A légzőrendszer fő feladata a gázcsere (O₂ és CO₂), amelynek több komponense van. Ventillációnak nevezzük a tüdő pumpafunkciós tevékenységét, amelynek során a légzőizmok az intrathoracalis nyomásviszonyok megváltoztatásával a levegőt a külvilág és az alveolusok között mozgatják. A külvilág és az alveolusok között, a gázcserében részt nem vevő vezető rendszert konduktív zónának vagy fiziológiás holttérnek nevezzük. Az alveoláris perfúzió szorosan szabályozott; a kettő együtt, a ventilláció (V) és perfúzió (Q), ezek hányadosával jellemezhető. A V/Q arány nagyobb a tüdő apexeken, mint a bázisokon. Az Euler-Liljestrand mechanizmus szabályozza a nem ventilláló alveolusok perfúzióját: Ha egy tüdőrész perfundált, de nem ventillált, akkor csökken a vér O₂-koncentrációja, ami hipoxiás vazokonstrikciót eredményez. A perfúziót (pl. tüdőembólia) vagy a ventillációt (pl. idegen test aspiráció) befolyásoló zavarok V/Q eltérést okozhatnak. A gázcsere egyszerű diffúzióval történik az alveolo-kapilláris membránon keresztül, egy meghatározott nyomás grádienst követve. A belélegzett és egyúttal a kapillárisokba került oxigén vagy az eritrocitákban levő hemoglobinhoz kötődik, vagy feloldódik a plazmában, míg a CO₂ ellentétes utat követve kilégzésre kerül. A légzés centrális szabályozását a medulla oblongata és a pons formatio reticulárisában elhelyezkedő légzőközpont biztosítja. Az inspiráció a légzési izomzat által vezérelt aktív folyamat, míg a kilégzés nyugalmi állapotban passzív, a tüdőszövet elasztikus tulajdonságainak köszönhető.

Ventilláció

Ventilláció

• Definíció:
• Ventillációnak nevezzük a tüdő pumpafunkciós tevékenységét, amelynek során a légzőizmok az intrathoracalis nyomásviszonyok megváltoztatásával a levegőt a külvilág és az alveolusok között mozgatják,
• A hiperventilláció és a hipoventilláció klinikai fogalma nem az oxigenizációra utal, hanem a szén-dioxid szintre,
• Ha a szén-dioxid szind 35 Hgmm alá csökken, hiperventillációról beszélünk. Ha 40 Hgmm-nél magasabb, akkor az a hiperventilláció jele,
• Belégzés: Orr → garat → gége → trachea → bronchusok → bronchiolusok → bronchiolus terminalisok,
• A belégző izmok (főleg a külső bordaközi izmok és a rekeszizom) megemelik a bordakosarat és a szegycsontot, így növelve az intrathoracalis térfogatot,
• Az intrathoracalis nyomás negatívvá válik, így a levegő beáramlik,
• Gázcsere: Bronchiolus respiratorius → ductus alveolaris → alveolusok,
• Kilégzés:
• A kilégzés (exspiráció) elsősorban passzív folyamat (azaz a tüdő passzív rugalmasságának eredménye), de a kilégző izmok (pl. bordaközi izmok, szubkosztális izmok) is segíthetnek,
• Az intrathoracalis nyomás pozitívvá válik, így a levegő kiáramlik a tüdőkből.

