Respirace, 5..8 / 8 Toto je v jakékoliv formě (PPT, PDF, atd.) neoficiální výukový materiál Respirace, 5..8 / 8

Respirace, hemoglobin, erytrocyt Toto je v jakékoliv formě (PPT, PDF, atd.) neoficiální výukový materiál Respirace, hemoglobin, erytrocyt

Respirace, = převážně mikroskopické a biochemické procesy, 1/ 2, plíce

Respirace, = převážně mikroskopické a biochemické procesy, 2/ 2, periferie

Transport CO2 z krve do plic

Transport CO2 z tkání do krve Chloridový posun v ERY výměna bikarbonátu za chlorid

Difúze transport kyslíku a oxidu uhličitého alveolo-kapilární membránou. Velikost difúze je: ·        přímo úměrná difúzní ploše ·        přímo úměrná koncentračnímu gradientu – rozdílu parciálních tlaků plynů na obou stranách membrány ·        přímo úměrná difúzní konstantě – závisí na vlastnostech plynu (především na jeho rozpustnosti v prostředí – pro CO2 je asi 25x větší než pro O2) ·        nepřímo úměrná tloušťce membrány – vzdálenost, kterou musí plyn překonat

Difúzní kapacita plic je množství vzduchu ventilovaného při 1 mmHg tlakového gradientu během 1 min normální hodnota je: 21 ml/ mmHg/ min difúzní kapacita se zvětšuje při cvičení až na 65 ml/ mmHg/ min: dilatace bronchů a lepší perfúze plic

Ery u alveolo-kapilární membrány

Rovnice difúze Rovnice difúze: Q=D.A.dC/L, Q=tok,D=konst., A=průřez, L=délka dC=konc. rozdíl

Difuze, perfuze, krevní plyny Difúze, perfúze, krevní plyny a/ Krevní plyny (paO2, paCO2) a pH b/ Parciální tlaky dýchacích plynů v alveolech (pAO2, pACO2; P(A-a)O2), art, arteriální, ALV, alveolární c/ Střední tlak v a. pulmonalis PAP < 20 mmHg [2.67kPa]; PAP =15-30/5-13 mmHg) - měření plicních tlaků: Swan-Ganzovým katetrem (Chronická) plicní onemocnění provázená hypoxémií zvyšují rezistenci plicního řečiště později se plicní odpor zvyšuje autonomně tím se zvyšuje zátěž pravého srdce d/ Ventilační a perfúzní scintigrafie

Difúzi omezuje: Transport plynů O2 CO2 CO N2O Alveolo-kapilární Difúzní plicní kapacita pro CO (0.3 %), nebo O2, (DLCO; DLO2 = 1.23 × DLCO),CO2,N2O (Jeden nádech, 10 vteřin zadržet, potom výdech.) Nižší při: a) Ztluštění alveolokapilární membrány (fibróza...) b) Destrukce alveolokapilární membrány (emfysém..) c) Anémii Difúzi omezuje: Transport plynů O2 CO2 CO N2O Alveolo-kapilární Membrána + - HB a objem krve Cirkulace

Množství O2 a CO2 přenášené přes alveolokapilární bariéru závisí na: Difúzní blok je způsoben ztluštěním alveolo-kapilární bariéry Množství O2 a CO2 přenášené přes alveolokapilární bariéru závisí na: velikosti výměnné (difúzní) plochy rozdílu v parciálních tlacích na obou stranách difuzní plochy difuzním koeficientu (je vyšší pro CO2 než pro O2) difuzní vzdálenosti (tloušťce alveolo-kapilární bariéry)

sériové zapojení – stejný Plicní oběh ·        nutritivní oběh – slouží k výživě plicní tkáně, tvoří 1 - 2% minutového srdečního objemu, je součástí systémové cirkulace a přivádí do plic okysličenou krev ·        funkční oběh – je charakteristický nízkým tlakem a odporem v plicním cévním řečišti oběh plicní systémový regulace lokální (↓O2 - konstrikce)↑ centrální (↓O2 - dilatace) odpor malý velký tlak 3,3kPa 13 kPa objem krve sériové zapojení – stejný Filtrace tekutiny malá velká

Poměr ventilace/ perfúze 1/ 2

Plicní hemodynamika Zóna 1: alveol. tlak > kapilární tlak a krev kapilárou neproteče Zóna 2: alveol. tlak < kapilární tlak (v diastole): intermitentní průtok Zóna 3: alveol. tlak < kapilární tlak: souvislý průtok

Westovy zóny ... Wild Wild West ...

