Fizjologia regulacji oddychaniaOdpowiedź oddechowa na hipoksję
Fizjologia regulacji oddychaniaOdpowiedź oddechowa na hipoksję
Monika Franczuk
Wojskowy Instytut MedycznyWarszawa 2013
Monika Franczuk
Wojskowy Instytut MedycznyWarszawa 2013
Zakład Fizjopatologii Oddychaniaim. prof. Antoniego Koziorowskiego
Instytut Gruźlicy i Chorób Płuc
OddychanieOddychanie
Utrzymanie prawidłowego składu gazometrycznego krwi: prawidłowego pH, prężności tlenu (PaO2) i prężności dwutlenku węgla (PaCO2) we krwi tętniczej i płynie mózgowo-rdzeniowym
Dostosowanie wentylacji i wymiany gazowej do aktualnego zapotrzebowania ustroju
układ regulacji oddychania
Utrzymanie prawidłowego składu gazometrycznego krwi: prawidłowego pH, prężności tlenu (PaO2) i prężności dwutlenku węgla (PaCO2) we krwi tętniczej i płynie mózgowo-rdzeniowym
Dostosowanie wentylacji i wymiany gazowej do aktualnego zapotrzebowania ustroju
układ regulacji oddychania
Układ regulacji oddychaniaUkład regulacji oddychaniaOŚRODKI WYŻSZE
W MÓZGUOŚRODKI WYŻSZE
W MÓZGU
Ośrodkowy generator rytmu oddechowego
(grupy neuronów w pniu mózgu)
Ośrodkowy generator rytmu oddechowego
(grupy neuronów w pniu mózgu)
Rdzeniowe neurony ruchoweRdzeniowe neurony ruchowe
Mięśnie ścian klatki piersiowejMięśnie ścian klatki piersiowej
PłucaPłuca
WENTYLACJAWENTYLACJA
pH, O2, CO2pH, O2, CO2
ChemoreceptoryChemoreceptoryMechanoreceptoryMechanoreceptorySAR, RAR,
proprioreceptory, włókna C
Obwodowe, centralne
Ośrodek oddechowy -jądra rdzenia przedłużonego i mostu
Ośrodek oddechowy -jądra rdzenia przedłużonego i mostu
Integruje i przetwarza bodźce z:– receptorów chemowrażliwych, – mechanoreceptorów układu oddechowego, – kory mózgowej, – układu limbicznego – generatora rytmu oddechowego
Dostosowanie napędu oddechowego stosowanie do aktualnych bodźców dośrodkowych
Czynności złożone – śpiew, śmiech, mowa Modyfikowanie siłą woli, uczucie duszności (połączenia
z korą mózgową) Wpływ emocji – układ limbiczny
Integruje i przetwarza bodźce z:– receptorów chemowrażliwych, – mechanoreceptorów układu oddechowego, – kory mózgowej, – układu limbicznego – generatora rytmu oddechowego
Dostosowanie napędu oddechowego stosowanie do aktualnych bodźców dośrodkowych
Czynności złożone – śpiew, śmiech, mowa Modyfikowanie siłą woli, uczucie duszności (połączenia
z korą mózgową) Wpływ emocji – układ limbiczny
Ośrodek oddechowy- generator rytmu oddechowego
Wytwarzanie impulsów bez zewnętrznego pobudzenia –
aktywność rozrusznika
Naprzemienna aktywność neuronów wdechowych i
wydechowych
Liczne połączenia synaptyczne
Lokalizacja: (najprawdopodobniej dogłowowe brzuszno –
boczne części rdzenia przedłużonego i mostu)
Ośrodek oddechowyOśrodek oddechowy Grupa pnia mózgu (automatyczna)
– Ośrodek pneumotaksyczny (nucl. Kolliker-Fuse)– Ośrodek apneustyczny– Ośrodek rdzeniowy:
Neurony grupy grzbietowej (DRG)– neurony wdechowe (jądro pasma samotnego) – impulsy dośrodkowe z receptorów dróg oddechowych, kłębków
szyjnych i aortalnych
Neurony grupy brzusznej (VRG)– neurony mieszane gł. wydechowe (pasmo w brzusznobocznej części
rdzenia przedłużonego - j.dwuznaczne i tylnodwuznaczne), impulsy dośrodkowe z GDO, chemoreceptorów obwodowych i włókien C
Grupa kory mózgowej (wolicjonalna)– Kontrola aktywności oddechowej w różnych warunkach: śpiew, śmiech, dowolne zatrzymanie oddechu
Grupa pnia mózgu (automatyczna)– Ośrodek pneumotaksyczny (nucl. Kolliker-Fuse)– Ośrodek apneustyczny– Ośrodek rdzeniowy:
