Created by Jiří Kofránek
Respirační aparát zprostředkovává nepřímý kontakt vnitřního prostředí organismu s atmosférickým vzduchem. Sestává z dýchacích cest, plic, plicní cirkulace, svalového a mechanického aparátu zajišťujícího plicní ventilaci a z řídicího centra nervového systému včetně systému specifických receptorů. Činnost respiračního aparátu je zahájena prvním nadechnutím po porodu. Nepřetržitě potom uskutečňuje výměnu kyslíku a oxidu uhličitého mezi zevním a vnitřním prostředím organismu. Poruchy respiračního aparátu jsou proto významným zdrojem lidské morbidity a mortality.
Respirační aparát mění parciální tlak kyslíku a oxidu uhličitého v krvi při jejím průtoku plícemi (obr. 3.1). Při průchodu krve plicními kapilárami se do ní „přenese“ hodnota parciálního tlaku kyslíku a oxidu uhličitého, která je v plicních alveolech (obr. 3.2). Tato změna parciálních tlaků je automaticky spojena se změnou v množství těchto plynů v krvi2. Při průchodu plícemi se normálně z jednoho litru krve odstraní asi 40 ml CO2 a přijme asi 50 ml O2 (obr. 3.1).
!!!obr. 3.1. a 3.2.!!!
Hlavní funkcí respiračního aparátu je proto dosažení a udržování „správných“ hodnot parciálních tlaků krevních plynů v alveolárním vzduchu (pAO2 a pACO2) v jednotlivých částech plic. Respirační aparát toto zajišťuje prakticky nepřerušovaně během celého postnatálního života, včetně těch období, kdy je použit k tvorbě hlasu nebo ke zpěvu4. Pro vyrovnání parciálních tlaků dýchacích plynů mezi alveoly a krví je nezbytné, aby se veškerá krev, která plícemi protéká, dostala do nepřímého kontaktu s alveolárním vzduchem na alveolo-kapilární membráně, a to po dobu dostatečnou pro úplné vyrovnání parciálních tlaků O2 a CO2 mezi alveolárním vzduchem a krví.
Pro dosažení a udržování správných hodnot pAO2 a pACO2 má klíčový význam plicní alveolární ventilace (VA). Ta je částí celkové plicní ventilace (V), tj. ventilace plicních alveolů a dýchacích cest. Aktuálnímu stavu organismu přiměřená alveolární ventilace, je proto další důležitou funkcí respiračního aparátu. Plicní ventilace je výsledkem změn nitrohrudního tlaku vůči tlaku atmosférickému. Tyto změny vyvolávají dýchací svaly a mechanické vlastností plic a hrudníku. Změny musí být takové, aby zajistily výměnu dostatečných objemů vzduchu, tj. aby bylo dosaženo dostatečného dechového objemu (VT), ale současně nebyla poškozována jemná plicní tkáň. Nitrohrudní tlak nesmí nadměrně interferovat se žilním návratem a diastolickým plněním srdce. V neposlední řadě jde i o to, aby dechová práce vynaložená na plicní ventilaci nebyla nadměrně energeticky náročná. I toto je důležité, protože spolu s činností srdečního svalu je aktivita dýchacích svalů neustálou svalovou činností během celého života.
Plíce jsou jediným orgánem, jehož mikrocirkulací protéká při každém oběhu veškerá krev vypuzovaná srdcem (Q = 5–25 l/min). Průtok krve plícemi se uskutečňuje při nízkém krevním tlaku. Plicní cévní řečiště proto musí klást průtoku krve malý odpor a tento odpor se musí ještě dále významně snížit při zvýšeném průtoku krve. Důležité je také to, aby krev protékala těmi oblastmi plic, kde je dostatečně vysoký parciální tlak kyslíku a nízký tlak oxidu uhličitého v alveolech.
Průměrná tloušťka tkáně, která odděluje vzduch a krev v plicích, tj. alveolo-kapilární membrána, je menší než 2 μm (pro srovnání, průměr erytrocytu je 7,2 μm). Vedle této malé tloušt´ky musí být celkový plocha aleolo-kapilární membrány dostatečně veliká, aby přes ni bylo přeneseno potřebné množství kyslíku (250–3500 ml/min) a oxidu uhličitého (200–2800 ml/min, při respiračním kvocientu 0,8).
Nerespirační funkce plic zahrnují některé metabolické funkce, např. přeměnu katecholaminů a serotoninu monoamino-oxidázou. Dýchací cesty a plíce musí také poskytovat organismu ochranu před vniknutím infekce a cizorodých dráždivých látek aerogenní cestou. Slouží tomu funkce epitelu dýchacích cest, imunitní systém spojený s respiračním traktem a obranné dýchací reflexy. Mezilidská komunikace hlasem a zpěvem závisí na plicní ventilaci.
2Parciální tlaky kyslíku a oxidu uhličitého v alveolárním vzduchu jsou dostačující k tomu, aby se hemoglobin plně saturoval kyslíkem (při paO2 13,3 kPa je SaO2 = 100 %) a množství CO2 rozpuštěného v krvi (tj. koncentrace H2CO3-) odpovídalo pH = 7,4.
4Mezilidská komunikace řečí nebo zpěvem jsou činnosti, která závisejí na respiračním aparátu. Patří mezi jeho „nerespirační funkce“. Řeč a zpěv přitom interferují s udržováním homeostázy krevních plynů.
