Pljučna cirkulacija, izmenjava plinov in dihanje PDF

Pljučna cirkulacija, izmenjava plinov, in uravnavanje dihanja Pletež, kjer pride do izmenjave plinov. Kri se ponovno oksigenira. Za pretok potrebna nizka tlačna razlika, velike rezerve - prevaja ves minutni volumen krvi. Pljučne arterije odvajajo kri iz desnega ve...

Pljučna cirkulacija, izmenjava plinov, in uravnavanje dihanja Pletež, kjer pride do izmenjave plinov. Kri se ponovno oksigenira. Za pretok potrebna nizka tlačna razlika, velike rezerve - prevaja ves minutni volumen krvi. Pljučne arterije odvajajo kri iz desnega ventrikla. Dihalne poti in pljučne arterije se razcepijo vzporedno. Pri alveolih se žile razpredejo v pletež kapilar, kjer se plini lahko izmenjajo prek več sten alveolov. Premer kapilar je enak premeru eritrocita (kratka razdalja za difuzijsko izmenjavo - en mikrometer). Kapilarna stena pokriva 80 do 90 % stene alveolov. Čas prehoda eritrocita skozi kapilare je 1 sekundo (hemoglobin se oksigenira in odda se ogljikov dioksid). Iz kapilar kri potuje v pljučne venule in od tu v pljučne vene in v levo srce. Drevesasto razvejan sistem limfnih žil, lovi drenirano tekočino iz kapilar (neuspela absorbcija zaradi Starlingove filtracije). Kopičenje tekočine v intersticiju lahko vodi v pljučni edem. Limfne žile se iztekajo v sistemske vene in skrbijo, da so alveoli suhi. 1 Tlak in pretok krvi v pljučni cirkulaciji V pljučni cirkulaciji je krvni tlak 5 krat nižji od tistega v sistemski cirkulaciji. Pljučna cirkulacija ima veliko komplianco z nizko upornostjo. Desni ventrikel ustvarja v mirovanju tlak 25 mm Hg, ki postane pljučni sistolni tlak, ko kri potisne prek pljučne zaklopke. Diastolni tlak pljučne arterije je vsega 10 mm Hg. Srednji pljučni arterijski tlak pri odraslem človeku pa je 15 mm Hg. Pri naporu se srednji pljučni tlak zveča. 2 Sprememba tlaka med premikanjem srčnega katetra iz desnega atrija prek desnega ventrikla mimo pljučne zaklopke v pulmonarno arterijo, 3 Srednji pljučni arterijski tlak 15 mm Hg zadošča, da desno srce črpa kri skoraj do vrha pljuč. (1 mm Hg = 13.6 mm H2O; 15 x 13,6 = 204 mm H2O). Ta tlak zadošča, da je dobro prekrvljen le srednji in spodnji del pljuč. 4 Razmerje ventilacija-perfuzija Neoksigenirana kri priteče v alveole in se oksigenira, če so alveoli dobro prezračeni. Če predel pljuč ni prezračen, potem kri, ki odteka od alveola ni oksigenirana. Neoksigenirana kri, ki nastane zaradi regionalne hipoksije, se meša z oksigenirano v pljučnih venah, razen ko se zaradi hipoksemije zaprejo tudi pljučne žile dovodnice. Hipoksemija je stanje nizkega parcialnega tlaka kisika v krvi. Hipoksična vazokonstrikcija in lokalna ventilacija. Če je področje v pljučih slabo ventilirano, hipoksemija povzroči lokalno konstrikcijo (poveča upor za pretok krvi). Pretok krvi prek slabo ventiliranih področij pljuč je zmanjšan. Če se razvije hipoksemija zaradi bivanja na višini, pride do konstrikcije žil po vseh pljučih, zato naraste arterijski tlak v pljučnem krvnem obtoku. To povzroči boljšo perfuzijo kapilar v apeksu pljuč. Dolgotrajno povečanje pljučnega arterijskega tlaka je škodljivo za pljučne žile in tudi na desno srce, ki zaradi preobremenitve lahko odpove. 5 Aminorex (Menocil) je bil registriran kot zdravilo za zmanševanje apetita (Švica, Avstrija, Nemčija: 1965). Dostopen brez recepta. V teh državah se je pojavnost pljučne hipertenzije zvečala za 10-krat. 50 % bolnikov je imelo težo le 10 % večjo od idelane. V Švici je umrlo 31 bolnikov. Zdravilo so umaknili s tržišča 1972. 2 % vseh, ki so jemali zdravilo je zbolelo za pljučno hipertenzijo, kar kaže na genetsko nagnjenje. 6  Pennsylvania, 1993: Bolnik 1 - 39-letni moški: dispneja in sinkopa, pljučni arteriski tlak 56/20 mmHg (feb.) Bolnik 2 – 32-letna žena bolnika 1, isti znaki novembra. 