Neurony grupy grzbietowej (DRG)– neurony wdechowe (jądro pasma samotnego) – impulsy dośrodkowe z receptorów dróg oddechowych, kłębków
szyjnych i aortalnych
Neurony grupy brzusznej (VRG)– neurony mieszane gł. wydechowe (pasmo w brzusznobocznej części
rdzenia przedłużonego - j.dwuznaczne i tylnodwuznaczne), impulsy dośrodkowe z GDO, chemoreceptorów obwodowych i włókien C
Grupa kory mózgowej (wolicjonalna)– Kontrola aktywności oddechowej w różnych warunkach: śpiew, śmiech, dowolne zatrzymanie oddechu
Chemoreceptory centralne (brainstem chemoreceptors)Chemoreceptory centralne
(brainstem chemoreceptors)
– obszary chemowrażliwe na brzuszno-bocznej powierzchni rdzenia przedłużonego (nucl.tractus solitari, locus ceruleus, nucl. retrotrapezoideus)
– pH, PaCO2 zwiększenie lokalnego stężenia [H+] CSF pobudza czynność ośrodka oddechowego
– Anhydraza węglanowa
– Stymulacja receptorów – zwiększenie częstości i sygnału i tempa przewodzenia sygnałów skutkujące zwiększeniem częstości rytmu oddechowego;
– Histydyna – aminokwas włączony w proces recepcji i przenoszenia bodźca wrażliwości na pH (sensor molecule)
– obszary chemowrażliwe na brzuszno-bocznej powierzchni rdzenia przedłużonego (nucl.tractus solitari, locus ceruleus, nucl. retrotrapezoideus)
– pH, PaCO2 zwiększenie lokalnego stężenia [H+] CSF pobudza czynność ośrodka oddechowego
– Anhydraza węglanowa
– Stymulacja receptorów – zwiększenie częstości i sygnału i tempa przewodzenia sygnałów skutkujące zwiększeniem częstości rytmu oddechowego;
– Histydyna – aminokwas włączony w proces recepcji i przenoszenia bodźca wrażliwości na pH (sensor molecule)
Chemoreceptory obwodowe kłębki szyjne (glomus caroticum, carotid body)
– unerwienie n. zatokowy Heringa (n. językowo-gardłowy),
– unaczynienie – t. szyjna zewnętrzna (2 L/min/100g!)
– PaO2 , [H+], (PaCO2?)
– Wzrost wentylacji gł. zwiększenie VT > f
– Neuromediator ATP, pobudzenie receptorów P2X2 i P2X3
– Odnerwienie kłębka szyjnego obustronne - całkowite zniesienie odpowiedzi na izolowany bodziec hipoksyczny
kłębki aortalne –– unerwienie -n. błędny,
– zmiany ciśnienia tętniczego
– wrażliwość na zmiany PaO2 u niemowląt i małych dzieci
Metody oceny regulacji oddychania
Badanie wzorca oddechowego
Pomiar ciśnienia okluzji (P0.1)
Testy chemicznej kontroli oddychania– odpowiedź oddechowa na narastającą hiperkapnię
– odpowiedź oddechowa na pogłębiającą się hipoksemię
– mieszanka hiperoksyczna
– zastosowanie dodatkowego oporu zewnętrznego
– w czasie wysiłku fizycznego
– w czasie snu
Badanie wzorca oddechowego
Pomiar ciśnienia okluzji (P0.1)
Testy chemicznej kontroli oddychania– odpowiedź oddechowa na narastającą hiperkapnię
– odpowiedź oddechowa na pogłębiającą się hipoksemię
– mieszanka hiperoksyczna
– zastosowanie dodatkowego oporu zewnętrznego
– w czasie wysiłku fizycznego
– w czasie snu
Test oddychania zwrotnego - narastająca hipoksemia w warunkach izokapni wg Rebucka i Campbella)
Test oddychania zwrotnego - narastająca hipoksemia w warunkach izokapni wg Rebucka i Campbella)
TEST HIPOKSYCZNYTEST HIPOKSYCZNY
Odpowiedź wentylacyjna– V/ SaO2 L/min/%
(slope)– intercept– V - SaO2 80 %
Odpowiedź wentylacyjna– V/ SaO2 L/min/%
(slope)– intercept– V - SaO2 80 %
Odpowiedź ciśnieniowaP0.1/ SaO2 cmH2O/%
(slope)interceptP0.1 - SaO2 80 %
Odpowiedź ciśnieniowaP0.1/ SaO2 cmH2O/%
(slope)interceptP0.1 - SaO2 80 %
40 60 80 100 SaO2 [%]
MV
[L/m
in]
40
30
20
10