Obr. 3.1 Změna parciálních tlaků krevních plynů v krvi po jejím průchodu plícemi. Vyznačena je také změna obsahu kyslíku v krvi (při 150 g hemoglobinu/litr), která je důsledkem změny parciálního tlaku kyslíku a oxidu uhličitého
Obr. 3.2 Vyrovnání parciálního tlaku kyslíku mezi alveolárním vzduchem a krví protékající stěnou alveolu: A – při dýchání vzduchu, B – při dýchání čistého kyslíku (tučné hodnoty udávají paO2)
Respirační insuficience je stav nedostatečné výměny kyslíku a případně i oxidu uhličitého mezi organismem a zevním prostředím. Protože tato výměna závisí na změně parciálních tlaků kyslíku a oxidu uhličitého mezi smíšenou venózní krví a krví arteriální, jsou hlavními kritérii respirační insuficience hodnoty krevních plynů v arteriální krvi: snížení paO2 a eventuálně i zvýšení paCO2 (hyperkapnie). Zatímco je snížení paO2 (hypoxemie) konstantním znakem respirační insuficience, hyperkapnie nemusí být vyjádřena a paCO2 může být i snížený (hypokapnie). Protože je snížení paO2 provázeno snížením saturace hemoglobinu kyslíkem, je znakem respirační insuficience také pokles saturace hemoglobinu kyslíkem v arteriální krvi.
!!!začátek petitu!!!
Saturace hemoglobinu kyslíkem v arteriální krvi je méně citlivým ukazatelem respirační insuficience v porovnání s hodnotou paO2, a to zvláště při mírném stupni respirační insuficience. Protože však lze saturaci hemoglobinu kyslíkem v „arteriální krvi“ stanovit s dostatečnou přesností neinvazivně, metodou pulsní oximetrie, mají hodnoty saturace hemoglobinu kyslíkem praktický klinický význam v diagnostice a sledování stavů respirační insuficience.
!!!konec petitu!!!
Na základě přítomnosti buď výlučně hypoxémie, nebo kombinace hypoxémie a hyperkapnie, se stavy respirační insuficience rozdělují do dvou kategorií, označovaných jako:
* respirační insuficience I. typu (též hypoxemická nebo parciální), která je charakterizovaná hypoxémií a normálním nebo sníženým paCO2;
* respirační insuficience II. typu (hyperkapnická, též ventilační nebo globální), charakterizovaná současným výskytem hypoxémie a hyperkapnie (a tedy také kompenzované nebo nekompenzované respirační acidózy).
Snížení paO2 je základním znakem a problémem respirační insuficience. Je vždy přítomno, s výjimkou stavu označovaného někdy jako „latentní respirační insuficience“. To je označení pro poruchu funkce respiračního aparátu, při které v tělesném klidu není paO2 snížen, ale sníží se při fyzické námaze6.
Nízká hodnota paO2 způsobuje snížení saturace hemoglobinu kyslíkem a v důsledku toho významné snížení obsahu kyslíku v krvi. Klinickým příznakem může být cyanotické zbarvení kůže a sliznic, námahová či klidová dušnost aj.
!!!začátek petitu!!!
Funkční vztah mezi paO2 a saturací hemoglobinu kyslíkem v oblasti paO2 mezi normálními 13 kPa a 10 kPa je plochý. Následkem toho se saturace hemoglobinu kyslíkem při klesajícím paO2 zpočátku snižuje velmi málo. Klinicky významné stavy respirační insuficience se vyznačují hodnotami paO2 nižšími než 10 kPa. Tabulka 3.1 přiřazuje klesajícím hodnotám paO2 příslušné hodnoty saturace hemoglobinu kyslíkem a množství kyslíku v jednom litru krve za předpokladu, že koncentrace hemoglobinu v krvi je 150 g/l, a ukazuje dále velikost deficitu kyslíku.
!!!tab. 3.1.!!!
!!!konec petitu!!!
6U zdravého člověka ani velmi intenzivní fyzická námaha nezpůsobuje snížení paO2. Klasickým způsobem vyjádření tohoto vztahu je disociační křivka kyslíku.
Tab. 3.1 Saturace krve (hemoglobinu) kyslíkem a obsah kyslíku v arteriální krvi s koncentrací hemoglobinu 150 g/l při vybraných hodnotách paO2
.Základním principem, který určuje pO2 v krvi protékající plícemi, je ekvilibrace hodnot pO2 v alveolech a v krvi. Hypoxémii v krvi odtékající z plic (snížení paO2) způsobují tři možné mechanismy: snížení pO2 v alveolárním vzduchu pod jeho normální hodnotu 13,3 kPa, nedostatečná doba, po kterou je protékající krev v nepřímém kontaktu s alveolárním vzduchem vzhledem k aktuálním difuzním vlastnostem alveolo-kapilární membrány, nebo nepřítomnost vzduchu v části plic, kterou protéká krev. Existují tak čtyři možné mechanismy patologického snížení paO2 (snížení paO2 při pobytu ve vysokohorském prostředí je fyziologické):
* lokální nebo celková alveolární hypoventilace;
* lokální poruchy ventilačně-perfúzního poměru VA/Q;
* přítomnost pravo-levého „plicního zkratu“;
* ztluštění alveolo-kapilární membrány.
!!!začátek petitu!!!
Nízký paO2 zákonitě provází ty srdeční vady, které působí pravo-levý cirkulační zkrat. Tato onemocnění nebývají řazena mezi „respirační insuficience“, protože se jedná o poruchy funkce cirkulačního orgánového systému, ne systému respiračního.
!!!konec petitu!!!
Lokální nebo celková alveolární hypoventilace způsobí, že v hypoventilovaných alveolech je pAO2 nižší než 13,3 kPa. V krvi, která protéká okolo těchto alveolů, se může pO2 zvýšit nejvíce na hodnotu, která je v příslušných alveolech (obr. 3.3). Obr. 3.4 znázorňuje možné příčiny snížené ventilace některých alveolů nebo částí plic.
!!!obr. 3.3. a 3.4.!!!
