Анатомія та фізіологія

1. Анатомія

Дихальні шляхи

Верхні дихальні шляхи сформовані: носовою порожниною, ротовою порожниною, горлом та верхньою частиною гортані. В них вдихуване повітря зігрівається, зволожується та очищується. На рівні голосових зв’язок починаються нижні дихальні шляхи — трахея з бронхіальним деревом. Трахея розгалужується на 2 головних бронхи, що дальше діляться на часткові, сегментарні, субсегментарні, аж до дистальних бронхіол, що формуються після ≈16 розгалужень. З кожним поділом бронхи та бронхіоли стають вужчими та коротшими, їх число подвоюється та збільшується сумарна площа поперечного перерізу дихальних шляхів (рис. II.A.1-1). Бронхи та бронхіоли діаметром <2 мм це дрібні дихальні шляхи. Опір потоку повітря в цій ділянці становить невелику частину (10%) загального опору дихальних шляхів, тому хвороби в цій ділянці бронхіального дерева довго залишаються не діагностованими та проявляються тільки на пізніх стадіях. З дихальних бронхіол починається дихальна частина легень, тобто ділянка газообміну (рис. II.A.1-1). Дихальні бронхіоли переходять в альвеолярні ходи які закінчуються альвеолярними мішечками, що складаються з альвеол. Окрема термінальна бронхіола разом із дихальними бронхіолами які вона постачає, альвеолярними ходами та альвеолами утворюють ацинус (рис. II.A.1-2). Ацинус є основною функціональною одиницею легень, в межах якої відбувається газообмін. Від кількох до ≈30 ацинусів утворюють легеневі часточки , а вони утворюють легеневі частки — верхню, середню та нижню частки правої легені, а також верхню і нижню лівої легені.

В легенях нараховується 300–500 млн. альвеол , їх сумарна площа складає 70–80 м2. Альвеоли мають форму багатогранного мішечка, їх діаметр складає 200–250 мкм. Стінку альвеол формують капіляри, волокна сполучної тканини та пневмоцити I типу, що вистилають внутрішню поверхню альвеол. Пневмоцити першого типу — це клітини з дуже тонким шаром цитоплазми та великою поверхнею; вони прилягають безпосередньо до базальної мембрани. В альвеолах також знаходяться пневмоцити II та III типу, а також альвеолярні макрофаги.

Пневмоцити II типу секретують сурфактант — речовину, що знижує поверхневий натяг альвеол. Зв’язок поміж тиском в альвеолах (P), поверхневим натягом їх стінок (T) та їх радіусом (r) представлений в законі Лапласа – ΔP = 2T/r. Якщо розмір альвеоли зменшується, тиск в ній повинен зростати, а альвеоли малого розміру повинні колабувати. Цьому запобігає сурфактант , що зменшує поверхневий натяг залежно від об’єму легень. Функції сурфактанту:

1) зниження роботи яка потрібна для підвищення об’єму легень

2) стабілізація альвеол, тобто профілактика колабування малих альвеол під час видиху

3) профілактика набряку легень шляхом обмеження потрапляння в альвеоли рідини із судин та інтерстицію легень.

Інтерстиціальна строма легень

Дихальні шляхи, судини та альвеоли оточені інтерстиціальною стромою, яка виконує опорну функцію. Інтерстиціальна строма складається з основної речовини яка містить протеоглікани (формують желеподібну структуру, в якій знаходяться інші елементи строми), волокна сполучної тканини (колагенові еластичні та ретикулярні), а також різні клітини мезенхімального походження (фібробласти, міофібробласти та гладком'язові клітини). При патологічних станах в інтерстиціальній стромі можуть нагромаджуватись запальні клітини — лімфоцити, макрофаги, мастоцити, еозинофіли та нейтрофіли. Волокна сполучної тканини довкола альвеол розташовані таким чином, що під час вдиху не зазнають надмірного натягу, саме тому легеня дуже легко збільшує свій об’єм. Еластичні сили які виникають при збільшенні об'єму легень передаються від волокон сполучної тканини яка оточує альвеоли на волокна які оточують легеневі ацинуси і часточки, волокна які формують міждольові перетинки, оточують бронхіолярні- та бронхіолярно-судинні пучки аж до вісцеральної плеври. Цей механізм утримує прохідність дихальних шляхів (особливо малих дихальних шляхів, стінки яких не мають хрящів) під час видиху, тоді коли тиск який діє на стінки дихальних шляхів ззовні більший ніж тиск в їх просвіті.

