TP3MO1 Respiration - Lungmekanik samt andningsreglering, föreläsningsanteckningar

# Lungmekanik samt andningsreglering

intrapleural rum - säck runt lungorna, viktigt att den är i takt och fungerande för att lungans function ej ska störas

# Luftvägarna-bronker-bronchioli

luftmotstånd är större i början sedan blir det lättare och lättare för luften att ta sig igenom längre ner mot alveolerna pga att ytan expanderas

# Alveoler/luftblåsor – här sker gasutbytet

Har en total alveolyta på runt 50 kvadratmeter för gasutbyte

# **LUNGTRYCK**

när man skall andas in kommer luftet inne i lungan ha ett lägre tryck än luften som man andas in
vid inandning kommer intrapleurala runnet att expandera, lungan kommer också att expanderas lika mycket och därmed kommer trycket inne i lungan vara lägre vid det skedet
vid utandning då lufttrycket är högre inne i lungan kommer lungan och intrapleurala rummet att dras ihop och då sker en utandning

# Skyddsmekanismer gentemot atmosfärsluft –anfuktning, uppvärmning

En skyddsmekanism är att inandningsluften värms upp till 37 grader, och anfuktas till 100 % fuktighet. Detta sker i de övre luftvägarna, i näsa, farynx, och i viss mån trachea.

# Skyddsmekanismer gentemot atmosfärsluft - filtrering

Alveolområdet skyddas också av epitel i ledningszonen, som är täckt av ett slemlager som binder upp partiklar i den inandade luften.

Under slemlagret finns cilier som slår i uppåtgående riktning, mot matstrupen, så att slemmet kan sväljas ner. Slemlagret är ca 10 – 20 μm tjockt, och har ett undre lager där cilierna rör sig, och ett övre gellager.

Vätskan ges av en aktiv kloridtransport ut i lumen. Denna transport ökas av acetylkolin (hämmas av atropin), histamin, adrenalin.

Slemmet produceras i submucösa körtlar, också under sympatisk – parasympatisk kontroll.

# Skyddsmekanismer gentemot atmosfärsluft – makrofager

I alveolen finns också makrofager. Dessa kryper omkring i alveolen och fagocyterar t ex partiklar, damm, som kommit ned, och den vandrar sedan upp i luftvägarna, dvs den håller rent i alveolen

# Lungvolym –

dead space inget gasutbyte här
andas in ca 5liter/ minut
**Tidal Volym** - normalt andas man in 1/2L per andetag
men vid ett djupt andetag kan man andas in 3, 4, 5 L per andetag därmed kan man tex komma upp till 100L/minut
**FRC** - man har konstant ca 3L luft kvar i lungan, för att komma nedanför detta och trycka ut ännu mer luft kan man maximalt komma ner till resual volym på 1,5L
**Vital Capacitet (VC)** - maximalt utandning till maximal inandning 4,8L
**Total lung capacitet (TLC)** helium utspäddnings volym andas in helium rö-äkna ut utspäddning och på så sett få fram TCL
Dead Space - viktigt att tex vid snorkling så ökar man deadspace, när man andas genom en slang/snorkel ökar man volymen andetag man tar, det sker fortfarande i samma långsamma rytm men ökad volym syns vid demonstraktion genom att magen/ bröstkorgen expanderas lite mer
APNÉ att hålla andan
Voluntär apné - viljemässigt hålla andan
demonstraktion hålla andan - normalt ca 1 minut för att manupulera detta och för att kunna hålla andan längre alltså öka tiden så kan man först hyperventilera eftersom det är CO2 som styr andningen, då kommer demo personen kunna hålla andan längre vid demo kunde killen hålla andan 40 secunder längre.
VID höghöjd vistelse eller idrottare kan vissa saker förbättre TLC (för att öka TLC - höghöjd större thorax, mer röda blodkroppar, öka bhoreffekten)

# Övertryck – undertryck - luftflöde

Trycket av en gas i en behållare minskar om behållarens volym ökar (Boyles lag)
T ex när alvolernas volym ökar sjunker lufttrycket i alveolerna

- **Undertryck** = lufttryck som är lägre än atmosfärstrycket
- **Övertryck** = lufttryck som är högre än atmosfärstrycket

Luftflöde = skillnad i lufttryck mellan två regioner / luftmotstånd.
dvs har vi ett luftflöde längs luftvägarna måste lufttrycket successivt
minska längs luftvägen i luftflödets riktning.

