X. Řízení dýchání a změny parciálních tlaků dýchacích plynů

1 Termíny:

 

alveolo-kapilární  membrána  Bariéra, přes kterou difunduje kyslík (a oxid uhličitý) z plic do krve (a obráceně). Je fyziologicky tvořena respiračním epitelem, bazální membránou a výstelkou (endotelem) kapiláry.
anatomický mrtvý dýchací prostor horní dýchací cesty a dolní dýchací cesty (kromě respiračních bronchiolů), ve kterých z anatomických důvodů (příliš silná stěna vyztužená chrupavkou) nedifundují plyny do krve. Dá se zvětšit například plynovou maskou, šnorchlem nebo brčkem.
anoxie nepřítomnost kyslíku ve tkáni
apnoe zástava dechu
asfyxie snížený parciální tlak kyslíku a zvýšený parciální tlak oxidu uhličitého v krvi a tkáních – většinou způsobeno dušením (například při rizikovém porodu nebo škrcení)
Biotovo dýchání nepravidelné dýchání – co do frekvence i objemu; vzniká při poškození prodloužené míchy
bradypnoe zpomalené dýchání
difuze plynů výměna kyslíku a oxidu uhličitého mezi plicními alveoly a krví a mezi krví a tkáněmi (přestup po gradientu parciálního tlaku)
dyspnoe pocit nedostatku vzduchu, dušnost
eupnoe normální dýchání
funkční mrtvý dýchací prostor oblasti alveolů a respiračních bronchiolů, kde pro sníženou perfuzi nedochází k výměně plynů (ačkoli anatomické podmínky jsou příznivé)
globální respirační insuficience respirační insuficience, při níž se snižuje parciální tlak kyslíku a zvyšuje parciální tlak oxidu uhličitého, také respirační insuficience II. typu neboli hyperkapnická
hyperpnoe prohloubené dýchání
hyperventilace prohloubené nebo zrychlené dýchání, při kterém se snižuje Parciální tlak  oxidu uhličitého v arteriální krvi (paCO2) a mění se pH krve (vzniká respirační alkalóza)
hypopnoe mělké dýchání
hypoventilace mělké, nedostatečné dýchání (ventilace). Způsobuje hromadění oxidu uhličitého v krvi (hyperkapnii) s respirační acidózou a nedostatkem kyslíku (hypoxémie).
hypoxémie snížený parciální tlak kyslíku v krvi
hypoxie snížený parciální tlak kyslíku ve tkáni
Cheyne – Stokesovo dýchání dýchání typické kolísavým rytmem: postupné klesání hloubky dechů     až k zástavě a pak znovu prohlubování
Kussmaulovo dýchání (acidotické) dýchání: hluboké zrychlené dýchání (hyperventilace), které vzniká při metabolické acidóze, zbavuje organismus oxidu uhličitého a kompenzuje tak acidózu
mrtvý dýchací prostor prostor, kde nedochází k výměně plynů v dýchacím systému. Dělí se na anatomický a funkční.
ortopnoe Ø  klidová dušnost vynucující zaujetí polohy vsedě či vestoje se zapojením pletence pažního a využitím pomocných dýchacích svalů
paCO2 je parciální tlak oxidu uhličitého v arteriální krvi, odpovídá množství CO2 fyzikálně rozpuštěného v arteriální krvi (N: 5,3 ± 0,5 kPa @ 40 mmHg = 40 mmHg)
paO2 parciální tlak kyslíku v arteriální krvi (odpovídá množství kyslíku fyzikálně rozpuštěného v arteriální krvi, schopného difundovat do tkání přes kapilární stěnu) (N: 12,4 ± 3,1 kPa @100 mmHg = 100 mm Hg)
pAO2 parciální tlak kyslíku v alveolu (o něco vyšší než v arteriích, závisí na pACO2 a pO2 ve vdechvaném vzduchu)
parciální respirační insuficience respirační insuficience vedoucí k poklesu parciálního tlaku kyslíku v arteriální krvi (hypoxémii), také respirační insuficience I. typu nebo hypoxická respirační insuficience.
parciální tlak plynu je „částečný“ tlak plynu ve směsi plynů (odpovídá množství daného plynu ve směsi)
perfuze plic průtok krve plicním řečištěm
polypnoe rychlé povrchní dýchání
respirace výměna plynů, dýchání (vnější a vnitřní)
respirační centra centra řídící dýchání – skupiny jader v retikulární formaci prodloužené míchy a mostu. Jsou nezávislá na vůli.
respirační insuficience selhávání dýchacích funkcí, kdy dýchací ústrojí není schopno zabezpečit dostatečnou výměnu plynů. Rozlišuje se na dva typy: parciální a globální (dnes hypoxické a hyperkapnické)
tachypnoe zrychlené dýchání
ventilace výměna vzduchu mezi okolním vzduchem a plícemi (alveoly)

 

 

2 Úvod

Funkce respiračního systému:

  • výměna dýchacích plynů mezi organismem a prostředím a udržování jejich parciálních tlaků na úrovni odpovídající metabolickým požadavkům organismu
  • metabolické funkce: udržování acidobazické rovnováhy (ABR), termoregulační a endokrinní funkce (přeměna angiotenzinu I na II)
  • fonační funkce (mluvení)

