Patofyziológia respiračného systému

Respiračný systém •  Slúži na donášku O2 a odstraňovanie CO2 z organizmu •  Udržiavanie pH prostredia •  Dýchanie pozostáva zo 4 „krokov“:

1. Ventilácia – výmena plynov medzi pľúcami a prostredím 2. Vonkajšie dýchanie – výmena plynov medzi aleveolami a krvou 3. Transport – donáška ku alebo z tkanív (zabezbečí KVS) 4. Vnútorné dýchanie – výmena plynov medzi krvou a tkanivami

Ľavé srdce

Pravé srdce

Funkčná anatómia

•  Dýchacie cesty –  Horné –  Dolné –  Mŕtvy priestor

•  Anatomický

•  Dýchacie zóny –  Alveoly –  Výmena plynov –  Mŕtvy priestor

•  Fyziologický

Trachea - priedušnica

•  Zostupuje z hrtana až do mediastina.

•  Končí rozvetvením do dvoch primárnych bronchov v strednom mediastine. Pravý bronchus odstupuje v tupšom uhle

•  Obsahuje 3 vrstvy: : sliznica, podslizničné väzivo, a adventicia

•  Sliznica obsahuje cylindrický riasinkový epitel s pohárikovitými bunkami

•  Fajčenie ničí respiračný riasinkový epitel – provokuje kašľanie – odstraňovanie hlienu

•  Podslizničné väzivo obsahuje seromukózne žlazy – produkuje hlien, ktorý pokrýva tracheu

Riasinky

Pohárikovité bunky

Bazálna membrána

Jadro bunky cylindrického

epitelu

Epitel respiračného systému

Bronchy •  Každý bronchus ide šikmo do mediastina

následne sa vetví do niekoľkých primárnych bronchov (miesto vetvenia – hilus) na svojej strane

•  V pľúcach sa primárne bronchy delia do sekundárne bronchy – 3 vpravo a 2 vľavo – každý zásobuje jeden pľúcny lalok.

•  Sekundárne bronchy sa delia na terciárne bronchy a takto pokračuje delenie až do 23 vetvení. To podmieňuje tzv. bronchiálny strom

•  Priechody s priemerom < 1mm sú bronchioly. •  Terminálne bronchioly sú poslednou zložkou

dýchacích ciest a sú už bez riasiniek

Stredný lalok Spodný lalok Spodný lalok

Terciárny bronchus (segmentálny)

Sekundárny bronchus

Primárny bronchus

Horný lalok ľavé pľúca

Horný lalok pr. pľúca

Pľúca •  Alveoly sa skladajú z jednoduchého plochého epitelu, a obsahujú 2 resp. 3 typy buniek: Typ I a Typ II alveolárne bunky (pneumocyty) a makrofágy.

•  Alveolárne bb. typ I. –  Tiež označené ako

pneumocyty –  Veľmi tenké, zahŕňajú

najväčšiu časť alveolárneho priestoru.

–  Vonkajší povrch je popreplietaný pľúcnymi kapilárami.

–  Alveolárna a kapilárna bazálna membrána fuzujú a vytvárajú alveolokapilárnu membránu

–  Pľúcne alveoli sú tvorené z elastických vlákien

Pľúca •  Pneumocyty I typu sú roztrúsené medzi pneumocytmi II typu, ktoré tvoria surfaktant.

•  Medzi susediacimi alveolárnymi bunkami sú póry

•  Alveolárne makrofágy (dust cells) sa nachádzajú na vnútornej strane alveolárneho povrchu

Alveolokapilárna membrána (ALM) •  Skladá sa z:

–  Endotel pľ. kapilár –  Bazálna membrána endotelu –  Bazálna membrána alveolárneho epitelu –  Alveolárnych buniek –  Bazálne membrány sú spojené, tzn. ALM má 3 vrstvy

•  Pri hrúbke ALM 0.5-1.0 je výmena plynov je dostatočná •  Pri napr. pneumónii, sa hrúbka ALM ↑, výmena plynov sa ↓