1 cm H20 ~ 1 mm Hg

# Intrapleuralrum - pleurasäcken

Är ett ”slutet” rum mellan lunga och bröstvägg/diafragma

# Pneumothorax

Om atmosfärsluft (med atmosfärstryck) tillåts komma in i intrapleuralrummet mellan lunga och bröstvägg/diafragma

om man gör ett hål kommer lungan och intrapleural rummet att dra ihoop sig, och bröstkorgen expanderas ut
man tar alltså bort det undertryck som normalt finns i lungan jämfört med atmosfärstrycket
om det inte finns en tryck skillnad mellan alveolerna (lungans insida) och lungans utsida kommer lungan dras ihop och bröstkorgen blir större,
alltså FRC påverkas negativt om man gör hål

# Andningsmuskulatur - inandning

Expansion av bröstkorgsvolymen med hjälp av inandningsmuskulatur
expanderar intrapleuralrummet. Detta ökar det intrapleurala undertrycket, vilket ökar den transpulmonella tryckskillnaden, vilket expanderar lungan. Denna lungexpansion ökar alveolvolymen, vilket ger ett alveolärt undertryck, vilket suger ner luft i alveolerna.

Inandning främst genom att diafragma sänker sig, och expanderar bröstkorgen. Normalt är det ca 1 cm sänkning, maximalt kan det bli upp till
10 cm. Inandningsmuskler är också de externa intercostalmusklerna som lyfter upp och roterar revbenen. Dessutom stadgar de upp intercostalrummet så det ej blir insug mellan revbenen. Accessoriska inandningsmuskler är scalenus och sternomastoideus.

# Andningsmuskulatur - utandning

Utandningen är normalt passiv och ges av den energi som lagrats upp i lungans elastiska element när lungan spänts ut under inandningsfasen. Dvs, lungan drar ihop sig, vilket ger ett alveolärt
övertryck, vilket trycker ut luften. Om så behövs fungerar bukmuskulatur, och inre intercostalmuskler som utandningsmuskler.

# Andningsmuskler- mekaniska effekter

för att andas in normalt använder man diaphragma och intercostal muskulatur
för att andas ut använder man Abdominal muscles och tubercle

# Tryckdifferenser för elastiskt- respektive friktions-arbete.

## Pintrapleuralt – Palveol (transpulmonell tryckskillnad)

Tryckskillnad för att expandera lungan (och alveolvolym)
övervinna lungans elasticitet – ca 4-5 mm Hg i vila

## Patmosfär - Palveol

Tryckskillnad för att driva luft ned (eller ut) från alveolerna
övervinna luftmotstånd i luftvägarna – noll i vila

Alveolärt tryck ~ intrapulmonärt tryck

# Andningsarbete – elastiskt arbete och resistivt (friktions)arbete

Andningsarbetet har alltså en elastisk komponent och en resistiv komponent.
Det elastiska arbetet är att dra ut lungan, och det resistiva att övervinna luftvägsmotståndet.

Det elastiska arbetet lagras i den utspända lungan, och användas sedan för att dra ihop den igen, dvs nyttjas till att producera det resistiva arbetet vid en utandning.

Det resistiva (friktion)arbetet lagras naturligtvis inte utan försvinner som värme.

För en och samma (alveolära) minutvolym kan man andas på olika sätt. Man kan ha:
Djup andning – låg frekvens innebär mer elastiskt arbete
Ytlig andning – hög frekvens innebär mer resistivt arbete (relativt mer av TV i dead space)

# Varför andas vi normalt i vila ca 12-15 andetag per minut? (överkurs)

Man kan räkna ut, utgående från hur det elastiska och resistiva arbetet förändras med frekvensen (för en normal alveolär minutvolym i vila) att andningsarbetet har ett minimum vid ca 12-15 andetag/minut. Detta är också ungefär den spontanandningsfrekvens vi har i vila.

Om vi utför kraftigt arbete som fordrar andning med högre minutvolym kan man räkna ut att den optimala frekvensen ligger betydligt högre t ex
20/min, och denna anpassning sker också ”spontant”.

Olika sjukdomar i lungorna som påverkar mängden elastiskt arbete, eller mängden resistivt arbete, gör att den ena, eller andra, andningsstrategin, är lämpligast.

# Vad bestämmer lungans elasticitet?

Mätningar av compliance (ΔV/ΔP) – invers till elasticitet (ΔP/ΔV)
har man en hög elasticitet då har man en låg compliance (tänjbarhet)
om man har en låg elasticitet då har man en hög compliance

# Luftvägsmotståndet avtar med avståndet från mun/näsa

Motståndet bestäms av luftvägsdiametern enligt Poiseuilles lag R = 1/r4, dvs luftvägsmotståndet är väldigt känsligt för tvärsnittsytan. Detta gör att luftvägsmotståndet blir allt lägre ju mer perifert vi går.

Detta betyder att tryckfallet längs luftvägarna vid ett givet luftflöde från mun/näsa till alveol, och från alveol till mun/näsa, huvudsakligen ligger proximalt där motståndet är högst.