Struktura a organizace respiračního systému:

hrudník  –  hermeticky uzavřená dutina, významným faktorem je jeho poddajnost (compliance) a pružnost (elastance)

dýchací svaly  –  svaly, které roztahují hrudní koš (zvětšují objem hrudní dutiny) na podnět z respiračních center a umožňují nádech. Hlavními dýchacími svaly jsou bránice a interkostální svaly. Podílejí na nádechu i v klidu; pomocné dýchací svaly (především zádové, krční a sv. pažního pletence) jsou zapojeny při zátěži, při usilovném výdechu a hlavně za patologických okolností (ortopnoe).

pleura (pohrudnice) – viscerální a parietální list, mezi nimi jen vrstvička serózní kapaliny. Podtlak umožňuje rozvinutí plíce při zvětšení objemu hrudníku.

dýchací cesty  – horní: nosní a ústní dutina, pharynx, larynx; dolní:  trachea, bronchy,  bronchioly. Jejich onemocněním vznikají obstrukční poruchy (bronchokonstrikce, hypersekrece hlenu).

respirační tkáně  jsou zodpovědné za výměnu plynů přes alveolokapilární membránu mezi alveoly a krví (alveoly, respirační bronchioly), respirační plocha je asi 50-100 m2. Při  snížení poddajnosti plicní tkáně např. při plicním edému nebo intersticiálních fibrózách vznikají restrikční poruchy.

plicní krevní oběh je dvojí:  funkčníplicní arterie vycházející z pravé komory a vény vstupující do levé komory jsou zodpovědné za plicní perfuzi. Jedná se o nízkotlaké řečiště, funkcí je výměna plynů mezi alveoly a krví (difuze). Systémový krevní oběh (a. bronchiales) zásobuje plicní tkáně a bronchy živinami a kyslíkem. Poruchy: plicní embolie, plicní hypertenze, nepoměr mezi ventilací a perfuzí.

Dýchání se skládá z několika dějů:

  1. ventilace – výměna plynů mezi organismem (plicními alveoly) a okolím. Probíhá za pomoci tzv. respirační pumpy (hrudní koš, bránice, ostatní inspirační svaly, pleura). Při nádechu (inspiraci) se plíce plní vzduchem, při výdechu (exspiraci) je vzduch z plic vypuzen. Inspirace je aktivní děj: dýchací svaly rozšíří hrudní koš, vlivem adheze parietální a viscerální pleury za přítomnosti pleurální tekutiny se roztáhnou plíce a vznikne v nich podtlak. Vzduch může proudit dýchacími cestami do alveolů. Za fyziologických okolností je klidový výdech (exspirace)  děj pasivní. Jakmile pomine tah svalů, smrští se hrudník i plíce a zvýšením tlaku se obsažený vzduch vydechne do dýchacích cest a ven z organismu.

Ventilace závisí na poddajnosti hrudní stěny, podtlaku v hrudníku, poddajnosti plic, povrchovém napětí plic, odporu dýchacích cest, velikosti mrtvého dýchacího prostoru a funkci dýchacích svalů. Hlavní metodou, kterou je možno vyšetřit plicní ventilaci, je spirometrie.  Dá se vyšetřit i celotělovou pletysmografií.

  1. perfuze – funkční prokrvení plic sítí kapilár kolem alveolů a v alveolárních septech. Intenzita perfuze se mění podle distribuce vzduchu do jednotlivých oblastí plic. Je závislá na gravitaci, poloze těla a zrychlení (pozitivním i negativním – např. při startu raketoplánu). Z funkčního hlediska je především důležité dosažení optimálního poměru mezi alveolární ventilací a perfuzí. Ventilačně – perfuzní koeficient vyjadřuje poměr ventilace – perfuze (V/Q). Jenom alveoly ventilované a současně perfundované plní svoji funkci. Pro udržení optimálního poměru ventilace – perfuze se vyvinuly některé reflexy: například při snížení parciálního tlaku kyslíku v alveolu se reflexně zúží příslušné arterioly, takže se při vtoku do levého srdce nemísí neoxygenovaná krev ze špatně ventilovaných částí plic s krví oxygenovanou.
  2. difuze je výměna plynů mezi alveoly a krví. Závisí na velikosti respiračního povrchu (počtu funkčních alveolů, jejich sept), tloušťce alveolo-kapilární membrány, tlakovém gradientu difundovaných plynů (pCO2 a pO2 v alveolu a v krvi) a vlastnostech difundovaných plynů (CO2 difunduje podstatně snáze než kyslík). Pro hodnocení difuze je významné vyšetření krevních plynů, tedy stanovení parciálního tlaku oxidu uhličitého a kyslíku z arteriální krve.
  3. vnitřní dýchání je výměna plynů mezi krví a tkáněmi (opět difuzí).

 

3 Řízení dýchání

Řízení dýchání má dvě základní podoby: řízení nervové (dýchací centra a nervové vlivy), které zajišťuje automaticitu děje a řízení humorální, která přizpůsobuje aktivitu dýchání vnitřním podmínkám organismu (centrální a periferní chemoreceptory monitorující parciální tlaky plynů a pH).

