ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΙΩΑΝΝΑ ΔΗΜΟΠΟΥΛΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΕΚΠΑ
ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ
ΣΚΟΠΟΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ PO 2 / PCO 2 / ph αρτηριακού αίματος χωρίς μεταβολή
ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΤΙΜΕΣ Arterial Blood Gases & ph Normal range Arterial ph 7.35 7.45 Arterial PO2 Arterial PCO2 81 100 mm Hg 35 45 mm Hg
ΡΥΘΜΙΣΗ ΑΝΑΠΝΟΗΣ
ΝΕΥΡΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ Δύο διακριτοί μηχανισμοί νεύρωσης ρυθμίζουν την αναπνοή. Ο ένας είναι υπεύθυνος για τον εκούσιο έλεγχο και ο άλλος τον αυτόματο. Το εκούσιο σύστημα εδράζεται στον εγκεφαλικό φλοιό και αποστέλλει ώσεις στους αναπνευστικούς κινητικούς νευρώνες μέσω φλοιονωτιαίων οδών. Το αυτόματο σύστημα καθοδηγείται από μια ομάδα βηματοδοτικών κυττάρων διέγερσης του προμήκους μυελού. Ώσεις από αυτά τα κύτταρα ενεργοποιούν τους κινητικούς νευρώνες στην αυχενική και θωρακική μοίρα του νωτιαίου μυελού, οι οποίοι νευρώνουν τους εισπνευστικούς μύες. Οι νευρώνες της αυχενικής μοίρας ενεργοποιούν το διάφραγμα μέσω των φρενικών νεύρων και οι νευρώνες της θωρακικής μοίρας ενεργοποιούν τους έξω μεσοπλεύριους μύες. Οι ώσεις φθάνουν επίσης στη νεύρωση των έσω μεσοπλεύριων και άλλων εκπνευστικών μυών. Οι κινητικοί νευρώνες που καταλήγουν στους εκπνευστικούς μύες αναστέλλονται, όταν είναι ενεργοί οι νευρώνες που νευρώνουν τους εισπνευστικούς μύες και αντίθετα.
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ προμήκης ΕΔΡΑΖΕΤΑΙ ΣΤΟΝ ΠΡΟΜΗΚΗ (1) Ραχιαία ομάδα (dorsal) εισπνευστικές κινήσεις (2) Κοιλιακή πρόσθια ομάδα (ventral) εκπνευστικές (έντονες) κινήσεις
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ προμήκης Σύμπλεγμα προ-brotzinger στον προμήκη Η αναπνοή ξεκινά από εδώ Αποτελούν νευρώνες που εκπολώνονται, προκαλούν εκπολώσεις κινητικών νευρώνων φρενικού νεύρου
ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ επιρροές από γέφυρα (1) Απνευστικό κέντρο η διέγερση του προκαλεί άπνοια (2) Πνευμοταξικό κέντρο περιορισμός εισπνοής (σε βλάβη: ελάττωση αναπνευστικής συχνότητας, αύξηση αναπνεόμενου όγκου)
Dorsal (ραχιαια) εισπνοη Ventral (κοιλιακη) εκπνοη
ΑΛΛΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΚΝΣ ΠΟΥ ΡΥΘΜΙΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΝΑΠΝΟΗ (1)Φλοιός εκούσιος έλεγχος αναπνοής (2) Μεταιχμιακό σύστημα υποθάλαμος συναισθηματικές καταστάσεις
ΑΠΟΔΕΚΤΕΣ (1)Διάφραγμα (2) Έσω μεσοπλεύριοι μύες (3) Κοιλιακοί μύες (4) Επικουρικοί μύες
ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ (1)Κεντρικοί χημειο-υποδοχείς (2) Περιφερικοί χημειο-υποδοχείς (3) Ενδο-πνευμονικοί (4) Αλλοι
