حمل گازها در خون، تنظیم تنفس و نارسایی تنفسی

مفهوم شنت فیزیولوژیک و کاهش فشار اکسیژن

درک دقیق فشارهای سهمی گازهای تنفسی و نحوه تبادل و اختلاط خون در مسیرهای مختلف عروقی، از پایه‌های فیزیولوژی تنفس است. یکی از پدیده‌های کلیدی در این زمینه، مفهوم شنت فیزیولوژیک (Physiological Shunt) است. در حالت طبیعی، بخشی از خونی که به قلب چپ بازمی‌گردد، به طور کامل اکسیژن‌گیری نکرده است. به طور مشخص، حدود ۲ درصد از کل خونی که به دهلیز چپ وارد می‌شود، از وریدهای برونشیال (Bronchial veins) منشأ می‌گیرد. این جریان خون، بافت‌های برونش را تغذیه کرده و در معرض هوای آلوئولی قرار نگرفته است؛ بنابراین خونی غیر‌اکسیژنه محسوب می‌شود. زمانی که این خون غیر‌اکسیژنه با خون بسیار اکسیژنه‌شده که از وریدهای ریوی می‌آید مخلوط می‌شود، شنت فیزیولوژیک رخ می‌دهد. این پدیده تأثیر مستقیمی بر فشار سهمی اکسیژن (PO_۲) در خون سرخرگی سیستمیک دارد. فشار اکسیژن در حبابچه‌ها (آلوئول‌ها) حدود ۱۰۴ میلی‌متر جیوه است، اما مخلوط شدن خون غیر‌اکسیژنه وریدهای برونشیال با خون وریدهای ریوی سبب کاهش فشار اکسیژن به حدود ۹۵ میلی‌متر جیوه در دهلیز چپ و سرخرگ‌های سیستمیک می‌شود. برخلاف تصور نادرست، این شنت هرگز باعث افزایش فشار اکسیژن نمی‌شود، بلکه همواره آن را کاهش می‌دهد.

فشارهای سهمی دی‌اکسید کربن و انتشار گازها

علاوه بر اکسیژن، بررسی فشارهای سهمی دی‌اکسید کربن (PCO_۲) در بخش‌های مختلف سیستم تنفسی و گردش خون برای فهم انتشار گازها حیاتی است. انتشار گازها همواره در جهت شیب فشار سهمی رخ می‌دهد. فشار سهمی دی‌اکسید کربن در خون شریان ریوی که وارد مویرگ‌های آلوئولی می‌شود، معادل ۴۵ میلی‌متر جیوه است. در مقابل، فشار سهمی دی‌اکسید کربن در هوای آلوئولی ریه‌ها برابر با ۴۰ میلی‌متر جیوه است. این تفاوت فشار ۵ میلی‌متر جیوه (بالاتر بودن فشار در شریان ریوی نسبت به آلوئول) به عنوان نیروی محرک اصلی عمل کرده و سبب انتشار دی‌اکسید کربن از خون مویرگی به داخل آلوئول‌ها می‌شود تا با بازدم دفع گردد. پس از تبادل گازها، خون ریه را ترک کرده و وارد سیستم سرخرگی بزرگ می‌شود؛ به طوری که فشار سهمی دی‌اکسید کربن در خون شریان آئورت معادل ۴۰ میلی‌متر جیوه تنظیم می‌گردد. در نهایت، کمترین میزان فشار سهمی دی‌اکسید کربن در میان بخش‌های مختلف تنفسی و عروقی، متعلق به هوای بازدمی است که مقدار آن به حدود ۲۷ میلی‌متر جیوه می‌رسد. این مقدار به وضوح از فشار دی‌اکسید کربن در شریان آئورت (۴۰ میلی‌متر جیوه) و شریان ریوی (۴۵ میلی‌متر جیوه) کمتر است.

میل ترکیبی هموگلوبین در ریه‌ها و بافت‌ها

منحنی تجزیه اکسیژن - هموگلوبین (Oxygen-Hemoglobin Dissociation Curve) توصیف‌کننده رابطه بین درصد اشباع هموگلوبین و فشار سهمی اکسیژن است. این منحنی رفتاری سیگموئیدی دارد که نشان‌دهنده تغییر میل ترکیبی هموگلوبین با اکسیژن در شرایط مختلف است. در محیط ریه‌ها که با هوای آلوئولی در ارتباط است، به دلیل بالا بودن فشار اکسیژن، هموگلوبین تمایل بسیار شدیدی برای اتصال به اکسیژن دارد. این تمایل بالا باعث می‌شود که هموگلوبین به سرعت با اکسیژن اشباع شود و هم‌زمان دی‌اکسید کربن متصل به خود را آزاد کند تا از بدن دفع شود. اما در مویرگ‌های بافتی، شرایط تغییر می‌کند تا اکسیژن‌رسانی به سلول‌ها تسهیل گردد.

