Медичні статті » Пульмонологія » Регуляція вентиляції і перфузії в легенях | Пульмонологія

Регуляція вентиляції і перфузії в легенях | Пульмонологія

Гайдес М.А.
К.м.н.Зав.лабораторіей кардіо-респіраторного тестування,
Інститут пульмонології, госпіталь ім. Х.Шіба,Тель Авів, Ізраїль,
Email : [email protected]

Введення.

Газообміном функція легенів здійснюється в так званих функціональних одиницях вентиляції (ФЕВ - група з приблизно 100 альвеолярних ходів), пов'язаних з функціональними одиницями перфузії (ФЕП-МКК -капілярна мережа, огортає альвеоли ФЕВ). Вентиляція легеневих альвеол і перфузія легеневих альвеолярних капілярів в нормальних умовах спокою організму людини здійснюються в протифазі - в капілярах тих альвеол, які не вентилюються, відбувається перфузія і здійснюється легеневий газообмін, а в капілярах тих альвеол, які вентилюються (провітрюються), немає перфузії та легеневого газообміну. Тобто, вентиляція ФЕВ і перфузія ФЕП-МКК роз'єднані. Переключення режиму перфузіїальвеолярних капілярів і вентиляції альвеол здійснюється рефлексом Ейлер-Лільестранда.

Сучасні концепції.

За сучасними уявленнями[39]регіонарна (місцева, локальна, мікроциркуляторному) регуляція легеневих функцій здійснюється в так званих легеневих функціональних одиницях (ЛФЕ). Під ЛФЕ розуміється обсяг легеневої тканини, що включаєв себе близько 100 альвеолярних ходів або 2000 альвеол, сумарним об'ємом близько 20 мкл (при спадении легких до рівня ФОЕ). ЛФЕ забезпечуються артеріоло діаметром близько 150 мкм (можливий кандидат на роль прекапілярнихсфінктерів) і термінальних бронхіол. Кожна така одиниця функціонує за законом «все або нічого». Вона або функціонує, або перебуває в резерві і не функціонує.

В даному випадку розглядаються не різного виду нерівномірності вентиляції і перфузіїрізних зон легенів, пов'язані з гравітаційним впливом на нерівномірність легеневого повітро-та кровонаповнення (зони Веста,[9, 11, 22, 32, 44, 45, 46]), а нерівномірності вентиляційно-перфузійних відносин, пов'язані з функціональним станом ЛФЕ.

Ще в 1931 році була помічена «спонтанна гра» капілярів[37]. Вона полягала в тому, що періодично, без видимої причини, альвеолярні капіляри раптово запустівають і через деякий час знову заповнювалися кров'ю. Фактспонтанної переміжної капілярної перфузії був встановлений прямими спостереженнями[36, 43].

Та ж картина спостерігалася й у відношенні вентиляції окремих альвеол (функціональні або фізіологічні ателектази[5]). Причому, було відзначено, що приблизно з кожних п'яти-шести альвеол вентилювалася тільки одна. Тобто, з усіх наявних в легенях альвеол тільки одна п'ята або шоста частина з них вентилювалася, а інші не вентилювалися. Тому було введенопоняття фізіологічного ателектазу - ділянки легеневої тканини, в якому тимчасово немає вентиляції.

Вважається, що альвеоли, що знаходяться в стані фізіологічного ателектазу є альвеолами функціонального резерву[5]. У стані спокою, коли немає потреби в великому рівні газообміну, частина альвеол знаходиться в резерві, а інша частина вентилюється і саме ці альвеоли обслуговують мінімальні потреби організму. Під часфізичних навантажень потреби в обміні метаболічних газів зростають і для збільшення газообміну включаються додаткові ЛФЕ з функціонального резерву. Альвеоли в стані фізіологічного ателектазу не спадаються повністю і в них міститься повітря, але в дещо зменшеному обсязі, ніж у вентильованих і кілька перераздутіе альвеолах (рис. 1).

Рис. 1. Мозаїка функціональних станів ЛФЕ в станіспокою. Чорні кульки - вентильовані ЛФЕ, світлі кульки - резервні ЛФЕ (фізіологічний ателектаз)

На основі фактів існування фізіологічних ателектазів і «спонтанної гри» альвеолярних капілярів природно було б припустити, що в тих альвеолах, в яких є вентиляція, також повинна бути і перфузія, і саме в них і повинен бути альвеолярний газообмін. У тих же альвеолах, де немає вентиляції, не повинно бути і перфузії, інакше може бутивнутрілегочний шунт.

На основі цих міркувань була розроблена концепція і запропонована 4-х компонентна модель функціонування ЛФЕ[5], Згідно з якою ЛФЕ можуть бути в одному з 4-х можливих станів (рис. 2):

  • робочому стані (активна ЛФЕ) - в ній тимчасово є вентиляція і перфузія і в ній відбувається альвеолярний газообмін
  • резервному стані (резервна ЛФЕ) - в ній тимчасово немає вентиляції(Фізіологічний ателектаз) і перфузії і немає газообміну
  • стані внутрілегочного шунта (внутрілегочний шунт) - в ній постійно немає вентиляції, але постійно є перфузія і немає газообміну
  • функціонально мертвому стані (альвеолярне мертвий простір) - в ній постійно є вентиляція, але постійно немає перфузії і газообміну

  • Рис. 2. 4-хкомпонентна модель функціонування ЛФЕ по А.П.Зільберу.

    Перші два стани нормальні, другі два - патологічні. Ймовірно, можна було б додати ще два патологічних стани:

  • коли в ЛФЕ постійно немає вентиляції, перфузії та газообміну, але вона перераздутіе об'ємом повітря, захопленим раніше ідзвінком механізмом синдрому експіраторного стенозу (Повітряна пастка, захоплений об'єм повітря)
  • повністю зруйнованої ЛФЕ (зруйнована ЛФЕ) будь-якими деструктивними процесами

  • Але принципово це мало змінює загальну картину функціональних станів ЛФЕ. Важливо тільки, що в будь-який момент часу у будь-якої людини в стані спокою не все ЛФЕ функціонують одночасно. Частина з них вентилюється іперфузируется, і в них відбувається альвеолярний газообмін. Інша частина ЛФЕ знаходиться у функціональному резерві. У них немає вентиляції, перфузії та газообміну. Тобто, в нормі кожна ЛФЕ може знаходитися в одному з двох функціональних станів:

    • робочому стані - В ній є вентиляція і перфузія і в ній є газообмін (активний стан)
    • резервному стані - В ній немає вентиляції іперфузії і немає газообміну (фізіологічний ателектаз)

    Сумарний повітряний обсяг працюючих ЛФЕ, які забезпечують газообмін в даний момент, є вентильованим альвеолярним обсягом (ВАО), а сумарний повітряний обсяг їх бронхів - вентильованим (функціональним) мертвим простором (ВМП).