Obr. 3.3 Parciální tlak kyslíku a obsah kyslíku v krvi, která protekla stěnou různě intenzivně ventilovaných alveolů. Čísla v alveolech udávají hodnotu pAO2 v kPa. Alveoly A1, A2 jsou hypoventilované, alveolus B je hyperventilovaný. Normálně ventilovaný alveolus C má fyziologický parciální tlak kyslíku 13,3 kPa
Obr. 3.4 Příklady možných příčin nestejné ventilace dvou alveolů. Při nezměněném průtoku krve stěnou těchto alveolů způsobí hypoventilace postižených alveolů (vždy levý „alveolus“) lokální poruchu v poměru mezi alveolární ventilací a perfúzí (VA/Q). A – zúžení bronchiolu, B – nedostatek surfaktantu nebo jiné poškození alveolu, C – komprese dýchacích cest při exspiriu, D – fibrotické změny a jiné příčiny snížení poddajnosti v oblasti alveolu
Na obrázku 3.3 jsou znázorněny čtyři nestejně ventilované alveloly. Vedle normálně ventilovaného alveolu s pAO2 13,3 kPa, jsou dva alveoly hypoventilované, s nízkým pAO2, a alveolus hyperventilovaný, s vysokým pAO2. Hypoventilace snižuje parciální tlak kyslíku v alveolech, a proto i v obtékající krvi. Snižuje tedy i saturaci hemoglobinu kyslíkem a množství kyslíku v této krvi. V krvi odtékající od hyperventilovaného alveolu se však zvýší pouze parciální tlak kyslíku, ne množství kyslíku. Hemoglobin je totiž kyslíkem plně saturován již při 13 kPa. Hyperventilace jednoho alveolu tedy dostatečně nekompenzuje hypoventilaci jiného alveolu, z hlediska množství kyslíku přijatého krví. Po smísení krve odtékající z hypoventilovaného a hyperventilovaného alveolu proto v krvi přetrvává deficit kyslíku, saturace hemoglobinu kyslíkem není úplná a hodnota paO2 odpovídá výsledné saturaci hemoglobinu kyslíkem podle disociační křivky kyslíku.
Porucha v oxygenaci krve protékající plícemi s nerovnoměrnou ventilací alveolů se může ještě dále zvýraznit v případě nerovnoměrnosti perfúze jednotlivých alveolů. Porucha zesílí tehdy, když hypoventilovanými alveoly protéká více krve než alveoly normálně ventilovanými nebo hyperventilovanými. Nízký pO2 v alveolech vyvolá vazokonstrikcí příslušných plicních arteriol, což přesměrovává tok krve k alveolům s vyšším pO2.
!!!začátek petitu!!!
Pokud se účinnost tohoto fyziologického mechanismu sníží, vzniklé poruchy ve ventilačně-perfúzním poměru snižují tenzi kyslíku v arteriální krvi a působí hypoxémii. Příčinou může být porucha regulace tonu hladkých svalových buněk v medii cév. K takovým poruchám může dojít při septickém šoku nebo při jiných formách vazodilatačního cirkulačního šoku (viz kap. 2.2.3.3.4), ale také u nemocných s poruchami funkce jater, u kterých dojde k rozvoji tzv. hepatopulmonálního syndromu. Snížená schopnost vazokonstrikce v oblasti plicního řečiště se může projevit hypoxémií, která se zhoršuje ve vzpřímené poloze těla, stavem označovaným jako ortodeoxie. Ortodeoxie je vysvětlována zvýšenou perfúzí bazálních částí plic, normálně méně ventilovaných (viz obr. 3.32), v důsledku působení gravitace ve vzpřímené.
!!!konec petitu!!!
Důsledky nerovnováhy mezi alveolární ventilací a perfúzí bývají v učebnicích znázorněny grafem, který je na obr. 3.5. Jeho didaktický význam je především ve dvou extrémních stavech ventilačně-perfúzní nerovnováhy. Jeden z těchto extrémních stavů představuje situaci, kdy jsou alveoly ventilovány, avšak nejsou perfundovány – jejich ventilace se stává „mrtvou“, protože není spojena s výměnou dýchacích plynů. Druhý extrémní stav představuje situaci, při které alveoly nejsou vůbec ventilovány, avšak v jejich okolí protéká krev. Protože je součet parciálních tlaků v krvi nižší než v alveolu, dojde v takovém alveolu k resorpci vzduchu. Krev, která kolem něho protéká, si zachovává charakter smíšené venózní krve. Proto se tento stav obrazně označuje jako „plicní zkrat“. Úplná nefunkčnost těchto extrémních poruch pro výměnu plynů je znázorněna na obr. 3.6.
!!!obr. 3.5. a 3.6.!!!
Obr. 3.5 Parciální tlak kyslíku a oxidu uhličitého v alveolárním vzduchu při různých hodnotách poměru mezi alveolární ventilací a perfúzí (VA/Q): od nuly (zkrat) přes normální poměr 0,8–1 až po nekonečno (mrtvý prostor)
Obr. 3.6 Alveolární ventilace a plicní perfúze se v plicích „nepotkají“. Průtok krve (QP) se realizuje plně plicí, která není ventilovaná (plicní funkční zkrat).Ventilovaná je druhá plíce (VA), ta však postrádá průtok krve (funkční plicní mrtvý prostor). Nedochází proto vůbec k výměně dýchacích plynů, přestože jak QP, tak i VA mohou být svou velikostí normální
Pojem „plicní zkrat“ vyjadřuje patologickou situaci, kdy krev proteče plícemi, avšak nepřijde do nepřímého kontaktu s alveolárním vzduchem. Tato krev si podrží, z hlediska krevních plynů, složení odpovídající smíšené venózní krvi. Nejedná se o zkrat v anatomickém smyslu, nýbrž o „zkrat“ funkční.