•  Povrch alveolárnych siept zdravých pľúc je veľký!!! –  Pri emfyzéme, sa steny alveolárnych priehradok narušia

a veľkosť alveolov sa zväčšuje, výmena plynov sa ale zmenšuje

Spojené bazálne membrány

Kapilára

Jadro endotelovej

bunky

Alveolárny epitel

Alveolárny priestor

Výmena plynov v alveoloch – alveolokapilárna membrána

Compliance (Poddajnosť) •  Schopnosť pľúcneho tkaniva roztiahnuť sa

–  Čím väčšia compliance, tým ľahšie sa pri zmene tlakov v alveoloch a v atmosfére pľúca rozťahujú

–  Nižší compliance znamená, že hrudník a pľúca sa ťažšie roztiahnu

•  Stavy, ktoré zhoršujú compliance

– Pľúcna fibróza

– Pľúcny edém

– Syndróm dychovej tiesne

Svaly zodpovedné za ventiláciu Vdychové svaly zahŕňajú bránicu, vonkajšie medzihrudné svaly, sternocleidomastoidei a scaleny. Výdychové svaly zahŕňajú vnútorné medzihrudné svaly a svaly brucha

Dôležité tlaky •  Atmosferický tlak (Patm) je tlak tvorený vonkajšou atmosférou –  Na úrovni mora je to

760 mmHg •  Intrapulmonárny tlak (Palv)

je tlak v pľúcach, resp. v alveoloch. –  Rastie a klesá počas

dýchania, ale vždy sa vyrovnáva s atmosferickým tlakom

•  Intrapleurálny tlak (Pip) je tlak v medzipohrudnicovej (intrapleurálnej) dutine. –  Je vždy o 4mmHg menší

ako tlak v alveoloch (a teda aj v atmosfére)

•  Negatívny intrapulmonárny tlak udržuje pľúca nekolabované (atalektáza)

•  Akýkoľvek stav, kde Pip =

Palv spôsobí, že pľúca kolabujú.

•  Rozdiel medzi Pip a Palv sa

nazýva transpulmonárny tlak.

•  Pneumothorax je prítomnosť

vzduchu v intrapleurálnom priestore

Dychové objemy •  Objem vzduchu pri normálnom vdychu a výdychu

(asi 500ml). –  to je dychový objem (tidal volume - TV)

•  Množstvo vzduchu, kt.môžeme vdýchnuť po normálnom nádychu inspiračný rezervný objem (IRV).

•  Expiračný rezervný objem (ERV) množstvo vzduchu,kt.môžeme vydýchnuť po normálnom výdychu

•  Aj po maximálnom výdychu sa v pľúcach nachádza ešte asi 1200ml vzduchu - reziduálny objem (RV)

Dychové kapacity •  Inspiračná kapacita je celkový množstvo vzduchu,

ktoré môže byť vdýchnuté po normálnom vdychu IC = TV + IRV

•  Funkčná reziduálna kapacita je množstvo vzduchu v pľúcach po normálnom výdychu FRC = ERV + RV

•  Vitálna kapacita je množstvo vzduchu, ktoré môžeme maximálne vydýchnuť po maximálnom vdychu VC = TV+IRV+ERV

•  Celková kapacita pľúc je suma všetkých objemov pľúc, a je to asi 6L u mužov TLC = VC + RV

Oxyhemoglobin (HbO2) disociačná krivka – afinita kyslíka k hemoglobínu

20 40 60 80 100

20

40

60

80

100

% O

2 sat

urat

ion

of h

emog

lobi

n

PO2 (mm Hg)

resting cell

alveoli

Posun doprava à afinita kyslíka k hemoglobínu je znížená

Posun doľava – afinita k kyslíka k hemoglobínu je zvýšená

Niektoré klinické pojmy •  Eupnoe

•  normálne dýchanie (norm. frekvencia aj hĺbka) •  Apnoe

•  zástava dýchania •  Tachypnoe

•  vyššia frekvencia dýchania (bez ohľadu na hĺbku) •  Hyperpnoe

•  hlboké dýchanie (bez ohľadu na frekvenciu)