Nervová regulace se z hlediska ovladatelnosti vůlí dělí na řízení automatické a volní. Automatické dýchání  je řízeno z dýchacích center v prodloužené míše a pontu, které přímo aktivují inspirační dýchací svaly. Volní dýchání je řízeno mozkovou kůrou. Kontrola účinku dýchacích funkcí je prováděna chemoreceptory, které monitorují parciální tlaky dýchacích plynů, rozpuštěných v arteriální krvi, a pH. Centrální chemoreceptory v prodloužené míše reagují hlavně na parciální tlak oxidu uhličitého (pCO2), periferní chemoreceptory, uložené v oblouku aorty a karotických tělískách, reagují hlavně na parciální tlak kyslíku (pO2) a na pH krve (částečně i na pCO2).

Obr. X.1 Schéma řízení dýchání 

Dechová centra vydávají v klidu impulzy způsobující nádech. Zpětnou vazbou jsou informována o stavu dýchacího systému pomocí mechanoreceptorů (inflačních a deflačních receptorů v plicích), proprioceptorů a J receptorů.  Dýcháním se mění parciální tlaky plynů v krvi. Zpětnou vazbou jsou opět informována dechová centra o účinnosti těchto změn: centrální chemoreceptory monitorují pCO2,  periferní chemoreceptory monitorují pO2 a pH a částečně pCO2.

Při klidovém dýchání (eupnoe) trvá inspirace 1-2sekundy a pasivní výdech 2-3 sekundy. Klidová dechová frekvence je 12 – 16/min

3.1  Nervová regulace dýchání

Nejdůležitějším místem řízení jsou především centra v prodloužené míše a mozkovém kmeni. Neurony dýchacích center jsou jedny z nejodolnějších vůči hypoxii.

Centra v prodloužené míše:

Nejde o centra jako taková, spíše o skupiny buněk,  jejichž aktivita je spjatá s řízením dýchání. Nalézají se v celé prodloužené míše a dají se rozdělit do několika skupin, z nichž nejdůležitější jsou tyto:

  • Dorzální skupina jader (kolem ncl. tr. solitarií) (DRG)
  • Ventrální skupina jader (VRG)
  • Botzingerův komplex (BOT) blízko ncl. retrofacialis. Eferentace z BOT ovlivňuje jak DRG, tak i VRG a má většinou inhibiční charakter.

Dorzální skupina jader má pacemakerovou aktivitu, protože má vlastní, automaticky generovaný rytmus. Ve zralém respiračním systému zodpovídá dorzální skupina jader za základní dechový automatismus, protože obsahuje především inspirační (I) neurony, které jsou aktivní pouze bezprostředně před klidovým nádechem. Během klidového dýchání je proto nádech aktivní a výdech pasivní –  přerušením aktivního nádechu.

Eferentní vlákna inspiračních neuronů z DRG vedou především k motoneuronům aktivujícím bránici a další hlavní dýchací svaly (zevní mezižeberní). Ovlivňují také ostatní „respirační“ jádra.

Ventrální skupina jader

Obsahuje inspirační (I) a expirační (E) neurony. Řídí práci pomocných dýchacích svalů a její aktivita je ovlivňována z DRG i Botzingerova centra. VRG nemá vlastní pacemakerové schopnosti. Aktivuje se při zvýšené inspirační aktivitě a aktivním (usilovném) výdechu. Pomáhá zajistit zapojení pomocných dýchacích svalů. Kromě toho spolu s Botzingerovým komplexem (který má větší význam intrauterinně) řídí průměr horních dýchacích cest.

Centra v mozkovém kmeni a pontu:

V pontu se nacházejí dvě oblasti, které mají vliv na respirační aktivitu vycházející z prodloužené míchy. Je to pneumotaxické centrum a apneustické centrum.

Pneumotaxické centrum (PNC) je lokalizované kolem ncl. parabrachialis medialis v horní části pontu. Jeho zvýšená aktivita zkracuje délku aktivity I neuronů. Tím zkracuje délku inspirace a dovoluje, aby expirium začalo dříve. To zvyšuje frekvenci dýchání. Říká se tomu „phase switching“ – změna fáze.

Apneustické centrum (APN) je umístěno v dolní třetině pontu. Inhibuje aktivitu pneumotaxického centra (nedovoluje přílišné zkrácení inspiria (podle některých učebnic má přímý excitační vliv na inspirační neurony v DRG). Za normálních okolností udržuje apneustické centrum takovou aktivitu inspiračních neuronů, která zajišťuje dostatečnou ventilaci plic. Dalo by se říci, že má význam především pro udržování klidového dechového objemu.

Při poškození pneumotaxického centra nebo při přetětí vagů (inhibiční inervace apneustického centra) se stává apneustické centrum dominantním a dýchání se zastaví  v nádechu (apneuse). Při poškození obou pontinních center jsou medulární centra schopna zachovávat pomalou rytmickou aktivitu typu „gasping“ (lapavé dýchání).

Dráhy z mozkového kmene sestupují ve ventrolaterálních a ventrálních sloupcích jako tractus bulbospinalis.

Obr. X.2 Uložení dechových center: PNC pneumotaxické centrum, APC apneustické centrum, DRG dorzální skupina jader, VRG ventrální skupina jader.

