Oksygentransport - tilbud og etterspørsel

Trinn 2 2018 OsloMet Storbyuniversitetet Oksygentransport - tilbud og etterspørsel Fredrik Hetmann Intensivsykepleier/Universitetskolelektor Videreutdanning og Master i intensivsykepleie

Begreper: Respirasjon Gasstransport fra atmosfæren til den minste cellen Ventilasjon Gasstransport fra atmosfæren til alveolene Gassutveksling Gassutveksling mellom alveolene og cellene alveoler celler celler alveoler

Luftveiene Øvre luftveier Nesehulen Munnhulen Svelget (farynks) Nedre luftveier Strupehodet (larynks) Luftrøret (trakea) Luftrørsforgreiningene Bronkiene Bronkioler Alveoler

Lungefysiologi Fra trakea til den minste alveole har luftveiene vært igjennom 23 delinger Gasstransport foregår fra 1-16: Trakea Hø og ve hovedbronkie Lappebronkier Segmentbronkier Bronkioler Terminale bronkioler (16 delinger) Gassutveksling foregår fra 17-23 Acinus (respiratorisk bronkiole) Ca 10 000 alveoler/acinus Ca 30-40 000 acini i lungene Sekundær lobuli består av grupper på 5-12 acini (minste enhet som syns på CT) Alveoleganger utgår fra respiratoriske bronkioler Alveoleganger ender blindt i alveolesekker

Alveole

Lungefysiologi Alveoleveggen består av enlaget plateepitel Mer enn 90 % består av tynne flak av cytoplasma fra type 1- pneumocytter Type 2-pneumocytter stamcelle for type 1-celler og produksjon av surfaktant Epitelcellene ligger tett sammen hindrer passasje av større molekyler (ex. Albumin) Spalten mellom epitelcellene i kapillærene er vesentlig større og utvides ved kapillærdilatasjon hyppigere interstitielt ødem

Lungefysiologi Gassutvekslingen foregår over en svært kort avstand ca 0,6-0,8 µm Erytrocyttene har kort oppholdstid i kapillærene: 0,5 1 sek, paserer 2-3 alveoler Gassutvekslingen er unnagjort etter 1/3 av passasjen gjennom kapillærene

Boyles lov Økning av volumet i en beholder (lungene) reduserer gasstrykket (luft) Reduksjon av volumet i en beholder (lungene) øker gasstrykket (luft) Ventilasjonen styres derfor av forskjellen mellom atmosfæretrykket og alveoletrykket Atmosfæretrykket (101,3 kpa ved havoverflaten) er konstant Variasjoner i alveoletrykket styrer luftstrømmen til og fra alveolene

Inspirasjon Diafragma trekker seg sammen Brysthulen utvides Intrapleuraltrykk, transpulmonaltrykk Sug trekker lungene utover Alveoletrykket mindre enn atmosfæretrykket Luft inn til alveolene Trykkforskjellen utlignes

Ekspirasjon Musklene slapper av Brystkassen og lungene trekkes sammen Volum i brystkassen Trykk i alveolene Luft siver ut Trykket utlignes

Motstand i luftveiene Normalt liten motstand i luftveiene Hovedsakelig motstand i trakea og bronkiene En liten reduksjon av rørdiameter STOR økning i motstand (omvendt proporsjonal med fjerde potens av rørets diameter) Øker ved lungesykdommer

Motstand i luftveiene Autonome nervesystemet Glatt muskulatur i trakea og bronkialtreet Β 2 -adrenerge reseptorer Adrenalinaktivering Glatt muskulatur slapper av Diameteren øker Redusert motstand Økt adrenalinfrigjøring fra binyrene ved fysisk anstrengelse og stress (Fright and flight)

Komplianse Avhengig av lungevevets elastisitet Alveolenes overflatespenning Elastiske fibre Lungene forsøkes å trekkes sammen mot lungeroten Kuleform gir minst overflate av et bestemt volum Overflatespenningen redusere størrelsen på alveolene Surfaktant reduserer alveolenes overflatespenning

