Grondbeginselen van ademfysiologie

De belangrijkste (maar niet de enige) functie van de longen is het waarborgen van een normale gasuitwisseling. Externe ademhaling is het proces van gasuitwisseling tussen atmosferische lucht en bloed in de longcapillairen, wat resulteert in arterialisatie van de bloedsamenstelling: de zuurstofdruk neemt toe en de CO₂-druk neemt af. De intensiteit van de gasuitwisseling wordt voornamelijk bepaald door drie pathofysiologische mechanismen (pulmonale ventilatie, pulmonale bloedstroom, diffusie van gassen door het alveolair-capillaire membraan), die worden verzorgd door de externe ademhaling.

Longventilatie

De longventilatie wordt bepaald door de volgende factoren (AP Zilber):

1. mechanische beademingsapparatuur, die primair afhankelijk is van de activiteit van de ademhalingsspieren, hun zenuwregulatie en de beweeglijkheid van de borstkaswanden;
2. elasticiteit en rekbaarheid van het longweefsel en de borstkas;
3. doorgankelijkheid van de luchtwegen;
4. intrapulmonale verdeling van lucht en de overeenkomst met de bloedstroom in verschillende delen van de longen.

Wanneer een of meer van de bovengenoemde factoren verstoord zijn, kunnen er klinisch significante ventilatiestoornissen ontstaan, die zich manifesteren in verschillende vormen van ventilatoir respiratoir falen.

Van de ademhalingsspieren speelt het middenrif de belangrijkste rol. De actieve contractie ervan leidt tot een daling van de intrathoracale en intrapleurale druk, die lager wordt dan de atmosferische druk, wat resulteert in inademing.

Inademing vindt plaats door actieve samentrekking van de ademhalingsspieren (middenrif), uitademing vindt voornamelijk plaats door de elastische aantrekkingskracht van de longen zelf en de borstwand, waardoor een expiratoire drukgradiënt ontstaat, die onder fysiologische omstandigheden voldoende is om lucht door de luchtwegen te persen.

Wanneer het nodig is om het ventilatievolume te vergroten, trekken de externe intercostale, scalenus- en sternocleidomastoideusspieren (extra inademingsspieren) samen, wat ook leidt tot een toename van het borstvolume en een afname van de intrathoracale druk, wat de inademing vergemakkelijkt. Extra uitademingsspieren worden beschouwd als de spieren van de voorste buikwand (externe en interne schuine, rechte en transversale spieren).

Elasticiteit van longweefsel en borstwand

Elasticiteit van de longen. De beweging van de luchtstroom tijdens inademing (de longen in) en uitademing (de longen uit) wordt bepaald door de drukgradiënt tussen de atmosfeer en de longblaasjes, de zogenaamde transthoracale druk (P _tr / _t ):

Рtr/t = Рalv Рatm _waarbij Рalv de alveolaire druk _is en Рatm _de atmosferische druk.

Tijdens de inademing worden P _alv en P _tr/t negatief, tijdens de uitademing worden ze positief. Aan het einde van de inademing en aan het einde van de uitademing, wanneer de lucht niet door de luchtwegen stroomt en de stemspleet open is, is P _alv gelijk aan P _atm.

Het niveau van P _alv hangt op zijn beurt af van de waarde van de intrapleurale druk (P _pl ) en de zogenaamde elastische terugslagdruk van de long (P _el ):

Elastische terugslagdruk is de druk die wordt gecreëerd door het elastische parenchym van de long en die naar de long wordt geleid. Hoe hoger de elasticiteit van het longweefsel, hoe groter de intrapleurale drukafname moet zijn om de long te laten uitzetten tijdens inademing, en hoe groter dus de actieve arbeid van de inademingsspieren moet zijn. Hoge elasticiteit bevordert een snellere ineenstorting van de long tijdens uitademing.

Een andere belangrijke indicator, de omgekeerde van de elasticiteit van het longweefsel – apathische longcompliantie – is een maat voor de compliantie van de long wanneer deze gestrekt is. De compliantie (en de grootte van de elastische terugslagdruk) van de long wordt beïnvloed door vele factoren:

