Grunnleggende om respirasjonsfysiologi

Lungenes hovedfunksjon (men ikke den eneste) er å sikre normal gassutveksling. Ekstern respirasjon er prosessen med gassutveksling mellom atmosfærisk luft og blod i lungekapillærene, noe som resulterer i arteralisering av blodsammensetningen: oksygentrykket øker og CO2-trykket synker. Intensiteten av gassutvekslingen bestemmes primært av tre patofysiologiske mekanismer (lungeventilasjon, lungeblodstrøm, diffusjon av gasser gjennom alveolar-kapillærmembranen), som tilveiebringes av det eksterne respirasjonssystemet.

Pulmonal ventilasjon

Pulmonal ventilasjon bestemmes av følgende faktorer (AP Zilber):

1. mekanisk ventilasjonsapparat, som primært avhenger av aktiviteten til respirasjonsmusklene, deres nervøse regulering og mobiliteten til brystveggene;
2. elastisitet og utvidbarhet av lungevevet og brystet;
3. luftveisgjennomtrengelighet;
4. Intrapulmonal fordeling av luft og dens korrespondanse med blodstrømmen i forskjellige deler av lungen.

Når én eller flere av faktorene ovenfor forstyrres, kan det utvikles klinisk signifikante ventilasjonsforstyrrelser, manifestert av flere typer ventilasjonssvikt.

Av respirasjonsmusklene har diafragma den viktigste rollen. Den aktive sammentrekningen fører til en reduksjon i intrathorakalt og intrapleuralt trykk, som blir lavere enn atmosfærisk trykk, noe som resulterer i innånding.

Innånding skjer gjennom aktiv sammentrekning av respirasjonsmusklene (diafragma), og utånding skjer hovedsakelig på grunn av den elastiske trekningen fra selve lungen og brystveggen, noe som skaper en ekspiratorisk trykkgradient, som under fysiologiske forhold er tilstrekkelig til å presse ut luft gjennom luftveiene.

Når det er nødvendig å øke ventilasjonsvolumet, trekker de eksterne interkostalrommusklene, scalenmusklene og sternocleidomastoideusmusklene seg sammen (ekstra inspirasjonsmuskler), noe som også fører til en økning i brystvolumet og en reduksjon i intrathorakalt trykk, noe som letter innåndingen. Ekstra ekspirasjonsmuskler regnes som musklene i den fremre bukveggen (ekstern og intern skrå, rett og tverrgående).

Elastisitet i lungevev og brystvegg

Lungenes elastisitet. Luftstrømmens bevegelse under innånding (inn i lungene) og utånding (ut av lungene) bestemmes av trykkgradienten mellom atmosfæren og alveolene, det såkalte transthorakale trykket (Ptr _/ t ₎:

Рtr/t = Рalv Рatm _hvor Рalv _er alveoltrykket og Рatm _er atmosfærisk trykk.

Under innånding blir P _alv og P _tr/t negative, under utånding blir de positive. Ved slutten av innåndingen og ved slutten av utåndingen, når luften ikke beveger seg langs luftveiene og glottis er åpen, er P _alv lik P _atm.

Nivået av P _alv avhenger igjen av verdien av intrapleuralt trykk (P _pl ) og det såkalte elastiske rekyltrykket i lungen (P _el ):

Elastisk rekyltrykk er trykket som skapes av lungens elastiske parenkym og rettes inn i lungen. Jo høyere elastisiteten i lungevevet er, desto større må reduksjonen i intrapleuralt trykk være for at lungen skal utvide seg under innånding, og følgelig må det aktive arbeidet til de inspiratoriske respirasjonsmusklene være større. Høy elastisitet fremmer raskere kollaps av lungen under utånding.