Overflatespenning Innsiden av alveolene dekket av surfaktant Proteiner, fosfolipider og ioner Rask nedbrytning av surfaktan Kontinuerlig produksjon i type 2- cellene

Alveolene forskjellig størrelse Lik overflatespenning trykket størst i de minste alveolene Luft fra små til store alveoler Små alveoler tømmes og klapper sammen Store øker i størrelse

Mer surfaktant i små alveoler Overflatespenning mest redusert i små alveoler Åpen forbindelse mellom store og små alveoler Ingen tømming og sammenklapping av alveolene

Alveoleventilasjon Slutten av ekspirasjon Luft fra alveolene Inspirasjon Frisk luft skyver luften tilbake fra dødrommet Alveoleventilasjon: RR x (V T V D ) V T V D = 0,5L 0,15L = 0,35L 12/min x 0,35L = 4,2L

GASSUTVEKSLING

Skjer ved diffusjon Transport fra områder med høy konsentrasjon til områder med lav konsentrasjon O 2 diffunderer fra alveoleluft til blod, over i væsken i interstitiet, videre gjennom cellemembranen og inn i cellen CO 2 går motsatt vei Diffusjonsveien er svært kort svært rask gassutveksling

Gassers partialtrykk Totaltrykket i en gassblanding Totalt antall gassmolekyler pr volumenhet Hver gass partialtrykk uavhengig av andre gasser Luft: 78% Nitrogen 21% oksygen Vanndamp, CO 2, andre gasser (argon, hydrogen, metan, ozon mm)

Gassers partialtrykk 1 atm = atmosfæretrykket ved havoverflaten = 101,3 kpa O 2 : 21% av atmosfæretrykket 21,3kPa CO 2 : stiger sakte 0,045kPa Gasser kan løses i væske, avhengig av: Gassens partialtrykk Gassmolekylenes kjemiske egenskaper Gassene uavhengig av hverandres partialtrykk CO 2 20 ganger mer løselig i vann enn O 2

Diffusjon av gasser partialtrykk flere molekyler løses i væsken Forskjell i partialtrykk driver diffusjonen til det oppnås likevekt po 2 høyere i alveolene enn i veneblod O 2 diffunderer til kapillærene CO 2 høyere løselighet i væske flere molekyler diffunderer

Gasstrykkene i alveolene po 2 i alveolene enn i atmosfæren Kontinuerlig diffusjon av O 2 Mettes med vanndamp Blandes med alveoleluft CO 2 fra kapillærene fortynner CO 2 lite avhengig av atmosfæretrykket pco 2 100 ganger høyere i alveolene

Gassutveksling i lungene Lungearterien Høyre ventrikkel

Gassutveksling i lungene Maks fysisk arbeid: 20 ganger oksygenforbruk Hjerteminuttvolum øke fra 5l/min til 25-30l/min Lungekapillærer åpnes Økt strømningsfart Økt kapillærareal Økt diffusjon Gassutveksling i hele kapillærets lengde

Gassutveksling i lungene Strekking av lungevevet Kortere diffusjonsvei Økt oksygenforbruk perifert Redusert po 2 venøst Økt po 2 -gradient Økt diffusjonshastighet av oksygen po 2 tilnærmet lik i hvile/hardt fysisk arbeid

Gassutveksling i lungene høyde atmosfæretrykk po 2 i luften po 2 alveolært 2000 m.o.h 80,5 kpa 15,6 kpa 9,6 kpa 3000 m.o.h 71,6 kpa 13,7 kpa 7,7 kpa 6000 m.o.h 49,2 kpa 8,9 kpa 4,7 kpa

Lungenes gjennomblødning og ventilasjon - Tyngdekraften - Minst blod gjennom lungetoppene - Mest blod basalt (stående/sittende) - Lungeventilasjonen samme mønster, men mindre forskjell

Lungenes gjennomblødning og ventilasjon Ventilasjon (V) og blodstrøm (Q) (V) ca. 4,2L (Q) ca. 5L V/Q = 0,8 V/Q forholdet Liten variasjon i basale 2/3 av lungene Øker i øverste 1/3 av lungene Liten betydning for friske!