1. Longvolume: bij een laag volume (bijv. aan het begin van de inademing) is de long flexibeler. Bij een hoog volume (bijv. op het hoogtepunt van maximale inademing) neemt de longcompliantie sterk af en wordt nul.
2. Inhoud van elastische structuren (elastine en collageen) in longweefsel. Longemfyseem, dat bekend staat om een afname van de elasticiteit van longweefsel, gaat gepaard met een toename van de rekbaarheid van de longen (een afname van de elastische terugslagdruk).
3. Verdikking van de alveolaire wanden als gevolg van ontstekingsoedeem (pneumonie) of hemodynamisch oedeem (bloedstagnatie in de longen), maar ook fibrose van het longweefsel, verminderen de rekbaarheid (flexibiliteit) van de long aanzienlijk.
4. Oppervlaktespanningen in de alveoli. Deze ontstaan op het grensvlak tussen gas en vloeistof, waardoor de alveoli van binnenuit met een dunne film worden bekleed. Ze verkleinen het oppervlak van dit oppervlak, waardoor er een positieve druk in de alveoli ontstaat. Oppervlaktespanningen, samen met de elastische structuren van de longen, zorgen er dus voor dat de alveoli effectief inklappen tijdens het uitademen en voorkomen tegelijkertijd het rechttrekken (uitrekken) van de longen tijdens het inademen.

De oppervlakteactieve stof die de binnenkant van de longblaasjes bekleedt, is een stof die de oppervlaktespanning verlaagt.

Hoe hoger de activiteit van de surfactant, hoe dichter deze is. Daarom nemen tijdens het inademen, wanneer de dichtheid en daarmee de activiteit van de surfactant afnemen, de krachten van de oppervlaktespanning (d.w.z. de krachten die het oppervlak van de longblaasjes verkleinen) toe, wat bijdraagt aan de daaropvolgende ineenstorting van het longweefsel tijdens het uitademen. Aan het einde van de uitademing nemen de dichtheid en activiteit van de surfactant toe en nemen de krachten van de oppervlaktespanning af.

Na het einde van de uitademing, wanneer de activiteit van de oppervlakteactieve stof maximaal is en de oppervlaktespanningen die het rechttrekken van de longblaasjes verhinderen minimaal zijn, kost het daaropvolgende rechttrekken van de longblaasjes tijdens de inademing minder energie.

De belangrijkste fysiologische functies van oppervlakteactieve stoffen zijn:

• verhoogde longcompliantie als gevolg van een afname van de oppervlaktespanning;
• het verminderen van de kans op ineenstorting van de longblaasjes tijdens het uitademen, omdat bij lage longvolumes (aan het einde van de uitademing) de activiteit ervan maximaal is en de krachten van de oppervlaktespanning minimaal zijn;
• het voorkomen van de herverdeling van lucht van kleinere naar grotere alveoli (volgens de wet van Laplace).

Bij ziekten die gepaard gaan met een tekort aan surfactanten neemt de stijfheid van de longen toe, ontstaat er een ineenstorting van de longblaasjes (atelectase) en treedt ademhalingsfalen op.

[ 1 ]

Plastische terugslag van de borstwand

De elastische eigenschappen van de borstwand, die ook een grote invloed hebben op de aard van de longventilatie, worden bepaald door de toestand van het skeletstelsel, de tussenribspieren, de zachte weefsels en de pariëtale pleura.

Bij minimale borst- en longvolumes (tijdens maximale uitademing) en aan het begin van de inademing is de elastische terugvering van de borstwand naar buiten gericht, wat een negatieve druk creëert en longexpansie bevordert. Naarmate het longvolume tijdens de inademing toeneemt, neemt de elastische terugvering van de borstwand af. Wanneer het longvolume ongeveer 60% van de VC-waarde bereikt, neemt de elastische terugvering van de borstwand af tot nul, d.w.z. tot het niveau van de atmosferische druk. Bij een verdere toename van het longvolume is de elastische terugvering van de borstwand naar binnen gericht, wat een positieve druk creëert en longcollaps bevordert tijdens de daaropvolgende uitademing.

Sommige ziekten gaan gepaard met een verhoogde stijfheid van de borstkas, waardoor de borstkas minder goed kan rekken (tijdens het inademen) en inzakken (tijdens het uitademen). Voorbeelden van dergelijke ziekten zijn obesitas, kyfoscoliose, longemfyseem, massieve verklevingen, fibrothorax, enzovoort.

Openheid van de luchtwegen en mucociliaire klaring

De doorgankelijkheid van de luchtwegen hangt grotendeels af van de normale afvoer van tracheobronchiale secreties, die in de eerste plaats wordt gegarandeerd door het functioneren van het mucociliaire afvoermechanisme en een normale hoestreflex.