Popisy oblastí, které v mozkovém kmení řídí a ovlivňují dýchání, se mohou do jisté míry lišit. Vždy se však jedná o skupiny neuronů, jejichž aktivita stoupá nebo se tlumí během různých fází dechového cyklu.

Vlivy,  které modifikují dechový rytmus

Existuje mnoho vlivů, které mohou dýchací rytmus ovlivnit. Pocházejí z CNS i z periferie. Nejdůležitějšími jsou informace z chemoreceptorů.

Vlivy z CNS

Hypotalamus ovlivňuje aktivitu dechových center:

  • Změnami teploty:  termoregulační centra hypotalamu mají přímý vliv na frekvenci dýchání (horečka, podchlazení)
  • Změnami aktivace sympatiku a parasympatiku
  • Releasing hormony (např TRH, CRH…)

Limbický systém ovlivňuje aktivity dýchacích center při emocích: např. strach i hněv zvyšují frekvenci dýchání.

Mozková kůra mění aktivitu dýchacích center v souladu s volními činnostmi:

  • volní řízení dýchání: volně lze změnit frekvenci, objemy nebo vyvolat apnoickou či apneustickou pauzu. Mnoho descendentních korových výstupů obchází dýchací centra a končí přímo na motoneuronech dýchacích svalů. Tyto volní dráhy sestupují v laterálním sloupci tractus corticospinalis
  • ovlivnění dýchacích center při volních činnostech, kdy by dýchání rušilo, nebo mohlo být nebezpečné (mluvení, zpívání, hra na dechové nástroje, polykání).

Patofyziologie: porucha tr. corticospinalis poškodí inervaci příslušných svalů – může způsobit (podle lokalizace v kůře) i ztrátu volního vlivu na dýchání. Nejčastější příčinou je krvácení do mozku.

Při poruše tr. bulbospinalis – vzniká tzv. sy Ondininy kletby – ztrácí se mimovolní dýchání a pacient může dýchat jen volně (musí na dýchání neustále myslet). Ve spánku hrozí smrt – pacient je odkázaný na řízenou ventilaci.

 Vlivy z periferie

Receptory v plicích

  • inflační receptory typu mechanoreceptorů (nadměrné podráždění aktivuje u dospělého Hering Breuerův reflex: přerušení nádechu a výdech – ochrana plic, hlavně alveolů před neadekvátním napětím při volním usilovném nádechu). Hering Breuerův reflex je u dítěte do jednoho roku pravděpodobně zodpovědný za regulaci dechového objemu dech po dechu – stabilizuje klidový dechový vzor.
  • deflační receptory (řídí míru výdechu – existuje také deflační Hering-Breuerův reflex, který je přesným opakem předchozího).
  • J receptory (juxtakapilární – volná nervová zakončení nemyelininizovaných vláken vagu) – ve stěně alveolů kolem kapilár. Zvyšují svoji aktivitu akutně při edému plic a plicní embolii, chronicky při restriktivních onemocněních (snížení poddajnosti plic). Jejich zvýšená aktivita mění dechový vzor na tzv. „restriktivní“ typ: zvýšená frekvence, snížený dechový objem.

Receptory v dýchacích cestách

  • laryngeální a tracheální receptory: ve sliznici laryngu a trachey. Odpovídají na mechanické a chemické podněty – spouštějí obranný kašlací reflex, který uvolní horní dýchací cesty.
  • iritační receptory v dolních dýchacích cestách: lokalizované v epitelu od trachey až po respirační bronchioly. Reagují na mechanické a chemické podněty, zvlášť citlivé jsou na histamin. Jejich podráždění vede k bronchokonstrikci, hypersekreci hlenu a kašli. Zvyšuje se tím odpor v dýchacích cestách.
  • Ostatní receptory

proprioceptory – mozkový kmen dostává kontinuálně informace z periferie, mezi nejdůležitější patří informace ze svalových vřetének a šlachových a kloubních tělísek. Zvýšená aktivita v těchto receptorech vede ke zvýšení respirační aktivity.  Nejedná se jen o proprioceptory z dýchacích svalů, ale i z končetin.

3.2 Chemická regulace dýchání

Chemická regulace dýchání je založena na zpětné vazbě, která monitoruje chemické důsledky dýchání (parciální tlaky plynů) a podle toho ovlivňuje dýchací centra. Její součástí jsou centrální a periferní chemoreceptory, přičemž periferní chemoreceptory jsou aktivovány později, jejich reakce je velmi rychlá (sekundy). 

3.2.1 Centrální chemoreceptory  

Reagují nepřímo jen na parciální tlak oxidu uhličitého v arteriích -paCO2.

  • jsou určeny k průběžnému monitorování parciálního tlaku oxidu uhličitého v arteriích (PaCO2)
  • jsou lokalizované na ventrálním povrchu prodloužené míchy
  • jsou přímo propojeny s dorzální skupinou jader a určují jejich rytmicitu

V bezprostředním okolí centrálních chemoreceptorů je cerebrospinální tekutina (CSF), která je od krve (plazmy) oddělena hematoencefalickou bariérou (HEB). CSF má téměř stejné složení jako plazma, ale má méně bílkovin, proto významně méně pufruje vodíkové ionty.

