Εισαγωγή στην Καρδιοαναπνευστική Φυσιολογία Επισκόπηση της δομής & λειτουργίας του καρδιοαναπνευστικού συστήματος Ρόλος της κυψελίδας στην ανταλλαγή αερίων και στην άμυνα Ψυχογιού Αθηναΐς Γεωργία, PT, MSc 1
Σκεφτείτε... Σήμερα θα δούμε: Τι χρειάζεται για να πραγματοποιηθεί η αναπνοή Τη δομή των αεραγωγών Τη δομή και λειτουργία της κυψελίδας Βασικές αρχές φυσικής (όγκοι πιέσεις αερίων) Ποιά είναι η λειτουργία του αναπνευστικού συστήματος; Τι χρειάζεται προκειμένου να φτάσει το Ο 2 από τον αέρα στα κύτταρα και το CO 2 που παράγεται στα κύτταρα να αποβληθεί στην ατμόσφαιρα; Τί είναι τα παραπροϊόντα; 2
Αναπνευστική λειτουργία πνευμόνων αίματος κυττάρων Η λειτουργία της αναπνοής στο σώμα περιλαμβάνει: Πνευμονικό αερισμό Ανταλλαγή αερίων στην κυψελίδα εξωτερική αναπνοή Μεταφορά αερίων με το αίμα Ανταλλαγή αερίων στα κύτταρα των ιστών Κυτταρική αναπνοή εσωτερική αναπνοή (οξειδωτικός μεταβολισμός) Ως Φ/Θ μας ενδιαφέρει κυρίως η εξασφάλιση καλού πνευμονικού αερισμού Κλινικά, οι όροι αερισμός / αναπνοή συχνά χρησιμοποιούνται εναλλακτικά 3
Επισκόπηση της αναπνοής Oxygenated blood Deoxygenated blood Fig. 16.1 Stanfield 4
Κυτταρική αναπνοή Oxygenated blood Deoxygenated blood Fig. 16.1 Stanfield 5
Συνοπτική ανατομία αναπνευστικού συστήματος Fig. 16.2 Stanfield 6
Αναπνευστική οδός Διάμετρος (mm) Διάμετρος & χόνδρος % λείοι μύες 20-25 12-16 Ζώνη Αγωγής 1-12 0.5-1 < 0.5 Αναπνευστική Ζώνη < 0.5 0.3 Fig. 16.3 Stanfield 7
Ορολογία Τραχεία (trachea) Διαιρείται κατά την τρόπιδα στους δύο κύριους ή στελεχιαίους βρόγχους (primary bronchi) Αριστερός και δεξιός κύριος βρόγχος, οι οποίοι διαιρούνται σε: Λοβαίοι βρόγχοι (lobar bronchi) 2 ης γενιάς βρόγχοι Right upper lobe, right middle lobe, right lower lobe bronchus Left upper lobe, left lower lobe bronchus which further divide into: Τμηματικοί βρόγχοι (segmental bronchi) 3 ης γενιάς βρόγχοι Οδηγούν στα βρογχοπνευμονικά τμήματα του λοβού Επιπλέον βρογχικές διακλαδώσεις 20 23 γενιές διακλαδώσεων Βρογχιόλια (bronchioles) less than 1 mm diameter Τελικά (Terminal) βρογχιόλια η τελευταία διακλάδωση των βρογχιολίων χωρίς την ύπαρξη κυψελίδων και Αναπνευστικά (respiratory) βρογχιόλια Ο χόνδρινος ιστός και οι λείες μυϊκές ίνες όσο προχωράμε προς την περιφέρεια επιτρέπει αλλαγές στην αντίσταση της ροής του αέρα 8
