Advertisement
Sunday, 20 April 2014
 
 
 
 
Home arrow Fysiologie arrow Overgangszone alveolus capillair
Main Menu
Home
Doelstelling
Fysiologie
High Altitude Pulmonary Edema
High Altitude Cerebral Edema
Acute Mountain Sickness
Chronische aandoeningen
Expedition
Agenda
Hoogtelongoedeem database
ISMM
Media
Index
Overgangszone alveolus capillair PDF Print E-mail
Written by R Berendsen   
Tuesday, 17 June 2008

De alveolaire membraan

De alveolaire membraan is de overgangszone van de alveoli naar het bloed in de capillairen. Dit is de zogenaamde bloed-gas barrière. Gas zal zich van de atmosfeer verplaatsen naar de alveoli en omgekeerd middels ventilatie. Vanuit de alveoli wordt het gas dan getransporteerd over de bloed-gas barrière. Het proces dat verantwoordelijk is voor verplaatsing van deze gassen heet diffusie en dit is een passief proces. Het gas waar het in dit artikel voornamelijk over gaat is zuurstof. Omdat zuurstof op basis van diffusie van de alveoli naar het bloed in de capillairen gaat is het onder andere van belang dat deze afstand zo kort mogelijk is.  

Diffusie door weefsels wordt beschreven volgens de wet van Fick. Deze wet beschrijft dat de snelheid van gas verplaatsing door een weefsellaag proportioneel aan het oppervlakte van die weefsellaag (A) en het verschil in partiële druk tussen beide kanten (driving pressure; P1-P2) en omgekeerd proportioneel aan de dikte (T) van de weefsellaag (Vgas = A/T · D · (P1-P2)). De snelheid van de verplaatsing is ook afhankelijk van een diffusieconstante (D) die afhankelijk is van weefseleigenschappen en het betreffende gas. De constante is proportioneel aan de oplosbaarheid van het gas (Sol) gedeeld door de wortel uit het molekuulgewicht (mw) (D= Sol/Ö mw). 

Diffusie en perfusie beperkingen

Wanneer rode bloedcellen (RBC) door de pulmonale circulatie stromen en alveoli passeren met daarin gas zal de partiële druk van het gas in het bloed stijgen. De passage door de capillairen duurt in rust ongeveer ¾ seconde. Wanneer het gas in de longen CO (Koolstofmonoxide) is zal, wanneer het bloed door de capillairen stroomt CO aan hemoglobine gebonden worden. Echter door de sterke binding met hemoglobine zal CO geen druk in het bloed kunnen uitoefenen waardoor er nauwelijks een partiële druk van CO ontstaat. Er kan dus heel veel CO worden gebonden aan hemoglobine tijdens de passage door de longen. De passagetijd is te kort om alles te laten binden, er wordt in dit geval gesproken van een diffusie beperkte opname van koolstofmonoxide. Dit begrip wordt verder diffusie limitering  genoemd. (zie figuur 1).

Figuur 1

Figuur 1: Opname van koolstofmonoxide en zuurstof in tijd door de pulmonale capillairen. Alleen in het geval van normoxie is sprake van een perfusie beperking. In het geval van hypoxie treed duidelijk een verschuiving op van perfusie beperking naar diffusie beperking. De passagetijd door de alveoli is te kort om een maximale capillaire PaO2 te bereiken. Hetzelfde geldt voor CO.  