60/38 mmHg Bolnik 3 – 28 letni nečak bolnika 1, sprejet v bolnišnico januarja, 75/30 mmHg Bolniki zanikali možnost zastrupitve. Kriminalisti našli v skednju laboratorij za proizvodnjo 4-metil-aminoreksa, ki je analog meth-ampetamina. 7 Sildenafil – (pirazolopirimidin) Pred manj kot 30 leti je bila prva učinkovina, ki selektivno zavira delovanje fosfodiesteraze tip 5, obetavno zdravilo proti angini pektoris. Kasneje je postala zdravilo proti erektilni disfunkciji (Viagra). Kasneje so sildenafil začeli uporabljati za zdravljenje pljučne hipertenzije (Revatio). Prožilci sinteze cGMP in vloga fosfodiesteraze (PDE5) pri razgradnji. Ta znotrajcelična signalna pot povzroči relaksacijo gladkih mišic žil, kar povzroči erekcijo (le ob vzdraženju) in vazodilatacijo v pljučih (stalno). Učinek prek stimulacije proteinske kinaze G (PKG), odpiranja kalijevih kanalov, in zmanjšanja koncentracije kalcijevih ionov. Tarča za sildenafil je PDE5. cGMP – ciklični gvanozin monofosfat; GMP, gvanozin monofosfat; GTP – gvanozin trifosfat; NO – dušikov monoksid. Ghofrani et al. Nature Reviews Drug Discovery 5, 689–702 (August 2006) | doi:10.1038/nrd2030 Časovnica mejnikov pri odkrivanju učinkov in uporabi sildenafila  Prilagajanje prekrvljenosti prezračenosti pljuč Pretok krvi (Q) v pljučni cirkulaciji se usmerja proti dobro prezračenim delom pljuč, običajno v spodnjih predelih. Širjenje pljučnih žil je uravnavano z lokalnim sproščanjem dušikovega monoksida (NO). Razširjeni alveoli in oksigenacija sprožijo izločanje NO. Zmanjšana prezračenost zniža raven NO in cGMP, kar povzroči vazokonstrikcijo (von Euler–Liljestrandov mehanizem). Pri uporabi neselektivnih vazodilatatorjev ali ob boleznih (npr. fibroza, sepsa, ARDS, KOPB) pride do širjenja žil tudi v neprezračenih delih pljuč, kar poslabša oksigenacijo krvi. Sildenafil pa povzroči vazodilatacijo le v prezračenih predelih pljuč, s čimer izboljša oksigenacijo. Rekrutacija kapilar in čas pretoka krvi Med fizičnim naporom se poveča minutni volumen srca, naraste tudi arterijski tlak v pljučnih arterijah, vodi v povečano perfuzijo apikalnega dela pljuč, kar ugodno deluje na razmerje perfuzija- ventilacija v celotnih pljučih; izboljša se izmenjava plinov in s tem tudi oksigenacija krvi. S povečanim fizičnim naporom je tudi pospešen pretok krvi prek kapilar. V normalnih razmerah je prehodni čas eritrocitov 1 s (do popolne oksigenacije pride že v 250 ms). Pri naporu se hitrost pretoka eritrocita približa četrtinki sekunde (večja oksigenacija krvi na časovno enoto). 12  Izmenjava in prenos plinov V alveolih se pretok zraka skoraj popolnoma ustavi. V tej fazi izmenjava plinov temelji le na difuziji, ki poteka vzdolž koncentracijskih gradientov. Difuzijske razdalje v alveolih so med 100 in 200 m. Te razdalje so za difuzijo plinov z lahkoto premagljive. 13 Parcialni tlaki in izmenjava plinov Po Daltonovem zakonu je atmosferski tlak enak vsoti parcialnih tlakov za sestavine plinske mešanice. Zrak sestavljata predvsem dušik in kisik, ki imata vsak svoj parcialni tlak ali tenzijo. Ker je za kisik frakcijska koncentracija 21 %, znaša parcialni tlak za kisik v zraku atmosferski tlak x 0.21 = 760 mm Hg x 0.21 = 160 mmHg. Razmerja med plinskimi mešanicami ostajajo konstantna. V pljučih se zrak navlaži. Vodni hlapi predstavljajo plin, ki ima parcialni tlak 47 mm Hg pri 37 °C. Nasičenost zraka z vodo je sorazmerna temperaturi. Zato je treba delež vodne pare upoštevati pri izračunu parcialnega tlaka kisika. Od 760 mm Hg (atmosferski tlak) odštejemo parcialni tlak vode (47 mm Hg). To razliko potem pomnožimo s frakcijsko koncentracijo kisika (0.21). Tako dobimo v zraku v trahejah le 149.2 mm Hg parcialnega tlaka kisika. 