    Сумарний повітряний обсяг резервних ЛФЕ є резервним альвеолярним обсягом (функціональний резерв, РАО), а сумарний повітряний обсяг їхбронхів - резервним мертвим простором (РМП). Сумарний повітряний обсяг працюючих і резервних ЛФЕ та їх бронхів становить функціональну залишкову ємність (ФОЕ). Зрозуміло, що в спокої ВАО повинен бути менше, ніж у навантаженні, оскільки в спокої працює тільки частина ЛФЕ, а в максимальному навантаженні, коли працюють всі ЛФЕ, ВАО порівнюється з ФОЕ.

    Враховуючи, що в стані спокою суб'єкта вентилюється тільки одна шоста частина від усієї кількості альвеол, можна зробити висновок,що в стані спокою суб'єкта у нього є 5/6 функціонального альвеолярного резерву. Іншими словами це означає, що, в принципі, у здорової людини можна видалити 5/6 легких і залишилася 1/6 частини від них повинно вистачити для нормальної функції в умовах спокою.

    Але з часом виявилося, що в ділянках функціональних ателектазів капіляри роздутий і переповнені кров'ю, а у вентильованих альвеолах - більш тонкі і збіднені кров'ю[4](Рис. 3). На цій основі бувзроблено висновок, що кров, яка міститься в перераздутіе капілярах невентильованих альвеол, не бере участі в газообміні і було припущено, що це депонована кров[4]. Інакше був би внутрілегочний шунт, оскільки в невентильованої альвеоле начебто немає кисню для газообміну.

    Рис. 3. Функція, що депонує резеревних ЛФЕ по І.К.Есіповой.

    Ці дані доповнюють і кілька міняють 4-х компонентну модель А.П. Зільбера в тому, що стосується кровонаповнення резервних ЛФЕ - у стані спокою суб'єкта якась частина, наприклад, 1/6 частина від загального числа ЛФЕ, перфузируется і вентилюється і в цих ЛФЕ здійснюється альвеолярний газообмін, а в інших 5/6 частин ЛФЕ, які є резервними, немає вентиляції і перфузії, але їх капіляри не порожні (як в моделі Зільбера А.П.),а переповнені кров'ю і вони виконують роль кров'яного депо. У разі необхідності, наприклад, при фізичних навантаженнях, все ЛФЕ підключаються до газообміну і починають вентилюватися і перфузувати, а раніше депонована кров починає циркулювати і приймати участь в перенесенні метаболічних газів.

    Проте виникають два проблемні питання:

    • Які зміни стану ЛФЕ перемикають режим роботи ЛФЕ з режиму газообміну на режимфункціонального резерву, (що «включає» рефлекс перемикання)?
    • Які керуючі структури і за допомогою яких рефлексів перемикають режим роботи ЛФЕ з режиму газообміну на режим функціонального резерву (які рефлекси керують режимом перемикання)?

    Будь-яку регуляцію в організмі здійснюють рефлекси. Сама ЛФЕ не може себе регулювати без елементів управління. Якісь рефлекси повинні включити ЛФЕ в режим газообміну, відкривши дляцього прекапілярні сфінктери для кровотоку по капілярах і бронхіальні сфінктери для вентиляції відповідних альвеол. Через якийсь час, з якоїсь особливої причини, все повинно бути зроблено в зворотному порядку.

    Для спрацьовування будь-якого рефлексу потрібне виконання ряду умов. В першу чергу потрібна наявність рефлекторної дуги, що складається зі специфічних рецепторів, в даному випадку хеморецепторів на О 2. і СО 2.,нервових аферентних провідників (аферентних нервів), еферентних провідників (еферентних нервів) і еферентних виконавців (наприклад, гладком'язових сфінктерів). Але головне, для того щоб спрацювала рефлекторна дуга, необхідно зміна контрольованого нею параметра, наприклад, газового складу крові, повітря і т.д. Будь рефлекс працює тільки на роздратування. Немає подразнення (зовнішнього впливу, що приводить до зміни контрольованого параметра), немає рефлексу.

    В даному випадку ці умови в ЛФЕ не виконуються. Перш за все, в ній немає зміни контрольованих параметрів, на що міг би спрацювати будь-якої рефлекс. Що може змінюватися в працюючій ЛФЕ? Газовий склад альвеолярного повітря, або що протікає через неї капілярної крові? Але якщо ЛФЕ нормальна і працює стабільно (від одного дихального циклу до іншого), ці параметри не повинні змінюватися! А якщо в ній нічого не змінюється, то немає причини і для спрацьовування рефлексу.Отже, немає причини для перемежованого кровотоку або вентиляції ЛФЕ. Однак перемежовується кровотік - це спостережуваний факт.

    Далі, будь-яка, навіть короткочасна затримка чергового вдиху, наприклад, при розмові, співі тощо, повинна приводити нас до артеріальної гіпоксемії, оскільки режим оксигенації в дифузійної зоні МКК досить напружений. Мета вентиляції складається в постійному оновленні газового складу альвеол. Якщо в силу затримки чергового вдиху, наприклад,при розмові, немає цього оновлення, то через дифузії в альвеолах відбудеться падіння парціального тиску Про 2. і зниження альвеоло-капілярного градієнта. В результаті знизиться альвеоло-капілярна дифузія Про 2. і це має проявитися у вигляді зниження насичення артеріальної крові киснем (артеріальної гіпоксемії).

    Образно кажучи, ми повинні синіти після кожної досить довго виголошеній фрази, чого немає на самомусправі. Ми можемо витримувати і більш тривалі затримки дихання, до 20-40 секунд, без падіння насичення гемоглобіну киснем.