•  Hyperventilácia •  zvýšenie dodávky vzduchu – kyslíka nad úrověň potrieb organizmu

•  Dyspnoe •  sťažené dýchanie

•  Anoxia •  neprítomnosť O2

•  Hypoxia •  znížený (neadekvátny) prísun kyslíka do tkanív

•  Ischémia •  nedostatočný prietok krvi tkanivami

Typy dýchania

•  Cheyne-Stokesove –  Spánok - SAS,

arterioskleróza mozgových ciev, srdcové zlyhávanie, urémia

•  Biotove

–  meningitída, encefalitída

•  Kussmaulovo –  Acidóza pri diabetes

mellitus

Dušnosť (dyspnoe) •  Symptóm •  Subjektívny pocit (nedá sa merať!!!) •  Popísané ako

– Ťažký/krátky dych – Dusivý pocit

•  Frekvencia dychu, pO2, hladiny krvných plynov NEMUSIA korelovať s pocitom dušnosti

•  Diskrepancia medzi potrebou a schopnosťou

organizmu zabezpečiť respiráciu

Príčiny dyspnoe

•  Nervozita •  Obštrukcia DC •  Bronchospazmus •  Hypoxémia •  Pleurálny výpotok •  Pneumónia •  Pľúcny edém

•  Pľúcny embolus •  Hustá sekrécia hlienu •  Anémia •  Metabolizmus •  Rodinné / finančné /

duchovné / atď záležitosti

Hypoxia stav porušenej, resp. neadekvátnej oxygenácie na bunkovej úrovni

Formy a príčiny hypoxie:

§ vysoká nadmorská výška § alveolárna hypoventilácia § znížená difúzna kapacita pľúc § abnormálny ventilačno-perfúzny pomer

Hypoxická hypoxia

§ strata krvi & anémia § otrava oxidom uhoľnatým (zabraňuje väzbe O2)

Anemická hypoxia

§ zlyhanie srdca, periférny šok § strata prietoku krvi niektorým orgánom

Ischemická hypoxia

Histotoxická hypoxia § napr. otrava kyanidmi

Chronická obštrukčná choroba pľúc (CHOCHP)

•  Častá, liečiteľná a predchádzateľná choroba charakterizovaná postupnou progresiou, ↓ prietokom vzduchu a zároveň spojená so zápalovou odpoveďou v dýchacích cestách

•  3 subtypy/súčasti –  Chronická bronchitída –  Emfyzém –  Astma

Poškodenie alveolov

Tvorba spúta/hlienu

Zvratnosť záchvatu

Chronická bronchitída

•  Chronický perzistujúci kašeľ trvajúci aspoň 3 mesiace 2 po sebe idúce roky u pacientov, kde iné príčiny kašla boli vylúčené

•  Zväčšené bronchiálne submukózne žlazy (skôr hyperplázia ako hypertrofia)

•  Terminálne DC sú najviac náchylné na obštrukciu hlienom

•  Zvýšený odpor prietoku vzduchu

•  Upchaté DC a znížená aktivita mukociliárneho aparátu zvyšujú riziko infekcie

Chronická bronchitída histologický nález

Mucus production

Astma - definícia •  Chronická zápalová porucha bronchov

charakterizovaná epizodickými, reverzibilnými bronchospazmami s dyspnoe expiračného typu ako výsledok vystupňovanej odpovede bronchokonstrikciou na rôzne stimuly (alergia)

•  Multicelulárna odpoveď

Etiológia •  V súčasnosti sa verí, že astma je výsledkom

kombinácie genetických predispozičných faktorov a vonkajšieho prostredia

•  Hlavné spúšťače:

– Cigaretový dym – Znečistené ovzdušie – Zvieracie alergény – Vírusové respiračné infekcie –  Alergény švábov –  Zmeny počasia J