!!!začátek petitu!!!
Fyziologický plicní zkrat je představován nutriční bronchiální cirkulací, která přivádí určité množství venózní krve do plicních vén (ty obsahují arterializovanou krev po jejím průchodu okolím plicních alveolů). Bronchiální cirkulací protéká normálně jen malé množství krve, odpovídající asi 1 % srdečního výdeje. Některé patologické procesy postihující plicní tkáň, především záněty bronchů a bronchiektázie, dále pak plicní nádory, které jsou vyživovány z bronchiální cirkulace, mohou zvýšit příměs venózní krve k arterializované krvi. Funkční důsledky jsou z hlediska dopadu na parciální tlak kyslíku a na saturaci hemoglobinu kyslíkem v arteriální krvi obdobné „plicním zkratům“, které budou dále specifikovány. Jedná se především o malou citlivost arteriální hypoxémie na oxygenoterapii.
!!!konec petitu!!!
Patologické plicní zkraty vznikají v nevzdušné části plic, kterou protéká krev. Jedná se o oblasti atelektázy, plicního edému (vyplňujícího alveoly tekutinou), plicního zánětu (vyplňujícího alveoly zánětovým exsudátem), primární plicní nádory a nádorové metastázy, kolabovanou plíci při pneumotoraxu. Důležité je to, že v krvi, která protekla nevzdušnými nebo zcela neventilovanými oblastmi plic, činí deficit kyslíku 50 ml/l krve a případně i více.
!!!začátek petitu!!!
Rozsah pravo-levého zkratu (odhad „venózní příměsi“) lze vypočítat pomocí stanovení obsahu kyslíku ve smíšené venózní krvi (CvO2), v krvi odtékajících od ventilovaných alveolů (CcO2 – její hodnota se určí nepřímo stanovením ideální alveolární tenze kyslíku, pAO2, pomocí rovnice alveolárních plynů, viz kap. 3.2.3.2.2) a obsahu kyslíku v arteriální krvi (CaO2). Platí rovnice, ve které množství kyslíku přitékající do levého srdce: QS x CvO2 + (QT - QS) . CcO2 se rovná množství kyslíku odtékajícího z levého srdce: QT . CaO2 (obr. 3.7). Úpravami této rovnice lze odvodit její tvar, který udává velikost pravo-levého zkratu jako část (frakci) z celkového srdečního výdeje (QT):
QS CcO2 - CaO2
____ = ____________ (3.1).
QT CcO2 - CvO2
Vyšetřeníse provede po 20–30minutovém dýchání kyslíku, kdy se zjistí skutečné procento krve, která se dostane z pravého srdce do aorty, aniž by přišla do styku s alveolárními plyny v důsledku buď srdeční vady, nebo plicního zkratu. Stejné vyšetření provedené s dýcháním vzduchu místo kyslíku může poskytnout vyšší hodnotu „zkratu“, protože se k němu přičte i účinek případné ventilačně-perfúzní nerovnováhy.
!!!konec petitu!!!
Obrázek 3.8 ukazuje důsledek plicního zkratu různého rozsahu na hodnoty parciálních tlaků kyslíku a oxidu uhličitého v arteriální krvi.
!!!obr. 3.8.!!!
Přítomnost plicních zkratů významně snižuje účinek dýchání kyslíku na hodnotu paO2, a to v závislosti na rozsahu zkratu (obr. 3.11).
Obr. 3.8 Vliv plicního zkratu na parciální tlaky dýchacích plynů v arteriální krvi:* – paCO2 může být ve skutečnosti nižší než normálních 5,3 kPa (může být hypokapnie), vyvolá-li snížení paO2 alveolární hyperventilaci (alveolární hyperventilace je obvyklou reakcí na nízkou hodnotu paO2)
Vzdálenost, která odděluje alveolární vzduch od erytrocytů obtékajících alveolus, je důležitá pro možnost vyrovnání parciálních tlaků kyslíku a oxidu uhličitého mezi krví a alveolárním vzduchem během doby vymezené průchodem plazmy a erytrocytu stěnou alveolu. Tento proces se uskutečňuje difúzí plynů, na základě jejich koncentračního gradientu. Při stálém tlakovém (koncentračním) rozdílu je množství plynu, které přejde přes alveolo-kapilární membránu, nepřímo úměrné její tloušťce. Intenzita difúze však také závisí na difúzních vlastnostech určitého plynu. Ty jsou do značné míry závislé na rozpustnosti daného plynu ve vodě. Ta je významně vyšší pro oxid uhličitý v porovnání s kyslíkem.
Difúzní kapacita plic (transfer faktor)
Krev protékající plícemi dospělého člověka potřebuje získat za jednu minutu minimálně 200–250 ml kyslíku. Potom se saturace hemoglobinu kyslíkem zvýší v 5 litrech venózní krve ze 75 na 100 %. Toto je tedy minimální potřebná celková difúzní kapacita plic pro kyslík. Ta závisí nejen na tloušce alveolo-kapilární membrány, ale také na její celkové ploše.
!!!začátek petitu!!!
Difúzní kapacita plic vyjadřuje schopnost alveolo-kapilární membrány propouštět krevní plyny při rozdílu jejich parciálních tlaků. Pokud bychom byli schopni vztáhnout tuto přenosovou schopnost alveolo-kapilární membrány na její jednotkovou plochu (např. 1 m2), jednalo by se o specifickou difúzní kapacitu této membrány. Protože však celkovou výměnnou plochu pro krevní plyny nemůžeme změřit, vyjadřuje difúzní kapacita plic přenosovou vlastnost celé alveolo-kapilární membrány, na které se uskutečňuje výměna krevních plynů (A) (viz dále).