HEB nedovoluje volný přestup iontů, ale umožňuje přestup lipofilního CO2. Díky karboanhydráze se CO2 v likvoru změní  za přítomnosti vody na Ha  bikarbonát, přičemž H+  se naváže na chemorececeptory prodloužené míchy a ovlivní dýchání. Toto se stane zhruba do 60 – 90s po změně pCO2 v plazmě, po 5 minutách nastává ustálený stav. Jestliže se však v mozkomíšním moku vyskytne vyšší koncentrace bílkovin (například při zánětu nebo krvácení), nemohou centrální chemoreceptory normálně pracovat, protože se vodíkový iont váže na bílkoviny a ne na receptory. Vznikají poruchy dýchání.

Při dlouhodobějším zvýšení pCO2 (literatura uvádí 1-2 dny), se zvýší přestup iontů Ha  HCO3 přes hematoencefalickou bariéru a to takto: Hpřestupuje z likvoru do plazmy (po koncentračním gradientu, protože v plazmě je nižší koncentrace H+, neboť H+ je průběžně pufrován bílkovinami a přítomným bikarbonátem). HCO3 přestupuje HEB směrem do likvoru a pufruje nově vznikající H+. Centrální chemoreceptory jsou tak vyřazeny z provozu, adaptovaly se. Kromě toho respirační acidóza, která vznikla zvýšením pCO2, během dvou tří dnů vyvolá kompenzační aktivitu ledvin, což také sníží účinek hyperkapnie na centrální chemoreceptory.

Obr.10.3

Centrální chemoreceptory reagují na změny pCO2, přestože jejich receptory reagují na H+.  Oxid uhličitý je lipofilní a bez náboje. Snadno přestupuje hematoencefalickou bariéru (HEB) a v cerebrospinálním moku (CSF) ho enzym karboanhydráza změní v přítomnosti vody na kyselinu uhličitou. Další přeměnou vzniknou ionty vodíku a bikarbonát.  V cerebrospinální tekutině je méně pufrů, takže se volný vodík může vázat na centrální chemoreceptory a podle své koncentrace ovlivnit dýchání.

Periferní  chemoreceptory 

  • jsou hlavními receptory monitorujícími hypoxémii (snížený parciální tlak kyslíku v krvi). Efektivní buňky mají v membráně K+ kanály, citlivé na paO2 – jejich vodivost klesá proporcionálně se stupněm hypoxie. Mění se polarizace buňky a její aktivita.
  • monitorují pH a zprostředkují kompenzační hyperventilaci při metabolické acidóze a hypoventilaci při metabolické alkalóze
  • reagují také na změny koncentrace draslíku v plazmě (aktivita draslíkových kanálů závislých na paO2 je ovlivněna i změnou koncentrace draslíku).

Periferní chemoreceptory jsou uloženy v gl. aorticum a glomi carotici (aortální tělísko je podstatně méně významné než karotická). Jsou tvořeny tkání, která má nejbohatší arteriální zásobení z celého těla (průtok krve je 2000 ml/100g/min. Pro srovnání: mozek má průtok 54 ml/100g/min, ledviny 420 ml/100 g/min. Spotřeba kyslíku v tělíscích (9 ml/100 g/min) je mnohem vyšší než v průměrných tkáních).

Tělíska jsou inervována větvemi z n. vagus (aortální tělíska) a n. glossopharyngeus (karotická tělíska).

Chemoreceptory karotických tělísek a aortálního oblouku reagují jen na rozpuštěný kyslík v plazmě. Za  normálního parciálního tlaku kyslíku nemají žádnou aktivitu. Aktivují se až tehdy, když pO2 v arteriích klesne ze 100 mmHg na 60mmHg (ze 13,5 kPa na 9,3 kPa). Jejich podráždění vede k bezprostřední, velice rychlé odpovědi – nádechu. Tyto receptory nemonitorují obsah kyslíku v krvi, ale jeho parciální tlak. Reagují na hypoxémii – snížený parciální tlak kyslíku v krvi (např. při pobytu ve vysoké nadmořské výšce, nebo při plicních onemocněních), ale ne na změny koncentrace nebo saturace hemoglobinu (např. nedostatek Hb, Hb poškozený, případně Hb vázaný na CO). Při otravě kyanidy jsou periferní chemoreceptory maximálně aktivované, protože jejich buňky nejsou schopné odebírat kyslík, mají zablokovanou oxidativní fosforylaci a chemoreceptory situaci vyhodnocují jako absolutní nedostatek (rozpuštěného) kyslíku v krvi.

3.2.2 Periferní  chemoreceptory 

  • jsou hlavními receptory monitorujícími hypoxémii (snížený parciální tlak kyslíku v krvi). Efektivní buňky mají v membráně K+ kanály, citlivé na paO2 – jejich vodivost klesá proporcionálně se stupněm hypoxie. Mění se polarizace buňky a její aktivita.
  • monitorují pH a zprostředkují kompenzační hyperventilaci při metabolické acidóze a hypoventilaci při metabolické alkalóze
  • reagují také na změny koncentrace draslíku v plazmě (aktivita draslíkových kanálů závislých na paO2 je ovlivněna i změnou koncentrace draslíku).