عوامل جابه‌جا کننده منحنی تفکیک به سمت راست

جابه‌جایی این منحنی به سمت راست یا چپ نشان‌دهنده تغییر در میل ترکیبی هموگلوبین به اکسیژن است. جابه‌جایی منحنی به سمت راست به معنای کاهش میل ترکیبی هموگلوبین با اکسیژن است؛ به این معنی که هموگلوبین در فشارهای اکسیژن مشابه، اکسیژن بیشتری را آزاد می‌کند. عوامل متعددی از جمله افزایش غلظت یون هیدروژن (که به معنی کاهش pH یا اسیدی شدن خون است)، افزایش دی‌اکسید کربن، افزایش دمای بدن و افزایش غلظت ۲،۳-دی‌فسفوگلیسرات (BPG) در گلبول‌های قرمز، همگی باعث انتقال منحنی به سمت راست می‌شوند. اثر دی‌اکسید کربن و اسیدیته در کاهش تمایل هموگلوبین به اکسیژن و تسهیل رهاسازی آن در بافت‌های فعال، به عنوان پدیده یا اثر بور (Bohr effect) شناخته می‌شود. برای مثال، در عضلات در حال فعالیت که اسید لاکتیک و دی‌اکسید کربن تولید می‌کنند، این پدیده رهاسازی اکسیژن را به شدت تقویت می‌کند.

عوامل جابه‌جا کننده منحنی تفکیک به سمت چپ

در مقابل، هرگاه دمای بدن کاهش یابد یا غلظت ماده ۲،۳-دی‌فسفوگلیسرات (BPG) در داخل گلبول‌های قرمز کم شود، تمایل هموگلوبین به اکسیژن افزایش می‌یابد. این افزایش میل ترکیبی سبب جابه‌جایی منحنی تفکیک به سمت چپ می‌شود که نشان‌دهنده سخت‌تر آزاد شدن اکسیژن و نگهداری آن توسط هموگلوبین است. همچنین افزایش pH خون سرخرگی (قلیایی شدن یا کاهش غلظت یون هیدروژن) نیز تمایل هموگلوبین را بالا برده و منحنی را به سمت چپ شیفت می‌دهد؛ بنابراین، اسیدیته خون عامل کلیدی در کنترل رهاسازی اکسیژن به بافت‌ها است و افزایش pH برعکس اسیدیته عمل کرده و آزاد شدن اکسیژن را دشوار می‌سازد.

مکانیسم‌های انتقال دی‌اکسید کربن در خون

انتقال دی‌اکسید کربن (CO_۲) تولید شده در بافت‌ها به سمت ریه‌ها از طریق سه مکانیسم اصلی صورت می‌گیرد. بیشترین مقدار دی‌اکسید کربن منتقل شده در خون، یعنی حدود ۷۰ درصد آن، به صورت یون بی‌کربنات (HCO_۳^-) حمل می‌شود. مابقی دی‌اکسید کربن یا به صورت محلول در پلاسما انتقال می‌یابد و یا با اتصال به پروتئین‌های پلاسما و هموگلوبین منتقل می‌گردد. در داخل گلبول‌های قرمز، دی‌اکسید کربن با آب ترکیب شده و اسید کربنیک (H_۲CO_۳) تولید می‌کند. برخلاف واکنش بسیار کند پلاسما، این واکنش در داخل گلبول‌های قرمز با سرعت بسیار زیادی رخ می‌دهد، زیرا توسط آنزیمی اختصاصی به نام انیدراز کربنیک (Carbonic anhydrase) کاتالیز می‌شود. اسید کربنیک بلافاصله به یون هیدروژن و یون بی‌کربنات تجزیه می‌شود.

پدیده جابه‌جایی کلر در خون وریدی

با تجمع یون بی‌کربنات در داخل گلبول‌های قرمز خون وریدی، پدیده‌ای به نام جابه‌جایی کلر (Chloride shift) رخ می‌دهد. در این پدیده، یون‌های بی‌کربنات تولید شده توسط یک پروتئین حامل بی‌کربنات-کلر ویژه از گلبول قرمز خارج شده و وارد پلاسما می‌شوند. در پاسخ به خروج بار منفی بی‌کربنات و برای حفظ تعادل الکتریکی، یون‌های کلر از پلاسما وارد گلبول قرمز می‌شوند. این انتقال دوطرفه سبب می‌شود که غلظت یون کلر در داخل گلبول‌های قرمز خون وریدی به طور معنی‌داری افزایش یابد. بر این اساس، یون‌های کلر هرگز در پاسخ به انتشار دی‌اکسید کربن از گلبول قرمز خارج نمی‌شوند، بلکه در نتیجه خروج بی‌کربنات، به درون گلبول قرمز مهاجرت می‌کنند.

