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 O 2 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 C 3 -C 5 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 Th 1 - Th 11 (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 = poddajnost dv = změna objemu dp = změna tlaku dv (1) C = dp( kpa)
Pro smrštivost platí převrácený vztah: E = smrštivost dp( kpa) E = dv (1) 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 = distenzní tlak T = povrchové napětí r = poloměr P = 2T r 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 beta 2 -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, SO 2, 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 dp dv práce = 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 3-5% 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, V T ): je objem vzduchu vdechnutého nebo vydechnutého jedním dechem. Klidový V T 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 (V ex ). Porovnáním frakce dusíku (F N2 ) 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,78 ( 0 = RV + V ex 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 (FEV 1sec ), (vyjadřuje se v procentech FVC) a střední výdechová rychlost za 1 sec (FMF 1sec nebo MEF 1sec ). Ze spirografického záznamu lze dále stanovit: dechovou frekvenci (df), minutovou ventilaci ( V = VT df ), maximální minutovou ventilaci (V max ) 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 (V max ), 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.
V A = df (V T -V D ) V A = minutová alveolární ventilace V T = dechový objem V D = mrtvý prostor dýchací V A = 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 V A vyplývá z následujícího porovnání (tab. 1). V T (ml) df V(l/min) V A (l/min) A 500 12 6 4,2 B 150 40 6 0 C 1 000 6 6 5,1 Tab. 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 po 2 pco 2 pn 2 101 x 0,21 = 21 kpa 101 x 0,0004 = 0,04 kpa 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). O 2 C0 2 N 2 H 2 O atmosférický vzduch(kpa) 21 0,04 79 0,6 alveolární vzduch (kpa) 13,5 5,3 76 6,3 Tab. 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 po 2 a pco 2 v alveolárním vzduchu označujeme jako normoxii a normokapnii. Zvýšení hodnot po 2 a pco 2 v alveolárním vzduchu označujeme jako hyperoxii a hyperkapnii, snížení těchto hodnot jako hypoxii a hypokapnii.k podstatnějším změnám po 2 a pco 2 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 pco 2 ) 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 pco 2 v alveolárním vzduchu zvyšují, mluvíme o hypoventilaci, doprovázené hyperkapnií. Zvýšení pco 2 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 po 2 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 po 2. 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 po 2 v alveolech vždy vyšší než na začátku plicních kapilár, a proto molekuly kyslíku pronikají z alveolů do kapilární krve. PO 2 v krvi odtékající z plicních vén do levé síně není zcela vyrovnán s po 2 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). PCO 2 ve smíšené venosní krvi přitékající do plicních kapilár je vždy vyšší než pco 2 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; pco 2 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 m 2. 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 (minutová alveolární ventilace) Q (minutový průtok plicními kapilárami) = 4,2 l/min = 0,8 5,3 l/min Klesá-li ventilace alveolů při dobré perfúzi, je tento poměr < 0,8. Za této situace klesá po 2 v alveolárním vzduchu a stoupá pco 2. 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 po 2 v alveolárním vzduchu a po 2 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 α 2, β 2 ). Železo hemu váže kyslík, přičemž zůstává dvojmocné (oxygenace). 1 molekula hemoglobinu tak váže 4 molekuly kyslíku. Při vazbě kyslíku na hemoglobin se uplatňuje tzv.