Een gas, zoals N2O, wat helemaal niet bindt aan hemoglobine zal juist erg snel een partiële druk in het bloed veroorzaken waardoor zo’n gas perfusie gelimiteerd  is. Dit betekend dat als de passagesnelheid van bloed door de long toeneemt, de partiële druk niet zal veranderen. De passagetijd heeft in dit geval wel een maximum. Dit zijn belangrijke begrippen voor het verdere begrip van de problematiek op hoogte.Het gas waar het hier om gaat is zoals eerder vermeld zuurstof. In rust, op zeeniveau, zal zuurstof binnen de passagetijd van het bloed door de capillairen maximaal gebonden zijn aan hemoglobine en er zal een druk evenwicht zijn ontstaan tussen de PaO2 (alveolaire zuurstofspanning) en de PaO2 (arteriolaire zuurstofspanning), het opgeloste zuurstof. Het verschil tussen deze twee drukken is onmeetbaar klein. Ook is te zien in figuur 1 dat de partiële druk van zuurstof in de arteriolen (PaO2) niet nul is. Dit komt door het zuurstof in het gemengd veneuze bloed. Uit figuur 1 kan afgeleid worden dat de opname van zuurstof perfusie gelimiteerd  is onder normale rust omstandigheden op zeeniveau. De rode lijn geeft de situatie aan bij inspanning. De passagetijd van bloed door de capillairen neemt fors af. In dit geval bestaat er nog steeds een perfusie beperking op zeeniveau, er is nog steeds sprake van redundantie (= een overbodige passagetijd). Figuur 2 (A) laat zien dat er bij maximale inspanning op zeeniveau door niet-atleten redundantie is, (B) laat zien dat de passagetijd bij atleten tijdens maximale inspanning op zeeniveau zo kort is dat maximale oxygenatie niet meer plaats kan vinden en er vindt een verschuiving plaats van een perfusie beperking naar een diffusie beperking op zeeniveau wel te verstaan.1 Zoals figuur 3 laat zien worden de diffusie eigenschappen fors onder druk gezet door hypobare hypoxie. Op de top van Mt. Everest waar een barometerdruk heerst van ongeveer 253 mmHg zal een PaO2 van 35 mmHg verdedigd worden. Dit zal een tragere oxygenatie opleveren en maximale inspanning op deze hoogte zal de tijd die noodzakelijk is voor de oxygenatie ernstig verkorten en daardoor dus een ernstige hypoxaemie geven. 

  

Figuur 2: Diffusie tijdens maximale inspanning in (A) niet-atleten waarin sprake is van redundantie. (B) laat zien dat deze redundantie niet aanwezig is in atleten.1

 

  

 

Figuur 3:Hier wordt de situatie afgebeeld op de top van de Mount Everest (8848 m). De afname van de inspiratoire zuurstofspanning veroorzaakt een afname van de alveolaire zuurstofspanning (PaO2)  waardoor de driving pressure (PaO2- PvO2) fors afneemt en de diffusie flux vertraagt verloopt. De rode lijn geeft ook hier weer de situatie aan bij maximale inspanning. Het valt op dat de passagetijd is toegenomen in vergelijking tot maximale inspanning op zeeniveau (hier wordt op teruggekomen in het hoofdstuk over de circulatie)4

 

Diffusiecapaciteit

Bovenstaande beschrijft dat zuurstofoverdracht naar de pulmonale capillairen normaal gesproken gelimiteerd is door de hoeveelheid bloed die door deze capillairen stroomt, maar ook is laten zien dat onder hypoxische omstandigheden de diffusie beperkt is en niet de hoeveelheid bloed. Om de diffusie eigenschappen van de long te meten wordt koolstofmonoxide (CO) gebruikt omdat de overdracht hiervan alleen beperkt wordt door diffusie. De diffusie wet zoals hierboven beschreven is niet toepasbaar tijdens het leven aangezien het meten van de bloed-gas barrière niet mogelijk is. Om deze reden wordt de formule voor diffusie herschreven volgens de Bohr vergelijking, Vgas = Dl ̇ (P1-P2). Dl wordt de diffusiecapaciteit van de long genoemd en bevat oppervlakte, dikte en diffusie eigenschappen van de membraan en het gas. P1 en P2 komen overeen met de partiële drukken van zuurstof in respectievelijk de alveoli en het capillaire bloed. Dit verschil is al eerder beschreven als de driving pressure van zuurstof. De diffusie capaciteit wordt uitgedrukt in ml/min/mmHg en deze waarde neemt 2-3x toe tijdens inspanning door recruitment[1] en distensie van de pulmonale capillairen. Op dit moment is de weerstand van de zuurstofverplaatsing over de membraan besproken, echter voordat zuurstof door de RBC kan worden opgenomen moet het nog door het plasma en door de RBC naar het binnen van de cel om gebonden te kunnen worden aan het hemoglobine. Dit laden van de RBC, hoe snel het ook gaat, vertraagt significant de oxygenatie. De opname van zuurstof kan beschouwd worden als een reactie in twee stadia: (1) diffusie van zuurstof door de bloed-gas barriere (inclusief het plasma en het interieur van de RBC); en de reactie van zuurstof met hemoglobine. 

