LUNG FUNCTION AND ACID‐BASE BALANCE IN THE NEWBORN INFANT
Authors: KOCH GÜNTER 
Published: January 2008

During gestation the placenta subserves the external respiration of the fetus as well as its metabolism. With the initiation of extrauterine life the placental circulation is eliminated and the fetus emerges from a watery environment into air. This implies the establishment of a new autonomic function, that of pulmonary respiration, which process is intimately linked to a profound readjustment of the circulation.

The present series of investigations has been performed to elucidate certain of the processes involved in pulmonary gas exchange and to evaluate its efficiency compared to adult standards during the period of adjustment to extrauterine life. Though the most important and rapid changes in this adaptative process occur during the first seconds and minutes of extrauterine life they continue far beyond this period. Observations have therefore been extended until the end of the neonatal period defined as the first week of life; this has been considered particularly important as information as to the later period of this adjustment is scarce or lacking. Emphasis is laid on development of function.

Because of the significant morbidity and mortality of the newborn infant in disorders of respiration all investigations throwing more light on the normal respiratory mechanisms and their alterations in disease have important practical implications by improving diagnostic possibilities and facilitating objective evaluation of therapeutic measures.

A total of 172 healthy fullterm infants born after an uneventful pregnancy of normal length and uncomplicated vertex delivery are the subjects of the different studies.

The size of the subjects to be studied and the lack of cooperation posed special methodological problems. Suitable procedures and methods permitting reproducible and valid measurements have been developed or adapted for the study of mechanics of breathing, functional residual capacity, pulmonary ventilation, diffusing capacity and gas exchange. Since capillary PO2 does not accurately reflect arterial PO2 a safe procedure permitting arterial blood sampling without disturbing steady state conditions had to be developed.

The onset of respiration and initial aeration of the lungs is characterized by the generation of very high resistive forces, probably mainly due to high surface tension. Subsequently, lung compliance increases while lung resistance and inspiratory work decrease, the speed of these changes being highest in the beginning and slowing down subsequently.

Within one hour after delivery, the functional residual capacity amounts to 40—80 ml and shows a relation to lung compliance similar to that later in life. Changes after 24 hours of life are insignificant.

There is hypoxemia, CO2 retention and accumulation of fixed acids, i. e. respiratory and metabolic acidosis at birth. The respiratory component of acidosis is on the average abolished at 30 minutes and metabolic acidosis at 24 hours of life. PCO2 attains a minimum of about 33 mm Hg at 24 hours of life and increases slightly to 36 mm Hg at 7 days. This hyperventilation appears to be counterbalanced by a corresponding hypobasemia which recedes during the subsequent days. following closely the increase of PCO2. This regulation shows a striking similarity with the changes occurring during and after adaptation to altitude.

Arterial oxygen tension during air breathing increases within 5 hours to, on the average, about 73 mmHg, after which time no further significant changes occur. Arterial oxygen tension is thus significantly lower than in normal adults.

Arterial oxygen tension during oxygen breathing averages 309 mmHg at 55 minutes of life and between 527 and 589 mmHg during the period between 5 hours and 7 days of life, corresponding to an anatomic R—L shunt of about 24 and between 7.6 and 10.9 per cent of cardic output respectively.

Among the different variables studied in connection with the determination of diffusing capacity during steady state conditions at the age of 24 hours and 7 days, only the following variables show a statistically significant change during this period: heart rate, respiratory rate, minute ventilation (V̇E), the alveolar ventilation/carbon dioxide elimination ratio (V̇A/V̇CO2), the respiratory exchange ratio (R), the dead space/tidal volume ratio (VD/VT), the pulmonary diffusing capacity for CO, the total venous admixture, the anatomic shunt/total venous admixture ratio.

Alveolar ventilation in relation to oxygen consumption, physiological dead space in relation to tidal volume, the pulmonary diffusing capacity for CO in relation to oxygen consumption, alveolar ventilation and body surface area, and the alveolar ‐ mean pulmonary end capillary oxygen tension difference are of the same order as in healthy resting adults.