ΡΥΘΜΙΣΗ ΑΝ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ Αύξηση PCO 2, μείωση PO 2, ph Οι χημειο-υποδοχείς αντιλαμβάνονται τις διαταραχές, αποστέλλουν σήμα στον προμήκη Αύξηση δραστηριότητας νευρώνων προμήκους διέγερση αναπνευστικού κέντρου προμήκους
Χημειο-υποδοχείς Εξειδικευμένοι υποδοχείς που απαντούν στη μεταβολή της χημικής σύστασης του αίματος ή άλλου βιολογικού υγρού Ερέθισμα: μεταβολή χημικής σύστασης Αισθητήρες: υποδοχείς (χημειο-υποδοχείς) Απάντηση: μεταβολές στον κατά λεπτό αερισμό Κεντρικοί / περιφερικοί
Κεντρικοί χημειο-υποδοχείς Απαντούν στη μεταβολή του ph του διάμεσου υγρού εγκεφάλου ή του ΕΝΥ (το CO 2 διαχέεται μέσω αιματο- εγκεφαλικού φραγμού)
Κεντρικοί xημειο-υποδοχείς Οι χημειοϋποδοχείς παρακολουθούν τη συγκέντρωση των Η + στο ΕΝΥ συμπεριλαμβανομένου και του διάμεσου υγρού του εγκεφάλου. Το CO 2 εύκολα διέρχεται από τον αιματο-εγκεφαλικό φραγμό, ενώ τα H + και τα HCO - 3 διέρχονται δύσκολα. Το CO 2 που εισέρχεται στον εγκέφαλο και στο ΕΝΥ ενυδατώνεται αμέσως. Το Η 2 CO 3 διίσταται, έτσι ώστε η τοπική συγκέντρωση Η + αυξάνεται. Κάθε αύξηση στο ΕΝΥ και στο διάμεσο υγρό του εγκεφάλου στη συγκέντρωση H + διεγείρει την τους κεντρικούς χημειο-υποδοχείς του προμήκους (εισπνευστική ραχιαία ομάδα) με αποτέλεσμα την αύξηση του κατά λεπτό αερισμού.
Central Chemoreceptor Arterial BBB CSF CO 2 CO H O 2 2 HCO 3 H slow H + H??? +??
Περιφερικοί χημειο-υποδοχείς (1) Καρωτιδικά σωμάτια (2) Αορτικά σωμάτια
Περιφερικοί χημειο-υποδοχείς Καρωτιδικά - αορτικά σωμάτια Απαντούν στις εξής μεταβολές: Ελάττωση αρτηριακού PO 2 (ευαισθησία σε Ο 2 μόνο εδώ) Αύξηση αρτηριακού PCO 2 Ελάττωση αρτηριακού ph Καρωτιδικά > ευαισθησία από αορτικά Μεγάλη αιματική ροή Γρήγορη απάντηση Δεν απαντούν στις μεταβολές του φλεβικού αίματος
Περιφερικοί χημειο-υποδοχείς Καρωτιδικά - αορτικά σωμάτια
Περιφερικοί χημειο-υποδοχείς Καρωτιδικά - αορτικά σωμάτια
Περιφερικοί χημειο-υποδοχείς Καρωτιδικά - αορτικά σωμάτια
Κάθε καρωτιδικό και αορτικό σωμάτιο περιέχει νησίδες δύο κυτταρικών τύπων, κύτταρα τύπου Ι και τύπου ΙΙ, περιβαλλόμενα από κολποειδή τριχοειδή. Τα τύπου Ι κύτταρα διαθέτουν κοκκία που περιέχουν νευροδιαβιβαστές, οι οποίες απελευθερώνονται όταν εκτίθενται σε υποξικές συνθήκες. Τα κύτταρα τύπου ΙΙ περιβάλλουν τα τύπου Ι κύτταρα. Η λειτουργία των τύπου ΙΙ κυττάρων δεν είναι πλήρως διευκρινισμένη, μάλλον έχουν τροφική λειτουργία
Τα τύπου Ι κύτταρα έχουν διαύλους Κ + με αισθητήρα για το Ο 2. Όταν το Ο 2 ελαττώνεται, εκπολώνεται το κύτταρο, ασβέστιο εισέρχεται, το οποίο προκαλεί και την απελευθέρωση διαβιβαστών (κυρίως ντοπαμίνης) με συνακόλουθη διέγερση των κεντρομόλων νευρικών απολήξεων προς τον προμήκη. Λόγω της ανατομικής τους θέσεις τα αορτικά σωμάτια δεν έχουν μελετηθεί επαρκώς, όπως τα καρωτιδικά, αν και πιθανολογείται ότι οι απαντήσεις τους είναι μάλλον παρόμοιες με εκείνες των καρωτιδικών.