Zápal Airflow Limitation

SYMPTÓMY Kašeľ, piskot, dyspnoe

TRIGGERS

Allergens, Exercise, Cold Air, SO2 Particulates

Hypereaktivita dýchacích ciest

genetické*

Indukovatele Allergens,Chemical sensitisers, Air pollutants, Virus infections

Patogenéza

Astma •  Vonkajšia (Alergická/Imunitná)

–  Atopická – IgE protilátky hrajú úlohu –  Pracovná – IgG protilátky hrajú úlohu –  Bronchopulmonárna aspergilóza – IgE

•  Vnútorná (Ne-imunitná) –  Vyvolaná aspirínom –  Vyvolaná infekciami

Dôsledok emfyzému na dýchanie

•  Zníženie expiračného prietoku •  Pacienti sú chudí, astenický s oslabením/atrofiou

svalstva •  Difúzna kapacita pľúc je znížená v dôsledku

zníženia počtu alveolokapilárnych jednotiek •  Tolerancia na fyzickú záťaž je značne znížená

Emfyzém

•  Abnormálne a trvalé zväčšenie

alveol

•  Deštrukcia alveolárnych stien

bez fibrózy

•  Zníženie vonkajšieho dýchania

Etiológia §  Môže byť spôsobená fajčením, znečisteným vzduchom a

environmentálnym a pracovným prostredím §  Hlavnou črtou je strata elasticity pľúc a zníženie

elastického tkaniva v dôsledku alveolárnej deštrukcie §  Zničenie elastického tkaniva vedie k strate pružnosti

pľúc počas expirácie, a úsilie je potrebné na vydýchnutie

§  Následne môže dôjsť k zničeniu dých. ciest/ kapilár. §  Deštrukcia tkaniva v dôsledku tvorby proteáz alebo

nedostatku anti-proteáz

Patofyziológia ➊  Strata elastických vlastností

- ↑ odpor dýchacích ciest - ↓ ventilácia - kolabovanie dýchacích ciest pri výdychu

zachytávanie vzduchu → retencia CO2 menej vzduchu → ↓ O2 & ↑CO2

➋  Alveolárny priestor sa zväčšuje - ↓ difúzia - kolaps alveolov alebo ich ruptúra - ↓ povrch na výmenu plynov - kompresia pľúcnych kapilár - ↓ perfúzia - hypoxémia

Normal lungs

Komplikácie CHOCHP

•  Respiračné zlyhanie - ↓ ventilácia v pokoji - neschopnosť tela zabezpečiť dodávku kyslíka

•  Cor Pulmonale

- zväčšená pravá komora v dôsledku ↑ práce - ↑ sval. vlákna a napätie

•  Telo kompenzuje hypoxémiu so ↑ ERY, preto je krv viac

viskózna → polycytémia

Modely CHOCHP •  Cigaretový dym

–  myši, potkan, morča •  Indukovanie apoptózy

–  kaspáza 3, ceramid •  Elastázový model

–  bravčová pankreatická elastáza

–  ľudská neutrofilová elastáza •  Hladom indukovaná

CHOCHP •  LPS indukovaná CHOCHP •  Genetické modely

–  alfa1 antitrypsín deficietné zvieratá

Pľúcna embólia •  Upchatie cievneho riečiska pľúc

vyskytuje sa v dôsledku porúch, ktoré urýchľujú zrážanie krvi: •  Imobilita (stáza vo vénach) •  DIC •  Systémový lupus erythematosis

–  Trombus z panvy tehotných žien je najčastejšia príčina embólie u tehotných

Pľúcna embólia

–  Wirchovovo trias •  Stáza krvi vo vénach •  Porušenie cievnej steny •  Hyperkoagulačný stav