A ventilláció paraméterei

• Légzésszám (respirációs ráta v. RR): Légvételek darabszáma percenként, melynek normál értéke 12-20/min,
• Bradipnoe: <12,
• Tachipnoe: >20,
• Tidal volumen (V_T): Az egy belégzéssel vagy kilégzéssel mozgatott levegő mennyisége, amely kb. 0,5 l/légvétel,
• Hipopnoe: Csökkent tidal volumen,
• Hiperpnoe: Emelkedett tidal volumen,
• Percventilláció (V_E): Az a levegőtérfogat, amelyet egy perc légzés során mozgatunk (azaz a tidal volumen és a légzésszám szorazata; V_E × RR),
• Hipoventilláció: Lecsökkent percventilláció,
• Hiperventilláció: Emelkedett percventilláció,
• Élettani holttér (V_D): Az a belélegzett levegőtérfogat, amely nem vesz részt a gázcserében. A V_D az anatómiai és alveoláris holttér összege,
• Anatómiai holttér: A légzőrendszernek az a része, amely levegőt vezet (konduktív zóna), és nem vesz részt a gázcserében. Ide tartozik az orr, a garat, a légcső és a bronchiolusok,
• Alveoláris holttér: Az a ventillált levegőmennyiség, amely az alveolusokban van, de nem vesz részt a gázcserében,
• Egészséges tüdőben a V_D megegyezik az anatómiai holtterrel (normál érték: kb. 150 ml/lélegzet)
• A Bohr-egyenlet meghatározza a fiziológiai holtteret: V_D = V_T × (p_aCO₂ - p_eCO₂) / (p_aCO₂)
• A p_eCO₂ a CO₂ parciális nyomása a kilégzett levegőben,
• Alveoláris ventilláció (V_A): Az alveolusokba percenként eljutó gáztérfogat.
• V_A = (V_T - V_D) × RR

A VD nagyobb, mint az anatómiai holttér azokban a betegségekben, amelyeknél V/Q eltérés van (pl. tüdőembólia).

Ha az alveoláris ventilláció nő (hiperventilláció), több CO₂ ürül a tüdőn keresztül, vagyis a p_aCO₂ csökken. Ha az alveoláris ventilláció csökken (hipoventilláció), a p_aCO₂ nő.

Perfúzió

Definíciók

• Átlagos pulmonális artériás nyomás (mPAP): Normálisan 10–14 Hgmm,
• Pulmonális kapilláris nyomás: ∼8 Hgmm,
• Nyugalmi állapotban a pulmonális kapillárisok mindössze 50%-a perfundált. A fennmaradó 50% tartalékként szolgál, a perfúziójuk a perctérfogattal együtt nő (pl. testmozgás),
• Pulmonális vaszkuláris ellenállás (PVR): A pulmonális keringési rendszerben legyőzendő ellenállás,
• PVR = P_{pulmonális artéria} - P_{bal pitvar}/Q,
• P_{pulmonális artéria}: Pulmonális artériás nyomás,
• P_{bal pitvar}: Bal pitvari nyomás (pulmonális kapilláris éknyomás),
• Q: Perctérfogat,
• ΔP = Q × R; ezért R = ΔP/Q,
• R = 8ηl/πr⁴
• R = rezisztencia,
• η = viszkozitás,
• l = érhossz,
• r = érsugár.

Pulmonális perfúzió

• Pulmonális keringés:
• Egészséges emberekben a rezisztencia alacsony és a compliance magas,
• A vérátáramlás egyenértékű a perctérfogattal (∼5 l/perc),
• A véráramlás disztribúciója: Testhelyzettől függ, és pontosan szabályozott a ventillációval együtt a gázcsere optimalizálása érdekében,
• Álló és ülő helyzet: A gravitáció miatt a keringés a tüdőbázisban a legnagyobb,
• Hanyattfekvés: A vér majdnem egyenlően oszlik el a tüdőben.

A pulmonális véráramlás szabályozása

• A pulmonális keringés szabályozható az alveolusok ventillációjának megfelelően gázcsere optimalizálása érdekében,
• Ventilláció/perfúzió (V/Q) arány: Az alveolusokat elérő levegő és az alveoláris vérátáramlás (perfúzió) volumetrikus aránya percenként,
• Ideális V/Q arány = 1,
• Átlagos V/Q arány = 0,8,
• Az apexeknél = 3 (V>Q),
• A bázisokon = 0,6 (Q>V)
• Függőleges testhelyzetben a tüdőbázisok jobban ventillálhatók és perfundálhatók, mint a csúcsok, mivel több oxigént vesz fel a vér a jól perfundált tüdőbázisban,
• Ha egy tüdőszegmens perfundált, de nem ventillált → vér oxigén koncentrációja ↓ → hipoxiás vazokonstrikció (Euler-Liljestrand mechanizmus) → vér disztribúció a rosszul ventilláló helyekről a jobban ventilláló területekre,
  • Annak érdekében, hogy a V/Q arány állandó maradhasson, a tüdő erei vazokonstrikcióval válaszolnak a hipoxiára,
  • Ezzel szemben a más szervekben a hipoxiában vazodilatáció fokozza a perfúziót.