Celková difúzní kapacita plic – transfer faktor (faktor přenosu) – závisí především na dvou hlavních vlastnostech alveolo-kapilární membrány. Těmi jsou jednak celková velikost plochy, na které se difúze uskutečňuje (A), a jednak průměrná difúzní vzdálenost (d). Množství kyslíku, který projde z alveolárního vzduchu do protékající krve za časovou jednotku, se rovná spotřebě kyslíku za stejnou dobu (VO2). Ta je dána rovnicí:
VO2 = k . A . (pAO2 - pkapO2)/d (3.2),
kde k je koeficient difúze pro kyslík (pro oxid uhličitý bude mít jinou, vyšší hodnotu) a pAO2 - pkapO2 je tlakový gradient kyslíku mezi alveolárním vzduchem a průměrným parciálním tlakem kyslíku v plicní kapiláře (ten se normálně zvyšuje z hodnoty 5,3 kPa, příslušné pro smíšenou venózní krev, na 13,3 kPa, kteréžto hodnoty je dosaženo přibližně již v první třetině dráhy, kterou procházejí erytrocyty v bezprostřední blízkosti alveolu).
Difúzní kapacita (DO2) je pak:
DO2 = k . A/d (3.3),
čili
VO2 = DO2 . (pAO2 - pkapO2) (3.4).
DO2 (ml/min/kPa nebo mmHg) je pak:
DO2 = VO2/(pAO2 - pkapO2) (3.5).
!!!konec petitu!!!
Změny difúzní kapacity plic
Při fyzické námaze, která zvyšuje spotřebu kyslíku, musí za jednu minutu projít přes alveolo-kapilární membránu větší množství kyslíku, např. až 3500 ml. Difúzní kapacita plic (transfer faktor) se při fyzické námaze zvětšuje především tím, že se zvětší celková difúzní plocha. Velké dechové objemy zvětší difúzní plochu větším rozepnutím alveolů a intersticia, které obsahuje plicní kapiláry. Větší rozepnutí plic současně zmenšuje tloušťku alveolo-kapilární membrány, a tím se zmenšuje difúzní vzdálenost. Podstatné pro zvětšení difúzní kapacity plic je však především zvětšení celkové plochy, na které se difúze uskutečňuje. Přispívá k němu také skutečnost, že erytrocyty procházejí okolo alveolů rychleji a k vyrovnání parciálních tlaků mezi alveolárním vzduchem a krví dochází později, až ve druhé nebo třetí třetině kapiláry. Tím je využita větší část povrchu alveolu pro difúzi kyslíku než za klidového stavu. U zdravých lidí proto ani při fyzické námaze značné intenzity neklesá parciální tlak kyslíku v arteriální krvi a saturace hemoglobinu kyslíkem se stále blíží 100 %.
Malé ztluštění alveolo-kapilární membrány, k jakému může dojít např. při intersticiálním plicním edému nebo při fibrotických změnách v plicním intersticiu, se nemusí projevit poklesem paO2 z důvodu existence značné funkční rezervy v difúzní kapacitě plic. Pro tento stav difúzní poruchy se používá označení latentní respirační insuficience. Respirační insuficience I. typu (hypoxemická) se u těchto nemocných může projevovat jen při fyzické námaze, kdy – na rozdíl od zdravých lidí – klesne paO2 a může se objevit cyanóza a pocit dušnosti. Je pochopitelné, že prodloužení difúzní dráhy může nabýt i takového stupně, že se respirační insuficience projevuje i v tělesném klidu. I v tomto případě se však bude významně zhoršovat během fyzické námahy, z důvodu rychlejšího průtoku krve plícemi (obr. 3.9).
!!!obr. 3.9.!!!
Rozdíl parciálních tlaků kyslíku v alveolech a v arteriální krvi, tzv. alveolo-arteriální diference pO2, je fyziologicky velmi malý. Skutečnost, že během průchodu krve plícemi nedojde k vyrovnání parciálních tlaků mezi alveoly a krví, logicky způsobuje zvětšení těchto rozdílů v parciálních tlacích kyslíku. Tento rozdíl se zvýrazní během dýchání čistého kyslíku.
!!!začátek petitu!!!
Alveolo-arteriální diference pO2 se vypočte odečtením přímo změřené hodnoty paO2 od hodnoty „ideálního“ alveolárního pO2. Ten se vypočte pomocí rovnice alveolárních plynů (viz dále). Po dvaceti minutách dýchání 100% kyslíku by měla být alveolo-arteriální diference pO2 menší než 20 kPa. Větší hodnoty svědčí pro přítomnost funkčního plicního zkratu.
!!!konec petitu!!!
Obr. 3.9 Porucha v oxygenaci krve v oblasti alveolu s prodlouženou difúzní dráhou mezi alveolárním vzduchem a krví. A – normální stav, kdy k plné oxygenaci dochází během asi třetiny doby a dráhy průchodu krve okolo alveolu; B – patologický stav, při kterém není oxygenace arteriální krve snížena v tělesném klidu, při námaze a zrychlení průtoku krve se však paO2 sníží a vznikne hypoxémie (latentní porucha v oxygenaci krve); C – patologický stav, při kterém se neuskuteční vyrovnání parciálních tlaků mezi alveolárním vzduchem a protékající krví ani v tělesném klidu. Číselné hodnoty jsou v kPa
Z tabulky 3.1 je zjevné, že snížení parciálního tlaku kyslíku v arteriální krvi do 10 kPa nesnižuje významně satuarci hemoglobinu kyslíkem, a proto ani obsah kyslíku v arteriální krvi. Na druhé straně snížení tenze kyslíku na 3,6 kPa sníží saturaci hemoglobinu kyslíkem na 50 % (při teplotě 37 oC, pCO2 = 5,3 kPa, pH = 7,4 a koncentraci 2,3-DPG 5 mmol/l erytrocytů). Přestože je při tomto parciálním tlaku kyslíku v arteriální krvi snížen obsah kyslíku pouze na polovinu, jedná se o velmi těžkou hypoxii, která bude provázena poruchami vědomí s výraznou centrální cyanózou a bude bezprostředně ohrožovat život postiženého. Při těžké hypoxické hypoxii, způsobené poruchami respiračního aparátu, může proto i relativně malé zvýšení paO2, dosažené oxygenoterapií, zachránit život postiženého jedince nebo výrazně zlepšit jeho stav (obr. 3.10).