Ορολογία (συνέχεια) Ανώτερη αναπνευστική οδός (upper respiratory tract - URT) Μύτη Ρινική κοιλότητα (nasal cavity) Στοματική κοιλότητα (oral cavity) Φάρυγγας (pharynx) Ρινοφάρυγγας (nasopharynx) + Στοματοφάρυγγας (oropharynx) Λάρυγγας (larynx) Κατώτερη αναπνευστική οδός (lower respiratory tract LRT) Κάτω από το επίπεδο του λάρυγγα (τραχειοβρογχικό δέντρο) Ζώνη αγωγής (conducting zone) Όλοι οι αεραγωγοί που μεταφέρουν αέρια μεταξύ ατμόσφαιρας επιφάνειας ανταλλαγής αερίων (από τη μύτη και το στόμα μέχρι τα τελικά βρογχιόλια) Αναπνευστική ζώνη (respiratory zone) Τα πνευμονικά τμήματα που φέρουν αναπνευστική μεμβράνη (αναπνευστικά βρογχιόλια, κυψελιδικοί πόροι και κυψελίδες) 9
Εγκάρδια διατομή τραχείας και οισοφάγου Οπίσθιο Βλεννογόνος Χιτώνας (έσω) Οισοφάγος Τραχειακός μυς Αυλός της τραχείας Υποβλεννογόνος χιτώνας Οροβλεννώδεις τραχειακοί αδένες Χόνδρινα ημικρίκια από υαλοειδή χόνδρο (μέσος) Πρόσθιο Περιτραχειακός Χιτώνας (έξω) Marieb Figure 22.6a
Δομή τοιχώματος αεραγωγού Copyright 2009 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings Martini - The Respiratory Epithelium of the Nasal Cavity and Conducting System.
Δομή τοιχώματος αεραγωγών (ζώνη αγωγής) Επιθήλιο (έσω) Αλλάζει η σύσταση ανάλογα με τη λειτουργία Βλεννογόνα κύτταρα κροσσοί διαφέρουν ως προς τη συγκέντρωση Μυϊκός χιτώνας (μέσος) Ενισχύεται προς λεπτότερους βρόγχους Ινοχόνδρινος χιτώνας (έξω) Πυκνός συνδετικός ιστός Χόνδρινα τεμάχια σχήματος ταινίας ή πλάκας μέγεθος / σχήμα προς λεπτότερους βρόγχους Ανύπαρκτος στα βρογχιόλια 12
Λειτουργίες αεραγωγών Μεταφορά αερίων ανάμεσα σε ατμόσφαιρα κυψελίδες Θέρμανση Εφύγρανση Φιλτράρισμα και καθαρισμός Σωματίδια > 6micromillimetres (10-6 metres) σπάνια φτάνουν μέχρι τις κυψελίδες Φτάνοντας στις κυψελίδες, ο εισπνεόμενος αέρας έχει θερμανθεί στους 37 o C και έχει κορεστεί πλήρως με υδρατμούς Εξασφαλίζοντας ιδανικές συνθήκες για την ανταλλαγή αερίων 13
Αναπνευστική ζώνη Αναπνευστικά βρογχιόλια αποσχίζονται στους κυψελιδικούς πόρους των οποίων τα τοιχώματα φέρουν τις κυψελίδες 200 κυψελίδες / αναπνευστικό βρογχιόλιο 300x10 6 κυψελίδες / πνεύμονες 70m 2 επιφάνεια ανταλλαγής αερίων Ένα σύμπλεγμα κυψελίδων αποτελεί ένα κυψελιδικό σάκκο 14
Η μικροδομή της κυψελίδας Fig. 16.5 Stanfield Fig. 16.5 Germann 15
Αναπνευστική ή κυψελιδο-τριχοειδική μεμβράνη Τρία, ωστόσο, εξαιρετικά λεπτά στρώματα ώστε να διευκολύνεται η ανταλλαγή αερίων: Κυψελιδικό επιθήλιο Κυρίως αποτελείται από ένα στρώμα κυψελιδικών κυττάρων Τύπου Ι. Βασική μεμβράνη (προϊόν συγχώνευσης 2 μεμβρανών) Τριχοειδικό ενδοθήλιο Πάχος: 0.2μm (10-6 ) Μεγάλη συνολικη επιφάνεια: 300x10 6 κυψελίδες σε κάθε πνεύμονα συνολική έκταση ~ 70m 2, περίπου όσο ένα γήπεδο tennis 16
