Nedostatek kyslíku v plicích

Plíce zajišťují transport kyslíku z atmosféry do krve a oxidu uhličitého opačným směrem. K tomu jsou obdivuhodně uzpůsobeny. Oběh krve plícemi je hned po narození od velkého (systémového) krevního oběhu oddělen, a protože jsou uspořádány v sérii, proteče plícemi skoro všechna krev, kterou žilní systém v těle posbírá (viz rámeček Krevní oběh 1 ). Dýchací plyny přecházejí v plicích prostou difuzí a díky množství plicních sklípků je difuzní plocha plic obrovská, až 100 m². Dráha pro difuzi je velmi krátká, stěna plicních vlásečnic má tloušťku jen několik desetin mikrometru. Tak tenká stěna by těžko odolávala vysokému krevnímu tlaku, a proto je výhodné, že je plicní cévní řečiště nízkotlaké (tlak krve v plicnici činí zhruba desetinu krevního tlaku v srdečnici).

Místní a centrální ovládání přívodu kyslíku

Ve velkém krevním oběhu je přiměřená dodávka kyslíku jednotlivým orgánům zajištěna přerozdělováním srdečního výdeje mezi paralelně uspořádaná orgánová řečiště. Systém je regulován místním zužováním a rozšiřováním cév (vazokonstrikcí a vazodilatací), tedy změnami cévního odporu kladeného proudící krvi. Logicky převažuje centrální řízení, ať již nervy nebo působky obsaženými v krvi. Například při tělesné námaze je více krve směrováno do svalů než třeba do trávicího traktu nebo do ledvin.

V celém plicním oběhu je hlavní funkcí transport krevních plynů, a tak by centrální regulace neměla smysl. Převažují regulační mechanizmy místní, které zajišťují, že v dobře provětrávaných částech plic je průtok krve větší než v těch, které jsou provětrávány hůře. Transport kyslíku je totiž závislý na přiměřeném průtoku krve, příhodném pro větrání plicních sklípků v příslušné oblasti plic. Tam, kde je průtok krve vyšší než ventilace plic, zůstává část protékající krve málo okysličená (hypoxická), tudíž klesne koncentrace kyslíku v tepenné krvi. Tomu ale brání účinný místní regulační mechanizmus (hypoxická plicní vazokonstrikce), který zužuje plicní cévy tam, kde se v plicní tkáni projeví místní nedostatek kyslíku (lokální plicní hypoxie). Ve špatně provětrávané oblasti plic je pak kladen větší odpor proudící krvi a krevní proud se přesměruje do oblastí provětrávaných lépe. Účinek regulačního mechanizmu je však omezený, při výrazně nerovnoměrné ventilaci plic přece jen úplně nezabrání poklesu koncentrace kyslíku v tepenné krvi. Místní nerovnoměrnosti mezi plicní ventilací a průtokem krve jsou hlavní příčinou snížené koncentrace kyslíku v tepenné krvi, ať jde o kterékoli plicní onemocnění.

Krátkodobý a dlouhodobý nedostatek kyslíku

Zúžení plicních cév vyvolané nedostatkem kyslíku je charakteristické právě pro plicní tkáň (a podle novějších informací též pro placentu). V ostatních orgánech buď nedostatek kyslíku na cévy nepůsobí, nebo je naopak rozšiřuje. Mechanizmus jevu charakteristického pro plíce není zcela jasný. Jisté je, že se na něm podílí vtok vápníkových iontů do buněk hladkého svalu plicních cév vyvolaný depolarizací, která souvisí se změnou aktivity draslíkových kanálů v buněčné stěně.

Vdechování směsi chudé na kyslík vyvolá pokles koncentrace kyslíku v celých plicích (globální plicní hypoxii). Obdobný důsledek může mít celkové snížení plicní ventilace v anestezii, ve spánku či při poruchách regulace dýchání. Jestliže se to stane na krátký čas, zúžení cév zvýší cévní odpor v celých plicích a při nezměněném průtoku krve plícemi stoupne krevní tlak v plicnici. Po odstranění příčiny zase tlak krve klesne (obrázek 1). Když ale nedostatek kyslíku v celých plicích přetrvává, tlak krve v plicním oběhu zůstane zvýšený dlouhodobě (nastane hypoxická plicní hypertenze). I tato situace po odstranění příčiny odezní, ale návrat trvá měsíce. U pacientů, kteří trpí dlouhodobým nedostatkem kyslíku v plicích, působí přetrvávající zvýšení odporu plicních cév chronické zvýšení krevního tlaku v plicnici. Zvýšená práce pravé komory srdeční spolu s nedostatkem kyslíku způsobí zbytnění srdečního svalu, a posléze i pravostranné srdeční selhání.

Život na vysokých horách

Většina našich informací o chronickém zvýšeném tlaku v plicnici při nedostatku kyslíku pochází ze sledování lidí nebo zvířat žijících ve velké nadmořské výšce. Při experimentech s laboratorními zvířaty se využívají také různé konstrukce komor umožňujících udržovat ve vdechovaném vzduchu nedostatek kyslíku.