•  4 kategórie –  masívna – napr. upchatie hlavnej pľúcnej artérie –  infarkt (pľúc) – smrť časti tkaniva –  bez infarktu – nie dostatočne závažná embólia na vyvolanie

infarktu –  mnohonásobný pľúcny embolus

Animálne modely pľúcnej embólie

•  Farmakologické –  Trombín, kolagén, kolagén+adrenalín

•  Fotochemické metódy –  Zelený laser poškodí stenu ciev à bengálska červeň à oxidačný

stress à poškodenie cievnej steny à tromby na poškodenom endotele

Adult Respiratory Distress Syndrome – ARDS (patofyziológia) Syndróm akútnej respiračnej tiesne dospelých

•  Pľúcny edém vzniknutý nie z kardiálneho zlyhávania •  Progresívna refraktórna (neodpovedá na kompenzačné

mechanizmy a ani liečbu) hypoxémia –  Ťažké dyspnoe –  Difúzne bilaterálne infiltráty

•  Fyziologické zmeny –  Poškodenie pľúcnemu endotelu zapríčiňuje zvýšenú pľúcnu

permeabilitu –  Tekutina uniká do interstícia, zapríčiňujúc tak pľúcny edém

•  Komplikácie hospitalizovaných pacientov –  Vážny medicínsky – chirurgický problém –  Nemusí súvisieť s poškodením pľúc (ARDS, ak súvisí tak

ALI) –  Mortalita sa pohybuje okolo 50-60%

Etiológia •  Nie jeden exogénny alebo endogénny faktor! viacero príčin •  Presný mechanizmus nie je známy •  Priame a nepriame príčiny •  Stavy spojené s možným vývinomARDS

–  najčastejšie •  mimo pľúcne

–  Gram (-) sepsa –  Trauma

•  Pľúcne –  Aspirácia –  AIDS/PCP –  pritopenie –  pľúcna embólia

Etiológia •  Iné

–  embólia amniotickou tekutinou –  infarkt čriev –  drogy –  mnohonásobné zlomeniny/polytraumy –  úpal –  peritonitída –  mnohonásobné krvné transfúzie

ARDS - patofyziológia

•  Fyziologické zmeny –  Poškodenie typu II pneumocytov, zapríčiní zvýšenie v

povrchovom napätí a atelektázy –  Poškodenie alveolokapilárnej membrány, zápal, látky sa

hromadia v mieste poškodenia, znižujúc tak výmenu plynov

•  Dôsledky –  Anomálie ventilácie-perfúzie –  Znížená compliance pľúc –  Zvýšená práca/námaha pri dýchaní

Poškodenie/trauma

Zníženie prietoku krvi do pľúc

Zhlukovanie krvných dsostičiek

Uvoľnenie HISTAMÍNU, BRADYKINÍNU, A SEROTONÍNU, komplementu, zápalových mediátorov

Zápal alveolov

Zvýšenie permeability alveolov

Pľúcny edém

Zníženie výmeny plynov

METABOLICKÁ ACIDÓZA

Znížená tvorba surfaktantu

Kolaps alveolov

HYPOXÉMIA

•  normal

normal ARDS

Klinika •  Zmena osobnosti, dezorientácia, anxieta •  Počiatočná dyspnoe s Hyperventiláciou (Tachypnoe) •  Cyanóza •  Bledosť •  Stiahnutie svalov – potreba používania pomocných svalov •  Suchý kašeľ •  Vitálne známky

–  Teplota/horúčka –  Hypotenzia –  Tachykardia (dysrytmie)

•  zníženie pCO2à respiračná alkalóza (prvá fáza – viď počiatočné dyspnoe)

•  laktátová acidózaà Metabolická acidóza (neskôr)

fázy ARDS •  Fáza 1

–  Dyspnoe a tachypnoe •  Pacienta liečime dodávkou kyslíka

•  Fáza 2 –  Zhoršovanie pľúcneho edému

•  Umelá pľúcna ventilácia •  Fáza 3

–  Progresívna refraktórna hypoxémia •  Zachovať oxygenáciu •  Zabraňovať komplikáciám