    Концепція про депонування крові в альвеолярних капілярах також не витримує критики. Для депонування (утримання) крові в альвеолярних капілярах необхідно одночасне спрацьовування пре-і посткапілярних сфінктерів, в той час як наявність останніх не доведено[4].

    Крім того, ми знаємо, що функція будь-якогодепо крові - викидати в кровоносне русло додаткові обсяги крові в разі необхідності, наприклад, при фізичних навантаженнях. При цьому кровонаповнення органу, що виконує функцію депо крові зменшується. Однак під час фізичних навантажень в легких відзначено не зменшення, а збільшення кровонаповнення майже на 20%[38]. Тобто, легені не викидають депоновану кров, а навпаки, самі є споживачами крові, депонованої в інших органах. Наявність переповнених кров'юкапілярів ще не говорить про їх депонирующей функції. Можливо, ця кров не стоїть на місці (секвестровані, депонована), а рухається в нормальному потоці крові?

    Але якщо це так, то чому не відбувається падіння насичення крові киснем, адже ці капіляри огортають альвеоли, в яких немає вентиляції? Яким же чином здійснюється альвеолярний газообмін?

    Спробуємо відповісти на ці питання. У першу чергу з'ясуємо, чи рухається кров попереповненим капілярах невентильованих альвеол, тих самих, що знаходяться в фізіологічному ателектазі.

    Існує експериментальна робота, присвячена цьому питанню[2]. Ідея експерименту полягала в отриманні корозійних латексних зліпків перфузіруемих частин судинного русла МКК і вентильованих альвеол на момент заливки латексу:

    • якщо залити в легеневу артерію емульсію рідкого каучуку (латексу) одного кольору,наприклад, білого, то він заповнить тільки ті посудини, включаючи альвеолярні капіляри, які були прохідні для кровотоку в момент заливки. У ті капіляри, які були непрохідні для кровотоку через закриті прекапілярнихсфінктерів латекс не пройде, незалежно від того, чи були вони заповнені депонованої кров'ю, або ж були порожніми.
    • якщо одночасно залити латекс іншого кольору, наприклад, чорного, в головний бронх, то він заповнить тільки ті альвеоли,які на момент заливки були доступні для воздухотока, тобто, для вентиляції. Ті ж альвеоли, які в момент заливки були недоступні для вентиляції, будуть закриті і для латексу. Що міститься в альвеолах повітря не може перешкодити проникненню латексу в ці альвеоли внаслідок високої еластичності альвеолярних мішечків і більш високого питомої ваги латексу в порівнянні з повітрям.
    • якщо після заливки латексу в легеневі судини і бронхи всі м'які тканинилегкого розчинити в сильній кислоті, то залишиться латексний зліпок судин і альвеол, які перфузувати і вентилювалися в момент заливки латексу.

    Отже, якщо переповнені кров'ю альвеолярні капіляри тих ЛФЕ, які імовірно виконують роль депо крові, будуть заповнені латексом, це означає, що дані ЛФЕ не є депо крові, а їх капіляри перфузируются, тобто, кров у них рухається.

    Опис експерименту. Експеримент був виконаний на легких 8 безпородних собак, середньою вагою близько 15-20 кг. Тварина занурювалося в фентаніловий наркоз, розпечатувалася грудна клітка і накладався затискач на головний бронх і на легеневі судини. Корінь легені перетинався проксимально від затискачів і легке витягалося з порожнини грудної клітини. Звільнялися легеневі судини і МКК промивається 0.9% розчином NaCl (рис. 4). Потім в легеневу артерію самопливом заливалилатекс білого кольору. Тиск під час заливки не перевищувало 5-10 мм Hg (висота стовпа латексу в воронці, вставленої в легеневу артерію). У момент заливки латексу в легеневу артерію все легке ставало білим (рис. 4-2).

    Потім звільнявся від затиску головний бронх і в нього самопливом заливався латекс чорного кольору. У момент заливки чорного латексу в головний бронх на поверхні сильно побілілого легкого з'являлися невеликі острівці чорного кольору, діаметром 4-6 мм. Вонибули рівномірно розкидані по всій поверхні легені (рис. 4-3).

    Після заливок латексу легке занурювалося в розчин сильної кислоти для полімеризації латексу і розчинення м'яких тканин легені. Через тиждень препарат витягувався з кислотою, промивають проточною водою і вивчався під мікроскопом (збільшення 30-60 разів). Препарат розглядалося під мікроскопом як зануреним у воду, так і в сухому вигляді.

    Рис. 4. Приготування корозійного препарату легкого і його мікроскопування.

    Результат. Групи темних кульок латексних зліпків альвеол були розташовані окремо від світлих сіточок зліпків альвеолярних капілярів (рис. 4-5). Причому, на тлі темних кульок практично не було видно ниточок капілярів. Кульки альвеол були згруповані в грона,можливо по кілька сотень штук, і розташовувалися у вигляді окремих острівців на тлі суцільного поля сіточок альвеолярних капілярів. Сумарний обсяг острівців на вигляд був у кілька разів менше сумарного обсягу, займаного сіточками капілярів. Точний підрахунок не проводився.

    Висновки.

  • Легеневий кровообіг здійснюється в капілярах тих альвеол, які в даний момент не вентилюються.
  • Вентиляція здійснюється в тих альвеолах, в капілярах яких практично немає перфузії
  • Число перфузіруемих груп альвеолярних сіточок в кілька разів більше числа груп вентильованих кульок альвеол (можливо в 5 - 6 разів, точний підрахунок не проводився)

  • Результати даної експериментальної роботи змушують переглянути існуючі концепції і припускають вірогідний механізм регіонарної регуляціїлегеневих функцій в новому вигляді.

    Рефлекс Ейлера-Лільестранда - основа регуляції регіонарних функцій легень.

    Рис. 5. Респіраторні і перфузійні частини ЛФЕ. Функціональна одиниця вентиляції (ФЕВ) - набір з приблизно 100 альвеолярних ходів. Функціональна одиниця перфузії малого кола кровообігу (ФЕП-МКК) - набір з приблизно 100 комплектів альвеолряних мереж.