Zvýšený odpor plicních cév při chronickém nedostatku kyslíku je jednak důsledkem zúžení cév (plicní vazokonstrikce), jednak působí přestavbu struktury cévních stěn. Domníváme se, že oba mechanizmy souvisejí s poškozením cévní stěny v prvních dnech nedostatku kyslíku. Krevní tlak v plicnici totiž stoupá v prvním až druhém týdnu vystavení hypoxii, pak se stabilizuje. Lidé žijící v nadmořských výškách nad 3000 m fyzicky pracují i sportují bez zřetelných obtíži. Krátce po výstupu mohou ovšem i oni trpět horskou nemocí, která je poruchou adaptace na vysokohorské prostředí. Mezi nejzávažnější z řady projevů patří otok mozku a otok plic (viz Vesmír 83, 381, 2004/7 a Vesmír 83, 386, 2004/7). Poškození cévní stěny v časných fázích pobytu v ovzduší s nedostatkem kyslíku je pravděpodobně působeno uvolněním chemických látek povahy radikálů. Makrofágy v plicních sklípcích a snad i hladký sval ve stěnách plicních cév uvolňují reaktivní sloučeniny kyslíku (superoxid, peroxid vodíku). Řada různých buněk cévní stěny pravděpodobně produkuje ve zvýšené míře oxid dusnatý. Ten reaguje s některými kyslíkovými radikály za vzniku dalších, ještě více reaktivních sloučenin, které se podílejí na poškození cévní stěny. Kaskádou jevů, mezi nimiž zřejmě hrají klíčovou roli změny metabolizmu pojivových proteinů v cévní stěně, je podněcován růst buněk hladkého svalu, množení těchto buněk a syntéza pojivových bílkovin ve stěnách periferních plicních cév. Původně tenká stěna plicních tepének (arteriol) má pak ztluštělou vrstvu hladkého svalu a je obdařena sítí četných pojivových vláken (obrázek 2). Změněné cévy kladou vyšší odpor proudu krve a důsledkem je zvýšení tlaku krve v plicnici. Oxid dusnatý pravděpodobně působí odlišně v různých fázích vystavení nedostatku kyslíku. Zatímco v časných stadiích se podílí na poškození cév, při rozvinutém vysokém tlaku v plicích cévy rozšiřuje, a tedy brzdí zvyšování krevního tlaku.

Z pokusů na zvířatech vystavených chronickému nedostatku kyslíku víme, že přestavba struktury periferního plicního cévního řečiště vyvolaná chronickým nedostatkem kyslíku není trvalá, vše se zas v prostředí s normálním obsahem kyslíku vrátí do původního stavu. Nějaký čas to ale trvá – např. u potkana se struktura periferních plicních cév normalizuje několik desítek týdnů. U člověka, který žil od mládí na vysokých horách, a pak se přestěhoval do nížiny, se krevní tlak v plicnici vrací k normálu řadu měsíců.

Lamy jsou na tom lépe než lámové

Ne všichni jedinci reagují na dlouhodobé vystavení nedostatku kyslíku stejně, rozdíly jsou i mezi živočišnými druhy (obrázek 3). Zvířata typická pro vysokohorské prostředí (lama, jak) vysoký tlak krve v plicnici nemívají. Naopak některá plemena skotu trpí při pobytu ve vysokých polohách těžkou plicní hypertenzí, která bývá provázena pravostranným srdečním selháním. U lidí nebyly nalezeny tak výrazné rozdíly – peruánští indiáni mají tlak krve v plicích zhruba stejně vysoký jako běloši v Andách nebo tibetští lámové. Záleží i na věku, velmi citlivé jsou například plicní cévy mláďat. Zjistili jsme také, že potkani vystavení dočasně nedostatku kyslíku v době kolem narození pak hůře snášejí nedostatek kyslíku v dospělosti. Zajímavé je, že výrazněji se to projevuje u samic než u samců (přestože obecně jsou samice k nedostatku kyslíku odolnější než samci).

Nemoc, nebo adaptace?

Biologický význam vysokého tlaku krve v plicích při nedostatku kyslíku není jasný. Jisto je, že s časem se tento stav dále nerozvíjí a je vratný, tudíž patrně nejde o nemoc, ale o adaptaci. Mnoho experimentální práce a ještě více spekulací bylo (zatím bezvýsledně) věnováno hypotéze, že vysoký tlak krve v plicích při chronickém nedostatku kyslíku nějakým způsobem usnadňuje nebo zvětšuje schopnost plic transportovat kyslík při nízké koncentraci.

Zvýšený tlak v plicích provází také řadu chronických plicních nemocnění spojených s nedostatečnou plicní ventilací. Nemoci však nelze srovnávat se situací navozenou u zdravého jedince vdechováním vzduchu s nízkým obsahem kyslíku. Chronická plicní onemocnění bývají obvykle provázena nějakou formou plicního zánětu. Při zánětu dýchacích cest je dodávka vzduchu do plic nerovnoměrná, a tak převažují lokální poruchy poměru mezi plicní ventilací a průtokem krve. Při plicním zánětu se záchvaty onemocnění střídají s obdobími zotavování, nemoc má progresivní charakter. Navíc se k nedostatečnému okysličení plicní tkáně v pozdějších fázích onemocnění přidružuje i zvýšená koncentrace oxidu uhličitého. Ten má však antioxidační vlastnosti, a tak se na základě nových experimentálních studií zdá, že působí spíše proti zvýšení tlaku krve v plicích.