14  Navlažen zrak doseže respiracijsko cono, kjer se zmeša z zrakom, ki je že v alveolih in vsebuje veliko ogljikovega dioksida. Če upoštevamo še mešanje, potem je parcialni tlak kisika v alveolih le 104 mm Hg. Ta parcialni tlak kisika pa je dovolj, da omogoča premik kisika prek alveolarne stene v kapilarno kri. Difuzijski gradient je sprva enak 64 mm Hg (v pljučni arterijski krvi je parcialni tlak kisika enak le 40 mm Hg. Transport kisika z difuzijo poteka od alveola prek alveolarne stene (kapilarna stena) prek membrane eritrocita in do molekul hemoglobina. 15 Kisik se transportira s hemoglobinom Vsakih 100 ml krvi dostavi tkivom 5 ml kisika. Mladi odrasli potrebujejo 250 ml kisika na minuto. Srce mora vzdrževati minutni volumen 5 l/minuto. Minutna ventilacija znaša 7.5 l zraka /minuto. Iz tega zraka, kjer je parcialni tlak kisika 104 mmHg, se lahko prenese v kri vsako minuto 1000 ml kisika, ki potuje do tkiv. V venski krvi je pretok kisika 750 ml/minuto. V tkiva pa se absorbira 250 ml kisika na minuto, torej se v normalnih razmerah vsako minuto v pljučih privzame 250 ml kisika. 16  Med naporom poraba kisika naraste tudi do 12 krat. Torej 250 ml/min x 12 = 3000 ml kisika / minuto. Minutni volumen srca pa naraste na 20 l /minuto. Povečana dobava kisika ne bi bila možna, če se kisik ne bi vezal na hemoglobin. Če bi se po krvi prenašal kisik le v raztopljeni obliki, potem bi moral biti minutni volumen 1000 l/minuto. Če je parcialni tlak kisika visok, se molekula kisika rahlo veže na hem in tvori oksihemoglobin. Ko oksihemoglobin preide v področje, kjer je parcialni tlak kisika nižji, potem se molekule kisika sprostijo in potujejo z difuzijo v okoliško tkivo. Kapaciteta hemoglobina za vezavo kisika je veliko večja od kapacitete plazme za vezavo kisika. Približno 98 % kisika se v krvi prenaša s hemoglobinom. 17 Oksiformna kapaciteta krvi je sposobnost krvi vezati kisik (20 ml kisika na 100 ml krvi ali 20 volumskih procentov. Procent saturacije O2 predstavlja razmerje med vezanim kisikom na Hb in med oksiformno kapaciteto krvi. Ugotavljanje količine kisika v krvi: - Odstotek saturacije krvi ali (Hb) s kisikom. - Mililitri kisika na 100 ml krvi (volumski procent kisika). V normalnih razmerah, ko je alveolarni parcialni tlak kisika 100 mm Hg, je sistemska arterijska kri 97% saturirana s kisikom in količina kisika je 20 volumskih odstotov. Venska kri ima parcialni tlak kisika 40 mm Hg ali 75% saturacijo s kisikom. Količina kisika je enaka 15 volumskih odstotkov. Iz tega izračunamo, da se z vsakim 100 ml krvi odda 5 ml kisika. Med vadbo pade parcialni tlak kisika na manj kot 15 mm Hg. Zato se poveča gradient za dostavo kisika. Količina dobavljenega kisika se poveča iz 5 volumskih procentov na 16 volumskih procentov. Dostava kisika se potroji, ker se poraba kisika v metabolično aktivnih tkivih poveča. Transport kisika s hemoglobinom pospešijo nekatere razmere v tkivu. Zakisanost krvi pospeši oddajanje kisika. Disociacijska krivulja oksihemoglobina se premakne v desno, kar pospeši sproščanje kisika. Rahlo alkalno stanje pospeši vezavo kisika na hemoglobin. Take razmere so v alveolih, ko se parcialni tlak ogljikovega dioksida zmanjša. Zvišana temperatura pomakne krivuljo v desno. 2,3-bisfosfoglicerat 2,3-BPG je organofosfat iz eritrocitov; pomika krivuljo v desno (prilagoditev na višino). 