The alveolar‐arterial oxygen tension difference is in the order of 30 mm Hg and mainly unchanged during the age of 24 hours and 7 days. It is thus significantly higher than in healthy adults. Both anatomic shunt and ventilation/perfusion inequality, i. e. alveoli with low ventilation/perfusion ratio account for this difference. After the initial adaptation, the contribution from ventilation/perfusion inequality decreases during the first week of life.

In accordance with these findings, the overall ventilation/perfusion ratio was estimated to be on the average about 0.65 with a slight tendency to increase between 24 hours and 7 days.

The changes of most of the variables followed continuously from birth to 7 days can be expressed as a logarithmic function of age showing that the adaptative changes proceed most rapidly in the initial stage.

Even at the age of 7 days the lung of the newly born infant has not yet attained the same efficiency with respect to oxygen exchange as that of the healthy adult.

Durant la gestation, le placenta subvient à la respiration du foetus aussi bien qu'à son métabolisme. C'est avec le début de la vie extra‐utérine que la circulation placentaire est supprimée et que le foetus surgit à l'air quittant un mileu aqueux. Ceci implique, d'urgence, l'établissement d'une nouvelle fonction autonome, celle de la respiration pulmonaire. Ce processus est intimement liéà une profonde réadaptation de la circulation.

Les présentes séries de recherches ont eu pour but d'éclaircir quelques‐uns des processus mis en jeu dans l'échange gazeux pulmonaire et d'évaluer leur efficacité compareée à la norme chez l'adulte, durant la période de l'adaptation à la vie extra‐uté. Bien que les changements les plus rapides et les plus importants de cette adaptation se réalisent pendant les premières secondes et minutes de la vie extra‐utérine, ils se prolongent au‐delà de cette période. On a done continué les observations jusqu'à la fin de la période néo‐natale, la première semaine de vie par définition. On a considéré cela comme d'autant plus important que les informations sur la période tardive de l'adaptation sont rares ou inexistantes. Le point a été mis sur le déve‐loppement de la fonction respiratoire.

Le taux tojours considérable de la mortalité néo‐natale est en grande partie attribuable aux difficultés de l'adaptation de l'hématose à la naissance. En améliorant les possibilités de diagnostic et d'évaluation desmoyens thérapeutiques employés au cours des troubles respiratoires, les recherches destinées àéclaircir les mécanismes respiratoires physiologiques et leurs déviations patho‐physiologiques au cours de »détresse' respiratoire ont une importance pratique considerable.

Un total de 172 enfants venus à terme et en bonne santé, après une grossesse sans histoire, d'une longueur habituelle et un accouchement à présentation normale sans complications, a servi de sujets aux diverses études.

La taille des sujets àétudier et leur manque de coopération ont posé des problèmes de méthodes particuliers. Des procédés et des méthodes appropriés permettant des mesures reproductibles et exactes ont été développés ou adaptés à l'étude de la mécanique respiratoire, de la capacité fonctionnelle résiduelle, de la ventilation pulmonaire, de la capacité de diffusion et de l'échange gazeux pulmonaire. Enfin, on a důétudier la validité du sang capillarie pour remplacer le sang artériel. Le résultat étant négatif en ce qui concerne PO2, on a dů développer un procédé sans danger permettant de prélever du sang artériel sans troubler les conditions stables.

Le début de la respiration et l'aération initiale des poumons sont caracterisés par l'apparition de forces de très haute résistance, dues surtout probablement, à la haute tension de surface. Ensuite, l'accomodation (compliance) pulmonaire augmente tandis que la résistance pulmonaire et le travail inspiratoirc diminuent, la vitesse de ces changements étant très élevée au début et diminuant ensuite.

Une heure après la naissance, la capacité fonctionnelle résiduelle atteint de 40 à 80 ml et présente un rapport avec la compliance pulmonaire semblable à ce qu'il sera plus tard dans la vie. Après 24 heures, les changements sont insignifiants.

