Fizjologia regulacji oddychaniaOdpowiedź oddechowa na hipoksję

Fizjologia regulacji oddychaniaOdpowiedź oddechowa na hipoksję

Monika Franczuk

Wojskowy Instytut MedycznyWarszawa 2013

Monika Franczuk

Wojskowy Instytut MedycznyWarszawa 2013

Zakład Fizjopatologii Oddychaniaim. prof. Antoniego Koziorowskiego

Instytut Gruźlicy i Chorób Płuc

OddychanieOddychanie

Utrzymanie prawidłowego składu gazometrycznego krwi: prawidłowego pH, prężności tlenu (PaO2) i prężności dwutlenku węgla (PaCO2) we krwi tętniczej i płynie mózgowo-rdzeniowym

Dostosowanie wentylacji i wymiany gazowej do aktualnego zapotrzebowania ustroju

układ regulacji oddychania

Utrzymanie prawidłowego składu gazometrycznego krwi: prawidłowego pH, prężności tlenu (PaO2) i prężności dwutlenku węgla (PaCO2) we krwi tętniczej i płynie mózgowo-rdzeniowym

Dostosowanie wentylacji i wymiany gazowej do aktualnego zapotrzebowania ustroju

układ regulacji oddychania

Układ regulacji oddychaniaUkład regulacji oddychaniaOŚRODKI WYŻSZE

W MÓZGUOŚRODKI WYŻSZE

W MÓZGU

Ośrodkowy generator rytmu oddechowego

(grupy neuronów w pniu mózgu)

Ośrodkowy generator rytmu oddechowego

(grupy neuronów w pniu mózgu)

Rdzeniowe neurony ruchoweRdzeniowe neurony ruchowe

Mięśnie ścian klatki piersiowejMięśnie ścian klatki piersiowej

PłucaPłuca

WENTYLACJAWENTYLACJA

pH, O2, CO2pH, O2, CO2

ChemoreceptoryChemoreceptoryMechanoreceptoryMechanoreceptorySAR, RAR,

proprioreceptory, włókna C

Obwodowe, centralne

Ośrodek oddechowy -jądra rdzenia przedłużonego i mostu

Ośrodek oddechowy -jądra rdzenia przedłużonego i mostu

Integruje i przetwarza bodźce z:– receptorów chemowrażliwych, – mechanoreceptorów układu oddechowego, – kory mózgowej, – układu limbicznego – generatora rytmu oddechowego

Dostosowanie napędu oddechowego stosowanie do aktualnych bodźców dośrodkowych

Czynności złożone – śpiew, śmiech, mowa Modyfikowanie siłą woli, uczucie duszności (połączenia

z korą mózgową) Wpływ emocji – układ limbiczny

Integruje i przetwarza bodźce z:– receptorów chemowrażliwych, – mechanoreceptorów układu oddechowego, – kory mózgowej, – układu limbicznego – generatora rytmu oddechowego

Dostosowanie napędu oddechowego stosowanie do aktualnych bodźców dośrodkowych

Czynności złożone – śpiew, śmiech, mowa Modyfikowanie siłą woli, uczucie duszności (połączenia

z korą mózgową) Wpływ emocji – układ limbiczny

Ośrodek oddechowy- generator rytmu oddechowego

Wytwarzanie impulsów bez zewnętrznego pobudzenia –

aktywność rozrusznika

Naprzemienna aktywność neuronów wdechowych i

wydechowych

Liczne połączenia synaptyczne

Lokalizacja: (najprawdopodobniej dogłowowe brzuszno –

boczne części rdzenia przedłużonego i mostu)

Ośrodek oddechowyOśrodek oddechowy Grupa pnia mózgu (automatyczna)

– Ośrodek pneumotaksyczny (nucl. Kolliker-Fuse)– Ośrodek apneustyczny– Ośrodek rdzeniowy:

Neurony grupy grzbietowej (DRG)– neurony wdechowe (jądro pasma samotnego) – impulsy dośrodkowe z receptorów dróg oddechowych, kłębków

szyjnych i aortalnych

Neurony grupy brzusznej (VRG)– neurony mieszane gł. wydechowe (pasmo w brzusznobocznej części

rdzenia przedłużonego - j.dwuznaczne i tylnodwuznaczne), impulsy dośrodkowe z GDO, chemoreceptorów obwodowych i włókien C

Grupa kory mózgowej (wolicjonalna)– Kontrola aktywności oddechowej w różnych warunkach: śpiew, śmiech, dowolne zatrzymanie oddechu