En annen viktig indikator, det motsatte av lungevevets elastisitet – apatisk lungecompliance – er et mål på lungens compliance når den er rettet ut. Lungens compliance (og størrelsen på det elastiske rekyltrykket) påvirkes av mange faktorer:

1. Lungevolum: ved lavt volum (f.eks. ved begynnelsen av inspirasjonen) er lungen mer fleksibel. Ved høyt volum (f.eks. på høyden av maksimal inspirasjon) avtar lungecompliance kraftig og blir null.
2. Innhold av elastiske strukturer (elastin og kollagen) i lungevev. Lungeemfysem, som er kjent for å være preget av en reduksjon i lungevevvets elastisitet, er ledsaget av en økning i lungenes strekkbarhet (en reduksjon i elastisk rekyltrykk).
3. Fortykkelse av alveolveggene på grunn av deres inflammatoriske (lungebetennelse) eller hemodynamiske (blodstagnasjon i lungen) ødem, samt fibrose i lungevevet, reduserer lungens forlengbarhet (compliance) betydelig.
4. Overflatespenningskrefter i alveolene. De oppstår i grenseflaten mellom gass og væske, som kler alveolene fra innsiden med en tynn film, og har en tendens til å redusere arealet av denne overflaten, noe som skaper positivt trykk inne i alveolene. Dermed sikrer overflatespenningskrefter, sammen med lungenes elastiske strukturer, effektiv kollaps av alveolene under utånding og forhindrer samtidig utretting (strekking) av lungen under innånding.

Det overflateaktive stoffet som dekker den indre overflaten av alveolene er et stoff som reduserer overflatespenningen.

Jo høyere aktivitet det overflateaktive stoffet har, desto tettere er det. Derfor, under innånding, når tettheten og dermed aktiviteten til det overflateaktive stoffet avtar, øker overflatespenningskreftene (dvs. kreftene som har en tendens til å redusere overflaten av alveolene), noe som bidrar til den påfølgende kollapsen av lungevevet under utånding. Ved slutten av utåndingen øker tettheten og aktiviteten til det overflateaktive stoffet, og overflatespenningskreftene avtar.

Når utåndingen er avsluttet, og aktiviteten til det overflateaktive stoffet er maksimal og overflatespenningskreftene som forhindrer utretting av alveolene er minimale, krever den påfølgende utrettingen av alveolene under innånding mindre energiforbruk.

De viktigste fysiologiske funksjonene til overflateaktive stoffer er:

• økt lungeettergivelighet på grunn av en reduksjon i overflatespenningskrefter;
• redusere sannsynligheten for kollaps av alveolene under utånding, siden ved lave lungevolumer (ved slutten av utåndingen) er aktiviteten maksimal, og overflatespenningskreftene er minimale;
• forhindrer omfordeling av luft fra mindre til større alveoler (i henhold til Laplaces lov).

Ved sykdommer ledsaget av mangel på overflateaktivt middel øker lungestivheten, alveolene kollapser (atelektase utvikles), og respirasjonssvikt oppstår.

[ 1 ]

Plastisk rekyl av brystveggen

De elastiske egenskapene til brystveggen, som også har stor innflytelse på lungeventilasjonens natur, bestemmes av tilstanden til skjelettsystemet, interkostale muskler, bløtvev og parietal pleura.

Ved minimale bryst- og lungevolumer (under maksimal utånding) og ved begynnelsen av innåndingen rettes brystveggens elastiske rekyl utover, noe som skaper negativt trykk og fremmer lungeekspansjon. Etter hvert som lungevolumet øker under innånding, reduseres brystveggens elastiske rekyl. Når lungevolumet når omtrent 60 % av VC-verdien, reduseres brystveggens elastiske rekyl til null, dvs. til nivået av atmosfærisk trykk. Med en ytterligere økning i lungevolum rettes brystveggens elastiske rekyl innover, noe som skaper positivt trykk og fremmer lungekollaps under påfølgende utånding.

Noen sykdommer er ledsaget av økt stivhet i brystveggen, noe som påvirker brystets evne til å strekke seg (ved innånding) og kollapse (ved utånding). Slike sykdommer inkluderer fedme, kyfoskolose, lungeemfysem, massive sammenvoksninger, fibrothorax, etc.

Luftveienes åpenhet og mukosiliær clearance

Luftveienes åpenhet avhenger i stor grad av normal drenering av trakeobronkiale sekreter, som først og fremst sikres av funksjonen til den mukociliære clearancemekanismen og en normal hosterefleks.

