Abnormální výměna plynů

Plicní onemocnění může vést k závažným abnormalitám ve složení krevních plynů. Vzhledem k rozdílům v transportu kyslíku a oxidu uhličitého je porucha výměny kyslíku mnohem častější než porucha výměny oxidu uhličitého. Mechanismy abnormální výměny plynů jsou rozděleny do čtyř kategorií – hypoventilace, shunting, nerovnováha mezi ventilací a průtokem krve a omezení difuze.

Pokud je množství vdechovaného vzduchu vstupujícího do plic menší, než je potřeba k udržení normální výměny – stav známý jako hypoventilace – alveolární parciální tlak oxidu uhličitého stoupá a parciální tlak kyslíku téměř recipročně klesá. K podobným změnám dochází i v parciálních tlacích arteriální krve, protože složení alveolárního plynu určuje parciální tlaky plynů v krvi perfundující plíce. Tato abnormalita vede k paralelním změnám plynu i krve a je jedinou abnormalitou výměny plynů, která nezpůsobuje zvýšení normálně malého rozdílu mezi arteriálním a alveolárním parciálním tlakem kyslíku.

Při šuntování se žilní krev dostává do krevního oběhu, aniž by prošla funkční plicní tkání. Shunting krve může být důsledkem abnormální cévní (cévní) komunikace nebo průtoku krve neventilovanými částmi plic (např. alveoly naplněnými tekutinou nebo zánětlivým materiálem). Při šuntování dochází ke snížení okysličení arteriální krve, ale hladina oxidu uhličitého v arteriální krvi se nezvyšuje, přestože šuntovaná krev obsahuje více oxidu uhličitého než arteriální krev.

Různé účinky šuntování na parciální tlaky kyslíku a oxidu uhličitého jsou důsledkem rozdílné konfigurace křivek disociace obou plynů v krvi. Jak bylo uvedeno výše, křivka disociace kyslíku má tvar písmene S a dosahuje vrcholu v blízkosti normálního alveolárního parciálního tlaku kyslíku, ale křivka disociace oxidu uhličitého je strmější a nedosahuje vrcholu při zvyšování parciálního tlaku oxidu uhličitého. Když krev perfundující kolabovanou, neventilovanou oblast plic opouští plíce bez výměny kyslíku nebo oxidu uhličitého, je obsah oxidu uhličitého vyšší než normální obsah oxidu uhličitého. Zbývající zdravá část plic dostává jak svou obvyklou ventilaci, tak ventilaci, která by normálně směřovala do abnormální plíce. Tím se snižuje parciální tlak oxidu uhličitého v alveolech normální části plic. V důsledku toho má krev opouštějící zdravou část plic nižší obsah oxidu uhličitého než obvykle. Nižší obsah oxidu uhličitého v této krvi vyrovnává příliv krve s vyšším obsahem oxidu uhličitého z abnormální oblasti a složený obsah oxidu uhličitého v arteriální krvi zůstává normální. Tento kompenzační mechanismus je méně účinný než normální výměna oxidu uhličitého a vyžaduje mírné zvýšení celkové ventilace, kterého je obvykle dosaženo bez obtíží. Protože křivka disociace oxidu uhličitého je strmá a relativně lineární, může být kompenzace snížené výměny oxidu uhličitého v jedné části plic vyvážena zvýšeným vylučováním oxidu uhličitého v jiné oblasti plic.