    Регуляція легеневих функцій заснована на рефлексі Ейлера-Лільестранда[18]. При цьому немає легеневих функціональних одиниць (ЛФЕ). Але є (рис. 5) об'єднані групи альвеолярних ходів, умовно звані функціональними одиницями вентиляції (ФЕВ), пов'язані з об'єднаними групами альвеолярних капілярних мереж, умовно званіфункціональними одиницями перфузії МКК (ФЕП-МКК). ФЕВ і ФЕП-МКК працюють за законом «все або нічого», тобто, все альвеоли, що входять до складу ФЕВ або одночасно вентилюються, або не вентилюються, і все капіляри, що входять до складу ФЕП-МКК, або одночасно перфузируются (активні ), або не перфузируются (в резерві).

    Обидві ці групи працюють противофазно, тобто, якщо яка-небудь ФЕВ вентилюється (метаболічна вентиляція, спрямована на провітрювання відпрацьованогоальвеолярного повітря), то в сполученої з нею ФЕП-МКК немає перфузії. І навпаки, якщо яка-небудь ФЕП-МКК перфузируется, то в сполученої з нею ФЕВ немає вентиляції до тих пір, поки кондиція альвеолярного повітря підходить для газообміну (рис. 6).

    Рис. 6. Рефлекс Ейлера-Лільестранда - регулятор легеневого кровообігу.

    Якщо з якоїсь причини будь-якаФЕП-МКК перестає перфузувати постійно (зруйнована через високого тиску, закупорена тромбами або емболами тощо), а вентиляція сполученої з нею ФЕВ продовжує здійснюватися паралельно метаболічної вентиляції інших ФЕВ без всякої на те метаболічної потреби, то дана ФЕВ стає альвеолярним мертвим простором (АМП). Якщо з якоїсь причини будь ФЕВ перестає вентилюватися, а в сполученої з нею ФЕП-МКК продовжує здійснюватисяперфузія, якщо, наприклад, регулятор (рефлекторна дуга) зруйнований, то виникає внутрілегочний шунт. В обох останніх випадках виникає патологія.

    Яким же чином здійснюється альвеолярний газообмін? Можна собі уявити, що в якій-небудь ФЕВ немає вентиляції, але її газовий склад підходить для альвеолярного газообміну, в ній досить багато кисню і мало вуглекислого газу (рис. 6А). В сполученої з нею ФЕП-МКК є перфузія і відбувається газообмін між даними ФЕВі ФЕП-МКК. З альвеолярного повітря в кров переходить кисень, а з крові в альвеолярний повітря переходить вуглекислий газ.

    Через деякий час через дифузії концентрація кисню в альвеолярному повітрі зміниться настільки, що газообмін значно знизиться і вже не буде сенсу продовжувати перфузію через дану ФЕП-МКК. Тоді спрацьовує рефлекс Ейлера-Лільестранда, кровотік по ній припиняється і переключається в іншу ФЕП-МКК, поєднаної з іншою попередньопровітреній ФЕВ, газовий склад якої підходить для газообміну. А дана ФЕВ починає вентилюватися (провітрюватися), звільнившись від механічного та щодо жорсткого капілярного каркаса, який в цей момент запустівають і стає м'яким (рис. 6Б).

    Таким чином здійснюється цикл вентиляція-перфузія в сполучених ФЕВ і ФЕП-МКК. Кровоток завжди підключається до попередньо добре провітреним групам альвеол (ФЕВ) і тільки з ними здійснюєальвеолярний газообмін (рис. 7).

    Оскільки переповнені кров'ю альвеолярні капіляри перфузованої ФЕП-МКК є досить жорстким каркасом, то дана ФЕВ припиняє вентилюватися. Як тільки газовий склад цих ФЕВ стає невідповідним для газообміну, кровотік переключається до інших, попередньо добре провітреним ФЕВ. Капіляри даної поєднаної ФЕП-МКК запустівають, що звільняє дану ФЕВ від жорсткого каркаса і вона починає провітрюватися(Вентилюватися).

    Рис. 7. Перемикання кровообігу і вентиляції легеневих функціональних одиниць.

    Ми не знаємо точного співвідношення числа вентильованих і не вентильованих ФЕВ і числа перфузіруемих і неперфузіруемих ФЕП-МКК. Можливо, в стані спокою суб'єкта число вентильованих ФЕВ і число закритих для кровотоку ФЕП-МКК менше числа невентильованих ФЕВі відкритих для кровотоку ФЕП-МКК в 5-6 разів. Тобто, в 5/6 частин легких є перфузія і тут відбувається альвеолярний газообмін, а в решти 1/6 частині немає перфузії, але йде інтенсивне провітрювання альвеол від відпрацьованого альвеолярного повітря (вентиляція). Однак, можна припустити, що при максимальній фізичному навантаженні, коли метаболічні потреби сильно зростають, все ФЕВ і все ФЕП-МКК вентилюються і перфузируются. На це, наприклад, вказує збільшення легеневогокровонаповнення під час максимальних фізичних навантажень приблизно на 20%[8, 30], На ту саму 1/5 частина, яка не перфузируется в стані спокою суб'єкта.

    Для перемикання режимів перфузії та вентиляції в даній ситуації виконується головна умова для спрацьовування будь-якого рефлексу - зміна контрольованого параметра, яким в даному випадку є газовий склад альвеолярного повітря. Поки рО 2. перфузіруемих, але не вентильованих альвеолдосить велике, кровотік омиває їх і тут відбувається альвеолярний газообмін. Як тільки рО 2. в альвеолярному повітрі знизиться нижче критичного, спрацьовує прекапілярних сфінктер, який закриває кровотік через дану альвеолу (ФЕП-МКК). В інших же альвеолах, в яких після попереднього провітрювання рО 2. виріс вище критичного, кровотік відкривається і вже в цих альвеолах починається альвеолярний газообмін.

    Такий механізм перемикання альвеолярного кровотоку відомий давно. Відомо, що дихання гіпоксичними газовими сумішами (вміст кисню не вище 15-16% за об'ємом), призводить до чітко вираженої констрикции судин легеневої артерії[3, 7, 10, 12, 33, 42]. Основою такої регуляції є рефлекс Ейлера-Лільестранда, описаний ще в 1946 році. Суть рефлексу полягає в тому, що дихання гіпоксичними газовими сумішами підвищує судинний опір МКК. Пізніше, в 1954 році був відкритий так званийальвеоло-судинний рефлекс[35]- Чим менше маса легеневої тканини, що втягуються в гіпоксію, тим більше ефект впливу гіпоксії на альвеолярне кровообіг, аж до 100%[23]. Подібні дані були отримані Маршалом зі співавт.[27, 28, 29], Дворецьким зі співавт.[3]і багатьма іншими[20, 25, 34, 40]. Швидше за все рефлекс Ейлера-Лільестранда, альвеоло-судинний рефлекс і всі інші подібні явища мають один і той же механізм і є одним і тим же рефлексом.