Den beskyttende funksjonen til det mukociliære apparatet bestemmes av den tilstrekkelige og koordinerte funksjonen til det cilierte og sekretoriske epitelet, som et resultat av at en tynn film av sekresjon beveger seg langs overflaten av bronkialslimhinnen og fremmedpartikler fjernes. Bevegelsen av bronkial sekresjon skjer på grunn av raske impulser av cilier i kranialretningen med en langsommere retur i motsatt retning. Frekvensen av cilieroscillasjoner er 1000-1200 per minutt, noe som sikrer bevegelse av bronkialslim med en hastighet på 0,3-1,0 cm/min i bronkiene og 2-3 cm/min i luftrøret.

Det bør også huskes at bronkialslim består av to lag: det nedre væskelaget (sol) og den øvre viskøs-elastiske gelen, som berøres av tuppene på cilier. Funksjonen til det cilierte epitelet avhenger i stor grad av forholdet mellom tykkelsen på cilier og gel: en økning i tykkelsen på gelen eller en reduksjon i tykkelsen på solen fører til en reduksjon i effektiviteten av mukociliær klaring.

På nivået av respiratoriske bronkioler og alveoler i det mukociliære apparatet ist. Her utføres rensing ved hjelp av hosterefleksen og cellenes fagocytiske aktivitet.

Ved inflammatorisk skade på bronkiene, spesielt kronisk, gjenoppbygges epitelet morfologisk og funksjonelt, noe som kan føre til mukociliær insuffisiens (en reduksjon i beskyttelsesfunksjonene til det mukociliære apparatet) og akkumulering av sputum i bronkienes lumen.

Under patologiske forhold avhenger luftveienes åpenhet ikke bare av hvordan den mukociliære clearancemekanismen fungerer, men også av tilstedeværelsen av bronkospasme, inflammatorisk ødem i slimhinnen og fenomenet med tidlig ekspiratorisk lukking (kollaps) av de små bronkiene.

[ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ]

Regulering av bronkial lumen

Tonen i den glatte muskulaturen i bronkiene bestemmes av flere mekanismer assosiert med stimulering av en rekke spesifikke reseptorer i bronkiene:

1. Kolinerge (parasympatiske) effekter oppstår som et resultat av interaksjonen mellom nevrotransmitteren acetylkolin og spesifikke muskariniske M-kolinerge reseptorer. Som et resultat av denne interaksjonen utvikles bronkospasme.
2. Sympatisk innervasjon av glatte bronkier hos mennesker uttrykkes i liten grad, i motsetning til for eksempel glatte muskler i karene og hjertemuskelen. Sympatiske effekter på bronkiene utføres hovedsakelig på grunn av effekten av sirkulerende adrenalin på beta2-adrenoreseptorer, noe som fører til avslapning av glatte muskler.
3. Glatt muskeltonus påvirkes også av det såkalte «ikke-adrenerge, ikke-kolinerge» nervesystemet (NANC), hvis fibre går som en del av vagusnerven og frigjør flere spesifikke nevrotransmittere som samhandler med de tilsvarende reseptorene i bronkial glatt muskulatur. De viktigste av disse er:
   • vasoaktivt intestinalt polypeptid (VIP);
   • stoff R.

Stimulering av VIP-reseptorer fører til uttalt avslapning, og beta-reseptorer til sammentrekning av bronkial glatt muskulatur. Det antas at nevroner i NANH-systemet har størst innflytelse på reguleringen av luftveienes lumen (KK Murray).

I tillegg inneholder bronkiene et stort antall reseptorer som interagerer med ulike biologisk aktive stoffer, inkludert inflammatoriske mediatorer - histamin, bradykinin, leukotriener, prostaglandiner, blodplateaktiverende faktor (PAF), serotonin, adenosin, etc.

Tonen i de glatte musklene i bronkiene reguleres av flere nevrohumorale mekanismer:

1. Bronkial dilatasjon utvikles med stimulering:
   • beta2-adrenerge reseptorer adrenalin;
   • VIP-reseptorer (NANH-systemet) av vasoaktivt intestinalt polypeptid.
2. Innsnevring av bronkiallumen oppstår når det stimuleres av:
   • M-kolinerge reseptorer acetylkolin;
   • reseptorer for substans P (NANH-systemet);
   • Alfa-adrenerge reseptorer (for eksempel med blokade eller redusert følsomhet av beta2-adrenerge reseptorer).