V/Q aránytalanság

• Leírás:
• A teljes tüdőventilláció (légáram; V) és a teljes tüdőperfúzió (véráramlás; Q) közötti egyensúly megbomlása,
• Megnövekedett A-a grádiens jellemzi,
• Akkor fordul elő, ha a ventilláció, a perfúzió, vagy mindkettő úgy változik, hogy e két paraméter már nem egyezik,
• A hipoxémia a leggyakoribb oka,
• Megnőtt V/Q arány (holttér): Rosszul perfundált alveolusok ventillációja (holttér ventilláció; ha Q=0 → V/Q arány = ∞),
• Lehetséges okok:
• Érobrstrukció (pl. tüdőembólia, obstruktív sokk),
• Testmozgás (a perctérfogat növekedése az apikális kapillárisok dilatációjához vezet),
• A p_aO₂ 100% O₂-vel javítható,
• Csökkent V/Q arány (sönt): Rosszul ventilláló alveolusok perfúziója (söntkeringés; ha V=0 → V/Q = 0),
• Lehetséges okok:
• Légutak elzáródása (pl. idegen test aspiráció),
• Pneumonia, atelektázia, cisztás fibrózis, tüdőödéma,
• A p_aO₂ 100% O₂-vel nem javítható.

Gázcsere

A tüdő fő funkciója a gázcsere (O₂ és CO₂), amely egyszerű diffúzióval történik az alveolusok barrierjén keresztül. A gázok a nyomásgradienseket követve, szabad diffúzióval, passzív módon mozognak, így ez a folyamat nem energia igényes. A kapillárisokban az oxigén az eritrocitákban kötődik a hemoglobinhoz, vagy a plazmába oldódik (oxigenizáció). A CO₂ az alveolusokba diffundálva kilégzésre kerül.

Diffúzió (gázcsere)

• Diffúzió: V_gáz = A × D_k × (P1 – P2)/Δ_x
• A = az alveolusok barrierjének felülete,
• D_k = a gáz diffúziós együtthatója,
• P1 – P2 = parciális nyomás grádiens,
• Δ_x = alveoláris falvastagság,
• A diffúziót befolyásoló tényezők:
• A levegő összetétele,
• Gázok oldhatósága (pl. CO2 > O₂ > N₂),
• Parciális nyomás grádiens: A belélegzett levegő és a vérben oldott gázok parciális nyomásainak különbsége,
• Parciális nyomás: Egyetlen gáz nyomása egy gázkeverékben,
• A gázok a magas parciális nyomású területek felől az alacsony parciális nyomású területek felé vándorolnak,
• A parciális nyomás grádiens határozza meg a diffúzió sebességét,
• Alveolo-kapilláris membrán felület:
• Normálisan ∼100 m²,
• Csökken emfizémában,
• Alveolo-kapilláris membrán vastagság:
• Normálisan 0,6 μm,
• Megvastagszik fibrózisban
• Diffúziós kapacitás: Az alveolusoktól az eritrocitákba történő gázcsere mértéke,
• A tüdő diffúziós kapacitása szén-monoxid esetén: A tüdőkből a vérbe oldott CO mennyiségét méri.