Grupa pnia mózgu (automatyczna)– Ośrodek pneumotaksyczny (nucl. Kolliker-Fuse)– Ośrodek apneustyczny– Ośrodek rdzeniowy:

Neurony grupy grzbietowej (DRG)– neurony wdechowe (jądro pasma samotnego) – impulsy dośrodkowe z receptorów dróg oddechowych, kłębków

szyjnych i aortalnych

Neurony grupy brzusznej (VRG)– neurony mieszane gł. wydechowe (pasmo w brzusznobocznej części

rdzenia przedłużonego - j.dwuznaczne i tylnodwuznaczne), impulsy dośrodkowe z GDO, chemoreceptorów obwodowych i włókien C

Grupa kory mózgowej (wolicjonalna)– Kontrola aktywności oddechowej w różnych warunkach: śpiew, śmiech, dowolne zatrzymanie oddechu

Chemoreceptory centralne (brainstem chemoreceptors)Chemoreceptory centralne

(brainstem chemoreceptors)

– obszary chemowrażliwe na brzuszno-bocznej powierzchni rdzenia przedłużonego (nucl.tractus solitari, locus ceruleus, nucl. retrotrapezoideus)

– pH, PaCO2 zwiększenie lokalnego stężenia [H+] CSF pobudza czynność ośrodka oddechowego

– Anhydraza węglanowa

– Stymulacja receptorów – zwiększenie częstości i sygnału i tempa przewodzenia sygnałów skutkujące zwiększeniem częstości rytmu oddechowego;

– Histydyna – aminokwas włączony w proces recepcji i przenoszenia bodźca wrażliwości na pH (sensor molecule)

– obszary chemowrażliwe na brzuszno-bocznej powierzchni rdzenia przedłużonego (nucl.tractus solitari, locus ceruleus, nucl. retrotrapezoideus)

– pH, PaCO2 zwiększenie lokalnego stężenia [H+] CSF pobudza czynność ośrodka oddechowego

– Anhydraza węglanowa

– Stymulacja receptorów – zwiększenie częstości i sygnału i tempa przewodzenia sygnałów skutkujące zwiększeniem częstości rytmu oddechowego;

– Histydyna – aminokwas włączony w proces recepcji i przenoszenia bodźca wrażliwości na pH (sensor molecule)

Chemoreceptory obwodowe kłębki szyjne (glomus caroticum, carotid body)

– unerwienie n. zatokowy Heringa (n. językowo-gardłowy),

– unaczynienie – t. szyjna zewnętrzna (2 L/min/100g!)

– PaO2 , [H+], (PaCO2?)

– Wzrost wentylacji gł. zwiększenie VT > f

– Neuromediator ATP, pobudzenie receptorów P2X2 i P2X3

– Odnerwienie kłębka szyjnego obustronne - całkowite zniesienie odpowiedzi na izolowany bodziec hipoksyczny

kłębki aortalne –– unerwienie -n. błędny,

– zmiany ciśnienia tętniczego

– wrażliwość na zmiany PaO2 u niemowląt i małych dzieci

Metody oceny regulacji oddychania

Badanie wzorca oddechowego

Pomiar ciśnienia okluzji (P0.1)

Testy chemicznej kontroli oddychania– odpowiedź oddechowa na narastającą hiperkapnię

– odpowiedź oddechowa na pogłębiającą się hipoksemię

– mieszanka hiperoksyczna

– zastosowanie dodatkowego oporu zewnętrznego

– w czasie wysiłku fizycznego

– w czasie snu

Badanie wzorca oddechowego

Pomiar ciśnienia okluzji (P0.1)

Testy chemicznej kontroli oddychania– odpowiedź oddechowa na narastającą hiperkapnię

– odpowiedź oddechowa na pogłębiającą się hipoksemię

– mieszanka hiperoksyczna

– zastosowanie dodatkowego oporu zewnętrznego

– w czasie wysiłku fizycznego

– w czasie snu

Test oddychania zwrotnego - narastająca hipoksemia w warunkach izokapni wg Rebucka i Campbella)

Test oddychania zwrotnego - narastająca hipoksemia w warunkach izokapni wg Rebucka i Campbella)

TEST HIPOKSYCZNYTEST HIPOKSYCZNY

Odpowiedź wentylacyjna– V/ SaO2 L/min/%

(slope)– intercept– V - SaO2 80 %

Odpowiedź wentylacyjna– V/ SaO2 L/min/%

(slope)– intercept– V - SaO2 80 %

Odpowiedź ciśnieniowaP0.1/ SaO2 cmH2O/%

(slope)interceptP0.1 - SaO2 80 %

Odpowiedź ciśnieniowaP0.1/ SaO2 cmH2O/%

(slope)interceptP0.1 - SaO2 80 %

40 60 80 100 SaO2 [%]