    Роль прекапілярнихсфінктерів по всій видимості виконують дрібні артерії МКК, оскільки відомо, що артеріоли і прекапіляри майже не містять гладком'язових структур і не можуть бути регуляторами кровотоку[12]. Коли ці артерії (сфінктери) відкриті, густа мережа альвеолярних капілярів відповідної ФЕП-МКК заповнюється кров'ю. Ця мережа при наповненні кров'ю є відносно жорстким механічним каркасом і утрудняє дихальні (вентиляторні) руху стінокальвеол. Тому в сполученої ФЕВ немає вентиляції. Коли прекапілярні сфінктери закриваються, кровотік по даній капілярної мережі припиняється, стінки альвеол звільняються від механічного каркаса і вже ніщо не заважає їм вільно рухатися. З цього моменту починається їх вентиляція (провітрювання). При цьому немає необхідності в спеціальних бронхіальних сфінктера, які б перекривали рух повітря за відповідними бронхах для припинення вентиляції даних ФЕВ. Підключення кровотоку донебудь ФЕВ створює жорсткий каркас із заповнених кров'ю альвеолярних капілярів і це припиняє її вентиляцію, і навпаки.

    Питання про конкретний механізм, що здійснює рефлекс Елері-Лільестранда, залишається поки відкритим. Найбільш можливими механізмами його здійснення є[21]:

  • збудження хеморецепторів в стінках легеневих судин - нейронний альвеоло-васкулярної або вено-артеріальний аксон рефлекс
  • вивільнення судинами МКК вазоактивних речовин
  • измение рН крові
  • порушення (зміна) метаболізму в легеневих судинах

  • Ймовірно, на існування альвеоло-васкулярного нейронного і вено-артеріального аксон-рефлексу немає ніяких шансів, оскільки після багаторічних і наполегливих пошуків не було отримано жодних переконливих даних на користь їх існування[6, 15, 17, 41]. Схиляються до думки що можливоє прямий вплив альвеолярної гіпоксії на гладкі м'язи легеневих артерій[1, 14, 16, 20, 31]. На це вказує те, що скорочення ізольованих смужок легеневих судин у відповідь на гипоксический стимул виникає тільки в тому випадку, якщо вони відпрепаровані з деякою кількістю навколишнього їх паренхіми[26]. В інших експериментах ексудат, зібраний з поверхні легенів кішки, перфузіруемих і вентильованих гипоксической газовою сумішшю, викликав скорочення смужок легеневої артерії,взятих у цих же тварин[13]. Все це схоже на метаболічну або гуморальну регуляцію легеневого кровотоку, минаючи нервову систему.

    У всякому разі, хоча анатомо-морфологічні елементи механізму спрацювання рефлексу Ейлера-Лільестранда поки невідомі, але він існує і надійно працює в усіх відділах легень. Причому, настільки надійно, що у хворих з перетином одного з головних бронхів і глухим зашиваємо його кукси, але без вилучення цього легкого згрудної клітки, ушивання відповідної гілки легеневої артерії не виробляють. Кровоток по судинному руслу даної легеневої артерії припиняється самостійно.

    Рефлекс Ейлера-Лільестранда спрацьовує завжди тільки на зміну рО 2. в альвеолярному повітрі, а не в протікає капілярної крові, і практично не залежимо від інших впливу (гипоксический рефлекс, але не гипоксемической). Хоча, можливо, він може бути промодулирован (посилений,ослаблений) різними факторами[19, 20, 21, 25, 40]. Таким чином рефлекс Ейлера-Лільестранда (гипоксический рефлекс) є основним регулятором кровотоку по МКК.

    Так як газообмін відбувається в невентильованих ФЕВ, то короткочасні затримки дихання не можуть вплинути на насичення артеріальної крові киснем. Це дає нам можливість не тільки розмовляти і співати, а й пірнати під воду, грати на духових музичних інструментах, сильно напружуватися при підйомі важкоговантажу, затамувавши подих і т.д.

    Рефлекс Ейлера-Лільестранда дає можливість зв'язати в єдиний механізм вентиляцію і перфузію легенів, зрозуміти, яким чином змінюються параметри циклічності дихання. Легенева вентиляція залежить від співвідношення двох основних параметрів вентиляції - частоти і дихання глибини. Чим більше глибина дихання, тим більше вентиляція. Глибина дихання регулюється рефлексом Геррінга-Брайера[24], Який спрацьовує від роздратування барорецепторів,закладених в товщі легеневої паренхіми. Під час вдиху, у міру розтягування легень, ці барорецептори стискаються, їх афферентная импульсация проходить в дихальний центр, розташований в стовбурі головного мозку, і вже звідти припиняється еферентна импульсация на дихальні м'язи, вдих припиняється і починається пасивний видих. Потім все повторюється спочатку. Так циклічно здійснюється регуляція глибини дихання.

    Чим вище жорсткість легких, тим раніше починаєтьсяроздратування барорецепторів, тим раніше вони доходять до максимуму афферентной імпульсації, тим раніше припиняється вдих, тим менша глибина дихання, тим менше вентиляція. Жорсткість легенях залежить від їх кровонаповнення. Завдяки рефлексу Ейлера-Лільестранда кровонаповнення легень більше тоді, коли в них більше кисню. А якщо в них багато кисню, то немає необхідності у великій вентиляції, тому глибина дихання зменшується. Чим більше кровонаповнення, тим більше жорсткість легких, тимменше вентиляція і навпаки, чим менше кровонаповнення, тим менше твердість легких, тим більше може бути вентиляція.

    А жорсткість легких залежить від їх кровонаповнення, яке, в свою чергу, залежить від змісту Про 2. в них. Чим менше Про 2. в альвеолярному повітрі, тим менше крові в легенях, тим вони м'якше і тим легше вони розтягуються.

