Ugrás a tartalomhoz

Az orvosi élettan tankönyve

Attila, Fonyó (2011)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

5. fejezet - II. RÉSZ - A LÉGZÉSI ÉS A VÉRKERINGÉSI (CARDIORESPIRATORICUS) RENDSZER

5. fejezet - II. RÉSZ - A LÉGZÉSI ÉS A VÉRKERINGÉSI (CARDIORESPIRATORICUS) RENDSZER

Tartalom

8. fejezet - A légzés élettana
A légzőrendszer felépítése
Légzési és tüdőtérfogatok
A tüdő és a mellkas mechanikája
A transmuralis nyomás és a tüdőtérfogat összefüggése
A légzési ciklus
A légzési gázok transzportja
A ventiláció és a gázcsere
A légzőmozgások eredete és szabályozása
9. fejezet - A vér keringése az érrendszerben
A hemodinamika alapelvei
Nyomás és áramlás a nagy vérkör artériáiban (a magas nyomású érszakasz)
Nyomás és áramlás a prekapilláris rezisztenciaerek szakaszán
Mikrocirkuláció; a kicserélési érszakasz funkciója
A szövetközti tér és a nyirokérrendszer
A vénás rendszer
A kis vérköri (pulmonalis) keringés
10. fejezet - A szív működése
A szív celluláris elektrofiziológiája: az ingerület keletkezése és vezetése
Mechanikai változások a szívciklus során
A szívizom összehúzódásának élettana
A perctérfogat és szabályozása
A szívműködés energetikája
11. fejezet - Az elektrokardiogram - Kollai Márk
Az elektrokardiogram keletkezése és regisztrálása
Az elektrokardiográfia diagnosztikai alkalmazásai
12. fejezet - A cardiovascularis szabályozás
A véráramlás helyi szabályozó tényezői
A cardiovascularis szabályozásban szereplő hormonok
A cardiovascularis rendszer központi szabályozása
Integrált cardiovascularis válaszreakciók
13. fejezet - Egyes érterületek vérkeringési sajátosságai
A szív vérellátása (coronariakeringés)
A splanchnicus terület vérkeringése
A vázizom vérkeringése és az izomtevékenységet kísérő cardiovascularis alkalmazkodás
A bőr vérkeringése
Az agyi vérkeringés és a cerebrospinalis folyadék

8. fejezet - A légzés élettana

Lavoisier munkássága nyomán több mint 200 éve ismert, hogy az állati és emberi élet fenntartásához oxigénre van szükség, és ezzel párhuzamosan szén-dioxid képződik. Az oxigén felvétele és a szén-dioxid leadása a tüdőben folyik: a gázcserét a légzőrendszer, a gázok szállítását pedig a vérkeringési rendszer biztosítja. Ez a két rendszer anatómiailag, működésében és szabályozásában szorosan kapcsolódik: közösek bennük a szabályozott paraméterek, mind a vérkeringés, mind pedig a légzés szabályozásában meghatározók az artériás vér gáztenziói, az O2-, ill. CO2-nyomás (PO2, ill. PCO2). Ezen nyomásértékek bármely eltérése a fiziológiás értéktől maga után vonja mind a keringés, mind pedig a légzés változását; a szabályozás eredményeként az artériás vér gáztenziói csak szűk határok között változnak. A két rendszer funkcionális kapcsolata egyes kóros folyamatokban is megnyilvánul: bármelyikük kóros funkciója csaknem mindig kihat a másik működésére is. Krónikus légzési elégtelenség előbb vagy utóbb a szívműködés elégtelenségéhez vezet, szívműködési elégtelenség pedig az oxigénfelvétel és a szén-dioxid-leadás zavarát vonja maga után. Ezért az élettan és a klinikai orvostudomány egyaránt a cardiorespiratorticus rendszer fogalmát használja.

A szervezet oxigénfelvételéhez és szén-dioxid-leadásához szükséges légcserét (ventilációt) a légzőrendszer biztosítja. Az anatómiai értelemben vett légzőszervet a felső légutak, a tüdő és a kis vérkör alkotják. A tágabb, élettani értelemben vett légzőrendszerhez tartozik ezen kívül a csontos-izmos-kötőszövetes mellkas a légzőmozgásokat kivitelező izmokkal. Még szélesebb értelemben a légzőrendszerhez soroljuk a légzőmozgások keletkezésében, koordinációjában és reflexes szabályozásában részt vevő központi idegrendszeri struktúrákat, az információkat szolgáltató szenzoros receptorokat és afferenseiket is. A légzőőrendszer a gázcserében betöltött szerepe mellett más működésekben is szerepel, így a hangadásban (phonatio) és az emberi emocionális megnyilvánulásokban (sírás, nevetés).

A tüdőn belül a gázcsere színtere az alveolaris tér, ahol a keringő vér az alveolaris gázzal érintkezik. Az alveolaris tér és a vér között folyamatosan zajló külső gázcsere biztosítja a vér oxigenálását és a keletkezett szén-dioxid leadását. (A belső gázcsere a kapillárisok vére és a sejtek közötti gázkicserélődés.) Az alveolaris térben lévő gázt a légvételek cserélik. A ventiláció a be- és a kilégzés váltakozásával meghatározott gáztérfogatot mozgat meg; ez biztosítja a folyamatos O2-felvétel és ugyancsak folyamatos CO2-leadás ellenére az alveolaris térben lévő alveolaris gáz viszonylag állandó összetételét.

Itt említjük meg a gázkeverékek elnevezésének helyes szóhasználatát. A “levegő” kifejezést csak a légkörben található gázkeverékre alkalmazhatjuk. A légutakban és a tüdő alveolaris terében lévő gázkeverék összetétele ettől eltérő, a légzőrendszeren belül gázkeveréket említünk. (Ennek ellenére a mindennapi orvosi szóhasználatban előfordulnak olyan kifejezések, mint pl. “alveolaris levegő”.)

Az emberi légzőrendszer az élet során – nem utolsósorban az emberi civilizáció következtében – súlyos inzultusoknak van kitéve; ezek következtében igen gyakoriak a rendszer krónikus betegségei, mint az egyre halmozódó krónikus obstruktív tüdőbetegség (COPD, chronic obstructive pulmonary disease), az emphysema (“tüdőtágulás” a tüdő rugalmas elemeinek pusztulása), az asthma bronchiale (a légutak krónikus gyulladása). Ezek súlyos kimenetelű megbetegedések, amelyek korai felismerése – ha nem is változtatja meg a végkifejletet – meghosszabbíthatja az életet, és javíthatja az életminőségét. A diagnosztika a légzési funkciók mérésén, és a normálértékek ismeretén alapul; ezért hangúlyozzuk ebben a fejezetben a légzésélettan kvantitatív oldalát.

Az ép és a kóros légzési funkciót jellemző egyes szakkifejezéseket a 8-1. táblázat ismerteti. A légzési paraméterek egységes szimbólumrendszerét a 20. század közepén vezették be, és a rendszer ma is érvényben van. Az angol kifejezésekből származó rövidítéséket és a kialakult betűszavakat a 8-2. táblázatban soroljuk fel.

5.1. táblázat - 8 -1. táblázat . A légzésfunciót jellemző fiziológiai és orvosi kifejezések

Az állapot neve

Jellemzői

Eupnoe

nyugalmi légzés, kb. 500 ml-es be/kilégzéssel, 14–16/min frekvenciával

Polypnoe, tachypnoe

szapora légvételek (M 16/min)

Hyperpnoe

a nyugalminál nagyobb percventiláció

Dyspnoe

erőltetett légzés, légszomj

Apnoe

a légvételek szünetelése

Apneusis

elnyújtott belégzési állapot

Hyperventilatio

a ventiláció meghaladja a CO2-eltávolításhoz szükséges mértéket, a PA CO2 a normális szint alá csökken

Hypoventilatio

a ventiláció nem éri el a CO2-eltávolításhoz szükséges mértéket, a PA CO2 a normális szint fölé emelkedik (PA O2 a normális szint alatt)

Asphyxia (fulladás)

egyidejű oxigénhiány és szén-dioxid-többlet


5.2. táblázat - 8-2. táblázat. A légzési funkciók jellemzésére használt szimbólumrendszer

A) Elsôdleges szimbólumok

V

gáztérfogat

V•

gáztérfogat/perc

P

nyomás

Q

vértérfogat

Q•

véráramlás/perc

F

frakcionális gázkoncentráció

B) Módosító szimbólumok, alsó indexben

A

alveolaris

a

artériás

E

exspirációs, kilégzési

I

inspirációs, belégzési

D

holttéri (dead space)

B

légköri (barometrikus)

pulm

pulmonalis

pl

pleuralis, intrathoracalis

T

itt: „tidal”, egy légzési ciklus alatt megmozgatott gáztérfogat

C) Standard rövidítések, betûszavak

RV

reziduális térfogat a tüdôben (residual volume)

ERV

exspirációs rezervvolumen (expiratory reserv volume)

IRV

inspirációs rezervvolumen (inspiratory reserv volume)

FRC

funkcionális reziduális kapacitás (functional residual capacity)

TC és TLC

totálkapacitás (total capacity, ill. total lung capacity)

VC

vitálkapacitás (vital capacity)

Példák

PA O2

alveolaris O2-tenzió

Pa O2

az artériás vér O2-tenziója

V•A:

percenkénti alveolaris ventiláció

V•A/Q•:

az alveolaris ventiláció/percenkénti véráramlás hányadosa

V•CO2:

percenkénti CO2-termelés

PB:

légköri nyomás

VT:

egy légvétellel kilégzett gáz térfogata


(Felhívjuk a figyelmet, hogy más vonatkozásban a P rövidítés a permeabilitási állandót is jelentheti)

A légzőrendszer felépítése

A tüdő az egymást követő, egyre kisebb átmérőjű légutakból, az azokat bélelő hámsejtekből, az érrendszerből, az ezek között elhelyezkedő kötőszövetből és immunsejtekből épül fel. A felső légutakból (orr- és szájüreg, garat, gége) kiinduló trachea (légcső) két főhörgőre oszlik.A kettéágazó, dichotomicus oszlása továbbiakban is jellemző valamennyi légútra. A trachea után 20-25 ilyen kettéágazás van (oszlási generációk, 8-1. ábra). Minden egyes elágazódásnál az eredő bronchusok keresztmetszete csökken, a bronchusfa teljes keresztmetszete viszont nő. A növekedés különösen jelentős a későbbi oszlásoknál. A főhörgőktől distalis irányba haladva a bronchusok falában fokozatosan csökken a porc mennyisége, és egyre több simaizomelem található. A bronchiolusok fala már nem tartalmaz porcot, ennek következtében átmérőjük a környezetükben uralkodó nyomástól függ. A légutak simaizomzatának összehúzódott/ellazult állapota a légúti ellenállás legfontosabb összetevője (l. alább.) A bronchiolusok további elágazásai a bronchiolus respiratoricusokat alkotják, amelyek falából hiányzik a simaizom, megjelennek viszont a vékony falú kiboltosulások, az alveolusok. A bronchiolus respiratoricusok a ductus alveolarisokban folytatódnak, ezek végül vakon végződnek az alveolusokban. Az első 16 elágazódásnak csak vezető funkciója van,nem vesz részt a gázcserében (vezető zóna),míg a további elágazódásokban már gázkicserélődés is folyik (kicserélődési zóna).

A vezető zónában viszonylag nagy sebességgel áramlik a levegő, ill. gáz. A beáramló levegő azonban a nagy sebesség mellett is melegszik és telítődik vízgőzzel (a felmelegedés és a telítődés végül még az alveolusok előtt lesz teljes: a vezető zónában a vízgőz nyomása eléri a telítettségre jellemző 47 Hmm-t).

A vezető zóna nyálkahártyájában mucin-, továbbá aktív folyadékszekréció folyik. A mucin szigetek formájában béleli a légutakat, a folyadék pedig hígítja a viszkózus mucinbélést. A légzőrendszer egyik problémája, hogy a légutak behatolási kaput jelentenek különböző mikroorganizmusok számára: a mucinszigetek fizikailag kötik a mikroorganizmusokat, a légutakat bélelő csillószőrös hám pedig “felfelé” irányuló csillómozgásokkal kifelé söpri a mucinban fixált mikroorganizmusokat (mucociliaris szállítószalag, mucociliary escalator, mucociliary clearence). Az össszegyűlt szekrétum ingerli a légutak szenzoros receptorait, és a reflexesen kiváltódó köhögés végül eltávolítja a nyákot (ezt vagy kiköpjük, vagy kórokozókkal együtt lenyeljük). A csillókat különböző fizikai és kémiai tényezők (pl. forró dohányfüst) tehetik tönkre: ez végül védtelenné teszi a nyálkahártyát, és idővel törvényszerűen krónikus bronchitis alakul ki.

8-1. ábra . A légutak dichotomicus elágazásai és az oszlási generációk . Weibel, E. R. (1963): Morphometry of the Human Lung, Springer Verlag, Berlin 111. oldal alapján)

A légúti folyadékszekrécióban – más transzporterek mellett – nélkülözhetetlen szerepet játszanak az ABC transzporterek családjába tartozó CFTR-kloridcsatornák. Ezek génjeiben nagyon gyakoriak a funkcióképtelenséget okozó mutációk, és ennek következménye a cystás fibrosis nevű súlyos betegség. A szekréciós defektus több szervben manifesztálódik, de a beteg számára legelviselhetetlenebb és legveszélyesebb a légúti következmény: hiányos a folyadékszekréció, az elválasztott mucin sűrű, a légutak falára tapad, és ventilációs zavar alakul ki.

A vezető zónát követően, a gázcsere zónában az elágazások olyan extenzívek, hogy az áramlás sebessége csökken, és az alveolusokban már alig van volumenáramlás, jelentősebb szerepet játszik a diffúzió. Az alveolusokat alveolaris hám béleli. A hámsejteknek két típusa van: az 1. típusú alveolaris hámsejteken keresztül folyik a gázdiffúzió, a 2. típusú hámsejtek szekréciós működésűek, ezekben szintetizálódik és belőlük szekretálódik a foszfolipidekből és fehérjékből álló surfactant (ennek felületi feszültséget csökkentő hatására a továbbiakban térünk vissza).

Részben az alveolaris hámsejteken belül (tehát magában a lumenben) helyezkednek el az immunvédelemben szerepet játszó alveolaris macrophagok (ezekre a 26. fejezetben térünk vissza). Az alveolusokat sűrű kapillárishálózat veszi körül. A diffúziós távolság az alveolaris lumen és a kapillárisok belseje között igen kicsiny, a gázcsere rendelkezésére álló rövid idő (< 1 s) elég a teljes gázegyensúly biztosításához.

Légzési és tüdőtérfogatok

Nyugalmi légzési körülmények között egy felnőtt ember egyetlen légvétellel kb. 500 ml levegőt lélegzik be, és közel ugyanakkora térfogatot lélegzik ki. Az egyetlen légvétel alatt be-, ill. kilégzett gáz térfogatát respirációs térfogatnak nevezzük, szokásos nemzetközi rövidítése VT (az angol tidal volume alapján).

Nyugodt belégzés után erőltetett mély belégzéssel további levegő szívható be (8-2. ábra). Ez a belégzési, más néven inspirációs rezervtérfogat (IRV), amely nőben átlagosan 1900, férfiban 3100 ml. A nyugalmi kilégzési állapot elérése után erőltetett kilégzéssel a tüdőből még további gáz lélegezhető ki. Ennek térfogata a kilégzési,más néven exspirációs rezervtérfogat (ERV); átlagos értéke nőben 800, férfiban 1200 ml. Akilégzőizmok maximális aktiválása után is marad gáz a tüdőben: ez a reziduális térfogat (RV)nőben átlagosan 1000, férfiban 1200 ml.

A légzésélettanban “kapacitás”-nak nevezzük az ismertetett térfogatok kombinációját. Így a maximális belégzés állapotától a maximális kilégzésig kifújható gáz a vitálkapacitás (VC): ez a belégzési rezervtérfogat, a respirációs térfogat és a kilégzési rezervtérfogat összege. Átlagos értéke nőben 3200, férfiban 4800 ml. A totálkapacitás [TC (total capacity) vagy TLC (total lung capacity)] a maximális belégzés állapotában a tüdőben lévő gáz: ennek értéke nőben átlagosan 5, férfiban 6 liter.

A légzésélettan egyik nagyon fontos értéke a funkcionális reziduális kapacitás (FRC), az a gáztérfogat, ami nyugodt kilégzés után – amikor tehát sem a be- sem a kilégzőizmok nem aktívak – a tüdőben van (a reziduális térfogat és a kilégzési rezervtérfogat összege). Nyugodt légzés esetén a tüdőtérfogat az FRC és az FRC + VT között ingadozik.

A légzési térfogatok közül a respirációs, a belégzési és a kilégzési rezervtérfogatokat a 19. század óta erre a célra szerkesztett eszközzel, spirométerrel állapították meg, manapság inkább az áramlási sebesség és idő mérésével (pneumotachográffal) határozzák meg. A reziduális térfogatot és a tüdő teljes térfogatát azonban spirométerrel nem lehet meghatározni, ezt csak inert gáz belélegeztetésével vagy testpletizmográfban lehet meghatározni.

8-2. ábra . Térfogatfrakciók és kapacitások a tüdőben. Comroe, J. H. (1979): Physiology of Respiration, 2. kiadás, Year Book Medical Publisher, Chicago–New York 2-5. ábra alapján

A reziduális volumen, ill. a funkcionális reziduális kapacitás meghatározása

A reziduális térfogatot eredetileg egy “inert gáz” (pl. hélium) felhígulásával mérték. Az inert gáz nem oldódik a vérben, és ezért nem hagyja el az alveolaris teret. A vizsgált személy maximális kilégzést követően ismert térfogatú zárt edényből kezd lélegezni, amely ismert koncentrációjú gázt tartalmaz. Bizonyos idő elteltével az edényben lévő hélium felhígul a tüdőben lévő gázzal (a hélium most a spirométer plusz RV térfogatban oszlik meg). A hígulás mértékéből a következő egyenlettel számítható a spirométer plusz RV együttes térfogata, ill. ebből az RV értéke:

V 1 × F 1 = V 1 + RV × F 2

(V1 az edény eredeti térfogata, F1 az inert gáz kiindulási, F2 a végső koncentrációja).

Ha a vizsgálandó személy nyugodt kilégzés végén kapcsolódik az inert gázt tartalmazó tartályhoz, akkor ugyanezzel a módszerrel az FRC értékét határozhatjuk meg.

A teljestest-pletizmográf a klinikai légzésélettan nélkülözhetetlen eszköze, amellyel különböző légzési paraméterek határozhatók meg, így az FRC értéke is. A pletizmográf egy hermetikusan zárt kabin, amelyben a vizsgált személy ülő helyzetben foglal helyet. A készülékben mérhetők a kabin és a légutak nyomásértékei, valamint a kamra térfogatváltozásai.

Egy normális kilégzés után, azaz a FRC térfogatán az alveolaris nyomás (P1, amelyet a szájban mérünk) azonos a légköri nyomással. Ekkor elzárjuk azt a csövet, amelyen keresztül a vizsgált személy légzik (azaz a légutak kifelé zártak), majd a személy belégzést kísérel meg: ennek következtében a mellkas térfogata ΔV értékkel megnő, az alveolaris nyomás pedig P1 értékről P2 értékre csökken.