# Vad kan mer påverka luftvägsmotstånd i bronker

- Bronkomotortonus –sympatikus, parasympatikus

Vagus ger en bronkkonstriktion (dvs atropin vidgar). Sympaticus ger dilatation
genom β2-receptorer.

Eftersom atropin ger en bronkdilatation, finns det tydligen en tonisk vagus- medierad bronkkonstriktion i vila.

# Vad kan mer påverka luftvägsmotstånd i bronker?

- Alveolärt PCO2 – lokal effekt

Lågt PCO2 ger en bronkkonstriktion, vilket kan ses som funktionellt. Ett lokaltlågt koldioxid pekar på att blodflödet till denna del av lungan har minskat. Det är sålunda ingen poäng med att ödsla med ventilation till ett sådant område.

Detta är en del i ventilations-perfusionsanpassningen.

# Vad kan mer påverka luftvägsmotstånd i bronker?

- Rök, avgaser, kall luft

Via subepiteliala receptorer i bronkväggar ges en vagus-medierad bronkkonstriktion.

- Dessutom kommer naturligtvis en ökad slembildning med svullen slemhinna ge en minskad diameter, vilket ökar luftmotståndet.

# Dynamisk kompression - sammanfattning

Vid en normal passiv utandning är intrapleuraltrycket alltid ett
undertryck och dynamisk kompression kan aldrig inträffa.

Men om de perifera luftvägarna är trånga pga muskelkontraktion och slemhinnesvullnad, kan även en normal utandning behöva bli aktiv för att trycka ut luften, dvs ett intrapleuralt övertryck måste etableras. Det
ökade perifera motståndet gör att även tryckfallet längs de perifera luftvägarna blir stort, och den punkt där det övertrycket inne i luftvägarna understiger det intrapleurala övertrycket kan då ske på bronchiolnivå. Då dessa saknar brosk kan dessa bronchioler komprimeras av det intrapleurala övertrycket.

Å andra sidan, om den punkt, där övertrycket i luftvägarna fortfarande är högre än det intrapleurala övertrycket, ligger på bronknivå (med brosk)
är effekten inte så stor.

# Fråga: Hur kan man motverka dynamisk kompression på ett icke-farmakologiskt sätt?

om man tar långsamma djupa andetag har man lättare att få ut trycket

# Regional skillnad i intrapleuraltryck (och lungexpansion) pga gravitationseffekter på lunga

Vid inandning expanderar basala delar av lungan mer än de apikala delarna.

# Vad styr vår viloandning?

## centralnervösa strukturer - vakenhet

De modulatoriska transmitter system (noradrenerga, serotonerga etc), vars aktivitet håller oss vakna, driver också andningen

# Denna koldioxideffekt går via pH i cerebrospinalvätskan

Denna PCO2-kontroll av andningen anses främst gå via en region centralt i hjärnstammen (n. retrotrapezoidales (RTN)) som med stor känslighet känner av förändringar i blodets PCO2 via ändringar av pH i CSF.

Även nervceller belägna i nucleus raphe verkar inblandade i denna PCO2- kontroll. Dessa neuron frisätter serotonin, såväl som SP och TRH (thyrotropin-releasing hormone), som samtliga är andningsstimulerande.

Om nu den ökade andningdrivningen som getts av ökat PCO2 inte förmår att helt
sänka PCO2 till normalvärdet (pga lungsjukdom)kommer inom dagar H+-ökningen i CSF att kompenseras bort av njurarna (sparar HCO3-), pH normaliseras, och den andningsstimulerande effekten försvinner. Den andningsstimulans som då krävs kommer ges av den hypoxi (sänkt PO2 i blod) som då utvecklas. Man får då vara försiktig med att ge syrgas till en sådan patient

# Denna koldioxideffekt via pH i cerebrospinalvätskan är övergående

En viktig sak vad gäller effekten av högt PCO2 är att ett mycket högt PCO2 har en generell deprimerande effekt på CNS, inkluderande andningscentrum. Koldioxid kan alltså i princip användas som narkosmedel, och i hög koncentration leda till andningsstopp.

# Den perifera kemoreceptorn – hypoxi-pH

De perifera kemoreceptorerna sitter huvudsakligen i a. carotis (glomus caroticum) och är primärt känsliga för PO2 men i viss mån även för pH.

Kemoreceptionen äger rum i en specifik receptorcell (glomuscellen) som är synaptiskt kopplad till de postsynaptiska afferenterna. Glomuscellerna aktiveras av löst O2, som är proportionellt till PO2, ej till blodets O2-innehåll. Således vid anemi, med minskat Hb, reagerar inte dessa receptorer.

Vid vistelse på 1000-1500 m höjd där alveolärt PO2 hamnar runt 80-90 mm
Hg kommer de perifera receptorerna först inte ge någon andningsökning, men efter ett par timmar kommer de att sensitiseras, och kommer driva en
ökad andning.