اثر هالدن و تفاوت آن با اثر بور

انتقال دی‌اکسید کربن همچنین تحت تأثیر فشار اکسیژن در ریه‌ها قرار دارد که با اثر هالدن (Haldane effect) توصیف می‌شود. طبق اثر هالدن، ترکیب شدن اکسیژن با هموگلوبین در ریه‌ها، اسیدیته هموگلوبین را افزایش می‌دهد. هموگلوبین اسیدی‌تر تمایل کمتری به اتصال با دی‌اکسید کربن دارد و این ویژگی باعث می‌شود دی‌اکسید کربن متصل به هموگلوبین آزاد شده و وارد آلوئول‌ها شود. تفکیک اثر هالدن از اثر بور بسیار حیاتی است: اثر هالدن مربوط به آزاد شدن دی‌اکسید کربن در پی اتصال اکسیژن به هموگلوبین در ریه است، در حالی که اثر بور بیان می‌کند که افزایش دی‌اکسید کربن و اسیدیته خون با تغییر میل ترکیبی هموگلوبین، سبب رهاسازی اکسیژن در مویرگ‌های بافتی می‌شود.

مراکز بصل‌النخاعی تنظیم تنفس

تنظیم عصبی تنفس به صورت خودکار و غیرارادی توسط مراکز تنفسی در ساقه مغز کنترل می‌شود. در بصل‌النخاع، دو گروه اصلی نورونی وجود دارد: گروه تنفسی پشتی (DRG) و گروه تنفسی شکمی (VRG). گروه تنفسی پشتی (DRG) که عمدتاً در بخش پشتی بصل‌النخاع و در هسته منزوی (Solitary nucleus) واقع شده است، مرکز اصلی ایجاد ریتم پایه تنفسی است. نورون‌های DRG با ایجاد یک سیگنال فزاینده دمی (Ramp signal) باعث پر شدن تدریجی ریه‌ها می‌شوند و آسیب شدید به آن بلافاصله تنفس غیرارادی را قطع می‌کند. در مقابل، نورون‌های گروه تنفسی شکمی (VRG) که در هسته آمبیگوس و رتروآمبیگوس قرار دارند، در طول تنفس آرام و طبیعی کاملاً غیرفعال هستند. VRG تنها در شرایط تهویه شدید (مانند ورزش) فعال شده و به دم شدید و بازدم فعال کمک می‌کند.

مراکز تنفسی پل مغزی و اثر ضایعات ساقه مغز

مراکز مستقر در پل مغزی وظیفه تعدیل عملکرد مراکز بصل‌النخاع را بر عهده دارند. مرکز پنوموتاکسیک که در بخش فوقانی پل مغزی و در قسمت خلفی هسته پارابراکیالیس قرار دارد، با مهار مرکز آپنوستیک، نقطه پایان سیگنال دمی را تعیین می‌کند و سرعت تنفس را افزایش و عمق را کاهش می‌دهد. تضعیف آن سبب طولانی‌تر شدن سیگنال دمی و در نتیجه تنفس عمیق‌تر و کندتر می‌شود. مرکز آپنوستیک در بخش تحتانی پل مغزی با تأخیر در قطع سیگنال دمی، به افزایش عمق تنفس کمک می‌کند. تخریب ارتباط بین بصل‌النخاع و پل مغز، اثر مهارکننده پنوموتاکسیک بر آپنوستیک را برداشته و سبب ایجاد دم‌های بسیار طولانی و تنفس آرام و نامنظم می‌شود. از نظر کالبدشناسی، برش عرضی بالای پل مغزی تنفس را قطع نمی‌کند، اما برش در زیر بصل‌النخاع فوراً تنفس را متوقف می‌سازد.

رفلکس هرینگ - بروئر

علاوه بر این مراکز مغزی، رفلکس‌های فیدبکی نیز در کنترل عمق دم نقش دارند. مهم‌ترین آن‌ها رفلکس هرینگ - بروئر (Hering-Breuer reflex) است. این رفلکس زمانی فعال می‌شود که حجم هوای جاری به بیش از ۱.۵ لیتر برسد. در این حالت، گیرنده‌های کششی واقع در عضلات دیواره مجاری هوایی (برونش‌ها و برونشیول‌ها، نه آلوئول‌ها) تحریک شده و سیگنال‌های مهارکننده‌ای را از طریق عصب واگ به DRG می‌فرستند تا دم را متوقف کرده و مانع اتساع بیش از حد ریه‌ها شوند.