A mellkas térfogatának növekedése összenyomja a kabinban lévő levegőt, a kabinban uralkodó nyomás fokozódik. A ΔV értéke megkapható, ha annyi levegőt veszünk ki a kabinból, hogy a nyomás a légköri nyomás értékére térjen vissza. A szájüregben mért nyomások megadják a további számításokhoz szükséges P1 és a P2, ill. kettőjük különbségét, a ΔP értéket.

A további számításokat, amelyekben a FRC a kiindulási V1 érték, Boyle-törvénye alapján végezzük (a hőmérséklet állandó):

P 1 × V 1 = P 2 × V 2

Feltételeink szerint V2 = V1 + ΔV, továbbá P2 = P1 – ΔP, így P1 × V1 = (P1 – ΔP) × (V1 + ΔV).

Átrendezve:

V 1 ml = P 1 Δ P Hgmm × Δ V ml Δ P Hgmm = FRV ml

(Ebben a bemutatott számításban néhány, egyébként szükséges korrekciót és konverziót az egyszerűség kedvéért elhagytunk.)

Egészséges személyekben az inert gáz módszer és a testpletizmográfiás módszer azonos eredményekre vezet. Amennyiben azonban a tüdőben lévő (alveolaris) gáz egy része nem vesz részt a légcserében – tehát a hélium ebben a térben nem hígul fel –, a két módszer eltérő eredményt ad.

A tüdő és a mellkas mechanikája

A tüdő kollapszus- (retrakciós) tendenciája

A légutak hámját vékony folyadékréteg borítja, amely a tüdőben lévő gázfázissal érintkezik. A folyadék–gáz fázishatáron jelentős felületi feszültség jelentkezik, amely a lumen összeesése (kollapszusa) irányában hat. Azokban a bronchusokban, bronchiolusokban, amelyeknek fala eléggé vastag ahhoz, hogy ellenálljon az összeesésnek, ez a tendencia nem jut érvényre. A vékony falú alveolusokban a felületi feszültség képes összeesést előidézni.

A felületi feszültség a tüdőszövet kollapszustendenciájának egyik, de nem egyedüli tényezője. A másik tényezőt a tüdő rugalmas elemei (rugalmas rostok) képezik. A felületi feszültség és a rugalmas rostok nagyjából egyenlő mértékben felelősek a kollapszustendenciáért. Amennyiben a tüdőn belüli és kívüli erők ezt a tendenciát nem ellensúlyozzák, a tüdő összeesik (kollabál) a tüdőn belüli (intrapulmonalis) nyomás növekszik, és a tüdőben lévő gáz a tracheán keresztül távozik. Ez következik be a mellkas megnyitása után: az állapot neve légmell, pneumothorax. A mellkasból eltávolított tüdő mindig összeesett állapotban van.

A tüdőn belül a kollapszustendenciát két tényező ellensúlyozza – a tüdőn kívüli tényezőt, a mellkas expanziós tendenciáját a továbbiakban ismertetjük. Az egyik tényező az alveolusok interdependenciája, minden egyes alveolust a szomszédos alveolusok tágan tartanak. A másik tényező az alveolusok lumenébe kiválasztott felületi feszültséget csökkentő anyag, angol nyelvből átvett elnevezéssel a surfactant. (A mozaikszó a surface active agent-ből származik.) Ezt a tüdőben a már említett 2. típusú alveolaris pneumocyták szintetizálják, és az alveolus lumenébe választják ki. Az anyag kémiailag foszfolipid és fehérje komplexe; az egyes molekulák beékelődnek a felszínt bélelő vízmolekulák közé, és megakadályozzák a vízmolekulák közötti kötések kialakulását. Az alveolusok méretének ciklikus változása a be- és a kilégzés során megváltoztatja a felületegységre jutó surfactantmolekulák számát; belégzéskor az egyes surfactantmolekulák ritkábban helyezkednek el, a nagyobb felületi feszültség gátat szab a tágulásnak. Kilégzéskor viszont fokozódik a surfactant koncentrációja, ezzel ellene hat az alveolusok összeesésének. Surfactant hiányában az alveolusok összeesnek, és belégzés alatt a tágulásukhoz a normálisnál nagyobb transpulmonalis nyomás, azaz nagyobb munka szükséges (ez következik be az alább leírt szindrómában).

Újszülöttkori respirációs distress szindróma

A surfactant a magzatban csak a terhesség harmadik harmadában szintetizálódik; érett újszülöttben már kellő mennyiségben van jelen. A legnagyobb légzési munkát ugyanis a születést követő első pillanatokban kell kifejteni, amikor az intrauterin életben zárt állapotban levő alveolusok először telnek meg levegővel. Az újszülött felsírása ezen folyamat sikeres lezárulását jelzi. Az alveolusok megnyílásához elengedhetetlen a fiziológiás mennyiségű surfactant. Koraszülöttekben még nincs kellő mennyiségű surfactant, ezért a megszületés után az alveolusok kollapszustendenciája túlságosan nagy, az összeesett alveolusok miatt légzési elégtelenség lép fel (újszülöttkori respirációs distress szindróma). Az állapot surfactant aeroszolos belélegeztetésével – és mesterséges lélegeztetéssel – kezelhető.

A tüdő rugalmasságának csökkenése: emphysema

A tüdő rugalmas elemeinek mennyisége az életkor előrehaladásával csökken, de egyes környezeti ártalmak ezt a tendenciát felgyorsítják. Korunkban ilyen gyorsító tényező a füst, különösen a forró dohányfüst belélégzése. Az alveolusok közötti rugalmasrost-állomány tönkremegy, a normális tüdőszövet-állományra jellemző elaszticitás (elastance) kisebb lesz, a tüdő “rugalmas falú zsák”-ból “rugalmatlan falú zsák”-ká válik. A beteg állandóan nagyobb funkcionális reziduális kapacitás mellett légzik. A belégzés során megnövekedett tüdőtérfogat önmagától nem “ugrik vissza” kiindulási helyzetébe, csak a kilégzőizmok erőltetett aktivitása következtében (l. alább). A légzésre fordított munka ezért több mint normális egyénekben, ez tovább fokozza az oxigénszükségletet, a beteg állapota folyamatosan romlik.

A mellkasfal tágulási (expanziós) tendenciája

A mellkasfal oldalról, a rekeszizom által képzett kupola pedig alulról határolja a mellüreget. A mellkasfal felépítésében a csigolyák, a bordák, a szegycsont, a bordaközti és más izmok, kötőszövet és a bőr vesznek részt. A mellkasfalat belülről a mellhártya (pleura) fali (parietalis) lemeze béleli, a fali pleuralemez a tüdőt borító zsigeri (visceralis) pleuralemezbe megy át (8-3. ábra); a két pleuralemez között nagyon kis mennyiségű folyadék („folyadékfilm”) foglal helyet, amelynek nélkülözhetetlen adhéziós és nedvesítő funkciója van. A zsigeri pleuralemez hozzáfekszik a fali pleuralemezhez, és a két lemez közötti folyadékfilm megakadályozza a két réteg szétválását. A két pleuralemez közötti tér a „pleuraűr”, amely azonban csak virtuális rés, ép körülmények között nincs mérhető térfogata.

A bordák illesztése és a mellkasfal szerkezete következtében a mellkasnak nyugalmi állapotban tágulási („expanziós”)tendenciája van; ellentétesen ható erők hiányában, azaz ha a tüdő kollapszustendenciája nem ellensúlyozza a tágulási tendenciát, a mellkas tágul. Ha akár a mellkasfalat, akár a tüdőszövetet sérülés éri – az előbb említett pneumothorax esetében –, és ezen keresztül levegő jut az addig virtuális pleurarésbe, a két pleuralemez szétválik. Ebben az állapotban érvényesül a mellkasfal tágulási tendenciája, a mellkas pedig kitágul (8-4. ábra).

A mellkas „nyugalmi helyzet”-én a nyugodt (tehát nem erőltetett)kilégzés utáni állapotot értjük. Ebben az állapotban mind a be-, mind a kilégző izmok aktivitása minimális, bennük csak a testtartáshoz szükséges izomtónus figyelhető meg.

8-3. á bra. A mellkasfal, a tüdő, a fali (parietalis) és a zsigeri (visceralis) pleuralemezek vázlata

8-4. ábra . Pneumothoraxot követő tüdőkollapszus és mellkasfal-expanzió

Nyomásviszonyok a tüdőben és a pleuraűrben

Nyugalmi állapotban a tüdő kollapszustendenciája a tüdőben lévő gázmennyiség csökkentése irányában, a mellkasfal tágulási tendenciája pedig ellenkező irányban hat. A nyugalmi állapotot az jellemzi, hogy a tüdő összeesési és a mellkas tágulási tendenciája pontosan kiegyenlíti egymást: azonos nagyságú, de ellenkező előjelű erők lépnek fel.

A parietalis és a visceralis pleuralemezek egymáshoz tapadnak; ép körülmények között nem válnak szét, de elcsúszhatnak egymáson. A két pleuralemez közötti virtuális rés a “pleuraűr”. Ebben a virtuális térben mérhető az intrapleuralis (más néven intrathoracalis) nyomás (Ppl), ami nyugalmi állapotban mintegy 1-3 vízcm-rel a légköri nyomás alatt van. Ez a szubatmoszférás nyomás a tüdő retrakciós és a mellkasfal expanziós tendenciájának együttes következménye.

Az orvosi élettanban mind az intrapleuralis, mind a továbbiakban ismertetésre kerülő intrapulmonalis (Ppulm, más néven intraalveolaris) nyomás értéke a légköri (barometrikus) nyomáshoz (PB) viszonyítva, különbségként szerepel (PB – Ppl, ill. PB – Ppulm).

Az intrapleuralis nyomást és annak változásait emberben a nyelőcső corpusában uralkodó nyomás mérésével követhetjük. Ennek anatómiai alapja, hogy a vékony falú, nyugalomban ellazult állapotú nyelőcső a mellüregben helyezkedik el, és a mérés helyét a külső levegőtől és a gyomortól egyaránt egy-egy sphincterizom zárja el.

A ventilációval kapcsolatos nyomásértékeket a kialakult hagyományoknak és a mai orvosi gyakorlatnak megfelelően vízcm-ben adjuk meg; más könyvek az értékeket vagy Hgmm-ben vagy kPa-ban (a nyomás SI-egysége) fejezik ki. Egy vízcm = 0,1 kPa = kb. 0,7 Hgmm.

A légutaknak az a szakasza, amelyben még porcos elemek is vannak, továbbá a simaizmokat is tartalmazó bronchiolusok csak kevéssé függenek a belső és a külső nyomás közötti különbségtől, a transmuralis nyomástól. Azoknak a szakaszoknak a tágassága viszont, amelyeknek vékony a fala – ilyenek a bronchiolus respiratoriusok, ductus alveolares és maguk az alveolusok – erősen függ a pulmonalis transmuralis nyomástól (Ptm), ami az intrapulmonalis és az intrapleuralis nyomás különbsége

P tm = P pulm P pl

(A transmuralis nyomásokat mindig belülről kifelé értelmezzük, Ptm = Pbelső – Pkülső.) Ebben az egyenletben a Ppl – kivéve az erőltetett kilégzést – többnyire negatív érték, ezért a különbség, a Ptm pozitív érték. Ez a nyomáskülönbség tartja nyitott állapotban az alveolusokat. Nyugodt kilégzést követően, amikor a gázáramlás megszűnt, és az intraalveolaris nyomás egyenlő az atmoszférás nyomással, a Ptm = 0 vízcm – (–2 vízcm) = + 2 vízcm.

Könnyű belátni, hogy minél inkább negatív az intrapleuralis nyomás, annál nagyobb pozitív transmuralis nyomás tartja nyitva az alveolusokat, annál nagyobb mértékben tágul a tüdő. A tüdő aktuális térfogatát (azaz aktuális gáztartalmát) a tüdő transmuralis nyomása, valamint a tüdő és a mellkas tágulékonysága együttesen szabja meg (a tágulékonyságot a továbbiakban részletesen ismertetjük).

Az eddigiekben abból indultunk ki, mintha az intrapleuralis, valamint a transmuralis nyomásértékek a mellüreg és a tüdő minden pontján azonosak lennének. A valóságban azonban az anatómiai viszonyok, továbbá a gravitáció következtében az intrapleuralis nyomás a mellüreg különböző pontjain eltérő érték, a testhelyzettel változik. Ennek megfelelően a tüdő egyes részei jobban, mások kevésbé tágulnak. (Ezek az inhomogenitások a különböző tüdőzónák ventilációs/perfúziós arányait befolyásolják; ezekre a továbbiakban még visszatérünk).

A transmuralis nyomás és a tüdőtérfogat összefüggése

A tüdő gáztartalma – első megközelítésben – a transmuralis nyomás függvénye. Legegyszerűbb esetben – modellkísérletben – az összefüggést izolált tüdőben mérhetjük meg (8-5. ábra). Ennek egyik lehetősége, hogy az izolált tüdőt pumpa segítségével fokozatosan töltjük levegővel, és mérjük a belső nyomás növekedésével bekövetkező térfogatváltozást. Egyszerűsíti a vizsgálat értékelését, hogy az izolált tüdőn kívül légköri nyomás van, amit az egyszerűség kedvéért zérusnak veszünk: a transmuralis nyomás így a pumpával létrehozott nyomás mínusz a külső nyomás, ami zérus; a transmuralis nyomás pozitív érték (ha a valóságos légköri nyomással számolnánk, akkor az mint additív tényező a belső és a külső nyomáshoz egyaránt hozzáadódna). A felfúvással nyert inflatiós összefüggés nem lineáris, a nagyobb tüdőtérfogatokon már alig változik a tüdő gáztartalma, a rugalmas elemek tovább már alig tágíthatók, a nem rugalmas elemek (pl. interstitialis kollagénrostok) pedig ellenállnak a tágításnak. A mérést ellenkező irányban megismételve kapjuk a deflációs összefüggést: a két görbe nem fedi egymást, ennek oka az alveolusokban lévő surfactant. Látható, hogy egyik összefüggés sem lineáris, de a görbéknek van egy szakasza, ahol a tágíthatóság a legnagyobb, és ez a szakasz közelítően lineáris, így meredeksége megadható. A meredekség a térfogatinkrementum és a nyomásinkrementum hányadosa, ΔV / ΔP: ez a lineáris szakaszon a compliance értéke. (A klinikai mérések alkalmával megegyezés szerint nem az inflatiós, hanem a deflációs görbe alapján számoljuk a compliance-t.)

A térfogat-nyomás összefüggés felvételekor végeredményben a tüdő retrakciós tendenciája ellen növeltük a tüdő gáztérfogatát. A retrakciós tendenciában jelentős tényező a felületi feszültség a gáz és a folyadék között. A 8-5. ábrán egy további görbét is feltüntettünk: ennek felvételekor a tüdőt nem levegővel, hanem sóoldattal töltötték fel, és – minthogy két folyadék érintkezett – adott térfogatinkrementum sokkal kisebb nyomásinkrementumot igényelt. Az inflatiós és a deflációs görbék nem térnek el egymástól, a surfactantnak ebben az esetben nincs jelentősége.

8-5. ábra. Térfogatváltozás/nyomásváltozás vizsgálata izolált tüdőben

A valóságban a tüdő a mellkasban foglal helyet, és a nyomás-térfogat összefüggésben együttesen szerepel a tüdő és a mellkas tágíthatósága. Ezt az összefüggést akár úgy is meg lehetne mérni, hogy a mélyen altatott és intubált vizsgálati alanyban – akinek nincs spontán légzése, hanem gépi lélegeztetésen van – teljestest-pletizmográfban szimultán mérik az intrapleuralis nyomást (az oesophagusban), az intraalveolaris nyomást (a szájban) és a térfogatinkrementumokat. A valóságban ezt az ún. relaxációs technika alkalmazásával, ugyanezen mérések segítségével altatás nélkül vizsgálják. A technika lényege, hogy a vizsgált személy a testpletizmográf spirométeréből légzik, majd felszólításra ellazítja a légzőizmait (relaxál): a relaxáció következtében együtt érvényesül a tüdő és a mellkas retrakciós tendenciája, részleges kilégzés következik be, aminek az értékét a spirométer mutatja. A tüdő transmuralis nyomása a szájban mért alveolaris nyomás és az oesophagusban mért intrapleuralis nyomás különbsége (Ppulm – Ppl), a mellkas transmuralis nyomását az intrapleuralis és a légköri nyomás különbsége (Ppl – PB), a teljes rendszer transmuralis nyomását az alveolaris nyomás és a légköri nyomás különbsége (Ppulm – PB, ez utóbbi 0) adja meg. A 8-6. ábra tünteti fel az in vivo mért tüdő, mellkasi és teljes compliance-t. A lineáris szakaszon a tüdő és a mellkas külön-külön mért ΔV / ΔP értéke egyaránt 0,2 l/vízcm, az együttesen mért érték 0,1 l/vízcm. (A látszólag meglepő eredményt érthetővé teszi, hogy két egymásban lévő gumiballon nagyobb nyomással fujható fel, mint mindegyik külön-külön.)

A 8-6. ábra közelebb visz a mellkasfal és a teljes rendszer mechanikájának, valamint a funkcionális reziduális kapacitás jelentőségének megértéséhez. A teljes rendszer (mellkasfal + tüdő) transmuralis nyomása akkor zérus, amikor a tüdőben az FRC-nek megfelelő gáz van: ekkor a tüdő retrakciós tendenciáját pontosan kiegyensúlyozza a mellkas expanziós tendenciája.

8-6. ábra . A tüdő és a mellkas térfogat/nyomás diagramja. Rahn és mtsai (1946): Am. J. Physiol. 146, 161. Alapján. Az egyes összetevők (mellkas, tüdő és kettőjük kombinációja) annál a térfogatnál vannak passzív egyensúlyban, amelynél a megfelelő transmuralis nyomás értéke zérus: a mellkas esetében FRC + 1 liternél, a kombinált rendszer esetén az FRC értékénél

Restriktív tüdőbetegségek

A compliance csökkenésének az a velejárója, hogy nagyobb transmuralis nyomás szükséges a tüdő adott térfogatra tágításához, azaz a légzésre fordított munka – a normálishoz képest − növekszik. Restriktív tüdőbetegséet okoz a surfactantképződés deficitje, továbbá a tüdőszövet fibrosisa, ami finoman eloszlott ásványi por (szilikátok, azbeszt) krónikus belégzésének következménye (ezért tiltották be az azbeszt alkalmazását az építőiparban). A kialakult tüdőfibrosis irreverzíbilis állapot.

A légzési ciklus

A külső gázcserét az teszi lehetővé, hogy a tüdő gáztartalma – nyugalmi körülmények között – minden percben 12-16 alkalommal részlegesen kicserélődik; egy-egy légvétel – légzési ciklus – alkalmával a légzőmozgások mintegy 0,5 l gázt mozgatnak meg (ez percenként 6-8 liter gázmozgást jelent). A belégzés során a mellkas tágul, az intrapleuralis nyomás csökken (negatívabb értékű lesz), tehát az alveolusokban nő a transmuralis nyomás. A tüdő követi a mellkas tágulását, az intraalveolaris (intrapulmonalis) nyomás csökken, a külvilágból levegő áramlik a tüdőbe. A kilégzés alkalmával a mellkas térfogata csökken, ezzel az intrapleuralis nyomás pozitív irányba változik, a transmuralis nyomás csökken, érvényre jut a tüdő retrakciós tendenciája, a tüdő részlegesen kollabál, a benne lévő gázkeverék egy hányada kiáramlik a szabadba.