Periferní chemoreceptory jsou uloženy v gl. aorticum a glomi carotici (aortální tělísko je podstatně méně významné než karotická). Jsou tvořeny tkání, která má nejbohatší arteriální zásobení z celého těla (průtok krve je 2000 ml/100g/min. Pro srovnání: mozek má průtok 54 ml/100g/min, ledviny 420 ml/100 g/min. Spotřeba kyslíku v tělíscích (9 ml/100 g/min) je mnohem vyšší než v průměrných tkáních).

Tělíska jsou inervována větvemi z n. vagus (aortální tělíska) a n. glossopharyngeus (karotická tělíska).

Chemoreceptory karotických tělísek a aortálního oblouku reagují jen na rozpuštěný kyslík v plazmě. Za  normálního parciálního tlaku kyslíku nemají žádnou aktivitu. Aktivují se až tehdy, když pO2 v arteriích klesne ze 100 mmHg na 60mmHg (ze 13,5 kPa na 9,3 kPa). Jejich podráždění vede k bezprostřední, velice rychlé odpovědi – nádechu. Tyto receptory nemonitorují obsah kyslíku v krvi, ale jeho parciální tlak. Reagují na hypoxémii – snížený parciální tlak kyslíku v krvi (např. při pobytu ve vysoké nadmořské výšce, nebo při plicních onemocněních), ale ne na změny koncentrace nebo saturace hemoglobinu (např. nedostatek Hb, Hb poškozený, případně Hb vázaný na CO). Při otravě kyanidy jsou periferní chemoreceptory maximálně aktivované, protože jejich buňky nejsou schopné odebírat kyslík, mají zablokovanou oxidativní fosforylaci a chemoreceptory situaci vyhodnocují jako absolutní nedostatek (rozpuštěného) kyslíku v krvi.

 4 Vztahy mezi parciálními tlaky dýchacích plynů a ventilací

Dýchání není ovlivněno množstvím (objemem) kyslíku v arteriální krvi (které je závislé především na množství a saturaci hemoglobinu), ale jen jeho parciálním tlakem, což je tlak plynného kyslíku rozpuštěného v plazmě. Dlouhodobé monitorování paO2 během nejrůznějších denních aktivit a změn okolního prostředí potvrdilo, že se paO2 jen velmi zřídka změní  o více než 5 mmHg a paCO2 je ještě přesněji udržován – výchylky nebývají větší než 1-2 mmHg. Při apnoické pauze se nejdříve změní paCO2, který podrážděním centrálních chemoreceptorů vede k  nádechu.

4.1 Ventilační odpověď na akutní hyperkapnii

Dýchání vzduchu s příměsí CO2 už od jednoho procenta signifikantně zvyšuje ventilaci (frekvenci i hloubku dýchání). Ventilační odpověď se postupně zvyšuje do 5% CO2 ve vdechovaném vzduchu,  nad tuto hodnotu se ventilace zvyšuje dramaticky (do 5 procent se část CO2 skrývá v extra i intracelulární tekutině v roztoku a jako HCO3. Při 5% jsou tyto mechanismy nasyceny.) Jakmile se zvýší koncentrace CO2 ve  vzduchu na 20 procent a více, akutně se utlumí aktivita dechových center i aktivita  CNS – vzniká CO2 narkóza.

4.2  Ventilační odpověď na akutní hypoxii při zachovaném paCO2

Reakce na akutní hypoxii  při zachovaném paCO2  je relativně malá a je velmi variabilní. Dokud paO2 neklesne pod 60 mmHg (9,3 kPa), ventilace se nezmění, ale po dosažení 60 mmHg se ventilace prudce zvýší (zvyšuje se „drive“ pro dýchání). Tato reakce je zprostředkovaná periferními chemoreceptory.

Senzitivita receptorů je daná jednak geneticky a jednak ovlivněna prostředím. Nižší citlivost receptorů je podle předpokladu u geneticky predisponovaných jedinců příčinou vzniku akutní horské choroby, naopak u chronické horské choroby se zvyšuje citlivost periferních chemoreceptorů, protože dlouhodobým pobytem ve vysoké nadmořské výšce s nízkým parciálním tlakem kyslíku ve vdechovaném vzduchu periferní chemoreceptory hypertrofují.

Ventilační odpověď na akutní hypoxii bývá příčinou utonutí, když člověk před potápěním hyperventiluje. Vydýchá pCO2, proto může zůstat déle pod hladinou (– nenutí ho zvýšení pCO2 v krvi k nádechu). Jeho pO2 tak může dosáhnout hodnot, které vedou k okamžitému nádechu (bez času potřebného k vyplavání z hloubky), a nadechne se vody.

4.3 Ventilační odpověď na kombinované akutní změny paO2 a paCO2

Hypoxémie s hyperkapnií se označuje jako asfyxie, neboli akutní respirační insuficience 2. typu (globální neboli hyperkapnická respirační insuficience). Jestliže nastane situace, kdy je omezená ventilace, těžká porucha difuze přes alveolokapilární membránu nebo porucha poměru ventilace/perfuze, zvyšuje se parciální tlak oxidu uhličitého v alveolech (pACO2), protože není vydýcháván. Tím se snižuje parciální tlak kyslíku a vede to k následujícím změnám:

  • jestliže se paCO2 zvyšuje konstantně, zvyšuje se práh paO2, při kterém se objevuje hypoxická ventilační reakce
  • jestliže se konstantně snižuje paO2 při zvyšujícím se paCO2, stává se odpověď na hyperkapnii výraznější

Reakce dýchacích center je výraznější, než kdyby se podněty, které je aktivují, jen sečetly.