Alveoláris-artériás (A-a) grádiens

• Definíció: Az alveolusokban (A) és az artériás (a) vérben levő oxigén parciális nyomásának különbsége (normálisan 75-100 Hgmm),
• Formulák:
• A-a grádiens = PAO₂ - p_aO₂,
• A p_aO₂-t artériás vérgázzal méréssel kapjuk meg, míg a PAO₂-t az alveoláris gázegyenlet segítségével számoljuk ki,
• Becsült életkor/4 + 4 (pl. 60 évesnél fiatalabb egyén esetében a gradiensnek <19-nek kell lennie),
• Alveoláris gázegyenlet: P_aO₂ = PiO₂ - (p_aCO₂/R),
• P_iO₂ = O₂ parciális nyomása a belélegzett levegőben (∼150 Hgmm tengerszint felett),
• p_aO₂ = alveoláris p_aO₂,
• p_aCO₂ = artériás p_aCO₂,
• R = Respirációs hányados (CO₂ produkció/felhasznált O₂), jellemzően 0,8,
• Klinikai relevancia:
• Az oxigenizáció mértéke (értékeli az alveolo-kapilláris barrier működését),
• Segíthet meghatározni, hogy a hipoxémia oka intrapulmonális vagy extrapulmonális (pl. tüdőembólia vs. pangásos szívelégtelenség).,
• Normál tartományok:
• 5-10 Hgmm fiatal egyéneknél, 21% FiO₂-n, tengerszinten,
• 15-20 Hgmm egészséges, idősebb felnőttnél,
• A megnőtt A-a grádiens okai: A megnövekedett A-a grádiens fő okai a söntkeringés, V/Q aránytalanság következtében fellépő hipoxémia vagy a fibrózis, illetve ödéma okozta diffúziós károsodás. Az A-a gradiens normális marad a központi idegrendszert és a neuromuszkuláris junkciót érintő betegségek miatt fellépő hipoventilláció (nincs diffúziós deficit), illetve nagy magasság esetében (a belélegzett O₂ alacsonyabb hányada ellenére),
• Kor,
• A belélegzett oxigén magasabb koncentrációja (pl. 100% O₂-vel néhány perc alatt 50–60 Hgmm-re emelkedik),
• Jobb-bal sönt,
• Alveoláris folyadékgyülem (pl. CHF, ARDS, penumonia),
• V/Q aránytalanság (a megnövekedett holttér vagy söntölődés miatt): Például tüdőembólia, PTX, atelektázia, obstruktív tüdőbetegség, tüdőgyulladás, tüdőödéma,
• Alveoláris hipoventiláció: Intersticiális tüdőbetegség, tüdőfibrózis (általában emelkedett CO₂-val jelentkezik).

A gázcsere típusai

• Leírás: Nyugalmi állapotban a gázcsere perfúzió-limitált, vagyis a gázcserét a pulmonális kapillárisokon átáramló vér áramlási sebessége határozza meg; megerőltető tevékenység során és bizonyos, az alveolo-kapilláris membrán intaktságát befolyásoló kóros állapotokban (pl. emfizéma) a gázcserét a gáz diffúziós sebessége határozza meg,
• Perfúzió limitált gáztranszport: A gázcserét a pulmonális kapillárisokon átáramló vér sebessége limitálja, így a transzport sebessége, illetve mennyisége nem fokozható a tüdőbe jutott gáz mennyiségének emelésével, mert a kapillárisáramlás sebessége nem bír el nagyobb transzportot,
• A gázok (pl. O₂, CO₂, N₂O) szabadon diffundálhatnak az alveolo-kapilláris membránon,
• A vér koncentrációja a plazmában megegyezik az alveolusokban levő koncentrációval, mielőtt a vér elérné a kapilláris végét,
• A véráramlás növekedése fokozza a gázcserét,
• Előfordulás: Nyugalomban,
• Diffúzió limitált gáztranszport: A gázcserét a gáz (például O₂, CO) diffúziós sebessége korlátozza a alveolo-kapilláris membránon át, így a transzport sebessége, illetve mennyisége nem fokozható a véráramlás sebességének növelésével, mert az anyag diffúzióját a diffúziós barrier limitálja,
• A plazmában lévő gázkoncentráció nincs egyensúlyban a kapilláris végével,
• Előfordulás:
• Megerőltető testmozgás,
• Egyes kórfolyamatokban, amelyek befolyásolják a diffúziós membrán intaktságát (pl. emfizéma, tüdőfibrózis).

Tüdő és mellkasfal compliance

Tüdő compliance

• Definíció: A tüdő tágulási képessége; ez fordítottan arányos az elaszticitással, amely a tüdőszövet rugalmassági tulajdonságai által létrehozott disztenzióval szembeni ellenállás,
• Mérés: A tüdő volumen változása egységnyi nyomásváltozásra vonatkoztatva (C = ΔV/ΔP),
• Növekedett: Emfizéma (a tüdő könnyebben kitöltődik), öregedés,
• Csökkent: Fokozott rigiditással járó állapotok (pl. fibrózis, ödéma, pneumokoniózisok, ARDS).

A surfactant csökkenti az alveolusok felületi feszültségét, és ezáltal növeli a tüdő compliance-t.