A be- és kilégzés mechanizmusa

Belégzés

Belégzés alatt a mellkas craniocaudalis, anteroposterior és transversalis átmérője egyaránt növekszik. A mellkas tágulásában a belégzőizmok, elsősorban a rekeszizom (diaphragma) és a külső bordaközti (intercostalis) izmok összehúzódása szerepel.

A rekeszizom az emlős fajokban a mellüreget a hasüregtől elválasztó kupola; összehúzódása a mellüreg craniocaudalis átmérőjét növeli. Nyugodt légzésnél a rekeszizom kupolája 1-2 cm-rel “száll lejjebb”. A rekeszizom felületét tekintetbe véve ez az elmozdulás a mellkas térfogatát mintegy 0,3 l-rel növeli meg. Nyugalmi körülmények között a rekeszizom önmagában képes a ventilációt biztosítani. (Ennek a ténynek gerincvelői sérülések esetében van életbevágóan fontos jelentősége.) A rekeszizom kupolája mélyebb légvételek esetén akár 10 cm-rel is süllyedhet. A rekeszizom összehúzódását a hasizmok reflexes ellazulása kíséri, ezért az intraabdominalis nyomás nem emelkedik, és nem akadályozza a belégzést.

A rekeszizmot ellátó és a n. phrenicusban összeszedődő motoneuronok sejttestjei a gerincvelő cervicalis szakaszának 3., 4. és 5. szegmentumában helyezkednek el. A 3. szegmentum feletti gerincvelői harántlaesio a légzőmozgások teljes megszűnésével jár.

A külső bordaközti izmok rostjai két borda között hátulról-felülről előre-lefelé futnak, összehúzódásuk megemeli az alsó bordát. A bordapárok alakja és mérete, valamint a csigolyákhoz való illeszkedésük szöge miatt a felső hat bordapár területén megnöveli a mellkas anteroposterior átmérőjét. Az alsó bordák emelkedése a mellkas harántirányú átmérőjét növeli. Az intercostalis izmok összehúzódása megakadályozza, hogy belégzéskor a külső és az intrapleuralis nyomás különbsége “beszívja” az intercostalis lágyrészeket. A külső bordaközti izmokat a gerincvelő thoracalis 1-11. szegmentumában elhelyezkedő motoneuronok idegzik be.

A rekesz és a külső bordaközti izmok összehúzódása önmagában is képes a nyugalminál lényegesen nagyobb belégzést létrehozni. Extrém ventilációs igény vagy komolyabb légzési nehézség mellett néhány más izom, így a mm. pectorales major és minor, a m. sternocleidomastoideus, a mm. scaleni és néhány hátizom is részt vesz a belégzésben; ezek a légzési segédizmok. Nagyon feltűnő, ha ezek is részt vesznek a légzésben: az állapot neve dyspnoe.

Kilégzés

Nyugodt légvételek során a belégzést követően a belégzőizmok elernyednek, és a kitágult mellkas spontán, a tüdő kollapszustendenciájának következtében visszanyeri kiindulási térfogatát. Nyugalmi légzés alatt a kilégzés teljesen passzív folyamat, nem igényel izomtevékenységet. Amennyiben erőteljes vagy gyorsított kilégzésre van igény, a kilégzésben a kilégzőizmok összehúzódása is szerepet kap (aktív kilégzés).

Az aktív kilégzésben mindenekelőtt a hasizmok játszanak szerepet. Összehúzódásuk megnöveli az intraabdominalis nyomást, ezáltal a már ellazult rekeszizom felnyomódik a mellüreg irányába, csökken a mellkastérfogat. A hasizmok akkor aktiválódnak a kilégzésben, ha a percenkénti ventiláció 40 liter fölé emelkedik.

A belső bordaközti izmok összehúzódása csökkenti a mellkas anteroposterior átmérőjét, ezzel – szükség esetén – elősegíti a kilégzést. Funkciójukhoz tartozik továbbá, hogy köhögésnél, tüsszentésnél vagy hányásnál – amikor a hasizmok összehúzódnak és az intrapulmonalis nyomás emelkedik – segítenek megtartani a mellkas alakját.

Nyomás- és áramlási viszonyok a légzési ciklus alatt

A légzési ciklus alatt mind az intrapleuralis, mind az intrapulmonalis nyomás ciklikusan változik (8-7. ábra). Amint ismertettük, nyugodt belégzés alatt az intrapleuralis nyomás adott negatív értékről még negatívabbá válik, majd a kilégzés során visszaáll a kiindulási – még mindig negatív – érték. Az intrapulmonalis nyomás eltérő módon viselkedik. Minthogy az alveolusok légzésszünetben szabadon közlekednek a külső levegővel, a Ppulm értéke megegyezik a külső levegő nyomásával (Ppulm = PA= 0); ezt követően a belégzés során előbb csökken (Ppulm negatív), majd a belégzés végére visszaemelkedik az atmoszférás nyomás értékére (Ppulm = PA = 0). A kilégzési fázisban az intrapulmonalis nyomás előbb emelkedik (Ppulm pozitív), majd a kilégzés végével ismét egyenlővé válik az atmoszférás nyomással (Ppulm = PA = 0).

A légutak a gázáramlással szemben ellenállást fejtenek ki (áramlási ellenállás): ez a gázmolekulák egymás közötti, továbbá a légutak falával való súrlódásának következménye. Az áramlási ellenállás következménye, hogy a be- és kilégzés áramlási szakaszában a leírt átmeneti nyomáskülönbségek alakulnak ki az alveolusok és a külső levegő között.

Az áramlási ellenállás nagy része a légutaknak arra a szakaszára esik, ahol az áramlási sebesség nagy. A legkisebb légutakban, a ductus alveolares és az alveolusok szakaszán a légutak összkeresztmetszete már annyira nagy, hogy az áramlási sebesség nagyon alacsony, ezért ott az áramlási ellenállás kicsiny. Az áramlási ellenállást fiziológiásan és kórosan a légutak, főként a bronchiolusok simaizomzatának tónusa határozza meg. Az izomzaton a paraszimpatikus beidegzés bronchoconstrictiót közvetít. Különböző irritáns anyagok – füst, por, kémiai anyagok – vagy egyszerűen hideg levegő belégzése reflexesen bronchoconstrictiót váltanak ki. Kóros körülmények között a helyileg megjelenő mediátorok (hisztamin, ciszteinil-leukotriének) bronchoconstrictor hatásúak, nehezítik a gázcserét. A simaizmokon lévő β2-receptorok ellazulást közvetítenek (bronchodilatator hatás). A fokozott simaizomtónus oldására alkalmazzák az adrenalint, továbbá a szintetikus β2-receptor-agonista farmakonokat.

A légúti ellenállás növekedése a légzési ciklus alatt a normálisnál nagyobb mértékben változtatja meg az intrapulmonalis nyomást, azaz az ingadozások sokkal kifejezettebbekké válnak.

Kóros folyamatok általában nem változtatják meg jelentősen a belégzés sebességét, ami arra utal, hogy a belégzési áramlási ellenállás változatlan. Sokkal jelentősebb szerepe van kóros folyamatokban a kilégzési áramlási ellenállás növekedésének, ami a kilégzési sebesség csökkenésében nyilvánul meg. Ennek elterjedt klinikai vizsgálata a maximális belégzési állapotból történő erőltetett kilégzési sebesség mérése (FEV, forced expiratory volume); Ebben a kilégzett térfogatot az idő függvényében tüntetjük fel. A leggyakrabban használt mérőszám a FEV1, az 1 másodperc alatt kilégzett gáz térfogata (8-8. ábra). A klinikai gyakorlatban ezt a vitálkapacitás százalékára szokásos vonatkoztatni: ez a Tiffenau-index, normális értéke 75-80%.

8-7. ábra. Intrapleuralis és intraalveolaris nyomásváltozások a légzési ciklus alatt. Comroe, J. H. (1979): Physiology of Respiration, 2. kiadás, Year Book Medical Publisher, Chicago–New York 10-5. ábra alapján

8-8. ábra . Áramlási sebesség erőltetett kilégzés során (FEV1-érték mérése). Comroe, J. H. (1979): Physiology of Respiration, 2. kiadás, Year Book Medical Publisher, Chicago–New York 10-31. ábra alapján

Az áramlásintenzitás változásai a légzési ciklus során

A nyomás- és térfogatváltozások vizsgálata a pulmonológiában hosszú múltra tekint vissza. Ehhez képest az áramlásintenzitás (áramlás/idő, a gyakorlatban l/s) vizsgálata újabb keletű, de mára a pulmonológia nélkülözhetetlen részévé vált, és a krónikus légúti betegségek diagnosztikájában és a betegek állapotának felmérésében kiemelt jelentőségre tett szert. A 8-9. ábrán látható hurokgörbék (flow-volume loop) az áramlásintenzitást a megmozgatott gáztérfogat függvényeként tüntetik fel. (Az erőltetett be- és kilégzés kontrasztjaként az ábrán belül feltüntettük a nyugalmi be- és kilégzés hurokgörbéjét; ebben az esetben a tüdő gáztérfogata az FRC és az FRC + VT között ingadozik; látható, hogy az áramlásintenzitás lényegesen kisebb, mint erőltetett légzés során.)

Az erőltetett belégzés során az áramlásintenzitást meghatározó egyik tényező a belégzőizmok által generált intrathoracalis nyomáscsökkenés. Ez ellen hat a tüdő rugalmas retrakciós tendenciája és a légutak áramlási ellenállása. A belégzőizmok hatásfoka a belégzéssel csökken, a retrakciós tendencia a térfogat növekedésével egyre inkább érvényre jut, a légutak áramlási ellenállása viszont a térfogat növekedésével csökken (a légutak átmérője nő). A bemutatott hurokgörbe ezeket az időben változó ellentétes hatásokat tükrözi. A maximális belégzési áramlásintenzitás az erősen aszimmetrikus kilégzési görbével szemben nagyjából szimmetrikus a maximális érték két oldalán. A maximális belégzési áramlásintenzitás az RV és a TLC között félúton mérhető.

A teljes tüdőkapacitás térfogatából kiinduló erőletett kilégzésnél a gázáramlás hajtóereje (driving force) a kilégzőizmok aktivitása és a tüdő rugalmas retrakciós tendenciája (a kilégzés kezdetén ez utóbbihoz járul a maximálisan tágult mellkasfal kollapszustendenciája). Mindezek együttesen megnövelik az intrathoracalis nyomást, ami pozitív értéket vesz fel. Ezzel nyomásgradiens alakul ki az intraalveolaris tér és a külvilág között, ez a gáz kilégzésének hajtóereje. Megtekintve a 8-9. ábra felső hurokgörbéjét, látható annak aszimmetrikus volta. Az aszimmetria oka az erőltetett kilégzés során változó – fokozódó – légúti áramlási ellenállás. A pozitív intrathoracalis nyomás ugyanis kívülről nyomja – esetenként teljesen összenyomja, elzárja – a légutakat, ezzel azok ellenállása növekszik; a jelenség elnevezése dinamikus légúti kompresszió. Ezt az ellenállást nem kompenzálja a kilégzés további erőltetése: minél közelebb jut a kilégzés a reziduális volumenhez, annál hatástalanabb az intrathoracalis nyomás további fokozása.

A klinikai diagnosztikában használatos eljárás a kilégzés alatti maximális áramlás (l/s) mérése (peak expiratory flow rate, PEFR); ez látható a 8-9. ábra felső görbéjének kezdeti szakaszán. Ennek a normálishoz viszonyított csökkenése az áramlási ellenállás növekedésre utal. A tüdő egyes betegségeiben – pl. az alább ismertetésre kerülő COPD-ben – a gyulladás, továbbá a fokozott szekréció fokozza a kilégzési áramlási ellenállást, a PEFR vizsgálata nemcsak a diagnózishoz járul hozzá, hanem az állapot változását is nyomon lehet vele követni.

8-9. ábra . Az áramlásintenzitás alakulása nyugalmi és erőltetett légzés során. Abszcissza: a tüdő gáztartalma a vitálkapacitás %-ában; a tengelyen az értékek a szokásostól eltérően jobbról balra (az RV-től a TLC felé) a növekednek.Ordináta: az áramlásintenzitás (l/s). A 0 vonal feletti pozitív értékek a kilégzési, a vonal alatti negatív értékek a belégzési intenzitás értékei. Az ábrán belüli kör tünteti fel az FRC ± VT nyugalmi légzés áramlásintenzitását. PEF: peak expiratory flow, maximális kilégzési áramlás; RV: reziduális volumen; TLC: teljes tüdőkapacitás (RV + vitálkapacitás); FRC: funkcionális reziduális kapacitás

Obstruktív tüdőbetegségek

Az obstruktív tüdőbetegségek közös jellemzője a nehezített kilégzés, amit a megnövekedett légúti ellenállás okoz. A krónikus obstruktív tüdőbetegség (COPD, chronic obstructive pulmonary disease) hátterében a légutak krónikus gyulladása, a krónikus bronchitis áll; a kórelőzményben feltűnően gyakran szerepel a dohányzás. Az emphysemában azért nehezített a kilégzés, mert a tüdőszövet rugalmas elemei tönkrementek, még normális VT mellett sem lehetséges a teljesen passzív kilégzés – a tüdő retrakciós tendenciája ehhez nem elégséges –, és a kilégzéshez is a kilégzőizmok aktivitása szükséges; ez természetesen többletmunkával jár.

Az asthma bronchiale a kis légutak, mindenek előtt a bronchiolusok időleges szűkülete (bronchoconstrictio) és krónikus gyulladása. Az asthma hátterében gyakran szerepel allergia (l. a 26. fejezetet); a bronchoconstrictio közvetítői elsősorban a hízósejtekből és az eozinofil sejtekből felszabaduló mediátorok (leukotriének, főként a ciszteinil-leukotriének, peptidek és hisztamin). A roham oldására az antihisztaminok kevéssé alkalmasak; főként az adrenerg β2-receptor agonisták használhatók a roham kezelésére.

Intrapulmonalis és intrapleuralis nyomásváltozások zárt glottis mellett

Az intrapulmonalis nyomás előbb ismertetett változásai csak akkor érvényesek, ha a légutak a külvilág felé nyitottak. A glottis (hangrés) azonban mind akaratlagosan, mind reflexesen zárható; zárt glottis mellett végzett légzőmozgásokkal az intrapulmonalis és intrapleuralis nyomás nagyon jelentősen változtatható. Zárt glottis melletti belégzési kísérletnél az intrapulmonalis és az intrapleuralis nyomás jelentősen a külső légnyomás alá süllyed (Müller-manőver). Zárt glottis melletti erőteljes kilégzési kísérlet (Valsalva-manőver) esetén a hasizmok és a mellkasi kilégzőizmok összehúzódása az intrapulmonalis és intrapleuralis nyomást nagyon jelentősen az atmoszférás nyomás fölé emelheti. Ez következik be tüsszentéskor, székeléskor vagy szülés alatt. A Valsalva-manővernek cardiovascularis következményei vannak, a megnövekedett intrapleuralis nyomás gátolja a nagy vénák vérének továbbítsát a jobb szívfélbe.

A légzési gázok transzportja

A vérben keringő vörösvérsejtek teljes tömege felnőtt emberben mintegy 2500 g. Ez a vörösvérsejt-mennyiség a vértérfogat mintegy 45%-át képezi. A szuszpendált vörösvérsejtek és a körülöttük elhelyezkedő vérplazma szállítja a légzési gázokat, az oxigént és a szén-dioxidot, és ezzel összefüggésben viszonylag állandóan tartja az extracelluláris folyadék H+-koncentrációját.

A vörösvérsejtek (erythrocyták) átlagosan 7–8 μm legnagyobb átmérőjű, szélükön 3, középen 1 μm vastagságú mag nélküli bikonkáv korongok. Koncentrációjuk a vérben („vörösvérsejtszám”) férfiban és nőben kissé különbözik: 1 mikroliter vérben férfiban mintegy 5 millió, nőben pedig 4,5 millió vörösvérsejt van. Az SI ezeket az értékeket 1 liter vérre adja meg. Így a megfelelő átlagértékek férfiban 5 ×1012, nőben pedig 4,5 ×1012 literenként.

A hematokritérték viszonyszám, a sejtes elemek és a teljes vér (vérsejtek + vérplazma) térfogatának arányát jelzi; ezt centrifugálással lehet meghatározni. Fiziológiás fehérvérsejt-koncentráció melletta fehérvérsejtek részesedése a hematokritértékben elhanyagolható, és az érték a vörösvérsejtek és a teljes vér térfogatának aránya. Kórosan magas fehérvérsejt-koncentráció („fehérvérsejtszám”) esetén azonban a hematokritérték nem mutatja a vörösvérsejtek véren belüli arányát. Egészséges férfiban a hematokritérték kb. 0,45 (45%), míg nőben az érték kb. 0,42 (42%).

A vörösvérsejtek fehérjéinek legnagyobb hányadát (kb 95%-át) a hemoglobin (Hb) képezi. Egészséges felnőtt férfi vérének 1 literében átlagosan 160 g hemoglobin van; nőben ez az érték 140 g. Az SI a hemoglobinkoncentrációt mmol/liter értékben adja meg. Sajnálatos módon egyes források a számítás alapjául a tetramert (molekulatömege 64,5 kDa), míg mások a monomert (molekulatömege 16 kDa) veszik. A tetramer alapon számított hemoglobinkoncentráció férfiban 2,5 mmol/l, a monomer alapján számított 10 mmol/l.

A klinikai diagnosztikában két további, a fenti értékekből származtatott mérőszámot is alkalmaznak a vörösvérsejtek jellemzésére. Az egyik az egyes vörösvérsejtek átlagos térfogata, (azaz a hematokritérték és a vörösvérsejtszám hányadosa, normális értéke kb. 94 femtoliter, 1 fl = 10-15 liter). A másik mérőszám az egy vörösvérsejtre eső átlagos hemoglobintartalom (azaz a hemoglobinkoncentráció és a vörösvérsejtszám hányadosa, normális értéke kb. 30 pikogramm, 1 pg = 10-12 g).

Fizikailag oldott gázok a vérben

A szervezet nyílt rendszer: a vérben oldott gázok dinamikus egyensúlyban vannak a tüdő alveolaris terével és (az interstitialis téren keresztül) az oxigént fogyasztó, szén-dioxidot termelő szövetekkel.

Az oxigén- és a szén-dioxid-transzport legfontosabb fizikai alapfogalmai:

  • a gáz parciális nyomása a gázfázisban (Pgáz);

  • a folyadékban oldott gáz nyomása (tenziója);

  • a fizikailag oldott gáz koncentrációja.

Parciális nyomásona teljes gázkeverék összenyomásából az illető gázra eső nyomásértéket értjük. Ez az a nyomás, amit a gáz akkor fejtene ki, ha a rendelkezésre álló teret egyedül töltené ki. A parciális nyomás arányos a gáz frakcionális koncentrációjával. Példaként vegyük, hogy a légkör nyomása 760 Hgmm, az oxigén frakcionális koncentrációja a légkörben 0,21 (= 21%): a 760 Hgmm nyomásból 760 × 0,21= 159,6 Hgmm az oxigén parciális nyomása.