Μικροανατομία αναπνευστικής μεμβράνης Nucleus of type I (squamous epithelial) cell Alveolar pores Red blood cell Alveoli (gas-filled air spaces) Alveolus Red blood cell in capillary Type II (surfactantsecreting) cell Capillary Type I cell CO 2 of alveolar wall Alveolus Macrophage Endothelial cell nucleus Respiratory membrane O 2 Alveolar epithelium Fused basement membranes of the alveolar epithelium and the capillary endothelium Capillary endothelium Capillary 17 Martini Figure 22.9c
Κυψελιδική δομή: Πνευμονικά αρτηρίδια, τριχοειδή και φλεβίδια Martini 18
Λειτουργία της κυψελίδας Κυρίως η ανταλλαγή αερίων Πρόσληψη Ο 2 από το αίμα Αποβολή CO 2 προς την ατμόσφαιρα Ρόλο ως ένας από τους αμυντικούς μηχανισμούς του σώματος Κυψελιδικά μακροφάγα Φαγοκυτταρώνουν κάθε μικροσκοπικό σωματίδιο και μικροοργανισμό που δεν έχει απομακρυνθεί με το σύστημα βλέννης κροσσωτού επιθηλίου (mucociliary escalator) ή με το βήχα Στοιχεία των κυψελίδων που παίζουν σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της έκπτυξης των πνευμόνων Περιέχουν κυψελιδικά κύτταρα Τύπου ΙΙ εκκρίνουν επιφανειοδραστικό παράγοντα (surfactant), μια λιποπρωτεϊνική ουσία που μειώνει την επιφανειακή τάση στο εσωτερικό τους αποτρέποντας την σύμπτωσή τους (κατάρρευση προς τα έσω) / παρά την τάση από τις μυϊκές ίνες (εξωτερικά) και το υγρό που επενδύει το εσωτερικό τους τοίχωμα Διακυψελιδικοί πόροι / πόροι του Köhn Βρογχιοκυψελιδικά κανάλια του Lambert Διαβρογχικά κανάλια του Martin Παράπλευρος αερισμός (collateral ventilation) 19
Παράπλευρος αερισμός Διευκολύνει την ομοιόμορφη έκπτυξη των κυψελίδων στον πνεύμονα http://www.respiratoryceus.net/course/description/5 (Wiley) 20
Αιμάτωση πνευμόνων Οι βρογχικές αρτηρίες προμηθεύουν τον πνευμονικό ιστό με αίμα Άρχεται από την αορτή και εισέρχεται στους πνεύμονες κατά τις πύλες Αιματώνει τον πνευμονικό ιστό εκτός από τις κυψελίδες Αναστομώσεις δημιουργούνται μεταξύ βρογχικών πνευμονικών φλεβών Οι πνευμονικές φλέβες επιστρέφουν το μεγαλύτερο % του βρογχικού φλεβικού αίματος πίσω στην καρδιά Κατά ένα μέρος, εξηγείται γιατί διαφέρει το % του Ο 2 στο αρτηριακό αίμα και στις κυψελίδες και γιατί η αιμοσφαιρίνη δεν είναι ποτέ 100% κορεσμένη με Ο 2. 21
Στοιχεία Φυσικής του Αναπνευστικού Συστήματος 22
Έννοια της μερικής πίεσης αερίου σε μίγμα αερίων Η ολική πίεση (P ολ ) που ασκείται από ένα μίγμα αερίων σε χώρο σταθερού όγκου, ισούται με το άθροισμα των πιέσεων (P 1, P 2 P ν ) που θα ασκούσαν κάθε ένα από τα συστατικά αέρια του μίγματος, εάν καταλάμβαναν μόνα τους τον ίδιο όγκο (Νόμος των μερικών πιέσεων του Dalton) Pολ = P1 + P2 + + Pν Ατμοσφαιρική πίεση (P atm ) στο επίπεδο της θάλασσας είναι: P atm = 760mmHg = 101.325kPa Τα % ποσοστά των συστατικών του αέρα παραμένουν τα ίδια καθώς το υψόμετρο, ωστόσο, η συνολική πίεση P (atm) που ασκείται από κάθε αέριο σε σχέση με την συνολική πίεση του αέρα επίδραση της βαρύτητας αριθμός των αέριων μορίω σε ορισμένο όγκο αέρα... 23