Руйнування інтерстиціальної строми це один з патологічних процесів, що призводить до емфіземи легень. Пошкодження волокон сполучної тканини нівелює еластичні сили утримуючі прохідність малих дихальних шляхів, що призводить до їх передчасного закриття під час видиху, утворення повітряної пастки, а також статичної та динамічної гіперінфляції (роздування легень). В основі патомеханізмів інтерстиціальних захворювань легень лежать різноманітні запальні стани, порушення загоювання пошкоджень та фіброз.

Дихальні м’язи

Головним дихальним м’язом є діафрагма, яка кріпиться до 6 нижніх пар ребер, грудини та поперекових хребців. До обох куполів діафрагми спускаються діафрагмальні нерви, що виходять із шийного сплетення (C3–C5). Діафрагма при скороченні, опускається і сплющується, а завдяки зовнішнім міжреберним м’язам одночасно піднімаються ребра, що призводить до збільшення об’єму грудної клітки, зниження тиску в дихальних шляхах та вдиху. Водночас підвищується тиск в черевній порожнині. Додаткові дихальні м’язи це: драбинчасті та грудинно-ключично-соскоподібні м’язи. Експіраторні м'язи в основному представлені м'язами передньої черевної стінки, а також внутрішніми міжреберними м'язами. В нормальних умовах робота дихальних м’язів складає 1–2% від загального споживання кисню, натомість при важкій бронхообструкції — навіть до ≈30%.

2. Фізіологія

Дихання це процес обміну киснем та вуглекислим газом (CO2) між організмом та зовнішнім середовищем. Газообмін поміж атмосферою та кров’ю, що протікає через легені називається зовнішнім диханням, а газообмін на тканинному рівні поміж клітинами та кров’ю великого кола кровообігу — внутрішнім (тканинним) диханням.

Зовнішнє дихання включає 2 основних фізіологічних процеси: вентиляцію та газообмін. Перший визначається механічними властивостями грудної клітки і легень, а також функцією дихальних м’язів, а другий — площею альвеолярно капілярного бар’єру та відповідністю вентиляції до перфузії.

Регулювання вентиляції

Сукупність нейронів регулюючих дихання знаходиться довгастому мозку та мості. Їх функція це:

1) автоматична генерація дихального ритму

2) регулювання частоти та глибини дихальних рухів в залежності від отримуваних стимулів

а) механічних із рецепторів в легенях та грудній клітці

б) хімічних (PO2, PCO2, pH) з центральних та периферичних хеморецепторів (каротидні та аортальні тільця).

Імпульси з дихального центру передаються через спинний мозок, діафрагмальні та міжреберні нерви до діафрагми та міжреберних м’язів. Активність дихальних м’язів шляхом здійснення вентиляції регулює парціальний тиск кисню та CO2 артеріальної крові (PaO2 та PaCO2). Парціальний тиск газів крові постійно визначається та передається до дихальних центрів, що закриває петлю автономної регуляції дихання.

Також дихання можна свідомо, довільно регулювати за рахунок імпульсів з кори головного мозку.

Вентиляція

В фізіології дихання прийнято вважати, що атмосферний тиск має нульове значення. Тиск нижчий від атмосферного є від’ємним, а вище — додатнім. Повітря переміщається із місця з високим тиском в місце з низьким тиском. Вдих є наслідком активних дій дихальних м’язів. Активне скорочення дихальних м'язів знижує від'ємний тиск в плевральній порожнині, це призводить до того, що альвеолярний тиск стає нижчим від атмосферного, завдяки цьому повітря потрапляє в легені. Вдих триває доти, доки тиск який утворюється дихальними м'язами не вирівнюється з еластичним тиском легень. Спокійний видих є пасивним явищем. Дихальні м'язи перестають скорочуватись, еластичні сили легень викликають підвищення альвеолярного тиску вище атмосферного і повітря виходить з легень.

При спокійному диханні перепади альвеолярного тиску є дуже низькими (-0,5 см Н2О на вдосі, +0,5 см Н2О на видосі). Плевральний тиск залишається від’ємним на протязі цілого дихального циклу (-10 см H2O вдих, -5 см H2O видих). Опір дихальних шляхів залежить від їх довжини (прямо пропорційно) та діаметру (обернено пропорційно до радіусу бронха в четвертому ступені). Для конкретного відрізку дихальних шляхів їх 2-кратне подовження підвищує опір вдвічі, натомість зменшення просвіту на половину підвищує опір 16-кратно. Під час вдиху, внутрішньогрудний тиск, який діє на дихальні шляхи є більш від'ємним ніж в їх просвіті, тому бронхи розширюються. При інтенсивному видиху внутрішньогрудний тиск стає позитивним та перевищує внутрішньо бронхіальний, це призводить до стискання бронхів та зменшення їх просвіту. Динамічне стискання дихальних шляхів є причиною обмеження потоку повітря при інтенсивному видиху.