Czynniki modyfikujące kontrolę oddychania
Czynniki modyfikujące kontrolę oddychania
Czynniki genetyczne - głównie odpowiedź na hipoksję Czynniki środowiskowe
– przewlekła hipoksja sinicze wady serca urodzeni na dużych wysokościach
– aktywność fizyczna– czynniki antropometryczne (płeć, wiek, masa ciała) i etniczne– hormony (progesteron, hormony tarczycy), lek, substancje
czynne biologicznie– sen– rytm biologiczny– stres, ograniczony wpływ woli
Czynniki genetyczne - głównie odpowiedź na hipoksję Czynniki środowiskowe
– przewlekła hipoksja sinicze wady serca urodzeni na dużych wysokościach
– aktywność fizyczna– czynniki antropometryczne (płeć, wiek, masa ciała) i etniczne– hormony (progesteron, hormony tarczycy), lek, substancje
czynne biologicznie– sen– rytm biologiczny– stres, ograniczony wpływ woli
Obniżona odpowiedź oddechowa na hipoksję
Obniżona odpowiedź oddechowa na hipoksję
Obniżona odpowiedź chemoreceptorów obwodowych – wrodzona– nabyta (uraz, stan po odnerwieniu zatoki szyjnej)– przewlekła hipoksemia – urodzeni na dużych
wysokościach, wady serca
Choroby nerwowo-mięśniowe np. miastenia, poliomyelitis
Restrykcja, obturacja, deformacja klatki piersiowej
Obniżona odpowiedź chemoreceptorów obwodowych – wrodzona– nabyta (uraz, stan po odnerwieniu zatoki szyjnej)– przewlekła hipoksemia – urodzeni na dużych
wysokościach, wady serca
Choroby nerwowo-mięśniowe np. miastenia, poliomyelitis
Restrykcja, obturacja, deformacja klatki piersiowej
Kontrola oddychania w czasie snu
Zmniejszenie napięcia mięśni dróg oddechowych
Hypowentylacja w czasie snu wolnofalowego (Vt, f) –wzrost PaCO2 o 2-7 mmHg i spadek PaO2 o 2-7 mmHg
Obniżenie wrażliwości ośrodka oddechowego ze spadkiem odpowiedzi oddechowej o 15-20% (nawet do 30% w fazie REM)
Obniżenie odpowiedzi oddechowej na hipoksję o15-25 %
Zmienna wentylacja minutowa, możliwy ośrodkowy oddech okresowy w fazie NREM
Kontrola oddychania u noworodków
Zdecydowanie niższa wrażliwość na obniżenie PaO2 (tym niższa im młodszy wiek urodzeniowy) -adaptacja do warunków płodowych PaO2 (30 mmHg)
Hipoksemia i niedotlenienie OUN prowadzi do zmniejszenia oddechowego i spadku wentylacji.
Bodźcem pobudzającym jest hiperkapnia.
Kontrola oddychania w wieku podeszłym
Wzorzec oddychania: – wentylacja minutowa (V’) – VT– częstość (f)
Odpowiedź na hipoksję - o ok. 50% Odpowiedź na hiperkapnię - o ok.60%
upośledzenie integrowania bodźców ze struktur receptorowych i generowania odpowiedniej aktywności efektorów;
Obniżenie percepcji dodatkowego oporu i skurczu oskrzeli (np. w czasie BHR) upośledzenie mechanizmów obronnych
Większa częstość występowania zaburzeń oddychania w czasie snu (44% dla AHI≥20 vs 4-9% w populacji wieku średniego)
Odpowiedź oddechowa na hipoksję u chorych na astmę oskrzelową
Odpowiedź oddechowa na hipoksję u chorych na astmę oskrzelową
odpowiedzi wentylacyjne i napędu oddechowego na bodziec hipoksyczny
obniżenie chemowrażliwości i zmniejszone odczuwanie duszności u chorych ze stanami astmatycznymi w wywiadzie (Kikuchi) -wykrywanie predyspozycji do występowania astmy o ciężkim przebiegu?
rodzinne występowanie obniżonej odpowiedzi na bodziec hipoksyczny? (Hudgel)
odpowiedzi wentylacyjne i napędu oddechowego na bodziec hipoksyczny
obniżenie chemowrażliwości i zmniejszone odczuwanie duszności u chorych ze stanami astmatycznymi w wywiadzie (Kikuchi) -wykrywanie predyspozycji do występowania astmy o ciężkim przebiegu?