Ventilace/ perfúze a patologie 2/ 3 Alveolární hypoxie je příčinou plicní hypertenze Alveolární hypoxie (nízký pAO2) snižuje průtok krve v postižených částech plic a vyvoláním vazokonstrikce přesměruje průtok krve do částí plic s vyššími hodnotami pAO2 Alveolární hypoxie tak způsobuje reaktivní plicní hypertenzi (dobře reaguje na oxygenoterapii dokud se „nefixuje“) Chronická plicní hypoventilace (chronické bronchitida, plicní emphyzém) proto může způsobit hypertrofii a následně i dilataci pravé srdeční komory (cor pulmonale)

Poměr ventilace/ perfúze 3/ 3, (to jsou pěkné šachy)

Plicní zkrat (1) Krev protékající plícemi se musí „setkat“ s alveolárním vzduchem. Pokud k tomu nedojde, mluvíme o plicním zkratu.

Plicní zkrat (2) Krev protékající plícemi se musí „setkat“ s alveolárním vzduchem. Pokud k tomu nedojde, mluvíme o plicním zkratu fyziologický plicní zkrat (2 %) patologický plicní zkrat (až 50 %) Toto připomíná funkčně pravo-levý cirkulační zkrat u srdečních vad Pojem „plicní zkrat“ znamená analogii k poruše, která má stejný funkční důsledek, ve skutečnosti není přítomen žádný anatomický zkrat v cirkulaci

Disociační křivka oxy-hemoglobinu SaO2 [%] 100 50 ml O2/L 75 50 25 40 104 pO2 [mmHg]

Bohrův efekt SaO2 [%] nízké pH víc 2,3-DPG vyšší teplota vyšší pCO2 posun doprava a dolu PO2 [mmHg]

Transport O2 (200 ml/l krve) volně rozpuštěný v krvi (3%) navázaný na hemoglobin: oxyhemoglobin vazba mezi Hb a O2 je volná když: vyšší teplota vyšší pCO2 nižší pH víc 2,3-difosfoglycerátu - silnější metabolizmus (produkt glykolýzy v ERY) 156 g/l hemoglobinu x 1.3 ml kyslíku na 1 molekulu hemoglobinu je asi 204 ml kyslíku v 1l krve

Transport CO2 Transport CO2 (40 ml/l krve) volně rozpuštěný v krvi (3 ml/l krvi, asi 7%) navázaný na Hb: karb-amino-hemo-globin (23%) ve formě bikarbonátů (70%)

Esovitý tvar disociační křivky vazby kyslíku na HB

Disociační křivky Hemo-GB a Myo-GB, CO2, oxid uhličitý vs. CO, oxid uhelnatý

Krevní plyny – součást acidobazické rovnováhy Vyšetření krevních plynů (podle Astrupa) pH 7,36-7,44 PaO2 9,9-14,4 kPa PaCO2 4,8-5,9 kPa BE ±2 mmol/l BBS 48 ±2 mmol/l Standardní bikarbonáty 24 mmol/l

Respirace a acidobazická rovnováha

Regulace Toto je v jakékoliv formě (PPT, PDF, atd.) neoficiální výukový materiál Regulace

NASTAVENÍ REGULACE RESPIRAČNÍHO APARÁTU zvýšit partO2 v krvi nad 12.6 kPa = 95 mmHg snížit partCO2 v krvi pod 5.25 kPa = 40 mmHg