MV

[L/m

in]

40

30

20

10

Czynniki modyfikujące kontrolę oddychania

Czynniki modyfikujące kontrolę oddychania

Czynniki genetyczne - głównie odpowiedź na hipoksję Czynniki środowiskowe

– przewlekła hipoksja sinicze wady serca urodzeni na dużych wysokościach

– aktywność fizyczna– czynniki antropometryczne (płeć, wiek, masa ciała) i etniczne– hormony (progesteron, hormony tarczycy), lek, substancje

czynne biologicznie– sen– rytm biologiczny– stres, ograniczony wpływ woli

Czynniki genetyczne - głównie odpowiedź na hipoksję Czynniki środowiskowe

– przewlekła hipoksja sinicze wady serca urodzeni na dużych wysokościach

– aktywność fizyczna– czynniki antropometryczne (płeć, wiek, masa ciała) i etniczne– hormony (progesteron, hormony tarczycy), lek, substancje

czynne biologicznie– sen– rytm biologiczny– stres, ograniczony wpływ woli

Obniżona odpowiedź oddechowa na hipoksję

Obniżona odpowiedź oddechowa na hipoksję

Obniżona odpowiedź chemoreceptorów obwodowych – wrodzona– nabyta (uraz, stan po odnerwieniu zatoki szyjnej)– przewlekła hipoksemia – urodzeni na dużych

wysokościach, wady serca

Choroby nerwowo-mięśniowe np. miastenia, poliomyelitis

Restrykcja, obturacja, deformacja klatki piersiowej

Obniżona odpowiedź chemoreceptorów obwodowych – wrodzona– nabyta (uraz, stan po odnerwieniu zatoki szyjnej)– przewlekła hipoksemia – urodzeni na dużych

wysokościach, wady serca

Choroby nerwowo-mięśniowe np. miastenia, poliomyelitis

Restrykcja, obturacja, deformacja klatki piersiowej

TEST HIPOKSYCZNYTEST HIPOKSYCZNY

Kontrola oddychania w czasie snu

Zmniejszenie napięcia mięśni dróg oddechowych

Hypowentylacja w czasie snu wolnofalowego (Vt, f) –wzrost PaCO2 o 2-7 mmHg i spadek PaO2 o 2-7 mmHg

Obniżenie wrażliwości ośrodka oddechowego ze spadkiem odpowiedzi oddechowej o 15-20% (nawet do 30% w fazie REM)

Obniżenie odpowiedzi oddechowej na hipoksję o15-25 %

Zmienna wentylacja minutowa, możliwy ośrodkowy oddech okresowy w fazie NREM

Kontrola oddychania u noworodków

Zdecydowanie niższa wrażliwość na obniżenie PaO2 (tym niższa im młodszy wiek urodzeniowy) -adaptacja do warunków płodowych PaO2 (30 mmHg)

Hipoksemia i niedotlenienie OUN prowadzi do zmniejszenia oddechowego i spadku wentylacji.

Bodźcem pobudzającym jest hiperkapnia.

Kontrola oddychania w wieku podeszłym

Wzorzec oddychania: – wentylacja minutowa (V’) – VT– częstość (f)

Odpowiedź na hipoksję - o ok. 50% Odpowiedź na hiperkapnię - o ok.60%

upośledzenie integrowania bodźców ze struktur receptorowych i generowania odpowiedniej aktywności efektorów;

Obniżenie percepcji dodatkowego oporu i skurczu oskrzeli (np. w czasie BHR) upośledzenie mechanizmów obronnych

Większa częstość występowania zaburzeń oddychania w czasie snu (44% dla AHI≥20 vs 4-9% w populacji wieku średniego)

Odpowiedź oddechowa na hipoksję u chorych na astmę oskrzelową

Odpowiedź oddechowa na hipoksję u chorych na astmę oskrzelową

odpowiedzi wentylacyjne i napędu oddechowego na bodziec hipoksyczny

obniżenie chemowrażliwości i zmniejszone odczuwanie duszności u chorych ze stanami astmatycznymi w wywiadzie (Kikuchi) -wykrywanie predyspozycji do występowania astmy o ciężkim przebiegu?

rodzinne występowanie obniżonej odpowiedzi na bodziec hipoksyczny? (Hudgel)

odpowiedzi wentylacyjne i napędu oddechowego na bodziec hipoksyczny

obniżenie chemowrażliwości i zmniejszone odczuwanie duszności u chorych ze stanami astmatycznymi w wywiadzie (Kikuchi) -wykrywanie predyspozycji do występowania astmy o ciężkim przebiegu?