!!!obr. 3.10.
Respirační insuficienci I. typu často provází hypokapnie, která je důsledkem zvýšeného ventilačního úsilí vyvolaného nízkým parciálním tlakem kyslíku v arteriální krvi.
Příčinou hypokapnie je vždy nadměrná alveolární ventilace ve vztahu k množství CO2 produkovaného tkáněmi.
!!!začátek petitu!!!
Nadměrná alveolární ventilace může být následkem volní hyperventilace, kdy mozková kůra přechodně ovlivní automacii dechových center a zvýší celkovou plicní ventilaci. Nadměrná plicní ventilace může být též způsobena podkorovým ovlivněním činnosti dechových center při hysterické reakci nebo při stresu. Konečně může být následkem nadměrné stimulace dechových center patologickým procesem v centrálním nervovém systému, při metabolické acidóze a při některých otravách způsobujících acidémii.
!!!konec petitu!!!
U nemocných lidí s respiračními nemocemi bývá nejčastější příčinou hypokapnie stimulace periferních chemoreceptorů nízkou hodnotou paO2 (viz dále), podobně jako je tomu při pobytu ve vysokohorském prostředí.
Působení hypokapnie na organismus
Hypokapnie způsobuje alkalózu vnitřního prostředí. Alkalóza snižuje stupeň ionizace kalcia, což zvyšuje neuromuskulární dráždivost. Hypokapnie se proto může projevit příznaky zvýšené neuromuskulární dráždivosti až generalizovanými křečemi.
Hypokapnie vyvolává vazokonstrikci mozkových cév13. Projevem mohou být příznaky nedostatečného zásobení mozku kyslíkem – točení hlavy, závrať aj.
13Hypokapnie vyvolaná umělou hyperventilací při řízené plicní ventilaci se používá k prevenci nebo omezení rozvoje mozkového edému.
Množství a tedy i parciální tlak oxidu uhličitého v organismu závisí jednak na jeho množství vytvářeném v metabolismu (asi 200 ml/min v tělesném klidu a až 3000 ml/min při intenzivní fyzické námaze) a jednak na intenzitě jeho vylučování do alveolárního vzduchu a okolní atmosféry, kde prakticky není přítomen (pCO2 ve vzduchu je jen 0,03 kPa). Při jeho konstantní produkci tkáněmi v tělesném klidu je proto intenzita alveolární ventilace (VA) naprosto převažujícím faktorem, který určuje množství CO2 v organismu, a tím i jeho parciální tlak. Hyperkapnie má tedy v naprosté většině situací jedinou příčinu, kterou je celková alveolární hypoventilace. Při konstantní metabolické produkci CO2, tedy v zásadě během tělesného klidu, platí zjednodušená rovnice nepřímé úměrnosti mezi tenzí CO2 v alveolárním vzduchu a množstvím vzduchu proventilovaným všemi alveoly za časovou jednotku, tzv. alveolární ventilační rovnice:
pACO2 = 1/VA (3.6).
Hodnota pACO2 určuje parciální tlak oxidu uhličitého v krvi, která obtéká příslušný alveolus. Tato hodnota však může být v případě určitého alveolu značně odlišná od výsledného paCO2 v arteriální krvi, která vznikla smísením veškeré krve, která protekla různými částmi plic. Vysvětlení spočívá v symetričnosti změn v obsahu CO2 v krvi se sníženým a zvýšeným pCO2. Na hyperbolické křivce, která je grafickým znázorněním vztahu nepřímé úměrnosti mezi pACO2 a VA, se nachází normální hodnota přibližně uprostřed (viz obr. 3.7, Obecná patologická fyziologie, Praha : Karolinum, 2000). Z tohoto důvodu hypoventilace a adekvátní hyperventilace způsobují přibližně symetrické změny v pACO2 a také, na rozdíl od kyslíku, v množství CO2 v krvi. Tato symetričnost změn v množství CO2 způsobuje, že hyperventilace jedněch alveolů kompenzuje (nebo i překompenzuje) hypoventilaci jiných alveolů – z hlediska vylučování CO2.
V zásadě lze říci, že hyperkapnie vznikne pouze tehdy, když součet alveolární ventilace všech perfundovaných alveolů, tj. celková sumární alveolární ventilace, bude neadekvátně nízká vzhledem k aktuální produkci CO2 v tkáňovém metabolismu.
Protože je celková alveolární ventilace (VA) definována jako rozdíl mezi celkovou ventilací (VE) a ventilací mrtvého prostoru (VD):
VA = VE - VD (3.7),
je zřejmé, že příčinou celkové alveolární hypoventilace může být buď malá celková plicní ventilace, nebo zvětšení podílu ventilace mrtvého prostoru, případně současný výskyt obou poruch.
Hyperkapnie tedy neprovází lokální alveolární hypoventilaci, pokud je souhrn ventilací všech perfundovaných alveolů adekvátní aktuální produkci CO2 v tkáňovém metabolismu.