Mechanizmy ovlivňující dýchání periferní (zejména p02) a centrální (zejména pCO2) Dráždění plicních mechanoreceptorů (tahových receptorů) při nádechu tlumí další nádech (Heringův-Breuerův inflační reflex) Deflační reflex (aktivně vydechnuté plíce) stimuluje inspirium Dráždění svalových vřetýnek, Golgiho šlachových tělísek Změny systémového tlaku – zvýšení tlaku – pokles ventilace a naopak Bolest stimuluje dýchání Hormonální vlivy – stimulační vliv progesteronu

Periferní chemoreceptory kartotická tělíska sinus caroticus citlivost na pO2, pCO2 (méně) a H+ velká rychlost odpovědi na pO2 50 100 25 75 pO2 [mmHg] Maximální odpověď chemoreceptorů [%] a. carotis communis aortální tělíska arcus aortae srdce

Centrální chemoreceptory VI Pons V VII VIII Ventrolaterální povrch prodloužené míchy IX X Pyramis XI XII Centrální chemorecepční zóna reagují na koncentraci H+ a CO2

Regulace dýchání Pneumotaxické centrum Apneustické centrum (inhibováno CO2 Dorzální skupina (nc. tractus solitarius), generátor rytmu, inspirační neurony Ventrální skupina nc. ambiguus exspirační neurony k respiračním svalům

Ondinina kletba Ondina (Undine) vodní víla německé mytologie, jejíž manžel nesměl usnout, ve spánku přestával dýchat centrální hypoventilační syndrom selhání automatického dýchání spánková apnoe léze v oblasti dýchacích center ztráta vagových nebo chemotaktických vstupů na úrovni mozkového kmene

Volní a mimo-volní řízení ventilace 1/ 3

Volní a mimo-volní řízení ventilace 2/ 3

Volní a mimo-volní řízení ventilace 3/ 3

Centrální chemoreceptory Respirační neurony v prodloužené míše Kapilární krev Centrální chemoreceptory Respirační neurony v prodloužené míše Změna dýchání HEB hemato-encefalická bariéra

Alveolární pALVCO2 v závislosti na ventilaci V(T) (VT=VD+VA )

Arteriální hypoxie stimuluje respirační centra 1/ 2 Arteriální hypoxie (nízký partO2) stimuluje respirační centra signalizací z periferních chemoreceptorů (glomus caroticum, corpus aorticum) Toto je zásadní přepojení signálu pro řízení plicní ventilace, která normálně závisí na hladině CO2 jako na produktu metabolismu (regulovaná veličina je pH krve)

Arteriální hypoxie stimuluje respirační centra 2/ 2 Toto přepojení signálu pro řízení plicní ventilace, u pacientů s nízkým partO2 činí tyto pacienty více citlivými na podávání kyslíku Paradoxně se tak může zhoršit alveolární hypoventilace při kyslíkové terapii A toto může vést k dramatickému zhoršení hyperkapnie a respirační acidózy

CO2 measurement by Keeling

Poruchy Výšková nemoc Kesonová nemoc Hypoxie Toto je v jakékoliv formě (PPT, PDF, atd.) neoficiální výukový materiál Poruchy Výšková nemoc Kesonová nemoc Hypoxie

S rostoucí nadmořskou výškou tlak vzduchu klesá exponenciálně Výška Atm. tlak pO2 0 m 760 mm Hg 150 mm Hg 5 500 m 380 mm Hg 70 mm Hg 8848 m 253 mmHg 43 mm Hg 19 000 m 47 mm Hg 0 mm Hg

Equipartition principle Je vysvětlení, proč je vzduch ve výšce řidší, než na hladině moře.

Pobyt ve výškách vyšších než 2000 m nad hladinou moře Atmosférický tlak je < 80 kPa

Výstup na Mount Everest...