Men denna ökade andning leder till ett sänkt PCO2 vilket minskar denna andningsökning via alkalos i CSF.

Efter ett par dagar har njurarna kompenserat bort denna alkalos, och den fulla effekten av sensitiseringen kommer in.

Sensitiseringen orsakas av en uppreglering av mängden spänningskänsliga natrium och kalciumkanaler i glomuscellerna.

# Mer kronisk hypoxi (> antal timmar) leder till sensitisering av de perifera kemoreceptorerna, och till ökad andning (överkurs)

Denna relativt snabbt insättande ökade känslighet i den perifera kemoreceptorn är en del av vad som kallas för Hypoxisk Ventilatorisk Acklimatisering (HVA), och som inträffar vid vistelse på hög höjd och sannolikt då också vid lungsjukdomar som leder till kroniskt sänkt PO2 i blod.

Denna acklimatisering (ökad andning för ett givet PO2 i blod) kan pågå under dagar/veckor (eller längre) och förklaras (förutom av ovan nämnda excitabilitetsökning) av en mängd omställningar inkluderande ökad mängd glomusceller, och uppreglering av både transmittorinnehållet i
glomusceller och receptorantalet på den postsynaptiska nervterminalen.

# Andningsökning vid fysiskt arbete (Läs eventuellt en tenta fråga)

Drivs inte av ändringar i blodgaser (arteriellt) då dessa inte förändras under arbete.
När arbete igångsätts ökar andningen i två faser, först en snabb fas (inom sekunder), och sedan en långsam fas som ökar andningen ytterligare under några minuter. Den snabba fasen tror man är huvudsakligen neural, dels uppifrån motor cortex t ex via kollateraler från de kortikala celler som är inblandade i styrningen av de muskler som deltar i arbetet, dels via afferenter från de arbetande lederna och musklerna.

Den kan också bero på en uppreglering av andningen medierad via en uppreglering av den glutamaterga transmissionen (LTF – långtidsfacilitering) via serotoninfrisättning .

Den långsamma fasen innehåller en komponent som är relaterad till metaboliska förändringar, men då lokalt i de arbetande musklerna. Detta då ändringar i deras extracellulära miljö, kanske främst sänkt pH och laktat, sätter upp aktivitet i omyeliniserade afferenter som projicerar till andningscentrum, en s.k. metaboreflex.

Kan aktiveras vid olika tillstånd, och ge en andning som inte direkt motiveras utifrån metaboliska behov, samt kan inducera hosta.

Det finns mekaniskt känsliga receptorer – sitter främst i trachea/bronker, svarar t ex på aspiration av mat. Är kopplade till A-delta axon

Det finns kemiskt känsliga receptorer som sitter epitelialt och subepitelialt i bronker, bronkioli, och alveoler, och är kopplade till tunna omyeliniserade
© afferenter. De aktiveras av kemisk irritation, t ex svarar på capsiacin, citronsyra, svaveldioxid, bradykinin etc

# Receptorer i luftvägarna (Läs)

Kan utlösas såväl reflexmässigt som viljemässigt. Reflexbanan lokaliserad i hjärnstammen. Utlöses av mekanisk och/eller kemisk irritation i larynx,
trachea, bronker och alveoler.

Skyddsfunktion: Vid aspiration (inhalation av främmande material i luftvägar såsom en matbit eller magsäcksinnehåll) respektive för borttransport av slem vid inflammation (infektion, kronisk inflammation t.ex. KOL)

Stereotyp sekvens:
1) Inspiration 2)Stängning av epiglottis /stämband, 3) Forcerad exspiration mot stängt epiglottis/stämband --> Kraftigt övertryck i luftvägar 4) Plötslig
öppning av epiglottis/stämband --> Kraftig luftstöt

# Hostreflexen (VIKTIGT kolla även GUL)

Hostreflexen kan dämpas av ett antal droger som kodein, morfin, alkohol, vilka då ökar risken för kontaminering av luftvägarna med åtföljande risk för lunginfektion.

# Andningsreglering – översikt – med pre-Bötz-komplexet i centrum.

För att kunna generera rytmisk aktivitet måste nervceller i pre-Bötz-komplexet funktionellt fungera som pacemaker-celler. D.v.s. för att producera inandningsrytmen måste dessa celler, under inandningsfasen, generera en skur av aktionspotentialer (under någon sekund eller så) för att sedan under utandningsfasen vara tysta (några sekunder), för att sedan
återigen avge en skur av aktionspotentialer.

Ett sådant fyrningsmönster är delvis baserat på förekomsten i pre-Bötz- komplexet av excitatoriska och inhibitoriska nervceller sammankopplade in i ett nätverk med positiva och negativa synaptiska återkopplingar.