Naproti tomu má šuntování žilní krve podstatný vliv na obsah kyslíku v arteriální krvi a parciální tlak. Krev opouštějící neventilovanou oblast plic má obsah kyslíku nižší než normální obsah (vyznačeno čtverečkem). Ve zdravé oblasti plic zvyšuje zvýšení ventilace nad normální hodnotu parciální tlak kyslíku v alveolárním plynu, a tedy i v arteriální krvi. Křivka disociace kyslíku však dosahuje plató při normálním alveolárním parciálním tlaku a zvýšení parciálního tlaku v krvi vede k zanedbatelnému zvýšení obsahu kyslíku. Smícháním krve z této zdravé části plic (s normálním obsahem kyslíku) a krve z abnormální oblasti plic (se sníženým obsahem kyslíku) vzniká složený arteriální obsah kyslíku, který je nižší než normální úroveň. Oblast zdravé plíce tedy nemůže vyvážit vliv abnormální části plíce na okysličení krve, protože křivka disociace kyslíku dosáhne při normálním alveolárním parciálním tlaku kyslíku plató. Tento vliv na okysličení krve se projevuje nejen při zkratu, ale při jakékoli abnormalitě, která vede k lokalizovanému snížení obsahu kyslíku v krvi.

Nesoulad ventilace a průtoku krve je zdaleka nejčastější příčinou poklesu parciálního tlaku kyslíku v krvi. Ke změnám obsahu oxidu uhličitého v krvi dochází minimálně, pokud není stupeň nesouladu extrémně závažný. Vdechovaný vzduch a průtok krve jsou normálně rozloženy rovnoměrně a do každého alveolu se dostává přibližně stejné množství obojího. Jakmile se shoda vdechovaného vzduchu a průtoku krve odchýlí od normálního poměru 1:1, alveoly se stávají buď nadměrně ventilovanými, nebo nedostatečně ventilovanými ve vztahu k průtoku krve. V alveolech, které jsou převentilovány, se zvyšuje množství vyloučeného oxidu uhličitého, což působí proti tomu, že v alveolech, které jsou relativně málo ventilovány, se vyloučí méně oxidu uhličitého. Nadměrně ventilované alveoly však nemohou kompenzovat ve smyslu většího okysličení nedostatečně ventilované alveoly, protože, jak ukazuje křivka disociace kyslíku, při alveolárním parciálním tlaku kyslíku je dosaženo plató a zvýšená ventilace nezvýší obsah kyslíku v krvi. Ve zdravých plicích existuje úzké rozložení poměru ventilace a průtoku krve v celé plíci, které je soustředěno kolem poměru 1:1. V případě nemoci se toto rozložení může značně rozšířit, takže jednotlivé alveoly mohou mít poměry, které se výrazně odchylují od poměru 1:1. V plicních sklípcích je poměr ventilace a průtoku krve značně odlišný od poměru 1:1. Jakákoli odchylka od obvyklého seskupení kolem poměru 1:1 vede ke snížení okysličení krve – čím větší je odchylka, tím větší je snížení okysličení krve. Na druhou stranu výměna oxidu uhličitého není abnormálním poměrem ventilace a průtoku krve ovlivněna, pokud lze dosáhnout zvýšení ventilace, které je nutné k udržení vylučování oxidu uhličitého v nadměrně ventilovaných alveolech.

Čtvrtá kategorie abnormální výměny plynů zahrnuje omezení difuze plynů přes tenkou membránu oddělující alveoly od plicních kapilár. Tuto řádnou výměnu může narušovat celá řada procesů; v případě kyslíku mezi ně patří zvýšená tloušťka alveolokapilární membrány, úbytek plochy povrchu dostupné pro difuzi kyslíku, snížení alveolárního parciálního tlaku kyslíku potřebného pro difuzi a zkrácení doby dostupné pro výměnu v důsledku zvýšené rychlosti proudění. Tyto faktory se obvykle sdružují pod širší označení „omezení difuze“ a každý z nich může způsobit neúplný přenos kyslíku s následným snížením obsahu kyslíku v krvi. Difuzní omezení výměny oxidu uhličitého neexistuje, protože tento plyn je v alveolokapilární membráně rozpustnější než kyslík, což usnadňuje výměnu oxidu uhličitého. Složité reakce, které se podílejí na transportu oxidu uhličitého, probíhají dostatečně rychle na to, aby nebyly významným limitujícím faktorem výměny.

Robert A. Klocke