Mellkasfali dinamika

• Nyugalmi kilégzési pozíció (funkcionális reziduális kapacitás):
• A mellkasfal kitágul (a tüdő pedig összehúzódna passzív elaszticitása miatt). A tüdő elaszticitásának kb. egyharmada a tüdő elasztikus szálainak, kétharmada pedig az alveolusok felületi feszültségének köszönhető,
• Alveoláris és légúti nyomás = légköri nyomás (nulla állapot),
• Légköri nyomás (nulla állapot) = a funkcionális reziduális kapacitás állapota,
• Ha az FRC nulla, akkor a pulmonális vaszkuláris ellenállás is a legalacsonyabb állapotában van,
• Az intrapleurális nyomás negatív (a tüdő expandál, atelektázia ↓),
• Inspiráció:
• Az intrathoracalis nyomás még negatívabbá válik → a tüdő megtöltődik levegővel,
• Belégző izmok: Főleg a külső interkosztális izmok és a rekeszizom (emelik a bordákat és a szegycsontot),
• Exspiráció:
• Az intrathoracalis nyomás pozitívabbá válik, így a tüdő összeomlik,
• Kilégző izmok: Főleg belső és legbelső interkosztális izmok, illetve a szubkosztális izmok.

Légúti rezisztencia

• Definíció: A felső és az alsó légutakon átáramló levegő ellenállása, amelyet a súrlódási erők okoznak a belégzés és a kilégzés során (normálisan 2-3 cm H₂O/l/s),
• Függ:
• A légutak átmérőjétől: Minél kisebb az átmérő, annál nagyobb az rezisztencia,
• A légáramlás sebességétől (laminális áramlás < turbulens áramlás),
• A belélegzett gáz viszkozitásától:
• A viszkozitás súrlódást okoz,
• Minél nagyobb a viszkozitás, annál nagyobb az rezisztencia,
• A párhuzamos légutak számától:
• Az ellenállás az elágazások minden egyes generációjánál csökken,
• A nagy és közepes méretű légutakban az ellenállás nagyobb, mint a kis légutakban,
• Fokozódik: Erőltetett kilégzés, obstruktív tüdőbetegségek (pl. asztma, COPD),
• Csökken: Megterhelés.

A légúti rezisztencia a kis légutakban a legalacsonyabb a számos párhuzamos elágazó bronchiolus miatt. A legnagyobb rezisztencia a nagy légutakat jellemzi (trachea, bronchusok).

Légzés reguláció

A légzés szabályozása centrálisan, a légzőközpontban megy végbe a medulla oblongata formatio reticularisa és a pons területén.

Medulláris központ

• Funkció: A légzőizmok ritmikus innervációjáért felel; különféle légzési ingerek befolyásolják,
• Dorzális csoport:
• Létrehozza a belégzést,
• Input: Perifériás kemoreceptorok és mechanoreceptorok (a n. vaguson és a n. glossopharyngeuson keresztül),
• Output: N. phrenicus,
• Ventrális csoport:
• Létrehozza a kilégzést,
• A kilégzés általában passzív, csak testmozgás közben válik aktív folyamattá,
• A nyugalmi kilégzést főként a tüdőszövet elasztikus tulajdonságai szabják meg.

Hídi központ

• Funkció: Modulálja a medulláris központ aktivitását,
• Apneusztikus központ:
• Szabályozza a légzés intenzitását,
• Elősegíti a mély, ziháló inspirációt (apneusis) a dorzális csoport stimulálásával és a pneumotaxikus központ gátlásával,
• Pneumotaxikus központ:
• Szabályozza a légzési frekvenciát és a légzés mintáját,
• Korlátozza vagy késlelteti a kilégzést.