Valamely folyadékban oldott gáz tenziója (nyomása) egyenlő az illető gáz parciális nyomásával a vele egyensúlyt tartó gázfázisban. A légkörrel gázegyensúlyban lévő vízben az oxigén nyomása így kb. 160 Hgmm.

Valamely folyadékban oldott gáz koncentrációja adott hőmérsékleten egyenesen arányos a gáz parciális nyomásával(Henry–Dalton-törvény) és az oldékonysági állandóval. Az oldékonysági állandó (α) az egységnyi parciális nyomásértéken 1 liter folyadékban oldott gáz mennyisége. Az α arányossági tényező (azaz a gáz oldékonysága) két mértékegységben adható meg:

  • az 1 liter folyadékban oldott gáz térfogata egységnyi nyomáson (ml × liter–1 × Hgmm–1);

  • az 1 liter folyadékban oldott gáz mmol-ban megadott mennyisége egységnyi nyomáson (mmol × liter–1 × Hgmm–1).

A vérplazma 1 literében 37 °C-on 0,03 ml oxigén és 0,7 ml szén-dioxid oldódik Hgmm-enként. A szén-dioxid oldékonyságát – főként a sav-bázis egyensúlyt érintő számításokban – mmol × liter–1 × Hgmm–1 értékben adjuk meg, ennek értéke 0,03 mmol × liter–1 × Hgmm–1. A fizikailag oldott gáz koncentrációjának nincs felső határa, adott hőmérsékleten csak a parciális nyomástól és az oldékonysági állandótól függ.

A vörösvérsejt membránja szabadon átjárható a vérplazmában oldott oxigén és szén-dioxid számára. Az oxigén kémiai kötése kizárólag, a szén-dioxid-szállításával kapcsolatos reakciók főként a vörösvérsejteken belül játszódnak le: a vörösvérsejt és a körülötte elhelyezkedő vérplazma kétfázisú rendszert alkot. Ebben a rendszerben a gázok a koncentráció-, ill. az ezzel egyenesen arányos nyomáskülönbség irányában szabadon diffundálnak a plazma és a sejtek között, és így lehetőség van a gázegyensúly kialakulására.

A vérgázok transzportja kapcsán a vörösvérsejtek ionösszetétele (H+, HCO3, Cl) állandóan változik. A klorid- és a bikarbonátionok cseretranszporttal átjutnak a membránon (l. a 2. fejezetet), a gáztranszport során képződő H+-ok számára viszont a membrán impermeábilis.

Oxigénszállítás

Felnőtt emberben nyugalomban a szervezetben lévő kb. 5 liter vér percenként mintegy 250 ml oxigént szállít a tüdőből a szövetekhez. Fizikai munka alatt a szállított oxigén elérheti a percenként 4000 ml értéket. Ekkora mennyiség szállítása csak úgy lehetséges, hogy az oxigén – parciális nyomásának megfelelően – reverzíbilisen a vörösvérsejtekben lévő hemoglobinhoz kötődik.

A hemoglobin oxigénkötése

A hemoglobina hemet tartalmazó fehérjék (hemoproteinek) családjába tartozik. A család egyes tagjai az O2 reverzíbilis kötésére képesek (hemoglobin, mioglobin), mások enzimaktivitással rendelkeznek (pl. a citokrómok, más oxidoreduktázok).

A hemoglobinmolekula 4 alegységből épül fel. Minden alegység polipeptidláncból és hemből, egy vastartalmú porfirinszármazékból áll. A tetramert két-két azonos polipeptid alkotja. Felnőttben a hemoglobin kb. 98%-át hemoglobin A (Hb A) teszi ki: ez 2 α- és 2 β-láncból áll, α2β2-tetramer. Ez a szerkezet a Hb oxigénszállítási tulajdonságai szempontjából lényeges. Az azonos alegységekből (akár 4 α- akár 4 β-láncból) kialakított Hb funkcióképtelen az oxigéntranszportban.

A hemoglobinban a vasatom két vegyértékű (Fe2+, ferrovas), ehhez kötődik reverzíbilisen az oxigén. A hemoglobin oxigénaffinitását azonban a fehérjével való – egyrészt a polipeptidláncok primer szerkezetétől, másrészt a polipeptidláncok aktuális konformációs állapotától függő – kapcsolat jelentősen befolyásolja.

Az oxigént kötött hemoglobin az oxihemoglobinvagy oxigenált hemoglobin (HbO2),míg az oxigént nem kötött hemoglobint dezoxihemoglobinnak, deoxigenált hemoglobinnak (vagy nem egészen helyesen redukált hemoglobinnak)nevezzük (Hb). A 64,5 kDa tömegű tetramer hemoglobin maximálisan 4 molekula O2 megkötésére képes. A 4 molekula O2 megkötése jelenti a teljes, 100%-os telítettség(szaturáció) állapotát.

A további számításokban abból indulunk ki, hogy 1 mol Hb 4 mol, azaz 89,6 liter O2-t képes kötni. Ez az érték a Hb O2-kötő kapacitása.A telítettséget a fiziológia és a klinikum százalékos (szélső értékek 0 és 100%) vagy frakcionális telítettségként (szélső értékek 0 és 1) fejezi ki.

A vörösvérsejtekben lévő hemoglobin a vörösvérsejteket körülvevő vérplazmával gázegyensúlyban van. A hemoglobin oxigénkötése a plazma oxigéntenziójának nem lineáris függvénye. A 0-tól 10 Hgmm-ig terjedő nyomásértékek mellett a hemoglobin nagyrészt telítetlen, majd a nyomás emelkedésével a telítettség meredeken emelkedik. Artériás vérben,meghatározott fiziológiás körülmények között, a hemoglobin 50%-os telítettségét 26 Hgmm-es oxigénnyomáson éri el. Ez a nevezetes érték a P0,5vagy P50-érték. 70 Hgmm felett viszont a görbe ellapul, ami azzal az előnyös következménnyel jár, hogy az artériás vér oxigéntelítettsége alig változik, ha a PO2-érték a fiziológiás 95 Hgmm-ről 80 Hgmm-re csökken. A hemoglobin közel teljes telítése mintegy 150 Hgmm-es O2-tenzió mellett következik be. Az artériás vérre jellemző mintegy 95 Hgmm-es oxigénnyomáson a telítettség kb. 97%-os (0,97). Mindezek grafikus ábrázolása a 8-10. ábrán bemutatott oxigéntelítési görbe, amit szokásos a hemoglobin (vagy a vér) O2-disszociációs görbéjekéntis említeni. A görbe szigmoid jellegű, mivel egy-egy hemoglobinalegység O2-kötése módosítja a többi alegység O2-affinitását. A deoxigenált Hb-molekulában az első O2 megkötése „megkönnyíti” a második és a harmadik O2-molekula megkötését.

A telítési görbének élettani szempontból két nevezetes pontja van: az egyik pont az artériás vér oxigénnyomásán elért 97%-os telítés, a második pont pedig a tüdőbe szállított vénás vér (a jobb pitvarból vagy kamrából vett „kevert vénás vér”) átlagosan 40 Hgmm-es oxigénnyomásán mért kb. 75%-os telítettség.

A hemoglobinhoz kötött oxigén mennyisége a frakcionális telítettségből, a hemoglobintartalomból, valamint a hemoglobin O2-kötő kapacitásának előbb megadott standard értékéből számítható. Bármely oxigénnyomáson a vér teljes oxigéntartalmát a hemoglobinhoz kötött oxigén és az adott nyomáson fizikailag oldott oxigén mennyiségének összege adja meg.

Az arteriovenosus oxigénkülönbség(arteriovenosus oxigéndifferencia, AVDO2)az artériás és a vénás vér oxigéntartalmának különbsége. A teljes szervezetre vonatkozó AVDO2 érték nyugalomban kb. 50 ml O2/liter vér.

Valamely szövet vagy szerv számára az oxigénellátás (más néven oxigénkínálat, ml O2/perc) a szövet/szerv véráramlásától (Q, liter vér/perc) és az artériás vér teljes oxigéntartalmától (ml O2/liter vér) függ.

A szöveti oxigénfelhasználásszempontjából azonban még 2 további tényező lényeges:

  • mekkora az oxigéntenzió az artériákban, megfelelő O2-nyomás-gradiens áll-e rendelkezésére a szövetekhez történő diffúzióhoz;

  • rendelkezésre állnak-e azok a feltételek, amelyek a hemoglobinhoz kötött O2 adott O2-nyomáson való leadását (disszociációját) biztosítják (l. alább).

8-10. ábra. A hemoglobin oxigéntelítési görbéje. Az oxigéntelítettség és az oxigén parciális nyomása közötti összefüggés látható pH 7,40-en, 40 Hgmm CO2 parciális nyomás mellett, 37 °C-on; a 2,3-BPG koncentációja a vörösvérsejtekben 5,0 mmol/l. Ilyen körülmények között a P0,5- (P50-) érték 26 Hgmm.

Az oxigéntelítési görbét befolyásoló tényezők

Christian Bohr mintegy száz éve ismerte fel, hogy CO2 jelenléte a hemoglobin O2-szaturációját csökkenti (Bohr-effektus).Később tisztázódott, hogy a CO2 hatásának legnagyobb része a H2CO3-ból keletkező H+-ok megjelenésének következménye. A Bohr-effektus nagy része a H+-ok hatása, és csak kisebb részben írható a hemoglobin közvetlen CO2-kötésének számlájára. A Bohr-effektus alapja, hogy a hemoglobinhoz kötődő H+-ok megváltoztatják a 4 Hb-alegység közötti fehérje-fehérje kölcsönhatásokat, és ezen keresztül az egyes monomerek oxigénaffinitását.

Az oxigéntelítési görbét a hőmérsékletis befolyásolja. A 37–40 °C közötti tartományban a hőmérséklet emelkedése a telítettséget csökkenti.

Mind a Bohr-effektus, mind a hőmérséklet hatása csak nagyon kevéssé érvényesül a 80-100 Hgmm közötti O2-tenzió-tartományában, lényegesen jobban csökkentik azonban a hemoglobin O2-telítettségét 70 Hgmm alatti O2-tenziónál. A telítési görbének ez a szakasza „jobbra”, a magasabb PO2-értékek felé tolódik, tehát azonos parciális nyomáson kevesebb O2 kötődik a hemoglobinhoz (8-11. ábra). A vénás vérben, amelyben a PCO2 46 Hgmm és a pH 7,38, a P0,5 3 Hgmm-rel magasabbra, azaz 29 Hgmm-re tolódik el.

8-11. ábra. Az aciditás (pH) hatása a hemoglobin oxigéntelítési görbéjére: a Bohr-effektus

A fejezet későbbi részében ismertetjük a hegymászók oxigénfelvételi problémáját: nagy magasságban a légkör alacsony O2-tenziója miatt a hemoglobin nem telítődik elégséges mértékben. A magassághoz alkalmazkodott szervezetben a vérben annyira emelkedik a pH (azaz csökken a H+-koncentráció), hogy a hemoglobin még az alacsony PO2-mellett is képes oxigenálódni.

A Bohr-effektus és a hőmérséklet emelésének hatása együttesen jelentős tényezők a szöveti aktivitást kísérő nagyobb O2-szükséglet biztosításában. A működés során a szövet hőmérséklete néhány °C-kal emelkedik, és mind a lokális CO2-tenzió, mind a H+-koncentráció növekszik. Ezek együttesen a nagyobb deszaturáció irányában hatnak, így a hemoglobin még változatlan O2-nyomáson is több O2-t képes leadni. 40 Hgmm-es PO2 mellett az artériás és vénás vér oxigéntelítettségének különbsége megközelítheti a 10%-ot.

Az oxigéntelítési görbét az előbb említetteken kívül a vörösvérsejteken belüli bisz-foszfoglicerát- (2,3-BPG-)koncentráció is befolyásolja. A több negatív töltést tartalmazó 2,3-BPG-anion a hemoglobin β-alegységeihez kötődik, és csökkenti a Hb O2-affinitását. Így magasabb O2-tenzió mellett deszaturálódik a hemoglobin, vagyis a P0,5-érték magasabb, mint 2,3-BPG hiányában. Ha a 2,3-BPG-koncentráció a fiziológiás (5 mmol/l) érték alá csökken, a hemoglobin O2-affinitása növekszik, és a P0,5-érték 26 Hgmm alá csökken. A következmény, hogy a hemoglobin a fiziológiás 40 Hgmm-es vénás O2-tenzió mellett több oxigént köt, tehát kevesebbet ad át a szövetek számára.

A magzati vérkeringésben a magzat a placentakapillárisok részlegesen deszaturált véréből veszi fel az oxigént. Az anya és a magzat közötti gázcsere előfeltétele, hogy a magzati hemoglobin oxigénaffinitása nagyobb legyen, mint az anyai (felnőtt) hemoglobiné. A magzati (foetalis) hemoglobin(Hb F) alegységszerkezete különbözik az α2β2 alegységekből felépített Hb A-étól. A Hb F-ben a 2 β-lánc helyett 2 γ-lánc van (α2γ2-tetramer). A szerkezeti különbség miatt a Hb F sokkal kisebb affinitással köti 2,3-BPG-ot mint a Hb A. Ennek következtében a Hb F telítési görbéje „balra eltolt”; a placentakapillárisok O2-tenzióján képes O2-t átvenni az anyai vérből (8-12. ábra). A magzati szövetekben a PO2 alacsonyabb, mint a méhlepény kapillárisaiban, ezért a Hb F le tudja adni az oxigént a magzati szövetekben.

8-12. ábra . A magzati (Hb F) és az anyai (Hb A) hemoglobin oxigéntelítési görbéje

A 2,3-BPG-koncentráció változásának a vérátömlesztések során lehet jelentősége. A jelenlegi orvosi gyakorlatban a vérátömlesztést az esetek túlnyomó részében hűtéssel és konzerválószerekkel tartósított vérrel, „vérkonzervekkel” végzik. A tartósított vérben csökken az anyagcsere-folyamatok intenzitása, ezért csökken a glikolízis mellékútján keletkező 2,3-BPG koncentrációja is. A konzervált vér ugyan a fiziológiás 100 Hgmm-es O2-nyomáson megfelelően telítődik oxigénnel, de az átlagos 40 Hgmm-es vénás O2-tenzió mellett nem deszaturálódik. Súlyosan kivérzett beteg számára nagyobb mennyiségű konzervvér transzfúziója nem biztosítja az oxigénellátást.

Karboxi- (CO-) hemoglobin

A szén-monoxid (CO) a tökéletlen égés terméke, szintelen és (sajnos) szagtalan gáz, amely – a jelenlegi ipari és közlekedési körülmények között – esetenként veszélyes mértékben kerül a környezetbe. A hemoglobin mintegy 200-szor nagyobb affinitással köti a CO-ot, mint az oxigént, és a Hb-CO komplex disszociációja sokkal lassabb, mint a Hb-O2 komplexé. Ha a CO koncentrációja a környezetben 0,1%, a hemoglobin jelentős része nem szállít O2-t. Ha a Hb 50%-a képzett Hb-CO komplexet, akkor a helyzet még súlyosabb, mint a hemoglobin felének elvesztése esetében lenne. A CO ugyanis „balra” tolja el a Hb oxigéntelítési görbéjét. A tetramer egyetlen alegységének CO-kötése valamennyi többi alegység O2-affinitását megnöveli: a mérgezett egyén hemoglobinja így nem képes a fiziológiás szöveti O2-tenzió értékén deszaturálódni.

Methemoglobin

A hemoglobin csak akkor képes reverzíbilisen oxigént kötni, ha a benne lévő vas két vegyértékű (Fe2+). A három vegyértékű vasat (Fe3+) tartalmazó, funkcióképtelen hemoglobint methemoglobinnak nevezzük. A hemoglobint különböző oxidálószerek alakítják át methemoglobinná. Az oxigén maga is képes a hemoglobinban lévő vas oxidálására (Fe2+ → Fe3+). Az oxidáció ugyan nagyon lassú, de folyamatos. A képződő methemoglobin csökkenti a megköthető oxigén mennyiségét; ennek következtében a 100%-os Hb-telítés a vérben soha nem érhető el. A csak fiziológiás mértékben képződött methemoglobint a vörösvérsejtekben jelen lévő methemoglobin-reduktáz (NADPH-val mint koenzimmel) állandóan visszaalakítja hemoglobinná. Az enzim genetikai hibája örökletes methaemoglobinaemia kialakulásához vezet.

Methaemoglobinaemia a környezet, elsősorban az ivóvíz oxidálóanyag-szennyezéseinek (ezek közül a nitrát a leggyakoribb) következtében is létrejöhet. Ilyen esetben a methemoglobin-reduktáz nem képes lépést tartani a methemoglobin keletkezésével. Redukáló anyagok intravénás injekciója rövid időn belül visszaállítja a hemoglobin vas kétértékű állapotát, és megszünteti a methaemoglobinaemiát. A hemoglobin hibátlan polipeptidszerkezete védi a hemben lévő vasat az oxigén oxidáló hatásától. Egyes genetikailag hibás hemoglobinvariánsokban a primer szerkezet módosulása (aminosavcsere) következtében a polipeptidlánc védőhatása elvész: ezekben az esetekben is methaemoglobinaemia lép fel.

Hypoxiás állapotok

Az oxigénszállító rendszer végső rendeltetése a szövetek ellátása oxigénnel. Az oxigénszállítás hibái egyes szokatlan (bár nem túlságosan ritkán előforduló) környezeti feltételek között vagy különböző kóros állapotokban fordulhatnak elő. Hypoxiáról beszélünk, ha a szövetek oxigénellátása az aktuális igényeket nem elégíti ki.

Artériás hypoxiában (gyakran hypoxiás hypoxia néven említik) az artériás vér oxigenizációja elégtelen. Jellemző az állapotra a normálisnál alacsonyabb artériás PO2 (PaO2 < 95 Hgmm): 80 Hgmm fölött ennek kevéssé van hatása a telítettségre és oxigéntartalomra (l. a 8-10. ábrát). Amennyiben az oxigéntenzió kisebb, mint 80 Hgmm, az oxigéntartalom és a telítettség is a normális alatt van. Artériás hypoxia következik be alacsony légköri nyomáson (magas hegyekben hegymászóknál vagy hibás nyomásszabályozás esetén repülőgépekben). A vér elégtelen oxigenizációja kóros légzési funkció esetén szintén artériás hypoxiához vezet. A vénás vérben ugyancsak csökken az oxigéntenzió, és ennek következtében a telítettség és az oxigéntartalom is.

Az anaemiás hypoxiát a vér csökkent oxigénszállító kapacitása jellemzi, az artériás oxigéntenzió és oxigéntelítettség a normális tartományban van. A vér oxigéntartalma viszont csökkent. Az anaemiás hypoxia oka a vér alacsony hemoglobinkoncentrációja, amelynek vérvesztés, a vörösvérsejtképzés vagy hemoglobinszintézis hibája vagy a vörösvérsejtek fokozott pusztulása állhat a hátterében. Az anaemiás hypoxia ritkább oka a CO-mérgezés. Ebben az utóbbi állapotban az oxigénszállító kapacitás csökkent, és a deszaturáció (ezért a szöveti oxigénellátottság) is súlyosan zavart.

