které jsou neaktivní při normální ventilaci
– až zvýšená ventilace vede k jejich aktivaci
• (2) Pons – dvě centra (pneumotaktické a apneustické),
která mohou modulovat hloubku ventilace a její
frekvenci
– apneustické centrum - podporuje inspiraci aktivitou
inspiračních neuronů
– pneumotaxic centrum – antagonizuje apneustické centrum a
inhibuje inspiraci
• (3) Ventilace může být modulována rovněž kortexem,
limbickým systémem a hypothalamem (emoce a nemoci)
Respirační centra
• Respiratory centre is formed by several groups of neurons:
– The basic automatic rhytm of respiration is due to activity of Dorsal
Respiratory Group (DRG) — inspiration neurons – efferent impulses go
to diaphragma and inspiration intercostal muscles
• DRG also obtain afferent stimuli from the peripheral chemoreceptors and
several pulmonary receptors
– Ventral Respiratory Group (VRG) contains both inspiration and
expiration neurons
• inactive during to normal ventilation, increased ventilation leads to their
activation
• Medulla
– quiet inspiration
– —effort inspiration and forced expiration
• Pons - Pneumotaxic and apneustic centres can modulate depth
of ventilation and its frequency
– Apneustic centre:
• supports inspiration by the activity of inspiration neurons
– Pneumotaxic centre:
• antagonises apneustic centre
• inhibition of inspiration
• Ventilation can be modulate by cortex, limbic systém and
hypothalamus (emotions and diseases).
Apnoe a periodické dýchání
• apnoe = zástava dýchání na určitou dobu
– dýchací svaly se nepohybují, vzduch neproudí, plicní objemy zůstávají stabilní
– nicméně v respiračním pásmu nadále dochází k výměně plynů a rovněž buněčná
respirace probíhá
• periodické dýchání = klastry dechů (min. 20s) přerušované intervaly
apnoe (min. 3s)
• příčiny/klasifikace
– volně dosažení u trénovaných osob
• free diving, až 4 minuty
– lékově navozená nebo důsledek neurologického onemocnění nebo traumatu
• Biotovo dýchání
– při meningitidě, encefalitidě nebo otravě alkaloidy či opiáty
– spánková apnoe
• centrální apnoické syndromy resp. periodické dýchání
– idiopatické
– Cheyne-Stokesovo dýchání
» pacienti se srdečním selháním (zejm. HFrEF)
» patofyziologie komplikované (kombinovaný důsledek zvýšeného nitrohrudního tlaku
při plicní kongesci a dilataci LA), útlumu dech. centra déledobou hyperkapní aj.)
– „high altitude-induced periodic breathing“
– nezralí novorozenci - častá příčina náhlých úmrtí ve spánku (Sudden Infant Death Syndrome
(SIDS) neboli „cot death“)
• periferní obstrukční
– mechanicky navozená – viz dále OSA
Obstrukční spánková apnoe (OSA)
46
• periodický kolaps a obstrukce dýchacích cest během spánku
– dýchání se typicky zastavuje na několik sekund (apnea 10 - 60s)
– s různou periodicitou - může se objevit až 30 – 60-krát za hodinu
– normální dýchání se obnovuje typicky s hlasitým zalapáním po dechu, které imituje chrápání nebo dušení
– postihuje cca 4% lidí středního věku
• během apnoe se hluboký spánek mění na lehký
– objektivní důsledky: denní ospalost, ranní bolesti hlavy, poruchy paměti, změny nálady, hypertenze
• OSA typicky nediagnostikována, i když dnes již větší povědomí díky „spánkové medicíně“
• dispozice:
– krátký krk, anatomie ústní dutiny, tvar čelisti, nadváha/obezita!!
• rizika spojená s OSA jako následek intermitentní hypoxie a násl. desaturace Hb (až k 50%)
– změny neuronů hipokampu a frontálního kortexu
– hypertenze a příp. CAD
– diabetes typu 2
– deprese
– zvýšená nehodovost
47