A la naissance, il y a hypoxémic, rétention de CO2 et accumulation d'acides fixes, c'està‐dire acidose respiratoire et métabolique. La composante respiratoire d'acidose est abolie à 30 minutes, en moyenne, et l'acidose métabolique à 24 heures. Le PCO2 atteint un taux minimal d'environ 33 mm Hg à 24 heures et augmente légèrement jusqu'à 36 mm Hg à 7 jours. Cette hyperventilation semble être compensée par une hypobasémie correspondante qui diminue par la suite, en suivant de près l'augmentation de PCO2. Cette régulation présente une analogie frap‐pante avec les changements survenant durant et après l'adaptation à l'altitude.

La tension de l'oxygène artériel augmente rapidement jusqu'à atteindre la moyenne de 73 mm Hg, à l'âge de 5 heures. Ensuite, aucun autre changement de quelque signification n'intervient. Elle est done significativement plus basse que chez l'adulte normal.

A l'âge de 55 minutes le shunt veino‐artériel vrai (anatomique) représente environ 24 % du débit cardiaque. De 5 heures jusqu' à l'âge de 7 jours il varie entre 8 et 11 %. Cette réduction survenant au cours des premières heures de la vie correspond vraisem‐blablement à la forte diminution ou suppression des shunts veino‐artériels au niveau des communications foetales.

Parmi les différentes variables étudiées, lors de la mesure de la capacité de diffusion, sous »steady stateraquo;, à l'âge de 24 heures et de 7 jours, seules les variables suivantes montrent un changement statistiquement significatif pendant cette période: fréquence cardiaque, fréquence respiratoire, ventilation pulmonaire (V̇E), quotient respiratoire (R), rapport entre espace mort et volume courant (VD/VT), rapport entre ventilation alvéolaire et élimination de CO2 (V̇A/V̇CO2)> capacité pulmonaire de diffusion pour CO, rapport entre shunt veino‐artériel vrai (anatomique) et shunt veino‐artériel total (contamination veineuse) (voir Tableau IV).

La ventilation alvéolaire par rapport à la consommation d'oxygène, V̇A/V̇O2 ainsi que la capacité pulmonaire de diffusion pour CO par rapport à la consommation d'oxygène, et par m2 de surface corporelle, et le P̄AO2—PCO2, sont du même ordre que chez l'adulte normal au repos.

La différence de tension d'oxygene alvéolo‐artériel (P̄AO2—‐ PaO2) est de I' ordre de 30 mm Hg, et reste à peu près inchangée entre 24 heures et 7 jours. Elle est ainsi significativement plus élevée que chez l'adulte normal. Elle est due, à parts approximativement égales, à un shunt veinoartériel anatomique et à une inégalité du rapport ventilation/perfusion, (contribution venant des alvéoles avec rapport ventilation/perfusion diminué). Après l'adaptation initiale, l'importance de la contamination veineuse due à l'inégalité ventilation/perfusion par rapport au shunt veino‐artériel total, diminue pendant la première semaine de vie.

En accord avec ces résultats, on a évalué le rapport ventilation/perfusion total à 0.65 en moyenne avec une légère tendance à augmenter pendant la période d'observation.

Les changements de la plupart des variables, suivis d'une manière continue de la naissance à 7 jours, peuvent être exprimés par des fonctions logarithmiques de l'âge montrant que les changements adaptatifs se dé‐roulent le plus rapidement au stade initial.

Même à l'âge de 7 jours, le poumon du nouveau‐né n'a pas encore atteint la même efficacité quant à l'échange d'oxygène, que celui de l'adulte normal.

Während der Schwangerschaft besorgt die Placenta den äusseren Gasaustausch und Stoffwechsel des Feten. Mit dem Übergang vom Leben im Wasser, d. h. in utero, in unsere Luftatmosphäre bei der Geburt ent‐fällt der Placentarkreislauf. Diese Umstellung setzt das unmittelbare Einsetzen einer neuen autonomen Organfunktion voraus, die der Lungen, zum Zwecke des äusseren Gasaustauschs. Dieser Funktionswandel der Lunge ist eng mit tiefgreifenden Umstellungen und Anpassungen des Kreislaufs verbunden.

Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es, einige der bei der Entwicklung des pulmonalen Gasaustauschs beteiligten Faktoren und Funktionen klarzulegen und ihre Effektivität während der Anpassungsperiode im Vergleich zum gesunden Erwachsenen zu untersuchen. Obwohl die dringlichsten und raschesten Veränderungen im Verlauf dieses Anpassungsvorgangs während der ersten Se‐kunden und Minuten des extrauterinen Lebens erfolgen, erstrecken Sie sich weit über diesen Zeitabschnitt hinaus. Die vorliegenden Untersuchungen wurden daher auf die gesamte Neonatalperiode, d. h. die erste Lebenswoche, ausgedehnt. Dies erschien umso wich‐tiger, als unsere Kenntnisse in Bezug auf den späteren Teil der postnatalen Adaptation spärlich sind bzw. entsprechende Untersuch‐ungsresultate gänzlich fehlen. Besonderes Gewicht wurde auf die Veränderungen der Lungenfunktion wahrend der ersten Lebens‐woche gelegt.

Der überwiegende Teil der immer noch hohen und während der letzten Jahrzehnte wenig veränderten Neugeborenensterblich‐keit beruht auf Schwierigheiten in der Ausbildung eines adäquaten pulmonalen Gasaustausches. Durch Verbesserung der diagnostischen Möglichkeiten und der Grundlagen zur Beurteilung therapeutischer Massnahmen haben alle Untersuchungen, die zu verbesserter Einsicht in das physiologische und pathophysiologische Geschehen bei der normalen und gestörten Anpassung der Lungenatmung führen, unmittelbare prak‐tische Bedeutung.

Im Ganzen wurden 172 gesunde Kinder untersucht, die nach unauffälliger Schwangerschaft von normaler Dauer und nach un‐komplizierter vaginaler Entbindung geboren worden waren. Der klinische Verlauf während der ersten Lebenswoche war bei alien Kindern unauffällig.

Die Grösse der Probanden und das Fehlen jeglicher Möglichkeit zur Mitarbeit in dieser Altersgruppe stellen besondere methodolo‐gische Probleme. Brauchbare Verfahren und Methoden mit ausreichender Reproduzierbar‐keit und Validität wurden zum Studium von Lungenmechanik, funktioneller Residualka‐pazität, Lungenventilation, Diffusionskapazi‐tät und intrapulmonalem Gasaustausch ent‐wickelt, oder für die besonderen Verhält‐nisse modifiziert. Da Kapillärblut kein zuverlässiger Ersatz für arterielles Blut zum Studium der Atemgase, insbesondere in Bezug auf PO2 ist, musste ein risikofreies Verfahren zur Gewinnung von arteriellem Blut ohne Störung der steady‐state Bedingungen entwickelt bzw. angepasst werden.

Beim Einsetzen der Atmung und der initialen Belüftung der Lunge kommt es zum Auftreten von hohen Widerstandskräften, denen wahrscheinlich hauptsächlich hohe Oberflächenspannungen zugrunde liegen. Im weiteren Verlauf nimmt die Lungencompli‐ance zu, während der Lungenwiderstand und die inspiratorische Atemarbeit abnehmen. Diese Veränderungen erfolgen am schnellsten im Anfang und nehmen allmählich ab.

Innerhalb von 60 Minuten nach der Geburt beträgt die funktionelle Residualkapacität 40–80 ml. Die spezifische Lungencompliance (CL/FRC) steigt während der ersten 24 Stunden und erreicht Werte, die mit denen des gesunden Erwachsenen identisch sind.

Bei der Geburt hat des Neugeborene eine Hypoxämie, CO2‐Retention und Anhäufung fixer Säuren, d. h. eine respiratorische und metabolische Acidose. Die respiratorische Komponente ist im Durchschnitt 30 Minuten nach Geburt und die metabolische Acidose im Alter von 24 Stunden ausgeglichen. PaCO2 erreicht im Alter von 24 Stunden mit 33 mm Hg ein Minimum und steigt dann allmählich auf 36 mm Hg am 8. Lebenstag an. Diese Hyperventilation scheint durch eine ent‐sprechende sekundäre Hypobasämie kom‐pensiert zu werden, die im Lauf der ersten Lebenswoche zurückgeht und dabei eng dem Anstieg des PCO2 folgt. Diese Anpassung zeigt eine auffällige Ähnlichkeit mit den Veränderungen, die während und nach Höhenanpassung beim Erwachsenen beobachtet werden können.