rodzinne występowanie obniżonej odpowiedzi na bodziec hipoksyczny? (Hudgel)

Odpowiedzi oddechowe na narastającą hipoksję - astmaOdpowiedzi oddechowe na narastającą hipoksję - astma

Odpowiedź wentylacyjna

MV/

SaO

2 [L

/min

/%]

0

1

2

3

4

5

6

A-sa A-nsa K

Odpowiedź ciśnieniowa

P0.1

/SaO

2 [c

mH 2O

/%]

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

Asa Ansa K

górna granica normy (X+ 1.64SD)

Pierwotny zespół hipowentylacji pęcherzykowej (klątwa Ondyny)

idiopathic congenital central hypoventilation syndrome

Choroba genetycznie uwarunkowana (mutację genu homeotycznego PHOX2B , kodujacego białko transkrypcyjne),

Stała hipowentylacja podczas snu z adaptacją do skrajnie wysokich wartości PaCO2 ~100 mmHg, gł. w NREM,

Upośledzona odpowiedź na hiperkapnie i hipoksemię,

Nie stwierdza się współistniejącej choroby układu oddechowego, nerwowo-mięśniowego czy krążenia,

Epidemiologia – 300 przypadków (Weese-Mayer DE, Berry-Kravis EM. Genetics of congenital central hypoventilation syndrome: lessons from a seemingly orphan disease. „Am J Respir Crit Care Med”. 170. 1, s. 16-21, 2004.

Rozpoznanie (Weese-Mayer DE i wsp. Case/control family study of autonomic nervous system dysfunction in idiopathic congenital central hypoventilation syndrome. „Am J Med Genet”. 2001. ):

– stała hipowentylacja podczas snu (PaCO2 >60 mm Hg);– wystąpienie objawów w ciągu pierwszych lat życia;– brak współistniejącej choroby płuc lub dysfunkcji nerwowo-mięśniowej, mogącej powodować

hipowentylację;– brak współistniejącej choroby serca.

John Wiliam Waterhause 1872

Zastosowanie klinicznetestów regulacji oddychania

Zastosowanie klinicznetestów regulacji oddychania

Pneumonologia Neurologia Anestezjologia Transplantologia Choroby wewnętrzne Farmakologia kliniczna Fizjologia kliniczna i stosowana

Pneumonologia Neurologia Anestezjologia Transplantologia Choroby wewnętrzne Farmakologia kliniczna Fizjologia kliniczna i stosowana

Zastosowanie klinicznych testów regulacji oddychania

Pneumonologia:różnicowanie pomiędzy ośrodkowymi i obwodowymi

mechanizmami hipowentylacji,ocena skuteczności tlenoterapii, ale także ocena ryzyka jej

zastosowania w kontekście obniżenia napędu oddechowego przyzastosowaniu zbyt wysokich stężeń tlenu.stwierdzenie więc niskiej czy też obniżonej chemowrażliwości,

pozwala na objęcie tego typu pacjentów szczególną uwagą jakogrupy ryzyka.ocena działania leków czy innych środków farmakologicznych,

których działanie może zmieniać aktywność ośrodka oddechowegoczyli pobudzających oraz hamujących oddychanie.

Zespół hipowentylacji związanej z otyłością OSA Wrodzony zespół hipowentylacji centralnej Choroby z zajęciem CUN Nadczynność i niedoczynność tarczycy Sporty ekstremalne, nurkowanie, wspinaczka wysokogórska Przygotowanie do lotu samolotem:

– ciśnienie na poziomie 2438 m, – ciśnienie parcjalne tlenu ~15,1% npm, – spadek u zdrowych osób PaO2 do wartosci 60-75 mmHg, SaO2

89-94%,– próba hipoksemiczna – hypoxic challange testing

Zespół hipowentylacji związanej z otyłością OSA Wrodzony zespół hipowentylacji centralnej Choroby z zajęciem CUN Nadczynność i niedoczynność tarczycy Sporty ekstremalne, nurkowanie, wspinaczka wysokogórska Przygotowanie do lotu samolotem:

– ciśnienie na poziomie 2438 m, – ciśnienie parcjalne tlenu ~15,1% npm, – spadek u zdrowych osób PaO2 do wartosci 60-75 mmHg, SaO2

89-94%,– próba hipoksemiczna – hypoxic challange testing

Regulacja oddychania - kiedy warto badać?Regulacja oddychania - kiedy warto badać?