A stagnáló hypoxiát bármely okból keletkezett keringési elégtelenség okozza. A vér áramlása lassú, a szövetek a kapillárisok véréből az oxigén nagy részét felveszik, de az oxigénellátás így sem képes még a nyugalmi szükségletet sem fedezni. Az artériás oxigéntenzió, oxigéntelítettség és oxigéntartalom ugyan a normális határok között van, de a kínálat és a szükséglet kiegyensúlyozatlansága miatt a vénás vérben ugyanezek a paraméterek jóval a normális értékek alatt vannak, az arteriovenosus oxigénkülönbség jelentősen megnőtt.

Joseph Barcroft, akitől a hypoxiák ismertetett beosztása származik, még megkülönböztette a hisztotoxikus hypoxiát. Ezt a típust a sejtlégzés mérgei, pl. cianid hozzák létre. Az állapotot (már amennyiben a beteg vagy a kísérleti állat megéri a vizsgálatot) normális artériás értékek jellemzik, de a vénás vérben az értékek közel állnak az artériás értékekhez, az arteriovenosus oxigénkülönbség elenyészően kicsiny. Ilyenkor a vénás vért is pirosnak látjuk.

Szén-dioxid-szállítás

Az artériás vérben a CO2-tenzióátlagosan 40 Hgmm. A kapillárisokban a vér gázegyensúlyba kerül a szövetekben keletkezett szén-dioxiddal. Ennek következtében a test egészéből származó vénás vér („kevert” vénás vér, amit a jobb szívfél vére reprezentál) CO2-tenziója 46 Hgmm-re emelkedik. A jobb szívfél által a tüdőbe pumpált vér a 40 Hgmm CO2-nyomású alveolaris gázkeverékkel ekvilibrálódik: ez a vér kerül a bal szívfélbe és onnan az artériás rendszerbe. Az artériás vér 1 litere 480 ml CO2-ot tartalmaz, amelynek többsége kémiailag kötött formában van jelen (l. alább). Ehhez nyugalomban a szövetek literenként 40 ml CO2-ot adnak hozzá, így a kevert vénás vér CO2-koncentrációja 520 ml/l lesz.

A CO2 szállítási formái

A vérben a CO2 három, egymással egyensúlyban lévő formában van jelen:

  • fizikailagoldott CO2 (mintegy 5%),

  • bikarbonátion formájában kötött CO2 (mintegy 90%),

  • fehérjék, főként a hemoglobin NH2-csoportjaihoz kötött, ún. kKarbaminovegyület (mintegy 5%).

Amikor a vér szén-dioxidot vesz fel vagy ad le, a három forma között mindig új egyensúly alakul ki.

Oldott CO 2 . A fizikailag oldott CO2 koncentrációja – adott hőmérsékleten – kizárólag a CO2 oldékonyságától (α-érték), valamint a CO2-tenziótól függ. Ennek megfelelően az artériás vérben (PCO2 = 40 Hgmm) a fizikailag oldott CO2 koncentrációja 24 ml/l, ill. 1,2 mmol/l, a vénás vérben (PCO2 = 46 Hgmm) pedig 28 ml/l, ill. 1,4 mmol/l. [Egyes számításokban (főként a sav-bázis egyensúly mindennapos számításai során) előnyösebb mmol/l koncentrációval számolni; ebben az esetben az α-érték 0,03 mmol × l–1 × Hgmm–1.]

Bikarbonátképzés. A fizikailag oldott CO2 egyenletesen oszlik meg a vérplazma és a vörösvérsejtek között. A vizes közegben oldott CO2 megfordítható reakcióban szénsavvá (H2CO3) alakul. Ez a folyamat egyszerű vizes oldatokban, így a vérplazmában is nagyon lassú. A vörösvérsejteken belül azonban a szénsavképződés az ott jelen lévő szénsavanhidrázenzim hatására jelentősen felgyorsul (a szénsavanhidrázzal katalizált reakció a leggyorsabb enzimreakciók közé tartozik). A szénsav, mint közepesen erős sav H+-ra és bikarbonátanionra disszociál. Ilyen módon a vörösvérsejteken belül bikarbonátionok képződnek:

CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3

A szénsavkeletkezés egyensúlya erősen a CO2 felé eltolt, a H2CO3/CO2 arány kb. 1/500. Ezért ebben a reakcióban csak kevés szénsav és kevés bikarbonát keletkezhetne, hacsak a kedvezőtlen egyensúlyt valami meg nem változtatja. A jelentősebb bikarbonátképződést az teszi lehetővé, hogy a szénsav disszociációjakor képződő H+-okat a hemoglobin megköti. A tömeghatás törvénye értelmében a H+-ok folyamatos eltávolítása (megkötése) biztosítja a folyamatos szénsavképződést. Ezzel a vörösvérsejtekbe kerülő CO2 folyamatosan alakulhat át bikarbonátionokká:

CO 2 + H 2 O + Hb n protonált   Hb n 1 + HCO 3

(a Hbn– és Hb(n–1)– szimbólumok jelzik, hogy a Hb többértékű bázis).

A szöveti kapillárisok vérében (ahol a CO2-tenzió magasabb, mint az artériás vérben) a vörösvérsejtek intracelluláris bikarbonátkoncentrációja növekszik, és ezzel megváltozik az intra-/extracelluláris bikarbonát aránya. Ennek következtében a megnövekedett koncentrációban jelen lévő intracelluláris bikarbonátanionokat a plazmamembrán anionkicserélő transzportere (l. a 2. fejezetet) kicseréli a vérplazma kloridanionjaira (8-13. ábra A). Ezzel a folyamattal a vörösvérsejteken belül keletkezett bikarbonátionok egy része kikerül a vérplazmába, és azzal jut el a tüdőbe. A klorid/bikarbonát kicserélődés következtében a szöveti kapillárisokban a vörösvérsejtek kloridtartalma megnövekszik.

A szén-dioxid bikarbonáttá való átalakulását elősegíti, hogy a szöveti kapillárisokban az odaérkező oxihemoglobin deoxigenálódik. A deoxihemoglobin lényegesen gyengébb sav, azaz nagyobb protonaffinitással rendelkezik, mint az oxihemoglobin. A bikarbonátképződés a hemoglobin deoxigenálásától függ. Ha a kapillárisok vérében a hemoglobin nagy része oxihemoglobin formájában marad, zavar keletkezik a CO2 transzportjában.

A tüdőkapillárisokban a leírt folyamatok ellentétes irányban játszódnak le (8-13. ábra B). A redukált hemoglobin oxigenálódik, ezzel savkaraktere erősödik, és róla H+-ok disszociálnak. A H+-ok a vörösvérsejteken belül lévő bikarbonátionokból szénsavat képeznek, a szénsav szén-dioxiddá és vízzé bomlik (a folyamatot szénsavanhidráz-katalízis gyorsítja). A vörösvérsejteken belül keletkezett CO2 átdiffundál a vörösvérsejt- és a kapillárismembránon, és az alveolaris térbe távozik. Mivel a vörösvérsejteken belül csökken a HCO3-koncentráció, az anionkicserélő transzporter a plazma bikarbonátionjait cseréli ki a vörösvérsejteken belüli kloridionokra, ezzel biztosítja, hogy a plazmában szállított HCO3 a vörösvérsejteken belül folyamatosan visszaalakuljon CO2-dá, majd kijusson az alveolaris térbe.

Mindezek a folyamatok kulcsszerepet játszanak a szervezet sav-bázis egyensúlyának szabályozásában is.

8-13. ábra. A bikarbonát képződése és elbomlása a vörösvérsejtekben. A: bikarbonátképződés a szöveti kapillárisok vérében.B: a bikarbonát elbomlása a tüdőkapillárisok vérében.A sokszorosan negatív töltésű Hb-aniont csak egyszeres negatív töltéssel tüntettük fel

Karbaminohemoglobin. Az oldott CO2 – minden enzimes katalízis nélkül – kémiai kötést létesít a hemoglobin szabad NH2-csoportjaival (karbamino-Hb), és kisebb mértékben a plazmafehérjék NH2-csoportjaival:

Hb NH 2 + CO 2 Hb NH COO + H +

A reakció reverzíbilis és egyensúlyra vezet. Az egyensúly helyzete egyrészt a CO2-tenzió függvénye. A CO2-tenzió emelkedése 40 Hgmm-ről 46 Hgmm-re a szöveti kapillárisokban az egyensúlyt a karbaminovegyület keletkezésének irányában tolja el. A tüdőkapillárisokban az egyensúly a CO2-képződés irányában mozdul el. A karbaminokötés egyensúlyi helyzetének másik tényezője a Hb oxigenáltsága. A deoxigenált Hb nagyobb, az oxihemoglobin kisebb mértékben képez karbaminovegyületet. A vénás vérben lévő magasabb karbamino-Hb-tartalom főként a Hb deoxigenálásának, a karbaminovegyület felbomlása a tüdőkapillárisokban pedig a Hb oxigenálásának következménye.

Az artériás és a vénás vér CO2-tartalmának megoszlását az egyes formák között a 8-3. táblázat tünteti fel. A tüdőben leadott CO2 (arteriovenosus CO2-különbség) 10%-a fizikailag oldva, 70%-a bikarbonát formában és 20%-a karbamino kötésben szállítódik.

5.3. táblázat - 8-3. táblázat . A CO2 megoszlása az artériás és a kevert vénás vérben

Forma

CO2 (ml/l)

Artériás vér

Vénás vér

Különbség

Oldott

24

28

4

Bikarbonát

432

460

28

Karbamino-Hb

24

32

8

Összes

480

520

40


A ventiláció és a gázcsere

A holttéri és az alveolaris ventiláció

A légzőrendszer anatómiai felépítéséből adódik, hogy a belégzett levegő utolsó részlete nem jut el az alveolusokba, hanem a vezető zónában, a légutaknak azon felső szakaszában marad, amely nem vesz részt a gázcserében. A vezető zóna az orr- és szájüregből, gégéből, tracheából, továbbá a légutak 1–17. oszlási generációiból áll. A kilégzés alkalmával ez a részlet távozik elsőként a légutakból, és minthogy nem vett részt a gázcserében, összetétele nagyrészt változatlan marad (vízgőztelítettsége változik). A vezető zónát anatómiai holttérnek nevezzük (rövidítése az angol dead-space alapjánVD), térfogata átlagosan 150 ml-t tesz ki. A megadott érték csak a nyugalmi légzés körülményei között érvényes, a ventiláció fokozódásával, a légutak egyidejű tágulásának eredményeként, a holttér térfogata is valamelyest növekszik.

A kilégzett gáz további, mintegy 350 ml-es része az alveolusokból származik, ezért alveolaris kilégzett térfogatként említjük, rövidítése VA. A holttér, az alveolaris kilégzett térfogat és a respirációs térfogat (VT) összefüggése magától értődik:

V T = V D + V A

A holttér létezése azt is jelenti, hogy minden egyes légvételnél a kb. 2500 ml-nyi FRC-ből csak kb. 350 ml (és nem 500 ml) cserélődik ki. Az alacsonyabb oxigén- és nagyobb szén-dioxid-koncentrációjú alveolaris gáz mintegy 1/8 részben cserélődik ki magasabb oxigén- és elhanyagolható szén-dioxid-koncentrációjú légköri levegővel.

Az a tény, hogy az FRC egyetlen légvétellel csak kb. 1/8 részben cserélődik ki, az alveolaris gáz parciális O2- és CO2-nyomásainak viszonylagos stabilitását eredményezi, és az FRC jelentőségét éppen ezen viszonylagos stabilitás megteremtése adja meg. A belégzés végpontja és a kilégzés végpontja közötti időszakban az alveolaris gázban az O2 és a CO2 parciális nyomása mindössze 1-2 Hgmm-rel ingadozik (8-14. ábra). Az ingadozások jelentőségére a ventiláció szabályozásában a későbbiekben térünk vissza.

Fiziológiás körülmények között valamennyi ventilált alveolus részt vesz a gázcserében, és az anatómiai holttér nagyrészt megegyezik a gázcserében részt nem vevő légutak terével. Az egyezés feltétele, hogy a szellőztetett alveolusok vérátáramlása (perfúziója) megfelelő legyen. Ha az alveolusok egy része nem kellően perfundált vagy egyes alveolusok „túlventiláltak”, a légzési holttér meghaladja a légutak vezető zónájának terét: a funkcionális holttér magában foglalja az anatómiai holtteret, plusz az alveolaris holtteret. (A funkcionális holtteret sok helyen – logikátlanul – fiziológiai holttérként említik.)

8-14. ábra . Az alveolaris gáz PO2- és PCO2-értékeinek ingadozása a légzési ciklus alatt. Comroe, J. H. (1979): Physiology of Respiration, 2. kiadás, Year Book Medical Publisher, Chicago–New York 2-3. ábra alapján

A holttér meghatározása

A funkcionális (hibásan, de elterjedten élettani) holttér térfogatát a kilégzett gázkeverék CO2-tartalma alapján határozhatjuk meg. A számításnál feltételezzük, hogy a belégzett levegő CO2-tartalma elhanyagolható és a kilégzett gázban levő összes CO2 az alveolaris térből származik. Az anyagmérleg alapján:

V T × F E   CO 2 = V T V D × F A   CO 2

Az egyenletben a CO2 frakcionális koncentrációi (FCO2) szerepelnek. A az alveolaris, E pedig a kilégzett gázban elkeveredett CO2; FA CO2 M FE CO2. Minthogy a parciális gáznyomások egyenesen arányosak a frakcionális koncentrációval:

P CO 2 = F CO 2 × P B P H 2 O

az egyenlet mindkét oldalát (PB – PH2O)-val szorozva a frakcionális koncentrációkat a parciális gáznyomásokra váltjuk át:

V T × P E   CO 2 = V T V D × P A   CO 2

Az egyenlet rendezése után a módosított Bohr-formulát kapjuk:

V d = P A   CO 2 P E   CO 2 P A   CO 2 × V T

Fiziológiás körülmények között a funkcionális (élettani) és anatómiai holttér csak igen kis mértékben tér el egymástól. A Bohr-egyenlet alapján valójában a funkcionális (ún. élettani) holtteret határozzuk meg. A valóságos anatómiai holtteret tiszta oxigén belégzését követően, az alveolaris eredetű nitrogén megjelenésének mérése alapján tudjuk meghatározni.

Az alveolaris ventiláció

A percenkénti teljes ventiláció (“légzési perctérfogat”) a VT és a légzési frekvencia szorzata, átlagosan 0,5 × 14 = 7 liter/min. Minthogy a holttéri gáz nem vesz részt az alveolaris gázcserében, a tüdőben valóban kicserélt gáz, a percenkénti alveolaris ventiláció értékét (V?A) a holttéri ventiláció levonásával kapjuk meg:

V A = V T V D × légzési   frekvencia

Az alveolaris ventiláció egyike a légzésélettan és -kórtan legfontosabb fogalmainak: meghatározó tényezője a szervezet szigorúan ellenőrzött paramétereinek, az alveolaris és az artériás szén-dioxid-tenziónak, továbbá a vér H+-koncentrációjának (pH-értékének). Az alveolaris ventiláció és a vérgázok parciális nyomása között egyenletekbe foglalható összefüggések vannak. Ezek megértéséhez szükséges a gázok elemi fizikájának alábbi rövid összefoglalása.

A gáztérfogat értelmezése; nyomás / térfogat / hőmérséklet összefüggés

A légzésélettan számításaiban rendszeresen szereplő fogalom a gáztérfogat. Térfogategységekben (liter, milliliter) adjuk meg a tüdő gáztartalmát, a be- és kilégzett gáz térfogatát, a ventiláció számértékeit. Az egyes légzési gázok (oxigén, szén-dioxid) mennyiségét nem mólban fejezzük ki, hanem térfogatukat adjuk meg.

A gázok térfogata a nyomástól és a hőmérséklettől függ; ezért a gázok térfogatban kifejezett mennyisége csak akkor értelmezhető, ha egyidejűleg a nyomás és a hőmérséklet értéke is ismert.

Az általános gáztörvény értelmében:

P × V T = R

amelyben P a nyomás, V a gáz térfogata, T az abszolút hőmérséklet Kelvin-fokban és R a gázállandó. Minden gáztérfogat megadásakor jelezni kell, hogy milyen körülmények között mért értéket adunk meg, ill. A mért értékeket standard mérési körülményekre kell vonatkoztatnunk. Tekintetbe kell venni a légnyomást (barometrikus nyomás, PB), a hőmérsékletet. Minthogy mind a külső (belégzett) levegő, mind a légzőrendszeben lévő gázok változó mértékben tartalmaznak vízgőzt – ami a gáztérben nyomást fejt ki –, ezt a gáztérfogat számításakor figyelembe kell vennünk.

Megegyezés szerint egyes esetekben a mért gáztérfogatot

  • 760 Hgmm-re (Hgmm = torr),

  • 273 K-re (0 C) és

  • száraz állapotra (PH2O = 0) vonatkoztatva adjuk meg, és ezt a konvenció szerint STPD állapotnak nevezzük (az angol betűszó a standard temperature, pressure, dry-ból származik). Ezt alkalmazzuk az oxigénfogyasztás (V?O2) és CO2-termelés (V?CO2) megadásakor. (A korrigált adat rövidítése VSTPD.)

Más esetekben a gáztérfogatot

  • a test hőmérsékletére (37 C = 310 K),

  • aktuális légköri nyomásra (PB) és

  • vízgőzzel telített állapotra (PH2O = 47 Hgmm) vonatkoztatva adjuk meg, és ennek jelzése BTPS (body temperature, pressure, saturated). Így adjuk meg az alveolaris ventiláció számértékét (VBTPS).

Ha a VSPTD és VBTPS térfogatokkal kell további számítást végezni, az általános gáztörvényt alkalmazzuk:

V 1 × P 1 T 1 = V 2 × P 2 T 2

ami az alábbi szorzófaktort jelenti:

V STPD V BTPS = 273 × P B 47 310 × 760 = P B 47 863

Ritkábban alkalmazzák a

  • szobahőmérsékletre (pl. 20 °C),

  • aktuális légköri nyomásra és

  • aktuális vízgőztelítettségre számított gáztérfogatot (ambient temperature, pressure, saturated, ATPS). (Ilyen átszámítással kell dolgozni pl. a nagy magaslatokon, pl. a Himalája-expedicióknál.)

A vízmentes és a vízgőzzel telített levegő, valamint az alveolaris gáz frakcionális gázkoncentrációit és azok parciális nyomását a 8-4. táblázat foglalja össze.

5.4. táblázat - 8-4. táblázat . A vízmentes és a vízgőzzel telített levegő, valamint az alveolaris gáz frakcionális gázkoncentrációi és azok parciális nyomása (kerekítve)

O2

CO2

N2

H2O

FO2

PO2 (Hgmm)

FCO2

PCO2 (Hgmm)

FN2

PN2 (Hgmm)

PH2O (Hgmm)

Száraz levegő (STPD)

0,21

160

0,0004

0,3

0,79

600

0

Nedves levegő

(BTPS)

0,19

150

0,0004

0,3

0,74

563

47,0

Alveolaris gáz

(BTPS)

0,13

100

0,056

40

0,750

570

47,0


Az alveolaris gáztenziók

A fejezet előző részében ismertettük egy gáz parciális nyomásának fogalmát, továbbá ennek kiszámítását a gázkeverék össznyomásából és frakcionális koncentrációjából.