Die arterielle Sauerstoffspannung steigt innerhalb von 5 Stunden auf im Durchsnitt 73 mm Hg an und zeigt danach während der ersten Lebenswoche keine signifikanten Veränderungen. PaO2 ist demnach signifikant niedriger als beim gesunden Erwachsenen.

Die Kurzschlussblutmenge auf Grund von anatomischen Rechts‐Links‐Shunts beträgt 55 Minuten nach der Geburt im Durchschnitt ca 24% des Minutenvolumens, sinkt innerhalb der ersten 5 Stunden auf knapp 10% und zeigt während des Restes der ersten Lebenswoche nur geringfügige Veränderungen. Ursache der deutlichen Abnahme zwischen 55 Minuten und 5 Stunden dürfte das Aufhören oder zumindesten eine deutliche Verminderung von Rechts‐Links‐Shunts durch fetale Kreislaufverbindungen (Foramen ovale, Ductus arteriosus Botalli) sein.

Von den verschiedenen Variablen, die im Zusammenhang mit der Diffusionskapazität der Lungen unter steady‐state‐Bedingungen im Alter von 24 Stunden und 7 Tagen be‐stimmt wurden, zeigen nur die folgenden eine statistisch signifikante Veränderung im Verlauf dieser Periode: Herzfrequenz, respiratorischer Quotient (R) und Verhältnis anatomischer Shunt/gesamte venöse Kurz‐schlussdurchblutung einen Anstieg; Atem‐frequenz, Minutenventilation (V̇E), Verhältnis alveoläre Ventilation/CO2‐Ausscheidung (V̇A/V̇CO2)> Verhältnis physiologischer Totraum/Atemzugvolumen (VD/VT), Diffusionskapazität für CO, sowie die gesamte venöse Kurzschlussdurchblutung eine Abnahme (siehe Tabelle IV).

Die alveoläre Ventilation im Verhältnis zum Sauerstoffverbrauch (V̇A/V̇O2), der physiologische Totraum im Verhältnis zum Atemzugvolumen (VD/VT), die Diffusionskapazität für CO im Verhältnis zum Sauerstoffverbrauch, zur alveolären Ventilation und zur Körperoberfläche, sowiePAO2—PCO2 sind derselben Grössenordnung wie beim gesunden Erwachsenen unter Ruhebedingungen.

Die alveolo‐arterielle Sauerstoffdruckdiffe‐renz bei Luftatmung liegt in der Grössenordnung von 30 mm Hg und ändert sich kaum vom Ende des ersten Lebenstages bis zum Ende der ersten Woche. Sie ist damit deut‐lich höher als beim gesunden Erwachsenen. Anatomischer Rechts‐Links‐Shunt und venöse Beimischung von Alveolen mit niedri‐gem Ventilations/Perfusions‐Verhältnis schei‐nen in nahezu gleichem Ausmass zu dieser Differenz beizutragen. Der Anteil auf Grund ungleichen Ventilations/Perfusions‐Verhältnisses nimmt im Lauf der ersten Lebenswoche.

In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen ergab sich für das Gesamt‐Ventila‐tions/Perfusions‐Verhältnis ein Durchschnitts‐wert von 0.65 mit einer geringen Steigerungs‐tendenz während der ersten Lebenswoche.

Die Veränderung der meisten der von der Geburt bis zum achten Lebenstag systema‐tisch untersuchten Variabeln kann als loga‐rithmische Funktion des Alters ausgedrückt werden (Tabelle III]. Dies zeigt, dass die Anpassungsvorgänge am raschesten im Initial‐stadium erfolgen.

Selbst im Alter von 7 Tagen hat die Neugeborenenlunge in Hinsicht auf den pulmonalen Sauerstoffaustausch noch nicht die gleiche Effektivität erreicht wie die des Erwachsenen.