Hyperkapnii proto většinou nezpůsobuje ani ventilačně-perfúzní (VA/Q) nerovnoměrnost. Také prodloužení difúzní dráhy mezi alveolárním vzduchem a krví nebývá příčinou hyperkapnie, protože CO2 má asi 20krát vyšší koeficient difúze než kyslík. Dokonce ani pravo-levý funkční plicní zkrat nezpůsobuje většinou hyperkapnii, naopak častěji bývá přítomen určitý stupeň hypokapnie.
Acidóza při hyperkapnii a její účinky na CNS
Hyperkapnie ohrožuje organismus jednak acidifikací vnitřního prostředí a jednak tlumivým, narkotickým účinkem na funkce CNS, který může postihnout i reaktivitu dechových center. To pak může vést ke vzniku bludného kruhu, který způsobuje, že se hyperkapnie progresivně zvyšuje.
Na obrázku 3.12 je znázorněn parciální tlak CO2 v arteriální krvi jako funkce alveolární ventilace. Současně jsou ukázány očekávané hodnoty pH krve a orientačně některé účinky hyperkapnie při určitých zvýšených hodnotách paCO2.
!!!obr. 3.12.!!!
Hyperkapnie vyvolává vazodilataci. Kůže proto bývá teplá, dobře prokrvená. Zvlášť významná bývá vazodilatace v mozku. Vzniká riziko rozvoje edému mozku, který se může projevit bolestmi hlavy, městnavou papilou na očním pozadí a zvýšením tlaku cerebrospinálního moku. Hyperkapnie může ovlivnit a snížit funkce CNS: může způsobovat snížení mentálního výkonu, neklid, třes, bezděčné škubavé pohyby, setřelou řeč, změny nálady, somnolenci až kóma.
Prohloubení alveolární hypoxie a hypoxémie v krvi
Hyperkapnie znamená, že i v alveolárním vzduchu je zvýšená tenze oxidu uhličitého. Protože v alveolárním vzduchu jsou pouze dvě proměnné plynné složky, kyslík a oxid uhličitý (zastoupení dusíku a vodních par lze považovat za konstantní), působí vyšší tenze oxidu uhličitého snížení alveolární tenze kyslíku. Toto je dobře vidět na tzv. rovnici alveolárních plynů, která je používána k odhadu alveolární tenze kyslíku (pAO2). Tato rovnice má tvar:
paCO2
pAO2 = piO2 - ------------ + zanedbatelný zbytek (3.8),
RQ
kde piO2 je parciální tlak kyslíku ve vdechovaném vzduchu a paCO2 je parciální tlak CO2 v arteriální krvi (nahrazuje pACO2).
Podoba této rovnice pro praktickou potřebu, za předpokladu respiračního kvocientu 0,8, je:
pAO2 = piO2 - 1,25 . paCO2 (3.9).
Vidíme tedy, že hyperkapnie může zesilovat alveolární hypoxii. Protože onemocnění, která způsobují hyperkapnii, vždy vyvolávají také hypoxémii svým vlastním patogenetickým mechanismem, hyperkapnie dále zhoršuje stupeň této hypoxémie.
Fyziologicky, ale i při patologických stavech, které narušují funkce respiračního aparátu, je plicní ventilace optimalizována jednak ve vztahu k výměně krevních plynů a jednak ve vztahu k dechové práci. Ventilační úsilí a plicní ventilace jsou dány stupněm stimulace dýchacích svalů eferentními podněty z dechových center (angl. označováno termínem „respiratory drive“), výkonností těchto svalů a velikostí odporů, které musí být překonány prací dýchacích svalů. Aferentní signály přicházejí do dechových center z několika kategorií receptorových struktur. Ty jsou zásadně důležité pro automacii činnosti dechových center, a tedy pro úroveň signálů, které řídí činnost dýchacích svalů.
Receptory, které ovlivňují aktivitu dechových center, jsou jednak centrální chemoreceptory na ventrální části prodloužené míchy a jednak periferní chemoreceptory v glomus caroticum a v aortálních tělíscích.
Centrální chemoreceptory jsou v nepřímém kontaktu s mozkomíšním mokem a jejich aktivita je silně ovlivňována změnami pCO2, ke kterým dochází v mozkomíšním moku. CO2 dobře proniká do blízkosti těchto buněk – anatomicky stále nedostatečně identifikovaných – a je zde po reakci s vodou zdrojem iontů H+. Ty představují vlastní podnět pro tyto receptory. Při akutním zvýšení paCO2 se normálně zvyšuje plicní ventilace asi o 2–3 litry při zvýšení paCO2 o 0,13 kPa (1 mmHg) (obr. 3.13B). Při chronické hyperkapnii se tato stimulace snižuje následkem zvýšení koncentrace HCO3- v mozkomíšním moku větší neutralizací iontů H+. U jedince, který má normální tenzi kyslíku v arteriální krvi (nebo i zvýšenou tenzi kyslíku v arteriální krvi při dýchání vzduchu obohaceného kyslíkem), je aferentace z centrálních chemoreceptorů určující pro ventilační úsilí. Ventilační úsilí proto reaguje na množství CO2, které vzniká při metabolismu, a na účinnost jeho vylučování plícemi. Z pochopitelných důvodů stimuluje respirační úsilí i metabolická acidóza, a to jednak přímým účinkem iontů H+ na centrální chemoreceptory a jednak snížením koncentrace HCO3- v mozkomíšním moku. Koncentrace iontů H+ a HCO3- v mozkomíšním moku reagují na jejich změny v krvi pomaleji než na změny paCO2, protože jejich výměna mezi plazmou a cerebrospinálním mokem je pomalejší.
!!!obr. 3.13.!!!
!!!začátek petitu!!!
Reakce centrálních chemoreceptorů na chronickou hyperkapnii je menší než na hyperkapnii akutní. Příčinou je již zmíněná nižší průchodnost hematoencefalické bariéry pro HCO3- než pro CO2.