    Однак це всього лише потенція до більшого розтягування легенів(Збільшення глибини дихання), але тільки одного факту зменшення Про 2. в альвеолярному просторі легких ще не достатньо для збільшення вентиляції легенів. Справа в тому, що легкі, вірніше, апарат зовнішнього дихання (АВД), основними робочими одиницями якого є ФЕВ, входить до складу більшої системи - системи обміну метаболічних газів (СОМГ), до складу якої в якості підсистем, крім системи вентиляції (АВД ), входить також і система циркуляції (серцевінасосні системи, судини і кров). Як випливає з назви СОМГ ця система забезпечує доставку Про 2. в організм та видалення з нього СО 2., Який утворюється в результаті метаболічних хімічних реакцій. А один з фундаментальних хімічних законів говорить: - «продукти хімічних реакцій є інгібіторами цих реакцій». Отже, якщо не видаляти з організму СО 2., То в міру його накопичення відповідні хімічніреакції, включаючи цикл Кребса, зупиняться, навіть якщо буде багато Про 2.. Тому основним регулятором вентиляції легень є СО 2., А не Про 2..

    Це легко доводиться тестами дихання гіпоксичними і гіперкапніческой газовими сумішами, які дозволяють виявити вплив Про 2. і СО 2. на вентиляцію легенів. Якщо дихати гіпоксичними газовими сумішами, в легенях будеменше кисню, їх кровонаповнення зменшиться, тому зменшиться їх жорсткість. У міру падіння рО 2. А все більшу кількість ФЕП-МКК закривається для кровотоку (рефлекс Ейлера-Лільестранда), легкі стають біднішими кров'ю і тому м'якше, рефлекс Геррінга-Брайера спрацьовує пізніше і глибина дихання може збільшуватися (рис. 8).

    Рис. 8. Результати тесту диханням гіпоксичними газовимисумішами. Вертикальні пунктирні прямі - початок і кінець тесту.

    Однак значного збільшення глибини дихання не відбувається. Через артеріальної гіпоксемії збільшується серцевий викид (гіперціркуляція, проявляється у вигляді збільшення частоти серцевих скорочень - HR), посилюється «вимивання» СО 2 з тканин (виміряний VCO 2. зростає паралельно зі збільшенням HR), хоча продукція СО 2. в тканинах не змінюється, тобто, метаболізм, практично не змінюється. У результаті концентрація рСО 2. а в артеріальній крові падає (подібно до того, як альвеолярний рСО 2. падає при гіпервентиляції) і це проявляється у вигляді падіння рСО 2. А, хоча вентиляція практично не збільшується.Зниження рСО 2. а зменшує стимулювання нейронів дихального центру і це призводить до зменшення частоти дихання. Тому, хоча глибина дихання може дещо зрости, легенева вентиляція практично не змінюється.

    Можливо вплив рефлексу Геррінга-Брайера було б більше і це проявилося б у більшому збільшенні глибини дихання, якби не падіння рСО 2. а, яке зменшує стимуляцію дихального центру і це призводить нетільки до зменшення частоти дихання, але й, можливо, до зменшення глибини дихання. Спільне спрацьовування двох різно спрямованих рефлекторних дій - рефлексу Геррінга-Брайера і падіння рСО 2. а, призводить до того, що при проведенні гипоксемической тесту глибина дихання не збільшується в тій мірі, в якій можна було б очікувати.

    При цьому насичення артеріальної крові киснем (SaO 2. A) падає з двох причин:.

  • по-перше, Через падіння рО 2. у вдихуваному повітрі виникає гіпоксична гіпоксемія і тому зростає серцевий викид, що призводить до збільшення також і лінійної швидкості кровотоку через легені і в результаті час контакту еритроцитів з альвеолярним повітрям зменшується, що посилює артеріальну гіпоксемію
  • по-друге, Через виключення зперфузії частини ФЕП-МКК сумарний діаметр капілярного русла МКК зменшується і в результаті швидкість прольоту еритроцитами зони дифузії ще більше збільшується, вони не встигають насититься киснем і тому артеріальна кров недонасищается киснем в ще більшій ступені (відносне шунтування).

  • Таким чином, прямої дії Про 2. на дихальний центр і на дихання, мабуть, немає, тому що падіння SaO 2 a майже до 75% практично ніяк не впливає на рівень легеневої вентиляції. На всьому протязі проби загальна легенева вентиляція залишалася приблизно на одному рівні. Отже, О 2. може впливати на параметри дихання тільки через рефлекс Ейлера-Лільестранда і Геррінга-Брайера, впливаючи в деякій мірі тільки на глибину дихання. При цьому частота дихання змінюється (падає) не через зміну рО 2. а, а через зміну (падіння) рСО 2. а, яке виникає через збільшення тканинного кровотоку. Спочатку виникає падіння (розведення) венозного рСО 2. v, тому падає альвеолярний рСО 2. А, а потім вже падає артеріальний рСО 2. а. При проведенні тесту диханням гіпоксичними газовими сумішами випробовувані майже не помічали падіння рО 2. у вдихуваному повітрі майже до 40 мм Hg і падіння SaO 2. a майжедо 70-65%. У таких умовах вони могли так дихати більше 10 хвилин і їх легенева вентиляція майже не змінювалася.

    Отже, можна стверджувати, що Про 2. практично ніяк не впливає на вентиляцію легенів, якщо не брати до уваги вторинні ефекти, пов'язані зі зміною легеневого кровотоку та серцевого викиду.

    Зовсім інша картина спостерігається при впливі СО 2. на дихальний центр (тест диханнямгіперкапніческой газовими сумішами). Ця реакція проявляється в різкому прирості вентиляції на приріст кожного мм Hg СО 2. в альвеолярному повітрі (рис. 9). При цьому приймається, що рСО 2. А та рСО 2. а приблизно рівні.

    При диханні гіперкапніческой газовими сумішами випробуваний різко реагує на вдихання СО 2. і може протриматися майже в три рази менше часу, ніж при диханнігіпоксичними газовими сумішами. Відбувається різкий приріст легеневої вентиляції, близько 2-3 літрів, на приріст кожного 1 мм Hg СО 2.. Але таку сильну реакцію можна спостерігати тільки в нормальних піддослідних (рис. 9А). При патології реакція дихального центру на приріст рСО 2. а може бути різко знижена або навіть відсутні (рис. 9Б), тому що нейрони дихального центру як би «звикають» до тривалої гиперкапинией і їх сила реакції на СО 2. знижена (причини такого зниження реактивності дихальних нейронів в даній роботі не розглядаються).