•  Fáza 4 –  Pneumónia z pľúcnej fibrózy

•  Chronický problém •  Môže sa stať závislým od ventilátora

Animálne modely ARDS/ALI

Oleic acid Pulmonary ischemia/reperfusion

LPS Nonpulmonary ischemia/reperfusion

Acid aspiration Intravenous bacteria

Hyperoxia Intrapulmonary bacteria

Bleomycin Peritonitis

Saline lavage Cecal ligation and puncture

Syndróm spánkového apnoe - SAS

Abnormálne zástavy dýchania počas spánku ■  typy SAS

◆  Obštrukčná (OSAS) –  Respiračné úsilie je zachované, avšak prívod

vzduchu chýba v nose a ústach (hrtane,...) –  Spojená napr. s obezitou

◆  Centrálna (CSAS) •  Prietok a respiračné úsilie je zastavené •  Problém je na úrovni centra pre dýchanie •  Spojené napr. so zlyhaním srdca

◆  Zmiešaná SAS –  kombinácia OSAS a CSAS

Obštrukčný SAS

•  OSAS je najčastejšia porucha, ktorá sa dá pozorovať v spánkových centrách a je zodpovedná za mortalitu a morbiditu viac ako akákoľvek iná spánková porucha

•  OSAS je definovaná ako opakované epizódy kompletnej

alebo čiastočnej obštrukcie dýchacích ciest počas spánku. Výsledkom je, že pacient má nepokojný spánok a nadmernú dennú únavu/zaspávanie.

Epidemiológia

n 85% dospelých pacientov sú muži

n 2/3 sú obézni pacienti

n Zvyšuje úrazy v dôsledku dopravných nehôd (mikrospánok)

Dôsledky SAS

hypoxia

HIF

ODI

VEGF

AGEs

↓AOS

↓NO

endoteliálna dysfunkcia

hypertenzia

I/R poškodenie

SAS

oxidačný stres karbonylový stres

kardiovaskulárne komplikácie

VV-M

IGT

ANS ischemická choroba srdca

ateroskleróza

ROS

Hlavné príznaky

hlasné chrápanie narušený spánok nočné sípanie a dusenie svedok potvrdí apnoe počas spánku denná únava a spavosť krátky hrubý krk

Polysomnogram •  EEG •  EKG •  EMG •  EOG •  Nosný/ústny prietok vzduchu •  Pulzná oxymetria •  Dýchacie pohyby •  Poloha pri spánku •  Ezofageálna manometria

Liečba

Animálne modely SAS

Polysomnograf

•  OSAS – zastavenie dýchania na aspoň 10s s dýchacím úsilím

•  CSAS – zastavenie dýchania na aspoň 10s bez dýchacieho úsilia

•  Zmiešaná SAS – vlastnosti oboch vyššie na aspoň 10s •  Hypopnoe – hypoventilácia nastáva sekundárne v dôsledku čiastočnej obštrukcie

Pathophysiologic consequences

•  Hypertension: independent of all relevant risk factors. •  Arrhythmias :from mild to severe. •  Motor vehicle accident : Six time increased accident rate

compared to the general population. •  Fatigue irritability and an increase risk for depression. •  Memory loss, specially with short term memory. •  Pulmonary HTN, right ventricular failure •  Free radical formation

Pneumothorax •  PATOFYZIOLÓGIA – prítomnosť vzduchu v intrapleurálnej

dutine –  Otvorený pneumothorax (hrudník otoverný)

•  Vzduch prichádza pri vdychu ranou do hrudníka a pri výcdychu vychádza von

–  Tenzný pneumothorax – hrudník zatvorený: vzduch sa akumuluje počas dýchania, pretože nemá možnosť úniku

•  Zvyšuje sa vnútrohrudný tlak, ktorý zatláča nepoškodenú časť pľúc, potom mediastinum a srdce, a druhú stranu pľúc. Znižuje sa venózny návrat do pravej kmory v dôsledku tlaku na dolnú a hornú dutú žilu

Pneumothorax •  Spontánny pneumothorax – vyskytuje sa náhle u zdravých

osôb (väčšinou mužov) medzi 20-40 rokom života –  Môže viesť k tenznému pneumothoraxu!!!