Barometric pressure drop High Altitude Hypoxia Climbing Barometric pressure drop Fall PO2 in inspired air Fall alveolar PO2 PO2 v inspir. vzduchu PAO2 - aklimatizovaní Fall arterial PO2 PO2 v inspir. vzduchu PAO2 – akutní expozice PAO2 – fully acclimated PAO2 – acute exposition 50

Barometric pressure drop High Altitude Hypoxia Climbing Barometric pressure drop Fall PO2 in inspired air Fall alveolar PO2 Fall arterial PO2 Respiratory centre stimulation SO2 O2 release O2 release Hyperventilation Hypocapnia pO2 Alkalosis Impairment of oxygen release in tissue Shift of oxyhemoglobin saturation curve to left 51

Barometric pressure drop Increase of oxygen release in tissue High Altitude Hypoxia Climbing Barometric pressure drop Increase of oxygen release in tissue Fall PO2 in inspired air Hypoxia improvement Shift of oxyhemoglobin saturation curve to right Fall alveolar PO2 Fall arterial PO2 ADAPTATION Respiratory centre stimulation SO2 Blood acidification O2 release O2 release Hyperventilation Kidney response to alkalemia: increase of bicarbonate excretion Hypocapnia pO2 Alkalosis Impairment of oxygen release in tissue Shift of oxyhemoglobin saturation curve to left 52

Barometric pressure drop Increase of oxygen release in tissue High Altitude Hypoxia Climbing Barometric pressure drop Increase of oxygen release in tissue Fall PO2 in inspired air Hypoxia improvement Shift of oxyhemoglobin saturation curve to right Fall alveolar PO2 Fall arterial PO2 ADAPTATION Respiratory centre stimulation Blood acidification Decrease bicarbonate resorption in proximal tubule, bicarbonate excretion increases Hyperventilation Kidney response to alkalemia: increase of bicarbonate excretion Hypocapnia Acetazolamid Alkalosis Impairment of oxygen release in tissue Shift of oxyhemoglobin saturation curve to left 53

Barometric pressure drop Increase of oxygen release in tissue High Altitude Hypoxia Climbing Barometric pressure drop Increase of oxygen release in tissue Fall PO2 in inspired air Hypoxia improvement Shift of oxyhemoglobin saturation curve to right Fall alveolar PO2 ADAPTATION Fall arterial PO2 Erythropoetin production Hematocrit increase Respiratory centre stimulation Stimulation of hemopoiesis Blood acidification Hyperventilation Hemoconcentration Hyperventilation water loss Kidney response to alkalemia: increase of bicarbonate excretion Hypocapnia Dehydration Alkalosis Impairment of oxygen release in tissue Shift of oxyhemoglobin saturation curve to left 54

HEADACHE, INSOMNIA, ANOREXIA, TIREDNESS High Altitude Hypoxia HEADACHE, INSOMNIA, ANOREXIA, TIREDNESS Intracerebral hypertension Hypoxia Brain vasodilatation Flow increase Brain vasiconstriction (hypocapnic brain vasoconstriction lasts only 2-3 days) Hypocapnia 55

Výšková hypoxie Akutní vysokohorská nemoc Kombinace hypoxémie a respirační alkalózy Bolesti hlavy, únava, nevolnost, nauzea, palpitace, nespavost, anorexie Chronická vysokohorská nemoc U lidí trvale žijících ve vysokých nadmořských výškách Hypoxémie, polycytémie Únava, snížená tolerance vůči zátěži

1. fáze aklimatizace 2. fáze aklimatizace Hyperventilace Hypokapnie Alkalóza Pokles ventilační frekvence Eliminace/ recyklace bikarbonátu renální exkrecí 2-3 dny 2. fáze aklimatizace Zvýšení tvorby červených krvinek

Riziko vzniku plicního edému ve velkých výškách Alveolární hypoxie Pulmonární vazokonstrikce Vzestup arteriálního tlaku v plicích (+ zvýšená viskozita krve v důsledku zvýšeného počtu erytrocytů) Hypertrofie pravého srdce Plicní edém POMOC: sestup do nižších nadmořských výšek, a/ nebo podání kyslíku

Potápění Na 10 m hloubky vzestup tlaku o 1 atm, relativně nejnebezpečnější prvních 10 metrů! Při vynořování nebezpečí z dekomprese Při sestupu do hloubek stoupá tlak – difúze N2 do tkání Při vynořování klesá tlak – difúze N2 do krve Symptomy: bolest kloubů, zhoršené vidění, ztráta sluchu, poruchy rovnováhy…(kolaps, smrt) Příčina: bubliny dusíku v cévách CNS Dekomprese v kabinách letadel Narkotický účinek N2 (při vyšším tlaku) v 50-ti metrech – euforie, úzkost (N2 rozpustný v tucích) Toxicita O2 pod 50 m (pO2 > 1 atm)