ΜΗ- ΧΗΜΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ Ενδο-πνευμονικοί υποδοχείς (1)Υποδοχείς τάσης (2) Διεγερτικοί υποδοχείς (3) Υποδοχείς J (4) Βρογχικές ίνες τύπου C
ΜΗ- ΧΗΜΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ Αλλοι υποδοχείς (1)Μύτη, ανώτερο αναπνευστικό (2) Αρθρώσεις, μύες (3) Σύστημα γάμμα (4) Πόνος, θερμοκρασία
ΜΗ- ΧΗΜΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ Οι υποδοχείς αεραγωγών/πνευμόνων νευρώνονται από πνευμονογαστρικό (αμύελες, εμμύελες ίνες) Ερεθίσματα - απαντήσεις Υπερδιάταση πευμόνων- βράχυνση χρόνου εισπνοής, αντ/κο Hering-Breuer (αύξηση διάρκειας εκπνοής) Εξωγενή ή ενδογενή χημικά συστατικά- βήχας, πταρμός,βρογχόσπασμος
ΜΗ- ΧΗΜΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ ΒΗΧΑΣ ΚΑΙ ΠΤΑΡΜΟΣ Ο βήχας αρχίζει με μια βαθιά εισπνοή ακολουθούμενη από βίαια εκπνοή με κλειστή γλωττίδα. Στη συνέχεια η γλωττίδα ανοίγει ξαφνικά, παράγοντας εκρηκτική έξοδο του αέρα με ταχύτητες έως 965 χλμ. την ώρα. Ο πταρμός είναι μια παρόμοια εκρηκτική προσπάθεια με τη γλωττίδα διαρκώς ανοιχτή. Αυτά τα αντανακλαστικά βοηθούν, ώστε να αποβληθούν ερεθιστικοί παράγοντες και διαφυλάσσουν καθαρούς τους αεραγωγούς.
ΜΗ- ΧΗΜΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ ΑΝΑΠΝΕΥΣΤΙΚΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΤΩΝ ΣΠΛΑΧΝΙΚΩΝ ΑΝΤΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΩΝ Ο λόξυγκας είναι μια σπασμωδική σύσπαση του διαφράγματος και άλλων εισπνευστικών μυών και προκαλεί εισπνοή κατά την οποία κλείνει ξαφνικά η γλωττίδα. Το κλείσιμο της γλωττίδας είναι υπεύθυνο για τη χαρακτηριστική αίσθηση και τον ήχο. Το χάσμησμα είναι μια ιδιόμορφη μεταδοτική αναπνευστική ενέργεια, της οποίας η φυσιολογική βάση και σημασία είναι αβέβαιες. Η άποψη ότι χρειάζεται, για να αυξηθεί η πρόσληψη οξυγόνου έχει αμφισβητηθεί. Οι υποαεριζόμενες κυψελίδες έχουν την τάση να συμπίπτουν και έχει προταθεί ότι η βαθιά εισπνοή και η διάνοιξή τους προλαμβάνει τη δημιουργία ατελακτασίας. Ωστόσο, σε πραγματικά πειράματα δε μπόρεσε να καταδειχθεί η πρόληψη της ατελακτασίας με το χάσμησμα. Το χάσμησμα αυξάνει την επιστροφή του αίματος στην καρδιά, το οποίο μπορεί να είναι ευεργετικό για την κυκλοφορία.
ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ ΤΗΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ ΑΣΦΥΞΙΑ. Στην ασφυξία που οφείλεται σε απόφραξη των αεραγωγών, η οξεία υπερκαπνία και η υποξία παρουσιάζονται μαζί. Η διέγερση της αναπνοής είναι έντονη, με βίαιες αναπνευστικές προσπάθειες. Η πίεση του αίματος και ο καρδιακός ρυθμός αυξάνονται απότομα, η έκκριση των κατεχολαμινών αυξάνεται και το ph του αίματος μειώνεται. ΠΝΙΓΜΟΣ. Ο πνιγμός είναι η ασφυξία που προκαλείται από τη βύθιση συνήθως σε νερό. Η γλωττίδα χαλαρώνει με αποτέλεσμα να εισέρχεται νερό στους πνεύμονες. Το γλυκό νερό απορροφάται γρήγορα διαστέλλοντας το πλάσμα και προκαλώντας ενδοαγγειακή αιμόλυση. Το αλμυρό νερό είναι υπέρτονο και παρασύρει υγρό από τα αγγεία στους πνεύμονες, ελαττώνοντας τον όγκο πλάσματος. Ο άμεσος στόχος στη θεραπεία πνιγμού είναι η ανάνηψη, αλλά για τη μακρόχρονη θεραπεία θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι επιδράσεις του νερού στους πνεύμονες.
ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ ΤΗΣ ΑΝΑΠΝΟΗΣ ΠΕΡΙΟΔΙΚΗ ΑΝΑΠΝΟΗ Όταν ένα φυσιολογικό άτομο υπεραερίζει για 2-3 λεπτά, σταματήσει και επιτρέψει στον ακούσιο αερισμό, τότε εμφανίζεται μια μικρή περίοδος άπνοιας. Αυτή ακολουθείται από μερικές αναπνοές μικρού όγκου και μετά από άλλη περίοδο άπνοιας, την οποία ακολουθούν πάλι μερικές αναπνοές. Οι κύκλοι μπορούν να έχουν κάποια διάρκεια πριν από την επανάληψη της φυσιολογικής αναπνοής. Κατά τη διάρκεια της άπνοιας, η κυψελιδική ΡO 2 μειώνεται και η ΡCO 2 αυξάνεται. Η αναπνοή επανέρχεται και πάλι λόγω της υποξικής διέγερσης των καρωτιδικών και αορτικών χημειοϋποδοχέων πριν επιστρέψει στο επίπεδο του CO 2 στο φυσιολογικό. Σταδιακά, η ΡCO 2 επιστρέφει στο φυσιολογικό επίπεδο και επανέρχεται η φυσιολογική αναπνοή. Οι μεταβολές στον τρόπο της αναπνοής μπορούν να οφείλονται σε κάποια πάθηση (π.χ. άπνοια στον ύπνο).
ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΙΣΜΟΥ ΣΤΙΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΟΞΕΟΒΑΣΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ
ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΙΣΜΟΥ ΣΤΙΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΟΞΕΟΒΑΣΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Στη μεταβολική οξέωση που οφείλεται π.χ. στη συσσώρευση κετονικών σωμάτων στη κυκλοφορία σε ασθενείς με σακχαρώδη διαβήτη, παρατηρείται έντονη αναπνευστική διέγερση (αναπνοή Kussmaul). Ο υπεραερισμός μειώνει την αρτηριακή PCO 2 και έτσι προκαλείται μια αντιρροπιστική μείωση της συγκέντρωσης Η + στο αίμα. Αντίστροφα, στη μεταβολική αλκάλωση που οφείλεται π.χ. σε παρατεταμένο έμετο με απώλεια HCl από το σώμα, ο αερισμός καταστέλλεται και η αρτηριακή PCO 2 αυξάνεται, αυξάνοντας τη συγκέντρωση Η + προς τα φυσιολογικά επίπεδα.
ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΙΣΜΟΥ ΣΤΙΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΟΞΕΟΒΑΣΙΚΗΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΙΣΜΟΥ ΣΤΟ CO2 Η αρτηριακή PCO 2 φυσιολογικά διατηρείται στα 40 mmhg. Όταν αυτή αυξάνεται ως αποτέλεσμα αυξημένου μεταβολισμού των ιστών διεγείρεται ο αερισμός και ο ρυθμός αποβολής του CO 2 από τους πνεύμονες αυξάνει μέχρι η PCO 2 να μειωθεί σε φυσιολογικά επίπεδα. Όταν εισπνέεται ένα μείγμα αερίων που περιέχει CO 2 η PCO 2 κυψελιδική αυξάνεται, αυξάνοντας το επίπεδο της αρτηριακής PCO 2 και διεγείροντας τον αερισμό. Όταν η PCO 2 του εισπνεόμενου αερίου είναι κοντά στην κυψελιδική PCO 2, η αποβολή του CO 2 καθίσταται δύσκολη. Όταν το περιεχόμενο του εισπνεόμενου μείγματος αερίων σε CO 2 είναι μεγαλύτερο του 7% η κυψελιδική και αρτηριακή PCO 2 αρχίζουν να αυξάνονται απότομα παρά τον υπεραερισμό. Η επακόλουθη συσσώρευση CO 2 στο σώμα (υπερκαπνία) καταστέλλει το κεντρικό νευρικό σύστημα, συμπεριλαμβανομένου του αναπνευστικού κέντρου και προκαλεί κεφαλαλγία, σύγχυση και τελικά κώμα (νάρκωση από CO 2 ).
ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΙΣΜΟΥ ΣΤΟ CO2