Кінець спокійного видиху є нульовою точкою дихальної системи, в якій дихальні м'язи релаксовані, а альвеолярний тиск дорівнює атмосферному.

Сила гравітації, а також форма грудної клітки та діафрагми призводять до того, що плевральний тиск відрізняється на різних рівнях легень. Альвеоли у верхніх частках легень більш розтягнуті та мають більший об'єм, тому в меншій мірі збільшуються в розмірі під час вдиху. Натомість альвеоли в нижніх частках легень зазнають більшого градієнту розтягування під час вдиху. Через це, вентиляція нижніх часток легень є більшою за вентиляцію верхніх часток. Іншим наслідком нерівномірного розподілу плеврального тиску є взаємодія з дихальними шляхами. При видиху на бронхіоли в базальних відділах легень діє більший тиск, тому бронхіоли в базальних відділах закриваються раніше від вище розташованих. Тому в нижні частини легень потрапляє більша частина повітря під час вдиху, але вони більш схильні до колабування при видиху та переривання потоку повітря при малому об'ємі легень.

Газообмін

У верхніх дихальних шляхах повітря насичується водяною парою, тому парціальний тиск складає різницю поміж атмосферним тиском (≈760 мм рт.ст.) та тиском водяної пари при температурі 37°C (47 мм рт.ст.) та складає 713 мм рт.ст. На кисень припадає 21% атмосферного повітря, тому парціальний тиск кисню у вдихуваному повітрі становить 150 мм рт.ст. (21% від 713 мм рт.ст.).

Частина вдихуваного повітря залишається в дихальних шляхах які не беруть участі в газообміні та становлять анатомічний мертвий простір (≈150 мл). У вентильованих, але не перфузованих альвеолах газообмін не відбувається — це так званий альвеолярний мертвий простір. Обидва мертвих простори — анатомічний та альвеолярний — разом утворюють фізіологічний мертвий простір (VD). У здорових людей фізіологічний мертвий простір за об'ємом тільки незначно перевищує анатомічний та становить 25–35% від об'єму окремого вдиху. Об'єм повітря в альвеолах, що бере участь в газообміні на протязі 1 хв становить альвеолярну вентиляцію. При середній частоті дихання 12/хв хвилина вентиляція (об'єм повітря, що вдихається протягом 1 хв) складає 6 л, а альвеолярна 4 л.

Гази крові проникають крізь капілярно-альвеолярний бар'єр відповідно до градієнту концентрацій парціальних тисків (рис. II.A.2-1). Єдиним шляхом виведення CO2 з організму є легені. Парціальний тиск CO2 прямо пропорційний до його утворення, та обернено пропорційний до альвеолярної вентиляції. Нормальний парціальний тиск CO2 в альвеолах (PACO2) і в артеріальній крові (PaCO2) становить ≈40 мм рт.ст., а в венозній крові 45–47 мм рт.ст. Гіпервентиляція — це вентиляція яка перевищує метаболічні потреби та призводить до зниження PaCO2. Гіповентиляція це вентиляція, що занадто низька по відношенню до рівня метаболізму, та призводить до підвищення PaCO2. Зростання VD призводить до зниженням альвеолярної вентиляції, за умови, що не відбувається підвищення хвилинної вентиляції. При багатьох захворюваннях основний механізм виникнення дихальної недостатності пов'язаний зі збільшенням VD, що не може компенсуватись підвищенням хвилинної вентиляції.

Поміж альвеолярною вентиляцією та фракцією кисню, що абсорбується з альвеол існує обернено пропорційна залежність. Зниження альвеолярної вентиляції призводить до підвищення фракції кисню, що абсорбується з альвеол. Порушення функції легень призводить до наростання різниці між парціальним тиском кисню в альвеолах (PAO2) та парціальним тиском кисню в артеріальній крові (PaO2). Нормальна PAO2 становить ≈100 мм рт.ст., PaO2 75–100 мм рт.ст., а парціальний тиск кисню венозної крові (PvO2) 35–40 мм рт.ст.

Транспорт газів кров'ю

Кисень і CO2 транспортується кров'ю в наступних формах:

1) розчиненій

2) зв'язаній з білками

3) хімічно трансформованій.