Hypoxémie s hypokapnií vzniká nejčastěji při plicní embolizaci nebo astmatickém záchvatu:

  • při plicní embolii se aktivuje sympatikus (bolestí a zřejmě i jinými mechanismy) a ten způsobí hyperventilaci, při které se sníží paCO2 i  bez předchozího snížení  pO2 pod potřebnou hodnotu
  • akutně vzniklá hypoxémie (pod pO2 = 60 mmHg) aktivuje cestou periferních chemoreceptorů hyperventilaci, která vede k vydýchání většího množství CO2, což inhibuje dechová centra, takže jejich odpověď je menší než by člověk očekával

jestliže paO2 klesne pod ~50 mmHg, převáží hypoxický „drive“ (pohon, úsilí) nad vlivem hypokapnie a respirační odpověď se zvyšuje neomezeně.

4.4 Ventilační odpověď na akutní acidózu

Ventilační odpověď na respirační acidózu není možná, protože respirační acidóza vznikla jako důsledek poruchy respirace.

Odpovědí na metabolickou acidózu (způsobenou sníženým vylučováním H+ ledvinami, zvýšenou tvorbou ketolátek, i zvýšením koncentrace „nevolatilních“ kyselin (fixních = např. kyseliny mléčné nebo fosforečné)) je zvýšení ventilace cestou aktivace periferních chemoreceptorů snížením pH (zvýšením koncentrace H+).

4.5  Ventilační odpověď na chronickou hypoxii a hyperkapnii

U pacienta s poruchou ventilace se vyvíjí nejdříve hypoxie: hypoventilace nedovolí z alveolů odvětrat dostatečné množství CO2, jeho parciální tlak se zvyšuje. Pro zachování celkového tlaku plynů v alveolu se snižuje parciální tlak kyslíku (Viz Daltonův zákon o tlacích ve směsi plynů). Protože CO2 difunduje přes membrány podstaně snadněji než kyslík, nezmění se zpočátku arteriální pa CO2 (i přes snížený alveolokapilární gradient), ale sníží se parciální tlak kyslíku v arteriích. Rozvíjí se parciální respirační insuficience (respirační insuficience 1. typu neboli hypoxická respirační insuficience). Jestliže onemocnění progreduje a parciální tlak CO2 v alveolech stoupá, začíná se zvyšovat i jeho parciální tlak v arteriální krvi. Vzniká globální respirační insuficience (respirační insuficience 2. typu neboli hyperkapnická respirační insuficience).

U respirační insuficience vypadá řízení dýchání úplně jinak, než u zdravého jedince:

  • chronická hypoxie vede k hypertrofii karotických tělísek a ke zvýšení jejich citlivosti na malé změny paO2
  • chronická hyperkapnie způsobí adaptaci centrálních chemoreceptorů na kontinuálně zvýšené paCO2 a tím ke snížení jejich aktivity

Pacient s chronickou respirační insuficiencí druhého typu má proto respiraci řízenou především pomocí periferních chemoreceptorů.

Podle původních teorií podání 100% kyslíku pacientovi s tímto typem respiračního selhání vede k vyřazení periferních receptorů z řízení, přičemž centrální chemoreceptory jsou neaktivní díky adaptaci. Dojde k zástavě dýchání. Proto se má podávat kyslík s 5% CO2, což aktivuje periferní receptory změnou pH a centrální náhlou změnou paCO2.

V poslední době však ukázuje výzkum, že vliv receptorů je v této situaci méně významný, než se čekalo. Podání čistého kyslíku způsobí u pacienta především vazodilataci plicních cév (i v okolí hypoventilovaných alveolů) a vede k významné poruše poměru ventilace-perfuze (zvětšuje se mrtvý dýchací prostor). Kromě toho se snižuje afinita hemoglobinu k CO2 (Haldaneův efekt). Pacientova porucha se prohlubuje.

Poruchy regulace dýchání

Spánek,  úrazy a záněty mozku, některé léky a toxiny mění regulaci dýchání. Regulace může být poškozena buď na úrovni dýchacích center, poruchou motorických drah, které impulzy převádějí k dýchacím svalům, nebo poruchou motorické ploténky. Vždy jde o poruchy ventilace (perfuze a difuze jsou v plicích regulovány jinými mechanismy).

Některé nepravidelnosti dýchání během spánku se považují za fyziologické, o poruchách mluvíme tehdy, jestliže jsou tak významné, že spánek přeruší nebo ovlivní oxygenaci tkání. Fyziologicky se při usínání a během nonREM fáze snižuje citlivost centrálních chemoreceptorů, proto může být lehce vyšší parciální tlak oxidu uhličitého v arteriální krvi. (Kromě toho je přechod z bdělosti do spánku provázen snížením bazální metabolické aktivity, snižuje se proto i potřeba kyslíku. Při usínání se tak snižuje dechový objem, díky poloze vleže se mění mechanika dýchání. Ve spánku se v závislosti na fázi (REM nebo nonREM) mění také tonus posturálních svalů, což může způsobit změny distribuce ventilace v plicích a vést k poruchám poměru  ventilace – perfuze.