تنظیم شیمیایی مرکزی و سد خونی - مغزی

تنظیم شیمیایی تنفس وظیفه دارد غلظت گازهای اکسیژن، دی‌اکسید کربن و یون‌های هیدروژن را در محدوده طبیعی حفظ کند. گیرنده‌های شیمیایی مرکزی در یک ناحیه حساس شیمیایی مجزا در بصل‌النخاع واقع شده‌اند و ساختاری کاملاً جدا از DRG یا VRG دارند. قوی‌ترین و مستقیم‌ترین محرک شیمیایی تنظیم‌کننده تنفس در یک فرد سالم، افزایش غلظت یون‌های هیدروژن (اسیدوز) در مایع مغزی‌نخاعی (CSF) است. با این حال، یون‌های هیدروژن خون سرخرگی توانایی عبور آسان از سد خونی - مغزی را ندارند. در مقابل، دی‌اکسید کربن سرخرگی به راحتی عبور کرده و پس از ترکیب با آب در CSF، یون هیدروژن محرک را تولید می‌کند. به همین دلیل، در شرایط طبیعی، تغییرات جزئی و لحظه‌ای در فشار سهمی دی‌اکسید کربن (PCO_۲) خون شریانی مؤثرترین عامل در تنظیم تنفس است، نه اکسیژن.

گیرنده‌های شیمیایی محیطی و سلول‌های گلوموس

کاهش سطح اکسیژن شریانی تأثیر مستقیمی بر ناحیه حساس شیمیایی بصل‌النخاع ندارد و اثرات آن منحصراً از طریق کمورسپتورهای محیطی (اجسام کاروتید و آئورتی) اعمال می‌شود. سلول‌های تخصصی حساس به اکسیژن در این اجسام، سلول‌های گلوموس (Glomus cells) نام دارند که دارای کانال‌های پتاسیمی حساس به اکسیژن هستند. با کاهش فشار اکسیژن شریانی، این کانال‌ها بسته شده و دپلاریزاسیون سلول گلوموس رخ می‌دهد. این دپلاریزاسیون منجر به باز شدن کانال‌های کلسیمی و رهاسازی میانجی عصبی آدنوزین تری‌فسفات (ATP) (نه آدرنالین) برای تحریک عصب حسی و مرکز تنفس می‌شود. در شروع فعالیت فیزیکی، تحریک شیمیایی ناشی از کمورسپتورهای محیطی پاسخ تنفسی بسیار سریع‌تری نسبت به مسیر مرکزی در برابر تغییرات دی‌اکسید کربن ایجاد می‌کند.

بیماری‌های انسدادی ریه و تغییرات حجم‌ها

اختلالات تنفسی بر اساس پاتوفیزیولوژی عملکردی ریه به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند: بیماری‌های انسدادی (Obstructive) مانند آسم، برونشیت و آمفیزم، و بیماری‌های محدودکننده (Restrictive) مانند فیبروز ریوی. در بیماری‌های انسدادی ریه، ویژگی اصلی افزایش مقاومت مجاری هوایی در برابر جریان هوا است که خروج هوا را به ویژه در بازدم دشوار می‌سازد. به همین دلیل، شاخص FEV_۱ در بیماری‌هایی مانند آسم و برونشیت کاهش می‌یابد. به دلیل انسداد، هوا درون ریه‌ها به دام می‌افتد و حجم باقی‌مانده (RV) و ظرفیت باقی‌مانده عملی (FRC) ریه افزایش می‌یابد. در آسم متوسط تا شدید، اگرچه FRC بالا می‌رود، اما حجم ذخیره بازدمی (ERV) افزایش نمی‌یابد و ظرفیت حیاتی (VC) کاهش نشان می‌دهد.

آمفیزم ریوی و بیماری‌های محدودکننده

از ویژگی‌های پاتوفیزیولوژیک آمفیزم ریوی (Emphysema)، تخریب دیواره‌های آلوئولی است که منجر به کاهش شدید سطح تبادل و کاهش ظرفیت انتشاری تنفسی (DLCO) و افزایش مقاومت راه‌های هوایی می‌شود. تخریب دیواره‌های آلوئولی در آمفیزم بستر مویرگی ریه را کاهش داده، مقاومت عروقی را بالا می‌برد و با ایجاد فشار خون ریوی (Pulmonary hypertension) باعث نارسایی قلب راست (Cor pulmonale) می‌شود. در بیماری‌های محدودکننده مانند فیبروز ریوی (Pulmonary fibrosis)، غشای تبادلی تنفسی ضخیم و فیبروزه می‌شود که مانع انتقال آسان گازها می‌گردد. در نتیجه، در فیبروز ریوی نیز همانند آمفیزم، میزان ظرفیت انتشاری تنفسی گازها نسبت به افراد سالم کاهش چشمگیری می‌یابد، هرچند مکانیسم‌های مکانیکی ریه در این دو بیماری متفاوت است.