P gáz = F gáz × P B

Példaként említettük a belégzett levegő parciális O2-nyomását: PO2 = az O2 frakcionális koncentrációja (0,21) × barometrikus nyomás (760 Hgmm) = 159,6 Hgmm (ezt kerekítjük a továbbiakban 160 Hgmm-re).

A továbbiakban tekintetbe kell vennünk, hogy 1. a tüdőbe érve a gázkeverék telített lesz vízgőzzel (37 C-on a telített vízgőz parciális nyomása 47 Hgmm); 2. míg a belégzett levegőben a CO2 nyomása elhanyagolható, az alveolaris gázkeverékben a PA CO2 átlagosan 40 Hgmm. Mindkét tényező a PA O2 nyomását csökkenti, ezért az alveolaris gázkeverékben az O2 parciális nyomása (PA O2) 100 Hgmm körüli érték.

Az alveolaris szén-dioxid-nyomás és az alveolaris ventiláció összefüggése

A továbiakban megvizsgáljuk, hogy hogyan függ az alveolaris gáz CO2-nyomása az alveolaris ventilációtól. Egyensúlyi állapotban az anyagcsere során percenként keletkezett CO2 mennyisége megegyezik a tüdőből percenként leadott CO2 mennyiségével (V?CO2). A percenként leadott CO2 mennyisége egyenlő az alveolaris percventiláció térfogatának (V?A) és az alveolaris tér frakcionális CO2-koncentrációjának (FA CO2) szorzatával (a számítást jelentősen egyszerűsíti, hogy a belégzett levegőt CO2-mentesnek tekinthetjük):

V CO 2 = P A   CO 2 × V A

átrendezve:

P A   CO 2 = V CO 2 V A

A továbbiak szempontjából figyelembe kell vennünk, hogy a VCO2 értékét STPD, a VA értékét azonban BTPS körülmények között mérjük, így az előző egyenlet teljes alakja

P A   CO 2 = V CO 2   STPD V A   BTPS

A továbbiakban a frakcionális CO2-koncentrációt átszámítjuk a CO2 parciális nyomására

P A   CO 2 = F A   CO 2 × P B 47 Hgmm

és tekintetbe vesszük az STPD/BTPS konverziót. Az átszámítás eredménye:

P A   CO 2 = V CO 2 V A × 863   Hgmm

ahol a 863 Hgmm a további átszámítások arányossági tényezője.

Az átlagos élettani értékekkel számolva (VCO2 = 220 ml/min, VA = 4900 ml/min), PA CO2 = (220 ml/min / 4900 ml/min) × 863 Hgmm = 39 Hgmm.

Az élettani tankönyvek a PA CO2-értékére 40 Hgmm-t adnak meg. Ez a valóságban különbözik a két nemben, férfiakban 39-41, nőkben 36-37 Hgmm között szóródik. Terhesség alatt az érték tovább csökkenhet, elérheti a 28-30 Hgmm-t. Az eltérést a vér magasabb progeszteronszintjével hozzák összefüggésbe.

Nyugalmi körülmények között a PA CO2 változása az alveolaris ventiláció változására enged következtetni; a PA CO2 emelkedése az alveolaris ventiláció csökkenését, légzési elégtelenséget jelent.

A fejezet további részében kitérünk arra, hogy az artériás vér szén-dioxid-tenziója szorosan követi az alveolaris PCO2-t; az orvosi gyakorlatban nem az alveolaris, hanem az artériás PCO2-t határozzák meg. Amennyiben az alveolaris ventiláció nem biztosítja a fiziológiás Pa CO2-értéket, azaz a Pa CO2 40 Hgmm fölé emelkedik, az állapot hypoventilatio. (A 17. fejezetben ismertetjük, hogy ez az állapot a vér H+-koncentrációjának emelkedésével, acidózissal jár.) Ennek ellenkezője a hyperventilatio, a Pa CO2 és a H+-koncentráció a fiziológiás szintnél alacsonyabb (alkalózis).

Az ismertetett egyenletekből következik, hogy maga az alveolaris ventiláció értéke kiszámítható a CO2-képződésből és az alveolaris/artériás CO2-tenzióból:

V A   BTPS = V CO 2   STPD P a   CO 2 × 863   Hgmm

Különös jelentőségű az alveolaris/artériás PCO2-érték követése mesterségesen lélegeztetett betegeken – többek között narkózisban –, amikor a ventiláció mértékét a CO2-tenziónak megfelelően kell beállítani, és monitorozás mellett folyamatosan adott szinten tartani.

Az alveolaris oxigénnyomás, ventiláció és a külső oxigénnyomás összefüggése

A fejezet előző részében említettük, hogy az alveolaris gáz parciális oxigénnyomása (PA O2) megközelíti a 100 Hgmm-t, és ennek következtében az artériás vér közel teljesen telített (szaturált) oxigénnel. A tényleges PA O2 azonban több tényezőtől függ; ezek:

  • a belégzett levegő O2-nyomása,

  • az alveolaris ventiláció és

  • az O2-fogyasztás.

A PA O2 számítása, függése az alveolaris ventilációtól annyiban különbözik a PA CO2 esetében alkalmazottól, hogy tekintetbe kell venni a belégzett levegő O2-nyomását, ami a tengerszint feletti magasság függvénye.

A számítás kiindulópontja, hogy a percenként felvett O2 mennyisége egyenlő a belégzett és a kilégzett O2-mennyiség különbségével (FI O2 a belégzett levegőre vonatkozik):

V O 2   STPD = F I   O 2 × V A   BTPS F A   O 2 × V A   BTPS

Az egyenletből – átrendezés után – az alveolaris gáz frakcionális O2-koncentrációját fejezzük ki:

F A   O 2 = F I   O 2 V O 2   STPD V A   BTPS

A frakcionális koncentrációkat parciális nyomásra számítjuk át, és elvégezzük az STPD/BTPS konverziót:

F A   O 2 = P I   O 2 V O 2   STPD V A   BTPS × 863   Hgmm

Ha a légköri száraz levegő parciális O2-nyomását 150 Hgmm-nek vesszük, továbbá az átlagos fiziológiás értékekkel számolunk (VA O2 = 280 ml/min, VA = 4900 ml/min), akkor: PA O2 = 150 Hgmm – (280 ml/min / 4900 ml/min) × 863 Hgmm = 150 Hgmm – 49,3 Hgmm = 100,7 Hgmm, ami megfelel az alveolaris gáz átlagos PO2-értékének.

Az utolsó egyenletből kitűnik, hogy az alveolaris O2-tenzió élettani értékét

  • a belégzett levegő/gáz oxigéntenziójának csökkenése,

  • az alveolaris ventiláció elégtelensége

veszélyeztetheti, és ezek egyikének vagy mindkettőnek jelenlétében a PA O2 csökkenéséhez jelentősen hozzájárulhat az O2-fogyasztás növekedése.

Légzési alkalmazkodás nagy tengerszint feletti magassághoz

A PI O2 nagy tengerszint feletti magasságban jelentősen csökken. Ez magas hegységekben (hegymászás) vagy repülőgépeken a kabin sérülésekor okoz problémát.

Ha a PI O2 a szokásos 150 Hgmm-ről 110 Hgmm-re csökken, akkor változatlan O2-fogyasztás és változatlan alveolaris ventiláció mellett a PA O2 = 110 Hgmm – 49,3 Hgmm = 60,7 Hgmm lenne. A fellépő hyperventilatio (l. a fejezet további részét) azonban részlegesen kompenzál. Ha az alveolaris ventiláció kétszeresére növekszik, PA O2 = 110 Hgmm – (280 ml/min / 9800 ml/min) × 863 Hgmm = 95,3 Hgmm. (A megnövekedett ventiláció miatt az O2-fogyasztás is növekszik, ezért a valós helyzet nem olyan kedvező, mint a modellszámítás.)

A magaslaton bekövetkező hyperventilatio nemcsak az alveolaris PA O2 értékét növeli, hanem csökkenti a PA CO2- rtékét is. A kialakuló alkalózis növeli a hemoglobin O2-affinitását, a hemoglobin a tüdőben az alacsonyabb PA O2-mellett nagyobb mértékben köt O2-t.

A tüdőben folyó gázcsere

A tüdőben a gázcsere az alveolaris tér és a kapillárisok vére közötti diffúziós folyamat, amelynek hajtóereje az egyes gázok (O2 és CO2) alveolaris és kapilláris parciális nyomása között fennálló különbség.

A tüdőkapillárisok legelején a vér O2-tenziója átlagosan 40 Hgmm: az alveolaris gázzal érintkezve ez a nyomás gyorsan emelkedik (8-15. ábra), a kezdeti 60 Hgmm-es nyomásgradiens a kapillárisok lefutása mentén csak nagyon rövid szakaszon áll fent. Bár a valóságos (integrált) nyomásgradiens sokkal kisebb, mint 60 Hgmm, az O2 diffuzíbilitása, az adott felület és az adott távolságok mellett a nyomáskülönbség elégséges nemcsak a nyugalmi 280 ml/min, hanem nagyobb mennyiségű O2 felvételéhez is.

A diffúziós gázcsere egyenesen arányos az alveolokapilláris érintkezési felülettel és a nyomáskülönbséggel, és fordítottan arányos a diffundáló gázmolekula által megtett távolsággal. A diffúzió a gáz tulajdonságaitól (molekulatömeg, vízben és lipidekben való oldékonyság), valamint a két oldalt elválasztó rétegek összetételétől is függ. Az egyes gázok diffúziós állandóját (Kdiff) az alábbi összefüggés adja meg:

K diff = diffunfált   gáz × felület 1 × rétegvastagság 1 × nyomáskülönbség 1

azaz, a diffúziós állandó (diffúziós konstans) az egységnyi felületen és rétegvastagságon keresztül egységnyi nyomáskülönbség hatására percenként átlépő gáz mennyiségét adja meg. Minthogy az alveolusok felületét és az alveolusok és a kapilláris vér közötti rétegvastagságot nehéz lenne akár csak hozzávetőlegesen is megbecsülni, a légzésfiziológiában a teljes tüdőre vonatkoztatott állandóval számolunk: a tüdő diffúziós állandója az a gázmennyiség, amely egy perc alatt egységnyi nyomáskülönbség mellett az alveolusokból a kapillárisokba diffundál (dimenziója ml × perc–1 × Hgmm–1). A diffúziós állandó értéke fiziológiásan is változik, így izomtevékenység alatt – amikor a tüdőperfúzió növekszik és új kapillárisok nyílnak meg – emelkedik.

Az oxigén diffúziós állandója kb. 20 ml x perc-1 x Hgmm-1. A szén-dioxid diffúziós állandója – a CO2 jobb oldékonysága miatt – több mint 20-szorosa az O2 diffúziós állandójának. Ez teszi lehetővé, hogy a vénás vér és az alveolaris gáz szén-dioxid-tenziója közötti aránylag csekély különbség (Pv CO2 46 Hgmm; PA CO2 40 Hgmm) is elégséges a CO2 leadására.

A diffúziós állandó csökken, ha az alveolusok felülete megkisebbedik, vagy ha az elválasztó membránok vastagsága növekszik. A diffúziós állandó akkor is csökken, ha az alveolusokba folyadék (oedemafolyadék vagy gyulladásos izzadmány) kerül, és emiatt növekszik meg a diffúziós rétegvastagság.

Az ép alveolusok átmérője oly kicsiny, hogy gázterükben a gázok keveredése kevesebb mint 2 ms-ot vesz csak igénybe. Magára az alveolokapilláris diffúzióra nyugalmi körülmények között mintegy 0,75 s áll rendelkezésre. (Egy vörösvérsejt ennyi időt tölt az alveolusokat körülvevő tüdőkapillárisokban (l. a 8-15. ábrát.) Izommunka során ez az időtartam kb. 0,25 s-ra rövidül. Még ez a rövidebb idő is elégséges a gázcseréhez, feltéve, hogy a nyomáskülönbségek, geometriai viszonyok és a ventilációs/perfúziós hányados egyaránt a normális határokon belül vannak.

8-15. ábra . Gázdiffúzió a tüdőben

A gázcsere egyenetlenségei

A fentiekben ismertetett tényezőkön kívül a diffúziós gázfelvételt még az alveolaris gáztérfogat és az alveolusokat ellátó kapilláris vértérfogat aránya is meghatározza: ezt a ventilációs/perfúziós arány (V?A/Q?) jelzi. Az egész tüdőre vonatkozó ventilációs/perfúziós arány 4900 ml/min V?A és 5500 ml/min véráramlás (Q?) esetén 0,9. Az anatómiai és mechanikai adottságok, továbbá a gravitációs viszonyok következtében azonban a tüdő különböző részeiben a helyi ventiláció és a perfúzió jelentősen különbözik, mindkettő függ a testhelyzettől is. Ennek következtében a ventilációs/perfúziós arány az egyes alveolusokban jelentősen különbözhet.

Ha az alveolaris gáztérfogat az ellátó kapillárisokban lévő vérmennyiséghez viszonyítva nagy („ventilációs többlet”, angol kifejezéssel „overventilation”), teljes vagy csaknem teljes gázegyensúly áll be; a gázcsere közben az alveolaris gáztenzió nem változik jelentősen. Az ellenkező esetben, ha a kapillárisokban lévő vérmennyiség az alveolaris gáztérfogathoz viszonyítva túlságosan nagy („áramlási többlet”, angol kifejezésel „overperfusion”), a gázegyensúly beállása közben az alveolaris gázok tenziói is jelentősen változnak (főként a PO2 csökken), és ez tükröződik a kapilláris gáztenziók alakulásában.

A gravitáció jelentős mértékben befolyásolja a tüdő különböző részeiben uralkodó hidrosztatikus nyomásviszonyokat (l. a 13. fejezetben a tüdőkeringés helyi megoszlását). A csúcs felől a bázis felé haladva mind a ventiláció, mind a perfúzió növekszik, de a perfúzió nagyobb mértékben, mint a ventiláció. Ezért, míg a tüdő középső részén a ventilációs/perfúziós hányados 0,8–1,0 körül van, a hányados a tüdőcsúcson 3,0 és a tüdő bázisán kb. 0,7 (az értékek álló vagy ülő testhelyzetre vonatkoznak).

A ventilációs/perfúziós arány regionális eltéréseinek következményei elsősorban az artériás O2-tenzió, O2-szaturáció és O2-tartalom alakulásában jelentkeznek, a CO2-tenzióra gyakorolt hatás kisebb. Az artériás oxigéntenzióra gyakorolt hatás fiziológiás körülmények között is kimutatható, és egyes kóros állapotokban meghatározó jelentőségűvé válik.

Álló/ülő testhelyzetben a csúcsi részekben a perfúzióhoz képest nagyobb ventiláció (az említett ventilációs többlet) azt eredményezi, hogy az alveolusokban az O2 parciális nyomása a normálisnál magasabb (120–130 Hgmm). Minthogy a kapilláriskacsok végén a hemoglobin O2-telítettsége már 100 Hgmm-en is közel 100%-os, sem a telítettség, sem az O2-tartalom nem emelkedik lényegesen. A szükségletet meghaladó ventiláció ezekben a tüdőrészekben tulajdonképpen az alveolaris holttér részét képezi.

A bázishoz közeli tüdőrészekben a viszonylag nagy perfúzió „elfogyasztja” az alveolusokban lévő O2-t, ezért az onnan elfolyó vérben az O2-tenzió, az O2-szaturáció és az O2-tartalom egyaránt alacsonyabb, mint a csúcsi részekből származó vérben. Az alsó tüdőrészek kapilláris vérének O2-tenziója 90 Hgmm alatt lehet, az O2-tartalom pedig 5%-kal kisebb, mint teljes telítés esetén. Mindezek jelentősen befolyásolják a tüdőt elhagyó vér átlagos O2-telítettségét, minthogy a tüdővénák vérének nagyobb része származik az alsó, és csak kisebb része az apicalis tüdőrészekből. A következmény az, hogy a tüdővénákban való elkeveredés után a bal pivarba érkező vér O2-tenziója minegy 4-5 Hgmm-rel kisebb, mint az alveolaris gázban. Ez a kismérvű eltérés azonban különböző keringési/légzési zavarokban sokkal kifejezettebbé válik.

A ventilációs/perfúziós hányados felsorolt hatásai nyugalmi állapotra vonatkoznak. Izommunka során a tüdő különböző részeiben a vérellátás a kiegyenlítődés felé tart, így a PA O2 és a Pa O2 közötti különbség csökken.

Ha egy bronchus teljesen elzáródik, az általa ellátott tüdőrészben a ventiláció megszűnik, a ventilációs/perfúziós arány nullára csökken. Ha ez az állapot tartósan fennmaradna, a Pa O2 veszélyes mértékben csökkenne, és ezzel az egész szervezet oxigénellátása romlana. A káros hatást csökkenti az elzárt bronchus ellátási területének megfelelő helyi vasoconstrictio (hypoxiás vasoconstrictio, l. a 13. fejezetet). Ez a nem ventilált tüdőrészt kikapcsolja a keringésből. A vasoconstrictiót helyben felszabaduló kémiai mediátorok hozzák létre, benne idegi mechanizmusok nem játszanak szerepet.

Az artériás vér valós oxigéntenziója

A jobb szívfél vénás vére a tüdőben „arterializálódik”, és az oxigenált vér a tüdővénákon keresztül a bal szívfélbe kerül. Az előbbiek szerint az egyes alveolusok ventilációs/perfúziós arányában kialakuló regionális különbségek miatt a tüdővénákban áramló vér PO2-értéke néhány Hgmm-rel alacsonyabb, mint az átlagos PA O2. A tüdővénáktól a bal kamráig a vér PO2-értéke még tovább csökken. Ennek okai között szerepel, hogy magát a tüdőszövetet ellátó bronchialis keringés részlegesen deszaturált vére a venae bronchialeseken keresztül közvetlenül a tüdővénákba áramlik. További ok, hogy a szívet ellátó erek vére csak részben a sinus coronariuson keresztül jut vissza a jobb pitvarba, részben azonban kis vénákon keresztül a bal kamrába jut. Ez a vénás vér hígítja a bal szívfél artériás vérét, és csökkenti annak oxigéntenzióját (fiziológiás jobbról-balra sönt). Fiziológiás körülmények között a bal kamrában – és így az artériás rendszerben − a vér O2-tenziója kb. 95 Hgmm, mintegy 4-5 Hgmm-rel kisebb, mint az alveolaris gázban. Mint a fejezet előző részében láttuk, ez a kismértékű PO2-csökkenés nem okoz érdemleges eltérést a hemoglobin O2-szaturációjában.

A légzési gázok parciális nyomását és koncentrációját az artériás, valamint a jobb szívfélből vett kevert vénás vérben a 8-5. táblázat foglalja össze.