Ataktické dýchání (Biotovo) je dýchání, při kterém se náhodně střídají mělké a hluboké nádechy a apnoické pauzy o různé délce. Nejčastější příčinou je porucha nervových drah traumatem, krvácením nebo kompresí způsobenou krvácením do cerebella nebo pontu. Může se vyskytnout také u umírajících pacientů, u kterých se rozvinulo multisystémové selhání (MOF, „Multiple Organ Failure“).

Apneustické dýchání je charakterizováno zástavou dýchání v nádechu (2 – 3 sekundy), než začne výdech. Je způsobeno poškozením dolní části pontu (porucha apneustického centra).

Apnoe – zástava dýchání může vzniknout u pacientů po podání některých sedativ nebo narkotik. Může však vzniknout také poruchou inervace dýchacích svalů (přetětí motorických nervů), přerušením příslušného α-motoneuronu nebo postižením nervosvalové ploténky (kurare, myastenia gravis a další). Apnoická pauza vzniká nejčastěji ve spánku. Mluvíme o ní tehdy, jestliže se proud vzduchu sníží o více než 80% na dobu delší než 10 sekund. Může vzniknout jako centrální porucha (přechodné snížení aktivity dýchacích center na úrovni mozkového kmene) – pak chybí dechové úsilí (pohyby hrudníku) i proud vzduchu. Periferní (obstruktivní) apnoická pauza je nejčastějí způsobena ochabnutím svalů v horních dýchacích cestách a jejich uzavřením. Pohyby hrudníku jsou vystupňované, snaží se překonat obstrukci. Důsledky obou poruch jsou podobné: chronicky zvýšená aktivita sympatiku díky hypoxii opakované během noci (hypertenze, poruchy metabolismu cukru a tuků, riziko ICHS – viz kapitolu vegetativní nervový systém) a plicní hypertenze vzniklá opakovanou vazokonstrikcí plicních arteriol při sníženém parciálním tlaku kyslíku v alveolech.

            Cheyne – Stokesovo dýchání je dýchání známé také jako dýchání periodické, typické postupným klesáním hloubky nádechu až k zástavě dechu (apnoi) a pak postupným prohlubováním dechu. Změna hloubky dýchání je dána sníženou citlivostí respiračních center k pCO2. Jestliže je pCO2 normální, dýchání se pomalu stává mělkým až do apnoe. Při apnoi se pCOzvýší a dýchání se postupně prohlubuje. Příčinou může být hypoxie nebo ischemie prodloužené míchy z různých příčin (například při selhávání srdce).

Kussmaulovo (acidotické) dýchání je důsledkem metabolické acidózy organismu, nejčastěji při ketoacidóze (ketoacidotické koma u pacientů s diabetem mellitu II. typu nebo u hladovějících pacientů). Je způsobeno aktivací periferních chemoreceptorů vodíkovým iontem. Vzniklá hyperventilace zbaví organismus nadbytečného CO2.

Otrava CO2: zvýšená koncentrace CO2 zpočátku zvyšuje respiraci podrážděním centrálních chemoreceptorů. Zvyšující se koncentrace CO2 ve vdechovaném vzduchu prohlubuje hyperventilaci, koncentrace kolem 20 % CO2 ventilaci úplně zastaví.

Opiáty (aktivací μ-2 receptorů v prodloužené míše) snižují citlivost centrálních chemoreceptorů ke zvýšení pCO2.

Benzodiazepiny aktivují inhibiční GABA systém v mozkovém kmeni, lehce proto snižují aktivitu dechových center. Jejich nebezpečí je především v potencování jiných mechanismů (například při podání s opiáty).

Hypotyreóza (lehká) snižuje vliv periferních chemoreceptorů na dechová centra, těžká hypotyreóza výrazně snižuje vliv periferních i centrálních chemoreceptorů (účinek snížení pO2 i pCO2).

Metabolická alkalóza snižuje aktivitu dechových center, tím zvýší pCO2 a kompenzuje alkalózu.

Pickwickův syndrom (syndrom hypoventilace z obezity) je charakterizovaný morbidní obezitou, alveolární hypoventilací, hypersomnolencí, dušností, hypoxémií a plicní hypertenzí. Příčina je v kombinaci snížené aktivity dechových center, snížené citlivosti centrálních chemoreceptorů k pCO2 a hypoventilací způsobenou příliš těžkou stěnou hrudníku a ochablými dýchacími svaly. Pacient často mívá jako komplikaci periferní (obstruktivní) typ spánkové apnoe – uvolněním svalů v nasofaryngu se zúží horní dýchací cesty, pacient „chrápe“ a může dojít i k přechodnému úplnému uzavření dýchacích cest. Pacient se neustále budí do lehčích stadií spánku, v noci si neodpočine a přes den je spavý. Kromě toho opakovanou hypoventilací plic klesá parciální tlak kyslíku v alveolech a reflexní plicní vazokonstrikce způsobí postupně plicní hypertenzi a může vést až k selhání pravého srdce (cor pulmonale).