De beschermende functie van het mucociliaire apparaat wordt bepaald door de adequate en gecoördineerde werking van het trilhaarepitheel en het secretoire epitheel, waardoor een dunne film van secretie langs het oppervlak van het bronchiale slijmvlies beweegt en vreemde deeltjes worden verwijderd. De verplaatsing van bronchiaal slijm vindt plaats door snelle impulsen van de trilhaartjes in craniale richting met een langzamere terugkeer in de tegenovergestelde richting. De frequentie van de trilhaartjesoscillatie bedraagt 1000-1200 oscillaties per minuut, wat zorgt voor een verplaatsing van bronchiaal slijm met een snelheid van 0,3-1,0 cm/min in de bronchiën en 2-3 cm/min in de trachea.

Er moet ook rekening mee worden gehouden dat bronchiaal slijm uit twee lagen bestaat: de onderste vloeistoflaag (sol) en de bovenste viskeus-elastische gel, die in contact komt met de uiteinden van de trilhaartjes. De functie van het trilhaarepitheel hangt grotendeels af van de verhouding tussen de dikte van de yule en de gel: een toename van de dikte van de gel of een afname van de dikte van de sol leidt tot een afname van de effectiviteit van de mucociliaire klaring.

Ter hoogte van de respiratoire bronchioli en alveoli van het mucociliaire apparaat vindt hier reiniging plaats met behulp van de hoestreflex en fagocyterende activiteit van cellen.

Bij een, met name chronische, ontstekingsbeschadiging van de bronchiën wordt het epitheel morfologisch en functioneel herbouwd, wat kan leiden tot mucociliaire insufficiëntie (een afname van de beschermende functies van het mucociliaire apparaat) en tot ophoping van sputum in het lumen van de bronchiën.

Onder pathologische omstandigheden hangt de doorgankelijkheid van de luchtwegen niet alleen af van de werking van het mucociliaire klaringsmechanisme, maar ook van de aanwezigheid van bronchospasme, ontstekingsoedeem van het slijmvlies en het fenomeen van vroegtijdige expiratoire sluiting (instorting) van de kleine bronchiën.

[ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ]

Regulering van het bronchiale lumen

De tonus van de gladde spieren van de bronchiën wordt bepaald door verschillende mechanismen die verband houden met de stimulatie van een groot aantal specifieke receptoren van de bronchiën:

1. Cholinerge (parasympathische) effecten treden op als gevolg van de interactie van de neurotransmitter acetylcholine met specifieke muscarine M-cholinerge receptoren. Als gevolg van deze interactie ontstaan bronchospasme.
2. Sympathische innervatie van de gladde spieren van de bronchiën bij mensen komt in geringe mate tot uiting, in tegenstelling tot bijvoorbeeld de gladde spieren van de bloedvaten en de hartspier. Sympathische effecten op de bronchiën worden voornamelijk veroorzaakt door de werking van circulerende adrenaline op bèta-2-adrenoreceptoren, wat leidt tot ontspanning van de gladde spieren.
3. De tonus van de gladde spieren wordt ook beïnvloed door het zogenaamde "niet-adrenerge, niet-cholinerge" zenuwstelsel (NANC), waarvan de vezels deel uitmaken van de nervus vagus en verschillende specifieke neurotransmitters afgeven die interacteren met de corresponderende receptoren van de gladde spieren in de bronchiën. De belangrijkste hiervan zijn:
   • vasoactief intestinaal polypeptide (VIP);
   • stof R.

Stimulatie van VIP-receptoren leidt tot sterke ontspanning, en β-receptoren tot contractie van de gladde spieren in de bronchiën. Aangenomen wordt dat neuronen van het NANH-systeem de grootste invloed hebben op de regulatie van het lumen van de luchtwegen (KK Murray).

Bovendien bevatten de bronchiën een groot aantal receptoren die interacteren met allerlei biologisch actieve stoffen, waaronder ontstekingsmediatoren - histamine, bradykinine, leukotriënen, prostaglandinen, plaatjesactiverende factor (PAF), serotonine, adenosine, etc.

De tonus van de gladde spieren van de bronchiën wordt gereguleerd door verschillende neurohumorale mechanismen:

1. Bronchiale verwijding ontwikkelt zich bij stimulatie:
   • bèta2-adrenerge receptoren adrenaline;
   • VIP-receptoren (NANH-systeem) door vasoactief intestinaal polypeptide.
2. Vernauwing van het bronchiale lumen treedt op wanneer gestimuleerd door:
   • M-cholinerge receptoren acetylcholine;
   • receptoren voor substantie P (NANH-systeem);
   • Alfa-adrenerge receptoren (bijvoorbeeld met blokkade of verminderde gevoeligheid van bèta2-adrenerge receptoren).