    Рис. 9. Результати тесту диханням гіперкапніческой газовими сумішами (умовні позначення ті ж, що і на рис. 8).

    Таким чином, альвеолярне рО 2. (РО 2. А), через рефлекс Ейлера-Лільестранда, через кровонаповнення легенів і через їх жорсткість (рис. 10А), за допомогою рефлексу Геррінга-Брайера може регулювати глибину дихання, але в дуже незначною мірою (рис. 10Б). Вуглекислий газ прямо ніяк не впливає на ступінь кровонаповнення легенів і на рефлекс Геррінга-Брайера. Але він має потужний прямим стимулюючим впливом на дихальний центр через пряму Хеморецепція його нейронами (рис. 10С-В) ічерез його непряму стимуляцію шляхом Хеморецепція каротидного синуса (рис. 10С-Г). Посилення стимуляції дихального центру тягне за собою прискорення його реакцій. В результаті дихальний цикл коротшає і зростає частота дихання.

    Для нормального насичення гемоглобіну киснем потрібен час порядку 0.21-0.26 секунди. Така досить повільна швидкість насичення гемоглобіну накладає дуже жорсткі вимоги до часу перебування еритроцита в альвеолярномукапілярі і до самих умов альвеоло-капілярної дифузії, зокрема до альвеолярному рО 2..

    Рис. 10. Механізми регуляції легеневої вентиляції.

    Однак вище описаний механізм регіонарної регуляції легеневих функцій дозволяє уникнути цих обмежень. Невеликі затримки дихання, наприклад, під час розмови, не можуть вплинути нагазообмін в тих альвеолах, які вентилюються. Його (газообміну) там просто немає. Якщо ж час затримки дихання перевищує час зміни режиму ФЕВ з провітрювання на перфузію, то затримка дихання вже може вплинути на артеріалізація венозної крові, що протікає через легені, і привести до її гіпоксемії, оскільки відповідні ФЕВ ще не встигли провітритися. Зазвичай в нормі початок падіння насичення гемоглобіну киснем починається через 30-40 секунд після початку затримки дихання.

    Механізм регуляції регіонарних легеневих функцій, заснований на рефлексі Ейлера-Лільестранда, змушує заново переглянути механізм альвеоло-капілярної дифузії і методів її вимірювання. Раніше передбачалося, що у функціонуючих альвеолах відбувалися процеси вентиляції і дифузії одночасно. За новою концепцією процеси альвеолярної вентиляції і дифузії роз'єднані.

    Отже, можливі три моделі регіонарної регуляції легеневого кровотоку (рис. 11):

  • модель № 1 (4-х компонентна модель по Зільбер А.П.)
  • модель № 2 (депонуються функція легень по Есиповой І.К.).
  • модель № 3 (заснована на рефлексі Ейлера-Лільестранда)

  • Ще рано віддавати перевагу якійсь із них. Необхідно продовжити накопичення фактів для підтвердження тієї чи іншої концепції. Однак, схоже що у моделі № 1 мало шансів на виживання. Швидше за все вибірпотрібно робити між моделями № 2 і № 3 хоча дані про збільшення кровонаповнення легенів під час навантаження суперечать моделі № 2.

    У моделі № 3 є багато шансів бути прийнятою, оскільки вона добре пояснює регіонарну регуляцію легеневого кровотоку. На її користь свідчить наявність рефлексу Ейлера-Лільестранда (альвеоло-судинний гипоксический рефлекс), результати тесту диханням гіпоксичними газовими сумішами та результати експериментальної роботи з латексної заливкоюлегені. Однак цього недостатньо і дослідження необхідно продовжити.

    Під час максимальної фізичного навантаження, по-видимому, все альвеолярні капіляри (все ФЕП-МКК) відкриті для кровотоку, все альвеоли (все ФЕВ) вентилюються і в них відбувається альвеолярний газообмін. Всі альвеоли в цей час мають жорсткий каркас із заповнених кров'ю капілярних сіточок, оскільки в них є кровоток. Проте ці альвеоли можуть вентилюватися, оскільки їх бронхи відкриті.Проблема тільки в роботі дихання. Якщо сил дихальних м'язів достатньо, то вентиляція може наростати і в таких умовах, інакше виникне вентиляторна недостатність.

    Рис. 11. Три можливих моделі регулювання регіонарних легеневих функцій.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.