Σύσταση του ατμοσφαιρικού αέρα Οξυγόνο (Ο 2 ) ~21% Άζωτο (Ν 2 ) ~79% Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) ~0.04% Υδρατμοί (Η 2 Ο) ανάλογα με την υγρασία P (atm) = P O2 +P CO2 +P N2 = 760mmHg (101kPa) Το Ν 2 παίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της έκπτυξης των κυψελίδων, καθώς δε συμμετέχει στην ανταλλαγή αερίων (είναι ελάχιστα διαλυτό στο Η 2 Ο) 24
Όσο ο αριθμός των μορίων ενός αερίου, τόσο η πίεση που ακούν Νόμος του Boyle Η πίεση (P) που ασκεί ένα αέριο είναι αντιστρόφως P 1/V ανάλογη προς τον όγκο (V) που καταλαμβάνει Νόμος του Charles Ο όγκος (V) που καταλαμβάνει ένα V T αέριο είναι ανάλογος με την απόλυτη θερμοκρασία (Τ) P 1 V 1 /T 1 = P 2 V 2 /T 2 Νόμος του Avogadro / Νόμος Ιδανικών Αερίων Η πίεση (P) και ο όγκος (V) ορισμένης μάζας αερίου εξαρτάται από την απόλυτη θερμοκρασία (Τ) 25
Ισορροπία αερίων ανάμεσα σε αέριο μίγμα & διάλυμα Εάν ένα αέριο βρίσκεται σε επαφή με ένα υγρό, τότε μόρια του αερίου θα εισέλθουν στο υγρό μέχρι να εξισωθούν οι μερικές πιέσεις του αερίου στο αέριο μίγμα και το υγρό Αυτό εξαρτάται και από: Τη διαλυτότητα του αερίου στο υγρό Τη θερμοκρασία του υγρού Στην κυψελίδα τα αέρια διασχίζουν την αναπνευστική μεμβράνη 26
Ανταλλαγή αερίων στους πνεύμονες Η μεταφορά των μορίων του Ο 2 και του CO 2 διαμέσου της τριχοειδοκυψελιδικής μεμβράνης επιτυγχάνεται με ΔΙΑΧΥΣΗ: Τυχαία κίνηση των μορίων πό περιοχή υψηλότερης μερικής πίεσης του αερίου περιοχή χαμηλότερης μερικής πίεσης του ίδιου αερίου (κλίση πίεσης) μέχρι να επέλθει ισορροπία εξίσωση των μερικών πιέσεων στις δύο περιοχές ο αριθμός μορίων που απομακρύνονται από το αίμα κάθε sec είναι ο ίδιος με τον αριθμό των μορίων που εισέρχονται σ αυτό Η κλίση πίεσης του Ο 2 (~100mmHg στον κυψελιδικό αέρα, έναντι ~40mmHg στο αποξυγονωμένο αίμα στα κυψελιδικά τριχοειδή) είναι μεγαλύτερη από αυτή του CO 2 (~40mmHg στον κυψελιδικό αέρα, έναντι ~45mmHg στα κυψελιδικά τριχοειδή), ωστόσο, Το CO 2 είναι 20 φορές πιο διαλυτό απ ότι το O 2 Η ισορροπία φυσιολογικά επέρχεται στο πρώτο 1/3 του μήκους του τριχοειδούς (1mm από το αρτηριακό προς το φλεβικό άκρο του) και για τα δύο αέρια. Φυσιολογικά απαιτείται ~0.25s υπάρχει χρονικό περιθώριο σε περιπτώσεις που η ροή του αίματος είναι ταχύτερη (π.χ. κατά τη σωματική άσκηση) 27