Lungenes gjennomblødning og ventilasjon Mekanismer som regulerer gjennomblødning: Kapillærene klapper sammen ved lavt indre blodtrykk Blodstrømmen omdirigeres til andre, mer basale deler Ved unormalt lav V/Q Redusert po 2 i vevsvæsken Konstriksjon av nærliggende arterioler Blod til bedre ventilerte områder

Gassutveksling i vevene Opprettholdelse av trykkgradientene sørger for: diffusjon mellom alveolene og kapillærene diffusjon mellom kapillærene og cellene

ABIO6000 Medisinsk og naturvitenskapelig kunnskapsgrunnlag Blodets transport av O 2

Hypoksemi: Lavt oksygeninnhold i blodet primært et respirasjonsproblem Hypoksi: Lav oksygentilførsel til vevene primært et sirkulasjonsproblem

Liten del av oksygen løst i plasma 3ml/L Mesteparten bundet til hemoglobin i erytrocyttene Hb 150g/L 200 ml O 2 /L 197 ml O 2 /L (98,5%) bundet til hemoglobin O 2 forbruk: I hvile: 250ml/min Maks fysisk arbeid: >5000ml/min

Oksygenets binding til hemoglobin Hemoglobinmolekyl 4 hemgrupper 1 sentralt jernatom i hver 1 jernatom + 1 O 2 -molekyl 1 hemoglobinmolekyl = 4 O 2 -molekyler 100% O 2 -metning alle jernatomene bundet O 2 Hb + O 2 HbO 2

po 2 og hemoglobinets metning Metningsgraden er S-formet Bratt økning opp til po 2 ~ 8,0 kpa Liten økning fra 8,0 kpa til 13,3 kpa O 2 binder seg til en hemgruppe Affinitet hos de ledige hemgruppene

po 2 og hemoglobinets metning Liten reduksjon i po 2 lite påvirkning av SaO 2 40% reduksjon i po 2 13,3kPa 8,0kPa SaO 2 ~ 90%

po 2 og hemoglobinets metning Hb-mengden avgjør mengde O 2 som transporteres 1 gram Hb transporterer 1,34 ml O 2 : 200 ml ved Hb 150g/L Transportkapasiteten reduseres proporsjonalt ved redusert Hbkonsentrasjon

po 2 og hemoglobinets metning Oksygenmetning og Hb viktigere enn alveolær po 2 Hb 13,5g/ml, romluft 21% [1.34 x 13.5 x 98 ] + 0.0225 x 13.3 = 18 ml/100 ml blod 100 17.3 ml + 0.3 ml Hb 13.5g/ml, 100% oksygen [1.34 x 13.5 x 100 ] + 0.0225 x 90 = 20.1 ml/100 ml blod 100 18.1 ml + 2.0 ml Hb 7.5g/ml, romluft 21% [1.34 x 7.5 x 98 ] + 0.0225 x 13.3 = 10.15 ml/100 ml blod 100 9.85 ml + 0.3 ml

Påvirkning av Hb-metning po 2 viktigste regulator av hemoglobinets metning Andre forhold som påvirker: H + -konsentrasjon og temperatur

Påvirkning av Hb-metning 2,3-difosfoglyserat (2,3-DPG) Økt konsentrasjon i erytrocyttene Erytrocyttene mangler mitokondrier Energi ved glykolyse 2,3-DPG som biprodukt Bindes til hemoglobinet Forskyver kurven mot høyre Økt frigjøring av O 2 til vevene

Blodets transport av CO2

3 transportmåter: CO 2 løst i plasma Bundet til hemoglobin Som HCO 3 - (hydrogenkarbonat)

Løst CO 2 Produseres ved metabolisme i cellene 20 ganger mer vannløselig enn O 2 Arteriell blod: 5,3 kpa ~ 25ml/L Blandet venøst: 6,1 kpa ~ 29 ml/l ca. 10 % diffunderer til lungene