Rizika spojená s vynořováním z_hloubek při zádržení dechu Při vynořování nutno vypouštět vzduch z_plic – hrozí ruptura plic a vzduchová embolie Zádrž dechu při vynořování Klesající okolní tlak Expanze vzduchu v plicích Vzduch uniká do malých pulmonárních cév Do mozkového a koronárního oběhu Pomoc: re-komprese

Rizika spojená s potápěním se zádržením dechu v mělkých vodách Riziko ztráty vědomí Hyperventilace před ponořením, pokles pCO2 Pokles pO2 na kritickou úroveň pO2 stimuluje nádech Počátek vynořování ALE klesající okolní tlak sníží alveolární a arteriální tlak pO2 pod kritickou hodnotu Ztráta vědomí

Akutní otrava oxidem uhelnatým Koncentrace Symptomy 35 ppm (0.0035%) Bolest hlavy, závratě, dlouhodobá expozice přes 6-8 hod je možná 100 ppm (0.01%) Slabá bolest hlavy po době účinku 2-3 hod 200 ppm (0.02%) Ditto plus kognitivní poruchy ============= 400 ppm (0.04%) ================================================== Bolest hlavy, nástup během 1-2 hod 800 ppm (0.08%) Obluzení, závratě, křeče do 45 min; bezvědomí do 2 hod (700 ppm – atmosféra na Marsu) 1,600 ppm (0.16%) Závratě, křeče, žízeň (vodouch) a tachykardie, do 20 min. Smrt do 2 hod. 3,200 ppm (0.32%) Závratě, křeče, obluzení za 5-10 min. Smrt do 30 min. 6,400 ppm (0.64%) Závratě za 1-2 min. Křeče, zástava dýchání. Smrt do 20 minut. 12,800 ppm (1.28%) Bezvědomí po 2-3 vdeších. Smrt do 3 min.

Umělá ventilace na JIP Case study: poly-radiculo-neuritis Guillain-Barre acute inflammatory demyelinating polyneuropathy disorder of the peripheral nerves attack of the myelin sheath of nerves by antibodies or white blood cells rapid onset of ascending paralysis begins with weakness and/or abnormal sensations of the legs and arms breathing muscles may be so weakened following gastrointestinal or respiratory viral infections

Umělá ventilace/ ambuvak/ železné plíce Ventilation can be delivered via: -Hand-controlled ventilation such as: Bag-Valve-Mask Resuscitator Continuous-flow or Anaesthesia (or T-piece) bag -A mechanical ventilator. -Iron lung (this is a historical type of mechanical ventilator)

v organismu nebo některých tkáních HYPOXIE Je nedostatek kyslíku v organismu nebo některých tkáních Poškození hypoxií vzniká v důsledku nedostatku ATP v buňkách Buněčný senzor: hypoxia inducible factor (HIF) – transkripční faktor

Hypoxie - kompenzační odpověď Na úrovni buněk a tkání: Na úrovni organismu: Zvýšení anaerobní glykolýzy a příjmu glukózy, důsledek ↑ laktát (metabolická acidóza) Aktivace angiogeneze ↑ EPO Aktivace faktorů, rozpoznávajících buněčné poškození (p53), repair ↑ VENTILACE ↑TEPOVÉ FREKVENCE ↑2,3 DPG v erytrocytech, HB lépe uvolňuje kyslík do tkání ↑EPO, počet erytrocytů a Hb

Dělení hypoxií Dle příčiny: Dle průběhu: fulminantní (náhlé přerušení cirkulace díky fibrilaci komor, masivní embolizaci, dušení), nebo chronická Dle lokalizace: systémová (například plicní onemocnění, anemie, intoxikace CO, chronické selhávání srdce) a lokální (trombóza, poranění, tumor). Výšková (s nízkou frakcí kyslíku, popř. environmentální) Respirační (hypoxická, hypoxémická) – choroby plic, a.-v. zkraty Cirkulační (ischemická, stagnační) Anemická (transportní) Histotoxická