Reguláció

• Légzési ingerek:
• pCO₂ ↑: A legerősebb légzési drive (normál körülmények között),
• pO₂ ↓
• A legerősebb légzési drive krónikus hiperkapnia (pl. COPD esetén),
• A légzőközpont toleranciát alakít ki a megnövekedett pCO₂-vel szemben, ezért a krónikusan emelkedett pCO₂ ≥70 Hgmm (pl. COPD-ben) gátolja a légzőközpontot, ahelyett, hogy stimulálná,
• pH ↓
• Nem specifikus ingerek: Láz, fájdalom, noradrenalin,
• Receptorok:
• Centrális kemoreceptorok a medulla oblongatában: A pCO₂ és pH csökkenésének érzékelése,
• Perifériás kemoreceptorok az aortában és a carotisokban (carotis test) a IX-es és X-es idegen keresztül: A pO₂ (<60 Hgmm) és pH csökkenésének, illetve pCO₂ emelkedésének érzékelése,
• Mechanoreceptorok a légutakban és a légzőizmokban,
• Válaszok:
• Hering-Breuer inflation reflex:
• Gátolja a belégzést, hogy megelőzze a tüdők hiperinflációját és az alveoláris sérüléseket,
• A tüdő mechanoreceptorai és a n. vagus afferensei által mediált folyamat,
• Merülő reflex: A fej alámerítése perifériás vazokonstrikciót, a vér szívbe és agyba való disztribúcióját, valamint a pulzus lassulását váltja ki, ami optimalizálja a légzést. Ez a reflex különösen kifejezett a csecsemőknél, de kiváltható jéghideg nedves törülköző arcra helyezésével vagy a fej jeges vízbe merítésével → pulzusszám ↓ (alkalmazható szupraventrikuláris tachycardia megszüntetésére),
• Spinális válaszok: További légzőizmok bevonása (pl. hipoventilláció kompenzálására) a motoneuronok légzőközpont általi stimulálásán keresztül,
• Felső légúti válaszok (pl. köhögés, tüsszögés).

A krónikusan megemelkedett pCO₂ ≥70 Hgmm (pl. COPD-ben) gátolja a légzőközpontot, nem pedig stimulálja azt.

Oxigén depriváció

Légzés adaptáció

A légzés adaptációja a megterheléshez

• A fokozott O₂ fogyasztás és a CO₂ termelés a ventilláció mélységéének és frekvenciájának növekedéséhez vezet (hiperventiláció),
• Vénás CO₂ ↑ és vénás O₂ ↓
• A p_aCO₂ és a p_aO₂ a hiperventiláció ellenére is normális marad, mert az oxigénellátás és a CO₂ kimosódásásának növekedése arányban van az izmok oxigénfogyasztásának és CO₂-termelésének növekedésével,
• Pulmonális vérátáramlás ↑ (a megnövekedett perctérfogat miatt),
• Artériás pH ↓ (a laktát acidózis miatt),
• Az oxigén disszociációs görbe jobbra tolódása,
• Az oxigén-diffúzió diffúzió-limitálttá válik (nyugalmi állapotban perfúzió-limitált),
• A V/Q arány egyenletesebb, mint nyugalmi állapotban: A vér áramlása az apikális pulmonális kapillárisokban általában alacsony, és a V/Q arány ebben a régióban általában magas (kb. 3:1). Megterhelő tevékenység közben több tüdőér nyílik meg → az apikális régióban a V/Q arány megközelíti az alsó tüdőszegmensekét.

A légzés adaptációja a magassághoz

A magassággal csökkenő légköri oxigén (PiO₂) számos adaptációs mechanizmust vált ki a légzőrendszerben. A nagy magassághoz való elégtelen alkalmazkodás magaslati betegséget eredményez.

• p_aO₂ ↓ → légzési frekvencia (hipoxémiával stimulálva) ↑ → p_aCO₂ ↓ és artériás pH ↑ (respiratorikus alkalózis),
• Renális HCO^-₃ szekréció ↑ (a respiratorikus alkalózis kompenzálására),
• Pulmonális vaszkuláris rezisztencia ↑ (Euler-Liljestrand reflex): Krónikus hipoxia → pulmonális vazokonstrikció → pulmonális-hipertenzioió → jobb kamrai hipertrófia,
• Hemoglobin és hematokrit ↑ (a megnövekedett eritropoetin plazmaszint miatt),
• 2,3-BPG koncentráció ↑ → Hb-affinitás az oxigénhez ↓ → az oxigén disszociációs görbe jobbra tolódása,
• A mitokondriumok száma a sejtekben ↑

A légzés adapcáiós képességei időskorban

• Mellkas fali compliance ↓
• Tüdőcompliance ↑
• p_aO₂ ↓ és A-a grádiens ↑
• V/Q aránytalanság ↑
• Erőltetett vitálkapacitás ↓
• Érzékenység az aspirációra és fertőzésekre ↑