CO 2 bundet til hemoglobin Ca 20 % av CO 2 -mengden Hb + O 2 HbO 2 Hb + CO 2 HbCO 2

Ca 70 % transporteres som HCO 3 - CO 2 som HCO 3 - CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO 3 - + H + karbonsyreanhydrase

CO 2 som HCO 3 - Perifert: HCO 3 - transport ut av erytrocyttene kloridskifte (HCO 3 - ut, Cl - ut) Erytrocyttmembranen impermeabel for H + - erytrocyttene bufrer H + H + -konsentrasjon i erytrocyttene CO 2 + H 2 O HCO 3 - (kan fortsette uhindret)

CO 2 som HCO 3 - I lungene: HCO 3 - fraktes med plasma H + fraktes med erytrocyttene H + frigjøres fra erytrocyttene HCO 3 - + H + H 2 CO 3 Holder syre-base balansen stabil

Lungeperfusjon Lungekretsløpet er et lavtrykkssystem Gjennomsnittlig trykk rundt 15 mmhg (25/8 mhg) Mer pulserende flow, enn systemkretsløpet Økt blodgjennomstrøm uten særlig trykkstigning Tynnveggede kapillærer Utvider seg lett (mindre muskulatur enn systemisk) Kapillærene i lungetoppen kan raskt rekrutteres Hydrostatisk avhengig (tyngdekraften)

Lungeperfusjon Perfusjonen varierer fra lungetoppen til de basale delene av lungen West: 12-15 ganger mer perfusjon basalt vs. Lungetoppen Nunn: ved FRC (ERV+RV) forskjellen kun 3x

Shunt Når blod fra høyre hjertehalvdel ikke kommer i kontakt med ventilerte alveoler før det når venstre hjertehalvdel. Ingen gassutveksling «ekte shunt» og «uekte shunt» Normalt 1-3 % anatomisk shunt

Shunt «Ekte shunt» Opphørt diffusjon av O 2 blandet venøst blod passerer alveolen uten å få tilført nytt O 2 Årsak: totalt opphør av ventilasjon i alveolen Økt O 2 -konsentrasjon (FiO 2 ) i inspirasjonsluften har liten effekt «Uekte shunt» Misforhold ventilasjon (V)/ perfusjon (Q) Nedsatt O 2 -innhold i arterielt blod Økt O 2 -konsentrasjon (FiO 2 ) i inspirasjonsluften har god effekt

Shunt Effekten av shunt for arteriell CO 2 Områder med høyt V/Q-forhold kompenserer for områder med lavt V/Q-forhold. Dissosiasjonskurven for p a CO 2 er tilnærmet lineær. CO 2 -innholdet i blodet (ende-kapillært) er tilnærmet parallell med p A CO 2 ende-kapillært Redusert CO 2 -innhold i blodet fra områder med høyt V/Q-forhold oppveier den økningen av CO 2 i blodet som kommer fra områder med dårlig ventilasjon Dersom den totale alveolære ventilasjonen er normal, vil en økning i p a CO 2 føre til økt alveolær ventilasjon og normalisering av p a CO 2

Shunt Effekten av shunt for arteriell O 2 Pga disossiasjonskurvens S-form for HbO 2 er det annerledes enn ifh til CO 2 Blod fra området med høyt V/Q-forhold vil ha økt po 2 men liten økning av oksygenkonsentrasjonen Blod fra områder med lavt V/Q-forhold, vil både ha redusert po 2 og oksygenkonsentrasjon Arteriell po 2 vil bli redusert pga miksing av oksygenert blod og blod med redusert oksygeninnhold

Shunt Lavt V/Q-forhold: Fall i p a O 2 lokal vasokonstriksjon og omdirigering av blod til områder med bedre ventilasjon Høyt V/Q-forhold: Fall i paco 2 lokal bronkokonstriksjon og omdirigering av ventilasjon til områder med bedre perfusjon Grad av shunt F i O 2 for normalisering av p a O 2 10 % 30 % 20 % 57 % 30 % 97 % 40 % p a O 2 normaliseres ikke 50 % F i O 2 ingen effekt på p a O 2