Intrapulmonale luchtverdeling en de correspondentie met de bloedstroom

De onregelmatigheid in de ventilatie van de longen, die normaal gesproken voorkomt, wordt in de eerste plaats bepaald door de heterogeniteit van de mechanische eigenschappen van het longweefsel. De basale delen van de longen worden het meest actief geventileerd, en in mindere mate de bovenste delen. Een verandering in de elastische eigenschappen van de alveoli (met name bij longemfyseem) of een schending van de bronchiale doorgankelijkheid verergert de onregelmatigheid in de ventilatie aanzienlijk, vergroot de fysiologische dode ruimte en vermindert de effectiviteit van de ventilatie.

Diffusie van gassen

Het proces van gasdiffusie door het alveolair-capillaire membraan is afhankelijk van

1. door de gradiënt van de partiële druk van de gassen aan beide zijden van het membraan (in de alveolaire lucht en in de longcapillairen);
2. van de dikte van het alveolair-capillaire membraan;
3. van het totale oppervlak van de diffusiezone in de long.

Bij een gezond persoon bedraagt de partiële zuurstofdruk (PO2) in de alveolaire lucht normaal gesproken 100 mm Hg en in veneus bloed 40 mm Hg. De partiële CO2-druk (PCO2) in veneus bloed is 46 mm Hg en in alveolaire lucht 40 mm Hg. De drukgradiënt voor zuurstof is dus 60 mm Hg en voor koolstofdioxide slechts 6 mm Hg. De diffusiesnelheid van CO2 door het alveolair-capillairmembraan is echter ongeveer 20 keer groter dan die van O2. De uitwisseling van CO2 in de longen verloopt dus vrij volledig, ondanks de relatief lage drukgradiënt tussen de alveoli en de haarvaten.

Het alveolair-capillair membraan bestaat uit een oppervlakteactieve laag die het binnenoppervlak van de alveole, het alveolair membraan, de interstitiële ruimte, het pulmonaal capillair membraan, het bloedplasma en het erytrocytenmembraan bekleedt. Schade aan elk van deze componenten van het alveolair-capillair membraan kan leiden tot aanzienlijke problemen met de gasdiffusie. Als gevolg hiervan kunnen bij ziekten de bovengenoemde waarden van de partiële druk van O₂ en CO₂ in de alveolaire lucht en capillairen aanzienlijk variëren.

[ 11 ], [ 12 ]

Longbloedstroom

Er zijn twee bloedsomloopsystemen in de longen: de bronchiale bloedsomloop, die deel uitmaakt van de systemische bloedsomloop, en de pulmonale bloedsomloop zelf, oftewel de zogenaamde pulmonale bloedsomloop. Er zijn anastomoses tussen beide systemen, zowel onder fysiologische als pathologische omstandigheden.

De pulmonale bloedstroom bevindt zich functioneel tussen de rechter- en linkerhelft van het hart. De drijvende kracht achter de pulmonale bloedstroom is de drukgradiënt tussen de rechterkamer en het linkeratrium (normaal ongeveer 8 mm Hg). Zuurstofarm en met koolstofdioxide verzadigd veneus bloed stroomt via de slagaders de longcapillairen binnen. Door gasdiffusie in de alveoli wordt het bloed verzadigd met zuurstof en ontdaan van koolstofdioxide, waardoor arterieel bloed vanuit de longen via de aderen naar het linkeratrium stroomt. In de praktijk kunnen deze waarden aanzienlijk fluctueren. Dit geldt met name voor de PaO2-waarde in arterieel bloed, die doorgaans ongeveer 95 mm Hg bedraagt.

De mate van gasuitwisseling in de longen, bij een normale werking van de ademhalingsspieren, een goede doorgankelijkheid van de luchtwegen en weinig verandering in de elasticiteit van het longweefsel, wordt bepaald door de bloeddoorstromingssnelheid van de longen en de toestand van het alveolair-capillaire membraan, waardoorheen diffusie van gassen plaatsvindt onder invloed van de gradiënt van de partiële druk van zuurstof en koolstofdioxide.

Ventilatie-perfusierelatie

De mate van gasuitwisseling in de longen wordt, naast de intensiteit van de longventilatie en gasdiffusie, ook bepaald door de ventilatie-perfusieverhouding (V/Q). Normaal gesproken is de V/Q-verhouding 0,8 bij een zuurstofconcentratie in de ingeademde lucht van 21% en een normale atmosferische druk.

Als alle andere omstandigheden gelijk zijn, kan een afname van de zuurstofvoorziening in het arteriële bloed door twee redenen worden veroorzaakt:

• een afname van de longventilatie terwijl de bloedstroom op hetzelfde niveau blijft, wanneer V/Q < 0,8-1,0;
• verminderde bloedstroom met behouden alveolaire ventilatie (V/Q > 1,0).