5.5. táblázat - 8-5. táblázat . Légzési gázok az artériás és a jobb szívfélből vett kevert vénás vérben

Artériás vér

Jobb szívfél kevert vénás vére

PO2(Hgmm)

95–98

40

O2-tartalom (ml/liter)

190–220

150–170

O2-szaturáció (%)

95–98

74–76

PCO2 (Hgmm)

37–40

39–46

Teljes CO2-tartalom (ml/liter)

460–480

510–530


A légzőmozgások eredete és szabályozása

A légzés a szervezet automatikus funkciói közé tartozik, ami azonban – bizonyos határok között – akaratlagosan is szabályozható. Az automatikus légzőmozgások eredete a központi idegrendszeren belül az agytörzs: az agytörzsi neuronokból származó alternáló ingerület és gátlás működteti és gátolja a gerincvelői motoneuronokat.

A légzőmozgásoknak a gázcsere kivitelezésén kívül még más, nem respiratorikus funkciói is vannak, mint az emóciók kifejezése (sírás, nevetés), hangadás; ezeket a légzőmozgásokat az agytörzsön kívüli idegrendszeri struktúrák irányítják. Ezek, valamint az akaratlagos szabályozás az agytörzsi központok megkerülésével, közvetlen pályákon érik el a gerincvelői motoneuronokat.

A gerincvelői neuronok működése

A légzési funkció a gerincvelő két szakaszán lokalizált: a cervicalis 3-5. szegmentumokban (n. phrenicus motoneuronjai) és a thoracalis 1-11. szegmentumokban (külső és belső bordaközti izmok, hasizmok). A neuronok működésére a n. phrenicus, valamint a bordaközti izmokat beidegző idegek akciós potenciáljaiból lehet következtetni (8-16. ábra). A gerincvelői motoros neuronok aktivitása teljesen a supraspinalis beidegzéstől függ. Az agytörzs és a gerincvelői motoros neuronok közötti összeköttetés megszakadása a spinalis neuronok légzésszinkrón akciós potenciáljait megszünteti, amely a légzőmozgások azonnali és végleges megszűnéséhez vezet.

A ventilációs ciklus alatt a n. phrenicusról elvezetett akciós potenciálok alapján 3 eltérő szakaszt lehet megkülönböztetni. A belégzés kezdetén hirtelen jelennek meg az akciós pontenciálok (belégzési, inspirációs – I – szakasz), ezek frekvenciája, valamint a működésbe lépő neuronok száma fokozatosan növekszik (crescendo jellegű működés, Sherrington által „ingerületi besorozásnak” nevezett folyamat, „recruitment”). A belégzés mélysége (azaz a VT nagysága) az ingerületbe kerülő motoros neuronok számától, valamint ezek akciós potenciáljainak frekvenciájától függ. A belégzés vége felé azonban a rekeszizomhoz futó idegimpulzusok nem azonnal szűnnek meg, a posztinspirációs – PI – szakaszban mind az akciós potenciálokat leadó neuronok száma, mind az akciós potenciálok frekvenciája fokozatosan csökken (decrescendo). Így a kilégzés kezdetén a tüdő még részlegesen tágult állapotban marad, a tüdő retrakciós tendenciája nem érvényesül hirtelen, és a kilégzés csak fokozatosan jöhet létre. A posztinspirációs szakaszt követően (a kilégzési, exspirációs – E - szakaszban) a diaphragmához futó impulzusok csaknem teljesen megszűnnek, és a n. phrenicuson a következő belégzési szakasz kezdetéig alig jelentkeznek akciós potenciálok. Erőltetett légzéskor (aktív kilégzés esetén) a belső bordaközti izmokhoz futó idegekben az akciós potenciálok frekvenciája az E szakaszban hirtelen megnő, majd az akciós potenciálok az I szakasz kezdete előtt hirtelen megszűnnek. Ezen a ponton mind a be-, mind a kilégzőizmokat beidegző neuronok aktivitása gátolt, ez a gátlás agytörzsi eredetű.

8-16. ábra. A rekeszizom kontrakciójának, valamint a be- és kilégzőizmokhoz futó idegekről elvezett elektromos aktivitás változásai a légzési ciklus során

Az agytörzsi ritmusgenerátor

Az elektrofiziológiai vizsgálatok az agytörzsi ritmusgenerátorról nagyon sok adatot szolgáltattak, de mind a mai napig nem tudunk “kapcsolási vázlatot” (wireing diagram) készíteni a neuronalis működésről.

A nyúltvelőben két-két bilateralisan elhelyezkedő sejtcsoport neuronjainak van légzésszinkrón elektromos aktivitása (8-17. ábra). Az egyik ezek közül dorsalisabban és medialisabban helyezkedik el (a tractus solitarius magjainak szomszédságában), ezért a légzéshez kapcsolódó dorsalis neuroncsoportnak (DRG, dorsal respiratory group) nevezik. Ennek sejtjei belégzéskor aktívak, axonjaik a gerincvelőbe projiciálnak, egy részük közvetlenül, monoszinaptikusan kapcsolódik a rekeszizmot beidegző motoneuronokhoz. A nyúltvelői neuronok másik csoportja az előzőhöz képest ventralisabban és lateralisabban helyezkedik el, ez a sejtcsoport a légzéshez kapcsolódó ventralis neuroncsoport (VRG, ventral respiratory group). A VRG rostralis részén elhelyezkedő magcsoport a Bötzinger-komplex, az ettől is rostralisabb neuronok pedig a pre-Bötzinger-komplexet alkotják. Ez utóbbit tartjuk ma felelősnek a ritmusgenerálásért; neuronjai a nyúltagyon belül csatolódnak át (propriobulbaris neuronok). A neuronokon opioid receptorok vannak; ezek lehetnek felelősek a légzés kitüntetett érzékenységéért az opiátok (morfin, heroin, kodein) iránt.

8-17. ábra . Az agytörzsi respirációs neuroncsoportok elhelyezkedése

A ritmusgenerátor működési mechanizmusára vonatkozóan jelenleg két elképzelés van. Az első modell szerint egyes pre-Bötzinger-sejtekben spontán generálódnak akciós potenciálok, amelyek a komplexen belül szinkronizálódnak (pacemaker teória). A második modell szerint az egymással hálózatot képező neuronokban a neuronaktiválást követő különböző gátlási folyamatok képezik az alapját a ritmicitásnak (csatolt oszcillátor teória).

A nyúltvelőben a légzésszinkrón aktivitást mutató neuronok a cardiovascularis szabályozásban szereplő, valamint a nyelési folyamatot szervező neuronok közvetlen közelében helyezkednek el, biztosítva ezen funkciók pontos összehangolását.

A hídban van egy kiterjedt neuroncsoport, amely egyrészt a nucleus parabrachialis medialisból, másrészt a Kölliker−Fuse-féle magból áll. Az innen elvezetett elekromos aktivitás arra utal, hogy ezek a sejtek a belégzés/kilégzés váltásában játszanak szerepet (fázisfordító neuronok). Ezeket a neuronokat összefoglalóan “pontine respiratory group”-ként (PRG) említjük.

A 19. század végétől a 20. század közepéig – amikor még nem volt lehetőség elektrofiziológiai vizsgálatokra – a légzés neurogenesisét központi idegrendszeri lokalizált sértések, ill. átmetszések segítségével kísérelték meg tisztázni, és ráadásul a vizsgálatokat narkotizált állapotban végezték. A PRG-n belüli sértéseket ritka és mély belégzések követték. Ugyanilyen hatása volt a n. vagus kétoldali átmetszésének is. A híd és a nyúltvelő között vezetett átmetszés és a két n. vagus átmetszésének kombinációja mély és tartós belégzési állapothoz vezetett, amelyet rövid kilégzések szakítottak meg (apneusis). Narkózis nélkül apneusis nem jött létre. A kísérletek alapján a mai PRG-t “pneumotaxikus központ”-nak nevezték; a kifejezéssel még ma is találkozhatunk.

A ventiláció mértékének szabályozása, az anyagcseréhez való illesztése az agytörzsi respirációs neuronokon keresztül érvényesül. A szabályozás részben kémiai szabályozás: a ventilációt a Pa O2, Pa CO2, az artériás pH és az izommunkához kapcsolódóan a vér K+-koncentrációja határozza meg. Ezen kívül a légzést a tüdőszövet receptoraiból a n. vaguson keresztül befutó információk, valamint egyéb afferens hatások is módosítják.

A légzés kémiai szabályozása

A légzésszabályozás egyik fő feladata az alveolaris ventiláció megfelelő beállításával az artériás vér O2- és CO2-tenziójának, valamint H+-koncentrációjának szűk határok között tartása.

A kémiai ingereket két különböző elhelyezkedésű, érzékenységű és adaptációs képességű szenzoros rendszer veszi fel. Az agytörzsben elhelyezkedő centrális kemoreceptorok gyorsan és nagy érzékenységgel érzékelik a vér CO2-tenziójának változásait, viszont órák alatt adaptálódnak a krónikusan magas CO2-tenzióhoz, és a további érzékelésben már nem szerepelnek. A centrális kemoreceptorok sem az O2-tenzió, sem a vér H+-koncentrációjának változásait nem érzékelik.

A nagy artériákhoz (carotis és aortarégió) csatlakozó glomusok perifériás kemoreceptorokként működnek. Az ezekben elhelyezkedő szenzorok érzékelik az artériás vér O2- és CO2-tenzióját, a H+-, valamint a K+-koncentráció változásait. Pa CO2-érzékenységük elmarad a centrális kemoreceptorok érzékenységétől, de valószínűleg nem adaptálódnak a tartósan magas CO2-tenzióhoz. Feltehetően ezek az egyedüli „riasztórendszerek” az artériás O2-tenzió csökkenésének esetében, és egyedül ezek a szenzorok jelzik az artériás vér H+- koncentrációjának változásait.

A centrális kemoreceptorok

Az artériás vér PCO2-változásait érzékelő centrális kemoreceptorok jelentős hányada a nyúltvelő ventralis felszíne közelében a VII. és a XII. agyidegek kilépése között helyezkednek el. Ezek a neuronok voltaképpen közvetlen környezetük, az agyi extracelluláris folyadék, ill. a cerebrospinalis folyadék, CSF H+-koncentráció-változásaira érzékenyek. A helyi H+-koncentráció-változások azonban az artériás vér PCO2-változásait tükrözik, mivel a CO2 könnyen diffundál át a vér-agy gáton. A CSF első megközelítésben egykomponensű pufferoldatnak fogható fel, amely a konjugált sav-bázis párok közül csak CO2-ot és HCO3–-t tartalmaz (l. a 17. fejezetet). A CSF-be diffundáló CO2 hidratálódik, a keletkezett szénsav H+-ra és HCO3-ra disszociál. A HCO3– nanomol/liter nagyságrendű koncentrációváltozása a folyadékban már jelen lévő HCO3-hoz képest jelentéktelen (pl. a 24 mmol/l kiindulási koncentráció 24,000010 nmol/l-re változik), a sokkal alacsonyabb H+-koncentráció ekvimoláris változása már jelentős (az előző példa alapján 40 nmol/l-ről 50 nmol/l-re). Ezt a helyi H+-koncentráció-változást érzékelik a centrális kemoreceptorok, és a keletkező ingerületet az agytörzs respirációs neuronjaihoz továbbítják.

Normális Pa CO2, és ennek következtében a kemoreceptorsejtek közvetlen környezetében lévő megfelelő H+-koncentráció szükséges a belégzőmozgások megindításához (angolul inspiratory drive). A normálisnál alacsonyabb Pa CO2 csökkenti a belégzőaktivitást: a csökkent ventiláció – esetenként apnoe – a CO2-szint helyreállásáig tart. Ez alól csak súlyos artériás hypoxia esetén van kivétel, amikor – az alacsony Pa CO2-szint ellenére – a belégző aktivitást a perifériás kemoreceptorok tartják fent.

Nem fiziológiás körülmények között az idegsejtek tejsavképzésének következtében kialakuló helyi [H+]-változások is ingerei lehetnek a légzésnek. Kombinált hypoxia és hypocapnia esetén ez a mechanizmus tartja fenn a légzést.

Paradox módon a centrális kemoreceptorok, amelyek a helyi [H+]-t érzékelik, érzéketlenek az artériás vér H+-koncentrációjának változásai iránt. A vér-agy gát ugyanis nem engedi át a H+-okat, így azok nem kerülnek el a kemoreceptorsejtekhez (8-18. ábra).

A centrális kemoreceptorsejtek adaptálódnak, és több órán keresztül tartó krónikus hypercapniában nem jelzik többé az emelkedett Pa CO2-t a respirációs neuronok számára.

8-18. ábra. A centrális kemoreceptorok működése

A központi kemoreceptorok adaptációjának mechanizmusa

Krónikus hypercapniában a CO2-többlet nemcsak az agyi extracelluláris térben és cerebrospinalis folyadékban jelenik meg, hanem a CO2 behatol a neuronok sejttestébe is. A CSF-től eltérően a sejt belseje fehérjéket tartalmazó többkomponensű puffer, így a H+-okat a fehérjebázisok kötik meg (a sejtfehérjék protonálódnak). A neuronok belsejében folyamatosan növekszik a HCO3–-ok koncentrációja. Az idegsejtek membránjának HCO3-permeabilitása alacsony, és a HCO3-ok néhány órán keresztül lényegében a sejtekben maradnak. A továbbiakban azonban – 8–12 óra elteltével – már annyi HCO3 hagyja el a sejteket, hogy a kemoreceptorsejtek környezetében a megnövekedett HCO3–-koncentráció helyreállítja az agyi interstitialis folyadék pH-értékét (l. a 17. fejezetben leírt Henderson–Hasselbalch-egyenletből levonható következtetést), amivel megszűnik a központi kemoreceptorok fokozott aktivitása. Ezért krónikus hypercapniában a ventiláció szabályozását a központi kemoreceptorok helyett más mechanizmusok veszik át.

A perifériás kemoreceptorok

A carotis- és aortaglomusok a legnagyobb artériák közvetlen közelébe telepített szenzorok, amelyek a vér O2- és CO2-tenzióját, H+- és K+-koncentrációját érzékelik. A Pa O2 csökkenése, a Pa CO2-, a H+- és a K+-koncentráció emelkedése a glomusokat ellátó artériás vérben fokozza a ventilációt. A glomus kemoreceptorok az izommunkához kapcsolódó légzésszabályozásban, továbbá az extrém és a kóros viszonyokhoz való légzési alkalmazkodásban szerepelnek.

A két glomus caroticum az a. carotis communis kettéágazódásánál, a sinus caroticus közelében van (8-19. ábra). Mindegyik glomust egy, az a. carotisból eredő kisebb artéria látja el vérrel. A glomus aorticumok az aortaív, ill. az a. subclavia közvetlen közelében helyezkednek el, és az aortából eredő kisebb ágak adják vérellátásukat. A glomus caroticumból származó afferens idegrostok a n. glossopharyngeushoz, a glomus aorticumokból származók a n. vagushoz csatlakoznak. Az idegtörzsekhez való csatlakozás előtt az afferens rostok külön futnak, így elektrofiziológiai vizsgálatok számára hozzáférhetőek: akciós potenciálok vezethetők el az idegkötegekről, továbbá az egyes különválasztott axonokról. A carotis- és az aortaglomusokból származó információ a légzésszabályozásban nem azonos jelentőségű: lényegesen fontosabbak a két glomus caroticumból befutó impulzusok. A glomusok kemoreceptorai által felvett információknak nemcsak a légzés-, hanem a keringésszabályozásban is szerepük van (l. a 12. fejezetet).

A glomussejtek kiemelten érzékenyek az őket körülvevő szövet oxigéntenziójának változásaira. Ezek bekövetkezhetnek akár az artériás vér PO2-értékének, akár a glomusokon keresztül áramló vér mennyiségének csökkenése következtében. Az egyetlen axonról levezetett akciós potenciál frekvencia és a Pa O2 közötti összefüggést a 8-20. ábrán mutatjuk be. Mérsékelten csökkent O2-tenzió mellett (60–100 Hgmm között) a frekvenciafokozódás csak kisfokú. Ha azonban a Pa O2 értéke 60 Hgmm alá csökken, a frekvenciafokozódás az O2-tenzió csökkenésével egyre kifejezettebb. Az akciós potenciálok frekvenciájának fokozódása tartós, addig tart, amíg a Pa O2 alacsony szinten van, azaz a szenzor alig mutat adaptációt. Krónikus légzési elégtelenségben, amelyben a Pa CO2 tartósan magas és a Pa O2 tartósan alacsony, a hypoxia a ventiláció fenntartásának úgyszólván egyetlen tényezője.

Szemben az oxigénérzékenység nem lineáris görbéjével, a glomus kemoreceptorok nagyjából lineárisan érzékenyek a Pa CO2 emelkedésére és a pH-érték csökkenésére. A glomus kemoreceptorok pH-érzékenysége olyan nagyfokú, hogy az afferens idegrostokról elvezetett akciós potenciálok frekvenciája tükrözi a be- és a kilégzéssel párhuzamos, 1-2 Hgmm amplitúdójú Pa CO2-ingadozások okozta artériás pH-változásokat. A pH-értékek ingadozása lényegesen kifejezettebb izomaktivitás alatt, és valószínűleg ezek az ingadozások is szerepet játszanak a ventiláció izomműködéshez illesztésében (l. alább).

A glomus kemoreceptorok pH- és Pa CO2-érzékenysége függ az egyidejű Pa O2-től. Hypoxiában adott mértékű hypercapnia vagy pH-csökkenés nagyobb akciós potenciál frekvenciát vált ki, mint normoxiás körülmények között.

A glomus kemoreceptorok az artériás vér K+-koncentrációjának fokozódására is érzékenyek. Az afferens axonok akciós potenciál frekvenciája jelentősen fokozódik, ha a vér K+-koncentrációja 3,5–4,0 mmol/l-ről 5–6 mmol/l-re növekszik. Ekkora [K+]-emelkedés izommunka során is létrejön. Nagyon valószínű, hogy a [K+]-emelkedés az izomműködést kísérő ventilációfokozódás egyik ingere.

8-19. ábra . A perifériás kemoreceptorok (glomusok) és az artériás mechanoreceptorok elhelyezkedése kutyában. Adams, W. E. (1958): The Comparative Morphology of the Carotid Body and Carotid Sinus, Charles C. Thomas Publ. Springfield, Ill. alapján

8-20. ábra . Izolált glomus afferens axon akciós potenciál frekvenciája a Pa O2 változásának függvényében. Az akciós potenciálokat narkotizált kecske izolált kemoreceptoraxonjáról vezették el. A kísérlet alatt az artériás PCO2-t és az artériás pH-t állandó szinten tartották (PCO2 = 40 Hgmm; pH = 7,41)

A centrális és a perifériás kemoreceptorok együttműködése

Ha a belégzett gáz CO2-koncentrációja/parciális nyomása megnövekszik (aminek környezeti vagy kísérletesen előidézett oka lehet), a ventiláció egy meghatározott tartományban a PA CO2-vel arányosan növekszik (8-21. ábra). Emberben, kísérleti körülmények között, minden Hgmm-nyi PA CO2-növekedésre 2–4 liter percenkénti ventilációfokozódás esik (a ventiláció CO2-érzékenysége). A nagyobb ventiláció – a PI CO2 bizonyos szintjéig – részegesen kompenzálhatja a PA CO2 emelkedését. Kezdetben a ventiláció a mélyebb belégzések következtében fokozódik (a VT növekszik), de a továbbiakban a légzési frekvencia is nő. A CO2-érzékenység függ a Pa O2 értékétől: ha ez a fiziológiás érték alá csökken, a ventiláció az előbbinél nagyobb mértékben növekszik, és a CO2-érzékenység ábrázolt görbéje meredekebb.