rodzinne występowanie obniżonej odpowiedzi na bodziec hipoksyczny? (Hudgel)
Odpowiedzi oddechowe na narastającą hipoksję - astmaOdpowiedzi oddechowe na narastającą hipoksję - astma
Odpowiedź wentylacyjna
MV/
SaO
2 [L
/min
/%]
0
1
2
3
4
5
6
A-sa A-nsa K
Odpowiedź ciśnieniowa
P0.1
/SaO
2 [c
mH 2O
/%]
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
Asa Ansa K
górna granica normy (X+ 1.64SD)
Pierwotny zespół hipowentylacji pęcherzykowej (klątwa Ondyny)
idiopathic congenital central hypoventilation syndrome
Choroba genetycznie uwarunkowana (mutację genu homeotycznego PHOX2B , kodujacego białko transkrypcyjne),
Stała hipowentylacja podczas snu z adaptacją do skrajnie wysokich wartości PaCO2 ~100 mmHg, gł. w NREM,
Upośledzona odpowiedź na hiperkapnie i hipoksemię,
Nie stwierdza się współistniejącej choroby układu oddechowego, nerwowo-mięśniowego czy krążenia,
Epidemiologia – 300 przypadków (Weese-Mayer DE, Berry-Kravis EM. Genetics of congenital central hypoventilation syndrome: lessons from a seemingly orphan disease. „Am J Respir Crit Care Med”. 170. 1, s. 16-21, 2004.
Rozpoznanie (Weese-Mayer DE i wsp. Case/control family study of autonomic nervous system dysfunction in idiopathic congenital central hypoventilation syndrome. „Am J Med Genet”. 2001. ):
– stała hipowentylacja podczas snu (PaCO2 >60 mm Hg);– wystąpienie objawów w ciągu pierwszych lat życia;– brak współistniejącej choroby płuc lub dysfunkcji nerwowo-mięśniowej, mogącej powodować
hipowentylację;– brak współistniejącej choroby serca.
John Wiliam Waterhause 1872
Zastosowanie klinicznetestów regulacji oddychania
Zastosowanie klinicznetestów regulacji oddychania
Pneumonologia Neurologia Anestezjologia Transplantologia Choroby wewnętrzne Farmakologia kliniczna Fizjologia kliniczna i stosowana
Pneumonologia Neurologia Anestezjologia Transplantologia Choroby wewnętrzne Farmakologia kliniczna Fizjologia kliniczna i stosowana
Zastosowanie klinicznych testów regulacji oddychania
Pneumonologia:różnicowanie pomiędzy ośrodkowymi i obwodowymi
mechanizmami hipowentylacji,ocena skuteczności tlenoterapii, ale także ocena ryzyka jej
zastosowania w kontekście obniżenia napędu oddechowego przyzastosowaniu zbyt wysokich stężeń tlenu.stwierdzenie więc niskiej czy też obniżonej chemowrażliwości,
pozwala na objęcie tego typu pacjentów szczególną uwagą jakogrupy ryzyka.ocena działania leków czy innych środków farmakologicznych,
których działanie może zmieniać aktywność ośrodka oddechowegoczyli pobudzających oraz hamujących oddychanie.
Zespół hipowentylacji związanej z otyłością OSA Wrodzony zespół hipowentylacji centralnej Choroby z zajęciem CUN Nadczynność i niedoczynność tarczycy Sporty ekstremalne, nurkowanie, wspinaczka wysokogórska Przygotowanie do lotu samolotem:
– ciśnienie na poziomie 2438 m, – ciśnienie parcjalne tlenu ~15,1% npm, – spadek u zdrowych osób PaO2 do wartosci 60-75 mmHg, SaO2
89-94%,– próba hipoksemiczna – hypoxic challange testing
Zespół hipowentylacji związanej z otyłością OSA Wrodzony zespół hipowentylacji centralnej Choroby z zajęciem CUN Nadczynność i niedoczynność tarczycy Sporty ekstremalne, nurkowanie, wspinaczka wysokogórska Przygotowanie do lotu samolotem:
– ciśnienie na poziomie 2438 m, – ciśnienie parcjalne tlenu ~15,1% npm, – spadek u zdrowych osób PaO2 do wartosci 60-75 mmHg, SaO2
89-94%,– próba hipoksemiczna – hypoxic challange testing
Regulacja oddychania - kiedy warto badać?Regulacja oddychania - kiedy warto badać?