Vzestup CO2 v krvi vede k většímu vzestupu bikarbonátů v krvi než v mozkomíšním moku (v krvi je v důsledku pufrace nebikarbonátovými nárazníky, vážícími vodíkové ionty, disociační reakce kyseliny uhličité více posunuta doprava než v mozkomíšním moku). V plazmě je proto zpočátku vyšší koncentrace bikarbonátů než v mozkomíšním moku.Postupně se bikarbonáty přesouvají z plazmy do moku, pufrují tam vodíkové ionty, a tak klesá stimulace centrálních chemoreceptorů.
!!!konec petitu!!!
Další vlastností centrálních chemoreceptorů je to, že se jejich citlivost k iontům H+ zvyšuje při současném snížení tenze kyslíku v arteriální krvi.
Obr. 3.13 Hyperventilace vyvolaná izolovaným snížením hodnoty paO2 (A) nebo izolovaným zvýšením paCO2 (hyperkapnií bez hypoxémie) (B). Izolovaného zvýšení paCO2 je možné dosáhnout pouze experimentálně, buď dýcháním vzduchu se zvýšeným obsahem CO2, nebo hypoventilací za současného dýchání vzduchu obohaceného kyslíkem, které kompenzuje jinak nevyhnutelnou hypoxémii
Periferní chemoreceptory jsou přímo napojeny na aortu a a. carotis, ze kterých získávají „vzorek“ arteriální krve. Reagují především na tenzi kyslíku v arteriální krvi. Obsahují buňky, jejichž membrána se při snížené dodávce kyslíku depolarizuje následkem poklesu tvorby ATP v mitochondriích. Citlivě proto reagují zvýšením své aktivity také na otravu kyanidy nebo jinými jedy, které inhibují funkci mitochondrií při oxidační fosforylaci. Depolarizace membrány těchto buněk se přenáší aferentními vlákny n. glossopharyngeus (z karotických tělísek) nebo n. vagus (z aortálních tělísek) do dechových center, která jsou tím stimulována (obr. 3.14). Protože periferní chemoreceptory nejsou aktivní při fyziologické nebo zvýšené tenzi kyslíku v arteriální krvi, na stimulaci dýchacích svalů se v takovém případě neuplatňují. Významně aktivovány jsou pouze při snížení paO2, zvláště když se sníží pod 10 kPa (viz obr. 3.13A), a prostřednictvím dechových center pak dýchací svaly stimulují, a zvyšují tím plicní ventilaci.
!!!obr. 3.14.!!!
Reaktivita periferních chemoreceptorů na snížení paO2 je významně modulována hodnotami paCO2. Hyperkapnie jejich reaktivitu zesiluje a hypokapnie tlumí. U pacienta s respirační insuficiencí II. typu (globální) dochází proto k nejsilnější stimulaci dechových center z centrálních i periferních chemoreceptorů.
Acidóza, zvýšení tenze CO2, jakož i tkáňová hypoxie v mozkovém kmeni tlumí reaktivitu dechových center na podněty přicházející z centrálních nebo periferních chemoreceptorů. Ventilační odpověď na vzestup paCO2 se fyziologicky snižuje i během spánku, pravděpodobně rovněž v důsledku snížené reaktivity dechových center na podněty z receptorových struktur. Důležitý je také tlumivý účinek některých léků na reaktivitu dechových center (např. barbiturátů a morfinu).
Plicní ventilace, která je dána velikostí dechových objemů a frekvencí dýchání (VE = VT . f), je u zdravých lidí převážně určována množstvím CO2 produkovaného metabolismem všech tkání. Automaticky se proto zvyšuje především při zvýšené fyzické námaze. Plicní ventilace je u zdravých lidí primárně užívána k rychlé regulaci acidobazické rovnováhy při metabolických poruchách, tj. k udržování stálé koncentrace iontů H+ ve vnitřním prostředí. Tato regulace plicní ventilace se uskutečňuje prostřednictvím centrálních chemoreceptorů lokalizovaných na ventrální straně prodloužené míchy a citlivých primárně ke koncentraci iontů H+.
Nemocní lidé s respirační insuficiencí mají snížený parciální tlak kyslíku v arteriální krvi. To představuje stimul pro periferní chemoreceptory v glomus caroticum a v aortálních tělíscích. Sníží-li se paO2 pod 10 kPa, a zvláště pak pod 8 kPa, jsou tímto periferní chemoreceptory aktivovány. Prostřednictvím n. glossopharyngeus a n. vagus pak stimulují dechová centra. Periferní chemoreceptory jsou nízkým paO2 aktivovávy velmi rychle a klesne-li hodnota paO2 do rozmezí 7–5 kPa, je stimulace dechových center touto hypoxémií velmi silná a urgentní. Respirační aparát pak vynakládá značné úsilí na udržení vysoké plicní ventilace, často i za cenu narušení acidobazické rovnováhy respirační alkalózou. Toto je významný rozdíl v regulaci plicní ventilace mezi nemocnými s respirační insuficiencí a zdravými jedinci.
Na rozdíl od zdravých lidí mohou proto lidé s respirační insuficiencí reagovat na dýchání kyslíku nebo na dýchání vzduchu obohaceného kyslíkem snížením plicní ventilace. U těchto nemocných může být proto oxygenoterapie nebezpečná, vede-li k útlumu aktivace periferních chemoreceptorů, tj. ke snížení ventilačního úsilí a následkem toho k prohloubení alveolární hypoventilace. Zhoršení hyperkapnie může způsobit životu nebezpečnou acidémii. Velká hyperkapnie může také snížit reaktivitu dechových center a způsobit tím bludný kruh.