Αναπνεόμενος όγκος αέρα & νεκρός χώρος Η φυσιολογική ανάσα αναφέρεται ως αναπνεόμενος όγκος αέρα ~ 500mls που περιλαμβάνουν: Αέρα στη ζώνη αγωγής ~150mls = 1/3 της ανάσας Ονομάζεται νεκρός χώρος Δε συμμετέχει στην ανταλλαγή αερίων Αέρα στην αναπνευστική ζώνη ~350mls Σκεφτείτε: Τι συμβαίνει στον όγκο του φρέσκου αέρα που φτάνει στις κυψελίδες αν πάρετε: Βαθύτερες ανάσες; Πολύ επιπόλαιες ανάσες; Κλινική σημασία: Σχετικά με την επίπτωση που μπορεί να έχει μια πνευμονική νόσος στην συχνότητα και το βάθος της αναπνοής 28
Παράγοντες που επηρεάζουν την μερική πίεση των αερίων στις κυψελίδες (και κατ επέκταση τη διαθεσιμότητα των αερίων για ανταλλαγή με το αίμα) Τα επίπεδα του O 2 στον εισπνεόμενο αέρα (συνήθως σταθερά, ποικίλλει ανάλογα με το υψόμετρο, αν βρίσκεται μέσα σε αεροσκάφος, αν υποβάλλεται σε οξυγονοθεραπεία και αν υποστηρίζεται μηχανικά ο αερισμός του) Τη συχνότητα και το βάθος του αερισμού π.χ. στην εισπνοή εκπνοή. (Σκεφτείτε: γρήγορη, επιπόλαια αναπνοή μπορεί να μεταφέρει τον ίδιο όγκο αέρα σε ένα λεπτό με αργή, βαθιά αναπνοή αλλά ποιά το ποσοστό του αερισμού του νεκρού χωρου σε κάθε ανάσα; Αν αυξηθεί ο μεταβολισμός των ιστών ( ο ρυθμός κατανάλωσης O 2 και παραγωγής CO 2 ) τότε το σώμα πρέπει να το ρυθμό και το βάθος του αερισμού (υπέρπνοια) ώστε να διατηρήσει το απαιτούμενο διαθέσιμο για ανταλλαγή αερίων στις κυψελίδες, ποσό O 2 και για να απομακρύνει το CO 2 Το μηχανισμό θα τον δούμε την επόμενη εβδομάδα Αν αυτή η προσαρμογή δεν πραγματοποιηθεί προκύπτουν προβλήματα. Το γεγονός ότι ο κυψελιδικός αέρας είναι 100% κορεσμένος με υδρατμούς (έναντι του ατμοσφαιρικού αέρα που δεν είναι) 29
Συγκεντρώσεις αερίων στον κυψελιδικό αέρα και στον ατμοσφαιρικό αέρα Γιατί η συγκέντρωση του Ο 2 είναι μικρότερη στις κυψελίδες απ ότι στην ατμόσφαιρα; Αέρια Ατμοσφαιρικός αέρας (στην επιφάνεια θάλασσας) Ποσοστό ~ % Μερική Πίεση mmhg / kpa Κυψελιδικός αέρας Ποσοστό ~ % Μερική Πίεση mmhg / kpa Άζωτο 79 597/79.6 75 570/76 Οξυγόνο 21 160/21.3 13 104/13.9 Διοξείδιο του άνθρακα 0.04 0.3/0.04 5 40/5.3 Υδρατμοί 0.46 3.7/0.5 7 47/6.3 Σύνολα 100% ~ 760mmHg / 101.3kPa 100% ~ 760mmHg / 101.3kPa 30
Πνευμονικές αρτηρίες Κλινικά αναφέρονται: Αέρια Φλεβικού Αίματος Εισπνεόμενος αέρας: P O 2 160 mm Hg P 0.3 mm Hg CO 2 Εξωτερική αναπνοή Αίμα που φεύγει από τους ιστούς και εισέρχεται στους πνεύμονες: P O 2 40 mm Hg P 45 mm Hg Πνεύμονες CO 2 O 2 Καρδιά Κυψελίδες: P O 2 104 mm Hg P 40 mm Hg CO 2 Πνευμονικές φλέβες (P 100 mm Hg) Αίμα που φεύγει από τους πνεύμονες και εισέρχεται στα τριχοειδή των ιστών: P 100 mm Hg P 40 mm Hg CO 2 O 2 Συγκεντρώσεις των αερίων σε: ατμόσφαιρα κυψελίδες πνευμονικά αγγεία συστηματικά αγγεία τριχοειδικά δίκτυα ιστών Κλινικά αναφέρονται: Αέρια Αρτηριακού Αίματος (ABGs) Συστηματικές φλέβες Συστηματικές αρτηρίες Εσωτερική αναπνοή Ιστοί: P O 2 < 40 mm Hg P CO 2 > 45 mm Hg 31 Marieb and Hoehn 2010 Figure 22.17