    1. Бернштейн С.А., Гуревич М.І.,Соловйов А.І. - Дефіцит кисню і судинний тонус. - Наукова думка, Київ, 1975 с. 60-78);
    2. Гайдес М.А. - Регіонарна регуляція основних легеневих функцій. - Єреван, Кровообіг, 1983 N 4 с. 12-15);
    3. Дворецький Д.П., Юров А.Ю., Поясів І.З. - Установка для сполученого вимірювання параметрів мікроциркуляції і регіонарної гемодинаміки в легенях. - Фізіолого. Журнал СРСР, 1985 т. 71 N 7 с. 928-932);
    4. Єсипова І.К.- Патологічна анатомія легень. - Москва, Медицина, 1976 с. 9-11);
    5. Зільбер А. П. - Регіонарні функції легень. - Петрозаводськ, 1971);
    6. Навратіл М., Кадлец К., Даум С. - Патофозіологія дихання. - Медицина, Москва, 1967;
    7. Савицький М.М. - Киснева терапія. - Л., Медгиз, 1940 с. 125);
    8. Шершевскій Б.М. - Кровообіг у малому колі. - Москва, Медицина, 1970);
    9. Agostoni E., D'Angelo E. - Commparative features of the transpulmonary presure. - Respir. Physiol., 1970 vol. 11 N 1 p. 76-83;
    10. Arborelius M. - Respiratory gases and pulmonary blood flow. - Malmo: Landby, Lundgrens Boktryckeri, 1966 p. 80;
    11. Baile E.M., Pare P.D., Brooks L.A., Hogg J.C. - Relationship between regional lung volume and regional pulmonary vascular resistance. - J. appl. Physiol., 1982 vol. 52 N 4 p. 914-920;
    12. Bennie, RE, Packer CS, Powell DR, Jin N, and Rhoades RA. - Biphasic contractile response of pulmonary artery to hypoxia. - Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 261: L156-L163 1991.
    13. Benumof J., Mathers J., Wahrenbrock E. - The pulmonary interstitial compartment and the mediator of hypoxic pulmonary vasoconstrition. - Microvasc. Res., 1978 vol. 15 N 1 p. 69-75;
    14. Bergofsky E.H., Holtzman S. - A study of the mechanisms involvedin the pulmonary arterial pressor response to hypoxia. - Circulat. Res., 1967 vol. 20 p. 506-519;
    15. Bjertnaes L., Karlsen J., Aerseth P. - Changes in pulmonary blood volume and extravascular water content due to episodes of acute alveolar hypoxia in isolated rat lungs. - Microvasc. Res., 1979 vol. 17 N 2 p. 212-213 p. 47;
    16. Bohr D.F. The pulmonary hypoxic response. - Chest, 1977 vol. 71 p. 244-246;
    17. DawsonC. A. - Role of pulmonary vasomotion in physiology of the lung. - Physiol. Rev., 1984 vol. 64. N 2 p. 544-616;
    18. Euler U.S. von, Liljestrand G. - Acta physiol. scand. - 1948 16 53 21;
    19. Fishman A.P. - Hypoxia on the pulmonary circulation. - Circulat. Res., 1976 vol. 38 N 4 p. 221-231;
    20. Fishman A.P. - Respiratory gases in regulation of the pulmonary circulation. - Physiol. Rev., 1961 vol. 41 p. 214-280;
    21. Fishman A.P. - Vasomotor regulation of the pulmonary circulation. - Annu. Rev. Physiol., 1980 vol. 42 p. 211-220;
    22. Glaister DH, Schroter RC, Sudlow MF, Milc-Emmili J. - Bulk elastic properities of excised lungs and the effect of a transpulmonary pressure gradient. - Respir. Physiol., 1973 vol. 17 p. 347-364;
    23. Grant BJB, Davies EF, Jones HA, Hughes JMB - Local regulation of pulmonary blood flow and ventilation-perfusion rations in the coatimundi. - J. appl. Physiol., 1976 vol. 40 N 2 p. 216-228;
    24. Hering E., Breuer J. - Sitsb. Akad. Wissensch., 1868 57 Abt. II: 672;
    25. Kazemi H., Hales C.A. - Pulmonary vascular response to unilateral alveolar hypoxia: role of H +. - Bull. europ. phys.-path resp., 1974 vol. 10 N 2 p. 267-272;
    26. Lloid T.C. - Hypoxic pulmonary vasoconstriction: role of perivascular tissue. - J. appl. Physiol., 1968 vol. 25 N 5 p. 560-565;
    27. Marshall C., Marshall B.E. - Influence of perfusate PO2 on hypoxic pulmonary vasoconstriction in rats. - Circulat, res., 1983 vol. 52 N 6 p.691-696;
    28. Marshall C., Marshall B.E. - Characterization of the stimulus-responce curve for hypoxic pulmonary vasoconstriction. - Pflug. Arch., 1983 vol. 398 N 2 p.93-95;
    29. Marshall C., Marshall B.E. - Hypoxic pulmonary vasoconstriction: an in vivo /in vitro comparison. - Anestesiology, 1981 vol. 55 N 3A, p.743;
    30. Marshall RJ, Wang Y., Semler HJ, Shepherd JT - Circulat. Res. 1961;
    31. McMurtry IF, Davidson AB, Reeves JT, Grover RF - Inhibition of hypoxic pulmonary vasoconstriction by calcium antagonists in isolated rat lungs. - Circulat. Res. 1976 vol. 38 N 2 p. 99-104;
    32. Mead J. - Respiration: pulmonary mechanics. - Annu. Rev. Physiol. - 1973 vol. 35 p. 169-192;
    33. Norbert Weissmann, Friedrich Grimminger, Andrea Olschewski, and Werner Seeger - Hypoxic pulmonary vasoconstriction: a multifactorial response? - Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 281: 1040-0605/01 Vol. 281 Issue 2 L314-L317 August 2001;
    34. Philips J.B., Lyrene R.K., McDevitt M. Et al. - Prostaglandin D2 inhibits hypoxic pulmonary vasoconstriction in neonatal lambs. - J. appl. Physiol., 1983 vol. 54 N 6 p. 1585-1589;
    35. Rossier P. H., Buhlmann A. - Cardiologia, 1954 vol. 25 p. 132;
    36. Schulz H. - The submicroscopic anatomy and pathology of the lung. - Berlin, 1956;
    37. Seeman G. - Histobiologie der Lundenalveole. - Jena, 1931;
    38. Shepherd J.T. - Circulatory changes in the lung during exercise. - Pediatrics, 1963 vol. 32 N 4 p. 683-687;
    39. Staub N. C. - Lung structure and function. - Basics RD, 1982 vol. 10 N 4 p. 1-6;
    40. Thilenius O.G., Derenzo C. - Effects of acutely induced changes in arterial pH on pulmonary vascular resistance during normoxia and hypoxia in awake dogs. - Clin. Sci., 1972 vol. 42 N3 p. 277-287;
    41. Tucer A. - Pulmonary and systemic vascular responses to hypoxia after chemical sympathectomy. - Cardiovasc. Res., 1979 vol. 13 N 8 p. 469-476;
    42. Voelkel, NF. Mechanisms of hypoxic pulmonary vasoconstriction. Am Rev Respir Dis 133: 1186-1194 1986;
    43. Wearn JT, Ernstene AC, Brommmer AW, Barr JS, German WJ, Zschiesche LJ - Amer. J. Physiol. - 1934 109 236;
    44. West J. B. Ventilation-perfusion relationships. - Amer. Rev. resp. Dis., 1977 vol. 116 N 5 p. 919-943;
    45. West J. B., Dollery C.T., Naimark A. - Distribution of blood flow in isolated lung. Relation to vascular and alveolar pressures - J. appl. Physiol., 1964 vol. 19 N 4 p. 713-724;
    46. West J.B., Matthews F.L. - Stresses, strains, and surface pressures in the lung caused by its weight. - J. appl. Physiol., 1972 vol. 32 N 3 p. 332-345;