Magasabb, 100 Hgmm PA CO2 fölötti tartományban a CO2-nak már légzést gátló hatása van, és öntudatlansághoz, CO2-narkózis bekövetkeztéhez vezethet. Ez az állapot nemcsak külső CO2 belélegzésével jöhet létre, hanem a legsúlyosabb fokú légzési elégtelenségben is előfordul.

Szemben a PCO2-emelkedésre adott közel lineáris ventilációs válasszal, az O2-hiányra jelentkező ventilációs válasz nem lineáris, és csak a fiziológiás Pa O2-nél jelentősen alacsonyabb O2-tenzió mellett jelentkezik (8-22. ábra). A ventilációs válasz nem lineáris jellege két tényezőre vezethető vissza. Az első ok, hogy a perifériás kemoreceptorok afferenseiben az akciós potenciálok frekvenciaváltozása nem lineáris: 100 és 60 Hgmm Pa O2 között kevesebbet változik, mint 60 Hgmm Pa O2 alatt. A másik ok az, hogy a hypoxiával kiváltott hyperventilatio csökkenti a Pa CO2-t, amely utóbbi ellensúlyozza a hypoxia hatását, csökkenti a ventilációs választ. Ha a Pa O2 50 Hgmm alá csökken, a glomusokból jövő afferens impulzusok annak ellenére fokozzák a ventilációt, hogy közben a Pa CO2 egyre kisebb lesz, és így a hypoxia válik a légzést szabályozó domináns tényezővé.

A perifériás kemoreceptorok szerepe kóros körülmények között kritikussá válhat. Krónikus ventilációs elégtelenségben a centrális kemoreceptorok adaptálódtak a krónikus hypercapniához, és nem képeznek ingert a ventiláció számára. Ebben az esetben a perifériás kemoreceptorokból származó ingerületek válnak a ventiláció leglényegesebb szabályozójává. Ha egy ilyen, hypoxiában, hypercapniában és respirációs acidózisban szenvedő beteg O2-ben gazdag gázkeverékből légzik, a ventiláció hypoxiás ingere megszűnik, a ventiláció tovább csökken; ezzel a Pa CO2 tovább emelkedik, és végül CO2-narkózis és coma léphet fel.

8-21. ábra . A ventiláció CO2-érzékenysége. Mines, A. H. (1983): Respiratory Physiology, Raven Press, New York, 147. oldal alapján

8-22. ábra. Oxigénhiányban bekövetkező ventilációs válasz. Loeschke, H. H. és Goertz, K. H (1958) adatai alapján. A vízszintes tengelyen az alveolaris oxigéntenziót, a függőleges tengelyen a percventilációt (liter/min) tüntettük fel. A felső görbén a belégzett gáz O2-tenzióját fokozatosan csökkentették, úgy hogy közben CO2 hozzáadásával az alveolaris PCO2 42 Hgmm-en állandó maradjon. A ventiláció 140 és 80 Hgmm PO2 között alig emelkedett, de 70 Hgmm alatt meredeken fokozódott.Az alsó görbe felvétele során az alveolaris CO2-tenziót nem tartották állandóan, a fokozott ventiláció a PA CO2-t csökkentette: ez felel meg a fiziológiás körülményeknek. A ventiláció fokozódása sokkal kisebb mértékű, mint az a felső görbén megfigyelhető volt. A görbe felett elhelyezett számok a mért aktuális alveolaris CO2-tenziót mutatják.

A ventiláció szabályozásának egy másik konfliktushelyzetét jelenti a nem respirációs (azaz metabolikus) acidózis fellépése (l. a 17. fejezetet). Ebben az állapotban a perifériás kemoreceptorok az artériás [H+] értékének emelkedését jelzik. A következményes hyperventilatio a Pa CO2 csökkenésével jár, ami kompenzálja az acidózist, viszont mind a centrális, mind a perifériás kemoreceptorok felől csökkenti a ventiláció ingerét. A konfliktust a centrális kemoreceptorok adaptációja oldja fel. Krónikus metabolikus acidózisban a CSF HCO3-koncentrációja csökken. A centrális kemoreceptorok a csökkent HCO3– következtében – a Pa CO2 csökkenése ellenére – nem jeleznek hipokapniát. Az emelkedett artériás H+-koncentráció a glomus kemoreceptorokra hat. Mindez együttesen fokozott ventilációt és a metabolikus acidózis részleges respirációs korrekcióját eredményezi. A hyperventilatio jellegzetes formája a diabeteses ketoacidózisban rendkívül mély légvételekkel jelentkező Kussmaul-féle acidotikus légzés.

A légzés alkalmazkodása az izomműködéshez

Az izomműködést az O2-felhasználás és a CO2-termelés sokszorosára emelkedése kíséri. Az O2-fogyasztás 4 liter/perc, a CO2-termelés pedig 3,2–4 liter/perc is lehet. Eközben a ventiláció percenkénti értéke a 100–120 litert is elérheti. Ez megközelíti azt a határértéket, amelyet az egyén akaratlagosan maximálisan lélegezni képes. Az izomműködést kísérő ventiláció magasabb értékre áll be, mint amekkorát CO2-belélegeztetéssel el lehet érni. Enyhe és közepes izommunkában a ventiláció arányosan alkalmazkodik a fizikai erőkifejtés mértékéhez: az illeszkedés olyan pontos, hogy az artériás PO2-, PCO2- és pH-értékek középértéke nem változik (középértéken itt a be- és a kilégzés során mért ingadozások középértékét értjük). Az előzőekben leírt matematikai összefüggések alapján ez csak akkor lehetséges, ha a percenkénti O2-fogyasztás és CO2-termelés, valamint az alveolaris ventiláció arányosan változnak.

A légzőrendszer alkalmazkodása az izommunka intenzitásától függően eltérő mechanizmusokkal történik (8-23.ábra).

Kísérletes körülmények között, kis vagy közepes izomműködés kezdetén a ventiláció azonnal fokozódik. Ezt egy lassabb, fokozatosabb emelkedés követi, amely néhány perc alatt állandósul. Az izomműködés végeztével a ventiláció ugyanúgy két lépcsőben csökken, mint az aktivitás megindulásakor: először egy azonnali csökkenés következik be, majd egy lassabb visszaállás a kezdeti alapszintű értékre.

A kezdeti ventilációfokozódás olyan gyors, hogy kizárólag idegi úton következhet be; kémiai változások ilyen rövid idő alatt nem hozhatnak létre ventilációfokozódást. A gyors kezdeti ventilációemelkedésben több párhuzamos inditómechanizmus szerepel. Jelentősek a motoros agykéregből és a hypothalamusból származó ingerületek. E mellett az ízületek és az izmok mechanoreceptoraiból ventilációt fokozó reflexek váltódnak ki. Az izomműködés végeztével ezek az ingerületek azonnal megszűnnek, és ez okozza a gyors ventilációcsökkenést.

A ventiláció lassabban bekövetkező fokozódása kémiai tényezők változására vezethető vissza. Emberben a glomus caroticumok kemoreceptoraiból jövő afferentáció biztosan szerepel a ventilációs válasz kialakításában: a két glomus időleges kikapcsolása jelentősen csökkenti az izomműködést kísérő ventilációs választ. Mérések szerint azonban enyhe és közepes izommunka során az artériás vér Pa O2, Pa CO2, valamint pH átlagértékeiben nincs olyan változás, ami ventilációs ingerként szerepelhetne. A mai ismeretek szintjén valószínűleg két, egymástól független mechanizmus játszik szerepet a ventilációnak az energiaszükséglethez való illesztésében.

Az első ezek közül a vérplazma K+-szintjének az izomműködéssel párhuzamos emelkedése. Az izom-összehúzódás során az izomrostokból K+-ok lépnek ki, és a vérplazma K+-szintje a nyugalmi érték fölé emelkedik. A mérhető emelkedés már hatásos inger a glomusok kemoreceptorai számára.

A másik mechanizmus hipotetikusabb, és jelenleg még nincs véglegesen igazolva. Amint többször említettük, az artériás verbena a PCO2 és a H+-koncentráció a be- és kilégzés során ingadozik, és ezt a perifériás kemoreceptorok afferenseiről elvezetett akciós potenciálok frekvenciájának ingadozása is követ. A ventiláció szabályozó tényezője lehet az oszcillációk amplitúdója, ami izommunkában jelentősen megnövekszik; ez hozzájárulhat a ventiláció növekedéséhez.

Extrém fokú izommunka során (1,5 l/min O2-fogyasztás felett) a ventiláció fokozódása akkora lehet, hogy a Pa CO2 a nyugalmi érték alá csökken, és a Pa O2 kismértékben emelkedik is. Az ehhez szükséges teljesítményt anaerob küszöb-nek nevezzük. Ekkora izomteljesítmény esetén az izomban jelentős a tejsavképzés, a keletkezett tejsav a vérbe jut (lactacidaemia, laktacidózis). Az anaerob küszöb elérését követően a hyperventilatiót az acidózis a perifériás (glomus) kemoreceptorok ingerülete által tartja fenn.

8-23. ábra. A ventiláció időbeli változásai izommunka során

A tüdő afferenseinek szerepe a légzésszabályozásban

A légutak és a tüdő aktuális állapotát különböző szenzoros receptorok érzékelik; ingerületük a n. vaguson keresztül éri el a pontobulbaris respirációs neuronokat.

Lassan adaptálódó feszítési receptorok

A szenzoros receptorok közül valószínűleg a lassan adaptálódó feszítési receptorok játsszák a leglényegesebb szerepet. Ezek a légutak falában a simaizomsejtek között helyezkednek el, és ingerületüket velőshüvelyű rostok vezetik. Ezek a receptorok a tüdő légtartalmát a tüdőszövet feszülésén keresztül érzékelik. A receptorok egy része már a FRC értékén impulzusokat ad le, de nagyobb részük a tüdő további inflatiójával kerül ingerületbe. A lassan adaptálódó receptorok axonjairól levezetett akciós potenciálok frekvenciája már a nyugalmi VT-érték mellett is arányos a növekvő tüdőtérfogattal. A további inflatióval mind az egy rostról elvezetett akciós potenciál frekvencia, mind az ingerületbe kerülő axonok száma növekszik. Az inflatio adott mértékénél a receptorok ingerületét a belégzés reflexes gátlása, a passzív kilégzés megindulása követi. A reflexes válaszhoz tartozik a bronchusok tágulása (bronchodilatatio) is. A reflex 1868 óta ismert, Hering és Breuer írta le, és értelmezte tévesen mint a „légzés önkormányzatát” (Hering–Breuer-reflex).

A reflex jelentőségét a CO2-belégzéssel kiváltott ventilációs válasz analízise mutatta meg. Amint a fentiekben említettük, a belégzett CO2 koncentrációját emelve először csak az egyes légvételek mélységének fokozódása dominál (nagyobb VT). Csak amikor a VT elér egy adott nagyobb értéket, növekszik meg a légzés frekvenciája. Nagy tüdőtérfogat mellett a lassan adaptálódó feszítési receptorok ingerülete leállítja a belégzést, és ezzel lehetővé teszi a frekvencia fokozódását. A két n. vagus helyi érzéstelenítése kikapcsolja ezt a reflexet, és a CO2-belélegeztetésre bekövetkező ventilációs válasz csak a VT emelkedéséből áll, a légzési frekvencia nem fokozódik.

A reflex valószínűleg szerepet kap a ventiláció egyéb eredetű fokozódásaiban is, így pl. izommunka során, amikor mind a VT, mind a frekvencia növekszik.

Gyorsan adaptálódó receptorok

A gyorsan adaptálódó receptorok a légutakat bélelő hámsejtek között helyezkednek el; az afferens axon velőhüvelyes. A receptorok kémiai ingerekkel, köztük endogén agonistákkal (hisztamin, prosztaglandinok), exogén (idegen) kémiai anyagokkal, porral és füsttel ingerelhetők. Ezen az alapon nevezték a gyorsan adaptálódó receptorokat irritáns receptoroknak. A gyorsan adaptálódó receptorokat a tüdő extrém inflatiója (hyperinflatio) is aktiválja. A receptorok ingerületét hyperpnoe (fokozott ventiláció), bronchoconstrictio, a légutak nyákszekréciója és gyakran köhögés követi. Valószínű, hogy ezek a receptorok egyes kóros állapotokban is szerephez jutnak.

Juxtakapilláris (J) receptorok

A tüdőből és a légutakból jövő afferensek nagy része velőtlen, C típusú axon. Az axonok szenzoros végződései a tüdőkapillárisok közelében (juxtakapillárisan) helyezkednek el; innen származik a receptorok elnevezése, J-receptorok. A J-receptorok a vérben lévő kémiai anyagokkal hozhatók ingerületbe. A receptorok farmakológiai ingereiről jelenleg többet tudunk, mint az azokat aktiváló fiziológiai mechanizmusokról. Ezeket a receptorokat a tüdőkeringésbe juttatott hatóanyagok (mint a hisztamin, kapszaicin, bradikinin, szerotonin, egyes prosztaglandinok) ingerlik. A kiváltott reflexválasz rövid ideig tartó apnoe (légzésszünet), amelyet gyors, felületes légzés, bronchoconstrictio és nyákszekréció követ. A kiváltott válaszokat közös néven kemoreflexeknek nevezzük. A kémiai anyagokon kívül a receptorok ingerületbe hozhatók a tüdő és a légutak extrém mértékű inflatiójával is. Minthogy egyes kóros állapotokban (így gyulladás során) a tüdőben megjelennek az említett ingerlő mediátorok, a receptorok és az általuk közvetített reflexek valószínűleg kóros respirációs folyamatokban szerepelnek.

Mérföldkövek

A spirométer

1844: J. Hutchinson megszerkeszti első spirométerét, azt az eszközt, amelyet a légzési paraméterek meghatározására több mint egy évszázadig használnak.

A respirációs gázok és a gáztranszport felfedezése

1674: A. van Leuwenhoek leírja a vérben a vörösvérsejteket.

1777-1789: A.-L. Lavoisier zárt térbe helyez tengerimalacokat, és megállapítja, hogy azok oxigént fogyasztanak és szén-dioxidot adnak le.

1837: G. Magnus kimutatja az O2 és a CO2 jelenlétét az artériás és a vénás vérben; az artériás vér több O2-t, a vénás vér több CO2-ot tartalmaz.

1854: Claude Bernard megállapítja, hogy a CO kötődik a vérben.

1866-1871: F. Hoppe-Seyler leírja a hemoglobin tulajdonságait.

1904: Christian Bohr felfedezi, hogy a hemoglobin oxigénaffinitása a PCO2-től függ (Bohr-effektus).

1914: A. Krogh a vérben lévő gáztenziók vizsgálatára megszerkeszti a „mikrotonométert”.

1928: Lawrence J. Henderson megfogalmazza a szén-dioxid-transzport és a vér pH-értékének alapvető összefüggéseit.

1967: Benesch és Benesch felfedezi, hogy a vörösvérsejtekben lévő 2,3-bisz-foszfoglicerát szabályozza a hemoglobin oxigénaffinitását.

A légzőmozgások eredete

1812: C. J. J. Legallois leírja, hogy meghatározott agytörzsi területek épsége szükséges a légzőmozgásokhoz.

1842: P. Flourens azonosítja a légzőmozgások kivitelezéséhez szükséges agytörzsi struktúrákat. A medulla oblongata egy pontjában lokalizálja a „noeud vital”-t („életcsomó”), amelynek sérülése megállítja a légzést (1858-ban Flourens némileg módosította ezen területek elhelyezkedését).

1923: T. Lumsden tovább lokalizálja a ventilációban szereplő agytörzsi struktúrákat, és feltételezett működésmódjukról „kapcsolási vázlatot” szerkeszt. Lumsden négy „légzőközpont”-ot tételez fel: „pneumotaxikus”, „apneusiás”, „belégző” és „gasping” (kapkodva légző) centrumot, a két előzőt a hídban, a két utóbbit a nyúltvelőben.

A légzés szabályozása

1743: H. W. L. Taube disszertációjában leírja a „carotistest”-et (a mai glomus caroticumot). 1926: de Castro leírja a carotistest (glomus) szerkezetét.

1868: E. Pflüger megfigyeli, hogy szén-dioxid belélegeztetése légzést fokozó hatású.

1868: J. Breuer és E. Hering leírja a tüdő felfúvását követő légzésszünetet (Hering–Breuer-reflex). Arra a (hibás) következtetésre jutnak, hogy ez a n. vagus közvetítette reflex felelős az alternáló be- és kilégzőmozgásokért, a reflexet a „légzés önkormányzásá”-nak nevezik (németül „Selbssteuerung der Atmung”). A reflex a tüdő túlfeszítésével szembeni védelem, a légzési frekvenciát adaptálja a ventiláció szükségletéhez.

1878: P. Bert megfigyeli, hogy nagy magasságokban az oxigénhiány a légzést fokozó inger.

1905: J. S. Haldane és J. G. Priestley emberen végzett vizsgálataikban meghatározzák az alveolaris gáz CO2 és O2-koncentrációja és a ventiláció közötti összefüggéseket. Arra következtetnek, hogy a légzést a CO2 szabályozza.

1927: C. J. F. Heymans megkezdi kutatásait, amelyek a glomus kemoreceptorok felfedezéséhez és a légzésszabályozásban betöltött szerepük megismeréséhez vezetnek

1958: H. H. Loeschke és munkatársai megkezdik a nyúltvelőben elhelyezkedő centrális kemoreceptorok lokalizációjának vizsgálatát. 1963-ban az ezen a területen dolgozó kutatók együttesen térképezik fel az agytörzset: Loeschke, R. A. Mitchell, J. L. Severinghaus és munkatársaik a nyúltvelő felszínén egy kemoszenzitív areát írnak le. 1982-ben J. Dempsey és H. Foster arra a következtetésre jutnak, hogy a kemoszenzitív neuronok környezetében lévő interstitium pH-ja a közvetlen ingere a ventiláció megváltozásának.

A “surfactant.történet”

1929: K. von Neergard közzéteszi vizsgálatait, amelyekben bizonyítja, hogy az alveolusoknak nedves bélésük van, és ez utóbbi a gáz–alveolaris határfelületen jelentős felületi feszültséget hoz létre: a felületi feszültség felelős a tüdő rugalmas retractiójának nagy részéért. Az elképzelésről több mint 20 évig nem vesznek tudomást (!): ekkor J. Mead és munkatársai, továbbá E. J. Radford ismételten felfedezik a von Neergard által már leírt tényeket. Ezt követi 1957-ben J. A. Clements felfedezése: a tüdőszövetben egy anyagot talál, amely az alveolusok felületi feszültségét csökkenti; amikor azonban megkísérelte eredményeit közzétenni, a közlést előbb visszautasították, és csak később sikerült egy kevéssé szigorú folyóiratban publikálni. Nem sokkal később, 1959-ben M. A. Avery és J. Mead kimutatta, hogy a leírt felületaktív anyag hiányzik azon újszülöttek tüdejéből, akik újszülöttkori légzési elégtelenség szindromában („respiratory distress”) haltak meg.

A fejezet átdolgozása során jelentősen támaszkodtam Dr. LIGETI ERZSÉBETnek a 4. kiadásban végzett változtatásaira.