Intrapulmonal luftfordeling og dens korrespondanse med blodstrøm

Ujevnheten i lungeventilasjonen, som er vanlig, bestemmes først og fremst av heterogeniteten i lungevevets mekaniske egenskaper. De basale delene av lungene ventileres mest aktivt, og i mindre grad de øvre delene av lungene. En endring i alveolenes elastiske egenskaper (spesielt ved lungeemfysem) eller et brudd på bronkial åpenhet forverrer ujevnheten i ventilasjonen betydelig, øker det fysiologiske dødrommet og reduserer ventilasjonens effektivitet.

Diffusjon av gasser

Prosessen med gassdiffusjon gjennom den alveolære kapillærmembranen avhenger

1. fra gradienten av partialtrykket til gasser på begge sider av membranen (i alveolærluften og i lungekapillærene);
2. fra tykkelsen av den alveolære-kapillære membranen;
3. fra den totale overflaten av diffusjonssonen i lungen.

Hos en frisk person er partialtrykket av oksygen (PO2) i alveolær luft normalt 100 mm Hg, og i venøst blod - 40 mm Hg. Partialtrykket av CO2 (PCO2) i venøst blod er 46 mm Hg, i alveolær luft - 40 mm Hg. Dermed er trykkgradienten for oksygen 60 mm Hg, og for karbondioksid - bare 6 mm Hg. Diffusjonshastigheten for CO2 gjennom alveolær-kapillærmembranen er imidlertid omtrent 20 ganger større enn O2. Derfor skjer utvekslingen av CO2 i lungene ganske fullstendig, til tross for den relativt lave trykkgradienten mellom alveolene og kapillærene.

Den alveolære kapillærmembranen består av et overflateaktivt lag som kler den indre overflaten av alveolen, alveolærmembranen, det interstitielle rommet, den pulmonale kapillærmembranen, blodplasmaet og erytrocyttmembranen. Skade på hver av disse komponentene i den alveolære kapillærmembranen kan føre til betydelige vanskeligheter med gassdiffusjon. Som et resultat kan de ovennevnte verdiene for partialtrykk av O2 og CO2 i alveolærluften og kapillærene endre seg betydelig ved sykdommer.

[ 11 ], [ 12 ]

Pulmonal blodstrøm

Det finnes to sirkulasjonssystemer i lungene: den bronkiale blodstrømmen, som er en del av den systemiske sirkulasjonen, og selve pulmonale blodstrømmen, eller den såkalte pulmonale sirkulasjonen. Det finnes anastomoser mellom dem under både fysiologiske og patologiske forhold.

Pulmonalblodstrømmen er funksjonelt plassert mellom høyre og venstre hjertehalvdel. Drivkraften bak pulmonalblodstrømmen er trykkgradienten mellom høyre ventrikkel og venstre atrium (normalt ca. 8 mm Hg). Oksygenfattig og karbondioksidmettet venøst blod kommer inn i lungekapillærene gjennom arteriene. Som et resultat av gassdiffusjon i alveolene blir blodet mettet med oksygen og renset for karbondioksid, noe som resulterer i at arterielt blod strømmer fra lungene til venstre atrium gjennom venene. I praksis kan disse verdiene svinge betydelig. Dette gjelder spesielt for nivået av PaO2 i arterielt blod, som vanligvis er ca. 95 mm Hg.

Nivået på gassutveksling i lungene med normal funksjon av respirasjonsmusklene, god åpenhet i luftveiene og liten endring i lungevevets elastisitet bestemmes av blodgjennomstrømningshastigheten gjennom lungene og tilstanden til den alveolære kapillærmembranen, gjennom hvilken diffusjon av gasser skjer under påvirkning av gradienten av partialtrykket av oksygen og karbondioksid.

Forholdet mellom ventilasjon og perfusjon

Nivået av gassutveksling i lungene, i tillegg til intensiteten av pulmonal ventilasjon og gassdiffusjon, bestemmes også av ventilasjon-perfusjonsforholdet (V/Q). Normalt, med en oksygenkonsentrasjon i den inhalerte luften på 21 % og normalt atmosfærisk trykk, er V/Q-forholdet 0,8.

Alt annet likt kan en reduksjon i arteriell blodoksygenering skyldes to årsaker:

• en reduksjon i pulmonal ventilasjon samtidig som samme nivå av blodstrøm opprettholdes, når V/Q < 0,8–1,0;
• redusert blodstrøm med bevart alveolær ventilasjon (V/Q > 1,0).