 

Figuur 4: Een elektronenmicroscoopfoto van een pulmonale capillair (C) in een alveolaire wand. Het valt op dat de dikte van de wand over een groot deel van de bloed-gas barrière minder is dan 0,5 µm. De grote pijl laat de weg van de diffusie van zuurstof zien naar het binnenste van de rode bloedcel (EC) en bevat het alveolaire epitheel (EP), het interstitium (IN) en het capillaire endotheel (EN) (Dit is gegroepeerd als 2 in de figuur). 3 = Plasma, 4 = RBC, FB= fibroblast en BM = basaalmembraan.5

Reactie met hemoglobine

De diffusie capaciteit van de rode bloedcel (RBC) (Q) voor zuurstof is de effectieve reactiesnelheid tussen zuurstof en het hemoglobine in de RBC.2 De term Q verscheen voor het eerst in een voetnoot van een artikel geschreven door Forster et al. in 1954.3 Er werd voorgesteld de weerstanden veroorzaakt door de capillaire membraan (1/Dm) en de reactiesnelheid in de RBC (1/QVc) in serie te schakelen waardoor deze kunnen worden opgeteld om zo de totale weerstand van de zuurstof overdracht (1/Dl) tussen de alveoli en de RBC weer te geven in de volgende relatie: 1/ Dl = 1/Dm + 1/QVc 

Conclusie

Concluderend kan gesteld worden dat zuurstof op haar weg van de alveolus naar de capillair de bloed-gas barrière moet passeren en daarna gebonden wordt aan hemoglobine, de laatste is de meest vertragende stap in dit proces. Op zeeniveau in rust bij gezonde mensen is er sprake van een perfusie beperking. Bij maximale inspanning op zeeniveau zal er bij atleten een verschuiven optreden van een perfusie beperking naar een diffusie beperking.  Op hoogte treedt hetzelfde probleem op als bij atleten in maximale inspanning, een diffusie beperking.

StrategieOnderwerp
Verschillende vormen van hemoglobineHumane foetus, Indische gans, toadfish
Verminder hoeveelheid van 2,3 DPGFoetus van een hond, paard en varken
Vermindering in ATPForel en paling
Een andere vorm van hemoglobine met een klein Bohr effectpad
Gemuteerd hemoglobineFamilie in Minnesota (Andrew-Minneapolis, met een P50 van 17 mmHg)
Respiratoire alkaloseKlimmer op hoogte
Tabel 1: Strategieën om de zuurstof affiniteit te verhogen onder chronische hypoxie.

 

Literatuur

  1. Weibel ER. Understanding the limitation of O2 supply through comparative physiology. Respir Physiol 1999;118:85-93.

     

  2. Chakraborty S, Balakotaiah V, Bidani A. Diffusing capacity reexamined: relative roles of diffusion and chemical reaction in red cell uptake of O2, CO, CO2, and NO. J Appl Physiol 2004;97:2284-302.

     

  3. Forster RE, Fowler WS, Bates DV. Considerations on the uptake of carbon monoxide by the lungs. J Clin Invest 1954;33:1128-34.

     

  4. West JB. Diffusion at high altitude. Fed Proc 1982;41:2128-30.

     

  5. Weibel ER. Morphometric estimation of pulmonary diffusion capacity. I. Model and method. Respir Physiol 1970;11:54-75. 

[1] Recruitment: het opengaan tijdens inspanning van longvaten die tijdens rust gesloten zijn waardoor de pulmonale vaatweerstand tijdens inspanning kan dalen, er zal dus oppervlakte vergroting optreden.
Last Updated ( Wednesday, 18 June 2008 )
 
Top! Top!