Hypoxie respirační (hypoxická) Hypoxie výšková O2 CO2 pO2 ledviny erytropoetin Kostní dřeň erytropoeza Hypoxie respirační (hypoxická) Hypoxie cirkulační (ischemická) Hypoxie anemická Hypoxie histotoxická Cukry Tuky Bílkoviny + O2 CO2 H2O mitochondrie buňka mitochondrie 69

Některé příčiny hypoxie Plicní onemocnění Snížená ventilace Útlum dýchacího centra, ↓CO2, úrazy, pneumotorax, obrny dýchacích svalů Překážka v dýchacích cestách, dušení CHOPN, astma Snížená perfúze Embolie do plicnice Snížená difúze Pneumonie, infekce Ztluštění alveolo-kapilární membrány Poruchy cirkulace Vrozené vady s pravolevým zkratem Nízký minutový výstup srdeční (vady chlopní, srdeční selhání) Oběhový šok (hypotenze) Lokální zástava cirkulace Trombóza a embolie Edém mozku (útlum srdeční činnosti) Arterio-venózní zkrat

Hypoxie Laboratorní vyšetření: Klinické příznaky: Zvýšení ventilace Zvýšení tepové frekvence Cyanóza, bledost Zvýšený hematokrit (hypoxická hypoxie) Zvýšená únavnost, slabost, závratě Snížení mentální výkonnosti Poruchy vědomí, koma Hematokrit, hemoglobin, parametry červených krvinek Hodnoty pO2, pCO2 a ABR (arteriální krev), saturace hemoglobinu kyslíkem – pulsní oxymetrie TK, pulz, ergometrie, hodnoty laktátu v krvi

Parciální respirační insuficience (1. typu, hypoxemická) ↓ pO2 ; pCO2 normální nebo dokonce lehce ↓ Příčiny: Ventilačně perfuzní nerovnováha charakteru plicních zkratů (oblasti se ↓ ventilačně-perfúzním poměrem a plicní zkraty). Astma – středně silný záchvat ChOPN – zvláště typu chronická bronchitis (blue bloater) Alveolární edém (část plic) (ARDS) Porucha difúze (kyslík difunduje hůře) Plicní fibrózy Silikóza Hypersensitivní alveolitis (např. tzv. farmářská plíce) Systémové fibrózy (SLE) Sarkoidóza Intersticiální plicní edém

Globální respirační insuficience (2. typu, ventilační) ↓ pO2 ; ↑ pCO2 = respirační acidóza Příčiny: Snížení alveolární ventilace (VA) Pokles aktivity dechového centra pneumotorax, obrny dýchacích svalů ChOPN – těžká ChOPN, zvláště charakteru Emfyzému Astma – těžký záchvat Ventilačně perfuzní nerovnováha charakteru mrtvého prostoru (oblasti se ↑ ventilačně-perfúzním poměrem a patologický mrtvý prostor) Plicní embolie (submasivní a masivní) Emfyzém v pozdních stadiích (zhoršení kompenz. emfyzému = pink puffer)

Krevní plyny – součást acidobazické rovnováhy Vyšetření krevních plynů (podle Astrupa) pH 7,36-7,44 PaO2 9,9-14,4 kPa PaCO2 4,8-5,9 kPa BE ±2 mmol/l BBS 48 ±2 mmol/l Standardní bikarbonáty 24 mmol/l

PCO2 torr Base Excess mmol/l 90 pH=7,1 pH=7,2 pH=7,3 pH=7,37 pH=7,43 80 pH=7,5 3-5 dní 70 Akutní respirační acidóza Max. renální kompenzace pH=7,6 60 Max. respir. kompenzace 50 6-12 hodin Akutní metabolická acidóza Akutní metabolická alkalóza 40 30 6-12 hodin Max. resp. kompenzace respirační alkalóza Akutní Max. renální kompenzace 20 10 -25 -20 -15 -10 -5 5 10 15 20 25 30 Base Excess mmol/l 75