Кількість розчиненого в крові кисню є дуже маленькою (3 мл/л), а основним засобом транспорту O2 є гемоглобін (Hb). Наведене у відсотках насичення Hb киснем (сатурація) визначає, яка кількість доступних місць зв’язування зайнята. Зв'язок поміж парціальним тиском кисню та кількістю гемоглобіну зав’язаного з киснем може бути зображений кривою дисоціації гемоглобіну (рис. II.A.2-2). Ця крива має форму літери S. В нормальному діапазоні PaO2 крива має плоску форму, і це означає, що помірне зниження PaO2 призводить лише до мінімального зниження кількості гемоглобіну зв’язаного з киснем. В діапазоні значень парціального тиску кисню венозної крові (PvO2) крива дисоціації має круту форму, що означає більш легку дисоціацію та надходження кисню з крові в тканини. Фізіологічні фактори, що впливають на здатність Hb зв'язувати кисень:

1) pH

2) PCO2

3) температура.

Їх підвищення зміщує криву дисоціації вправо. Особливе значення відведене PCO2. Зв'язування CO2 з Hb в тканинах одночасно зменшує спорідненість Hb до кисню, що одночасно полегшує його дисоціацію. Зворотній процес відбувається в легенях. Дисоціація CO2 з Hb підвищує здатність останнього до зв'язування кисню, що полегшує дифузію кисню в кров. На спорідненість Hb до кисню додатково впливає концентрація 2,3-дифосфогліцерату в еритроцитах. Зростання його кількості внаслідок гіпоксії погіршує його зв'язування з Hb.

У здорових людей рівновага поміж PaO2 та PAO2 не встановлюється тому в нормі присутній альвеолярно-капілярний кисневий градієнт. Фактори які впливають на значення цього градієнту це дифузія, потік та співвідношення поміж вентиляцією і потоком.

CO2 дифундує з капілярної крові в альвеоли до моменту встановлення повної рівноваги PaCO2 та PACO2. Залежність поміж концентрацією CO2 в крові та PCO2 є майже лінійною в діапазоні значень поміж артеріальним та венозним PCO2 (40–47 мм рт.ст.). Тому організм пристосований до легкої елімінації CO2 при невеликій різниці парціальних тисків, що дозволяє утримувати низький градієнт pH між венозною та капілярною кров'ю. CO2 транспортується кров'ю в формі:

1) розчиненій (6%)

2) зв'язаній з Hb (4%)

3) бікарбонатів HCO3– (90%).

Взаємозв’язок поміж вентиляцією та легеневою перфузією

Середнє відношення вентиляції до перфузії становить 0,8 (4:5 л/хв). В нормальних умовах, в основному за рахунок дії сили гравітації, перфузія базальних відділів легень є більшою ніж верхівок (1,3 vs 0,07 л/хв). Так само вентиляція базальних відділів є більшою ніж верхніх (0,82 vs 0,24 л/хв), Однак різниця перфузії переважає різницю вентиляції цих відділів. Значення співвідношення вентиляції до перфузії (V̇A/Q̇̇) є низьким в базальних відділах (0,63), та високим в верхніх відділах (3,3).

Якщо V̇A/Q̇ знижується до нуля (що відповідає перфузії невентильованої альвеоли), то PAO2 знижується до значень змішаної венозної крові (35–40 мм рт.ст.). Погано оксигенована кров з недостатньо вентильованих ділянок призводить до артеріальної гіпоксемії. Якщо альвеоли не перфузуються, то кисень не може зв'язуватись, а CO2 виводитись. При порушенні перфузії (напр. тромбоемболії легеневої артерії) значення V̇A/Q̇ зростає, а склад альвеолярного повітря наближається до складу атмосферного повітря (78% азот, 21% кисень, інші гази [включно з CO2] 1%) тому неефективна вентиляція нагадує вентиляцію мертвого простору. Форма кривої дисоціації гемоглобіну ілюструє те, що підвищення PAO2 >100 мм рт.ст. лише незначно підвищує концентрацію кисню в крові. Це означає, що ділянки із високим V̇A/Q̇ не компенсують дефіцит кисню ділянок із низьким V̇A/Q̇. В нормально перфузованих та вентильованих альвеолах Hb насичується повністю, тому підвищення концентрації PAO2 не призводить до значимого підвищення кількості кисню в крові. Додатково, перфузія крові через альвеоли із високим V̇A/Q̇ знижена, що ще більше ускладнює корекцію гіпоксемії. Порушення V̇A/Q̇ також впливає на виведення CO2, однак наростання PaCO2 призводить до збільшення хвилинної вентиляції, що стимулює виведення CO2 із альвеол як з високим так і з низьким V̇A/Q̇ та нормалізує PaCO2. Зростання вентиляції підвищує концентрацію кисню в крові, що відтікає від альвеол з низьким V̇A/Q̇, однак незначно впливає на функцію альвеол із високим V̇A/Q̇. Як наслідок підвищення вентиляції вирівнює PaCO2 та покращує (хоч і не повністю нормалізує) PaO2.

Рисунок 5.