Dødrom Inspirert gass som når alveolene, men som ikke oksygenerer det blandede venøse blodet. Manglende eller nedsatt perfusjon til alveolene Alveoler med ingen perfusjon V/Q Alveoler med nedsatt perfusjon V/Q > 0,8

Dødrom Faktorer som påvirker anatomisk dødrom: Kroppsstørrelse - Alder - Lungevolum - Stilling - Hypoksi - (bronkokonstriksjon) Medisiner og anestesigasser - (bronkodilatasjon) Lungesykdom - (emfysem) Endotrakeal tube -

Dødrom Alveolært dødrom Inspirert gass som passerer det anatomiske dødrommet og når alveolen, men som ikke oksygenerer det blandede venøse blodet. Påvirket av: Alder - Lungearterietrykk - (ex hypotensjon) Stilling - (økning av hydrostatiske forskjeller) Tidalvolum - Oksygen - (hyperoksisk vasodilatasjon), (hypoksisk vasokonstriksjon) Anestesigasser - Lungesykdommer -

Dødrom Gass fra ikke-perfunderte alveoler vil inneholde noe CO 2 fordi anatomisk dødrom inneholder noe CO 2 som kommer ned i alveolene før frisk gass. Gass fra dårlig perfunderte alveoler vil inneholde mer CO 2 enn gass fra ikkeperfunderte alveoler, men pco 2 i utåndingsluften vil være lavere enn p a CO 2 Kan måles: p a CO 2 - ETCO 2 = alveolært dødrom

Dødrom Fysiologisk dødrom Den delen av tidevolumet (V t ) som ikke deltar i gassutvekslingen Hos normalt friske V D alv ~ V D anat ~ 150 ml Totale dødrom V D alv + V D anat Forholdet mellom alveolær pco 2 og arteriell pco 2 sier noe om størrelsen på dødrommet p a CO 2 - ETCO 2 p a CO 2 Normalt 0,2 0,35 økende ratio, økende dødrom

Respirasjonssvikt Deles i to typer Type 1: respirasjonssvikt uten hyperkapni p a O 2 8 kpa, p a CO 2 normal eller lav Type 2: respirasjonssvikt med hyperkapni p a O 2 8 kpa, p a CO 2 > 6kPa

Respirasjonssvikt type 1 Årsaker Ventilasjons-/perfusjonsforstyrrelser med eller uten shunt. Nedsatt diffusjon (ikke alene) Luftveisobstruksjon (astma, KOLS, bronkiolitt) Emfysem Interstitiell lungesykdom (ILS) Pneumoni Lungestuvning/lungeødem Massive lungeembolier ARDS (acute respiratory distress syndrome)

Respirasjonssvikt type 2 Årsaker Sviktende ventilasjon med manglende utlufting av CO 2 I hovedsak «motorsvikt» Sentralnervøs respirasjonshemming Medikamenter, rusmidler Hodeskader Søvnapnesyndrom Adipositas hypoventilasjonssyndrom (Pickwicks syndrom)

Respirasjonssvikt type 2 Nevromotorisk affeksjon Nedsatt kraft i respirasjonsmuskulatur Seq etter polio, myasthenia gravis, muskeldystrofier Motorisk nervesykdom MS, ALS Tverrsnittlesjon hemmet belgfunksjon Toraksskade Medfødt toraksdeformitet Diafragmaparese Guillain Barre Sviktende belgfunksjon pga økte krav og utmattelse Økt ventilasjonsarbeid astma, KOLS, bronkiolitt, pneumoni, ILS og ARDS

Referanser Sand O, Sjaastad ØV & Haug E. 2014. Menneskets fysiologi. 2.utgave, Gyldendal Norsk Forlag, Oslo. West JB & Luks AM. 2016. West s Respiratory Physiology, The Essentials, Tenth Edition. Wolters Kluwer, Philadelphia. West JB. 2013. Pulmonary Pathophysiology, The Essentials, Eighth Edition. Wolters Kluwer, Philadelphia.