Με τη μορφή πίνακα Oxygen Carbon dioxide Vessel mmhg/ kpa mmhg/ kpa Pulmonary arteriolar blood= systemic veins 40/5.3 45/6 Clinically termed Venous Blood Gases Alveolar air 104/13.9 40/5.3 Pulmonary venule blood = systemic arteries 100/13.3 40/5.3 Clinically termed - Arterial Blood Gases (ABGs) Atmospheric air 160/21.3 0.3/0.04 1kPa~7.5mmHg 1mmHg~0.13kPa 32
Διαταραχές στην ισορροπία αυτή Είναι δυνατή η δυσαναλογία ανάμεσα στην κατανάλωση O 2 παραγωγή CO 2 και στον απαιτούμενο ρυθμό βάθος του αερισμού, π.χ.: Υποαερισμός Μειωμένος αερισμός CO 2 και του O 2 στον κυψελιδικό αέρα O 2 στο αίμα των πνευμονικών φλεβών Παράγοντας που συμβάλει στην αναπνευστική ανεπάρκεια Υπεραερισμός Υπερβολικός αερισμός σε σχέση με τις μεταβολικές απαιτήσεις CO 2 και του O 2 στον κυψελιδικό αέρα O 2 στο αίμα των πνευμονικών φλεβών Μπορεί να οδηγήσει στο Σύνδρομο Υπεραερισμού - HyperVentilation Syndrome (HVS) 33
Μαθησιακά αποτελέσματα Τελειώνοντας την παρούσα διάλεξη και με σχετική ανεξάρτητη μελέτη, οι σπουδαστές θα πρέπει να: Αντιλαμβάνονται τη σπουδαιότητα της Φυσιολογίας για την κατανόηση στα πλαίσια της Ενότητας CResp Είναι σε θέση να περιγράψουν τις βασικές δομές και τη συνολική λειτουργία του καρδιοαναπνευστικού συστήματος Είναι σε θέση να εξηγήσουν πως πραγματοποιείται η ανταλλαγή αερίων στους πνεύμονες Γνωρίζουν πως οι μερικές πιέσεις του Ο 2 και του CO 2 μεταβάλλονται σε: ατμόσφαιρα κυψελίδες αίμα Έχουν αρχίσει να κατανοούν την εμβιομηχανική του κυψελιδικού αερισμού 34
Βιβλιογραφία Fox, S. I. (2009). Human physiology. (11 th ed.). Boston: McGraw Hill Higher Education. Marieb, E. N. and Hoehn, K. (2013). Human anatomy and physiology. (9th ed.). Pearson.San Francisco: London. Martini, F. H. (2006). Fundamentals of anatomy and physiology. (7 th ed.). San Francisco: Pearson Benjamin Cummings. Stanfield, C. L. & Germann, W. J. (2008). Principles of human physiology. (3 rd San Francisco: Pearson Benjamin Cummings. ed.). Thibodeau, G. A. & Patton, K. T. (2007). Anatomy and physiology. (6 th ed.). St Louis, Missouri: Mosby Elsevier. Vander, A., Sherman, J. & Luciano, D. (2004). Human physiology. (9th ed.). Boston: McGraw Hill. (The newer edition of this is Widmaier, E. P., Raff, H. & Strang. K.Y. (2006). Vander s human physiology: The mechanisms of body function. (10 th ed.). Boston: McGraw Hill.) 35