19 CO2 se prenaša z hidrogenkarbonatnim ionom Ogljikov dioksid je dobro topen v lipidih in se transportira laže kot kisik. Zato se parcialni tlak ogljikovega dioksida v obtočilih manj spreminja (tudi v bolezenskih stanjih). Ker je vzdrževanje pH v telesu eden od parametrov, ki se natančno vzdržujejo, je pomembno, da se vzdržuje tudi stalnost parcialnega tlaka ogljikovega dioksida, ki je tesno povezan z vzdrževanjem acido-baznega ravnotežja v telesu. Pri normalnem človeku se v pljučih izdiha na minuto 4 volumske odstotke ogljikovega dioksida. Ogljikov dioskid se izplavlja iz tkiv v kapilare po treh poteh: prek hidrogenkarbonatnega iona (70%), prek vezave na hemoglobin (karbaminohemoglobin, 23%) in prek raztapljanja ogljikovega dioksida v plazmi (7%). 20  V eritrocitu se ogljikov dioksid veže z vodo, kjer nastane ogljikova kislina. To je počasna reakcija, ki pa jo pospeši encim karbonska anhidraza. V naslednji stopnji ogljikova kislina disociira na proton in na bikarbonatni anion. Ta izstopi prek membrane eritrocita v plazmo. Proton, ki pa ostane v eritrocitu, se veže na hemoglobin. Z izstopom bikarbonatnega iona v plazmo pa se v lumen eritrocita prenašajo kloridni ioni - kloridni premik. Eritrociti v venski krvi vsebujejo višjo koncentracijo kloridnih ionov. Drug mehanizem transporta ogljikovega dioksida je direktna vezava ogljikovega dioksida na hemoglobin (nastane karbaminohemoglobin). Ogljikov dioksid se veže na amino skupine neposredno na hemoglobin. Na ta način se po krvi prenaša med 15 do 30 % ogljikovega dioksida. Afiniteta vezave ogljikovega dioksida na hemoglobin se poveča, ko je hemoglobin v deoksigenirani obliki. Tretji mehanizem transporta ogljikovega dioksida pa je raztapljanje ogljikovega dioksida v plazmi (7 do 10 %). Vsi ti mehanizmi so reverzibilni in v pljučih sprostijo ogljikov dioksid, ki se izdiha. Koncentracijski gradient je v pljučih usmerjen proti razvezovanju ogljikovega dioksida. Normalno delovno območje disociacijske krivulje za ogljikov dioksid je v območju 40 do 46 mm Hg. Kapaciteta prenosa ogljikovega dioksida je v krvi veliko večja od tiste za kisik. Za ogljikov dioksid je okoli 50 volumskih odstotkov. Pri prehodu krvi prek tkivnih kapilar se vsebnost ogljikovega dioksida poveča na 52 volumskih odtsotkov. V arterielni krvi pa ta znaša le 48 volumskih odstotkov.  Fetalni in neonatalni krvni obtok Pred rojstvom pljuča ne opravljajo svoje funkcije izmenjave plinov. Fetus je odvisen od matere. Oksigenacijo krvi fetusa opravi placenta. Parcialni tlak kisika v fetalni krvi je nižji (25 do 30 mm Hg). Kri, ki nosi kisik, potuje prek umbilikalnih ven in arterij. Le 10 do 12 % oksigenirane krvi v fetusu potuje prek pljuč. Kri potuje v desni atrij in prek odprtine foramen ovale (med desnim in levim atrijem) v levo srce in od tu prek aorte v fetalno cirkulacijo. Pri fetusu je predvsem dobro prekrvavljena glava in zgornji del trupa. Spodnji del trupa pa prekrvavi kri, ki potuje v desno srce, od tu pa v pljučne arterije in prek duktusa arteriosusa mimo pljuč v spodnji del trupa. Približno polovica minutnega volumna krvi potuje prek placente. Po rojstvu (neonatalno) se dogodijo spremembe v krvožilju. Zapre se foramen ovale. Ko se prereže umbilikalna povezava, se poveča pretok skozi aorto in tlak naraste. Pljuča se razširijo in hipoksična vazokonstrikcija žil v pljučih upade. Tlak v levem atriju je višji kot v desnem, zato se foramen ovale prekrije z listom tkiva in na koncu zapre. Ductus arteriosus se zapre takoj po rojstvu, kar dokončno zapre razrast fibroznega tkiva. 24  25 Prirojene srčne napake: Duktus arteriosus po rojstvu lahko ostane odprt. To pomeni, da obstaja šant med levim in desnim krogotokom. Zaradi tega v pljučnem obtoku naraste tlak in lahko poškoduje pljučne arterije. Zaradi pljučne hipertenzije se lahko venozna kri preusmeri v sistemsko in povzroči hipoksemijo. Pri bolniku, kjer se duktus arteriosus ne zapre, lahko odpove desno srce. Srčno napako se odpravi kirurško. Diagnozo pa se postavi s poslušanjem trupa s stetoskopom. Prehajanje krvi skozi duktus arteriosus povzroča šume. 26