Gasaustausch

Anatomie des am Gasaustausch beteiligten Atmungssystems

Der Gasaustausch findet auf Höhe der Alveolen in der Lunge Lunge Lunge: Anatomie und in den Kapillaren Kapillaren Kapillaren des Lungenkreislaufs statt.

• Respiratorische Einheit:
  • Kleinste funktionsfähige Einheit in der Lunge Lunge Lunge: Anatomie
  • Bestehend aus einer Bronchiole, Alveolargängen und Alveolen
• Gefäßbett:
  • Kapillaren Kapillaren Kapillaren füllen den Raum zwischen den Alveolen
  • Sehr geringer Abstand zwischen Blut in Kapillaren Kapillaren Kapillaren und Luft in den Alveolen
• Pulmonale Membran:
  • Grenzfläche zwischen Kapillaren Kapillaren Kapillaren und Alveolen
  • Durchschnittlich 0,6 µm dick
  • Schichten der Pulmonalen Membran (innerhalb der Alveolen → Kapillaren Kapillaren Kapillaren):
    • Flüssigkeitsschichtbeschichtung im Inneren der Alveole (Surfactant Oberflächenspannungsreduktion)
    • Alveolarepithel
    • Epitheliale Basalmembran Basalmembran Syndrom der dünnen Basalmembran
    • Interstitium
    • Kapilläre Basalmembran Basalmembran Syndrom der dünnen Basalmembran
    • Kapilläre Endothelmembran

Physikalische Grundlagen des Gasaustauschs

Physikalische Eigenschaften von Gasen

Beim Gasaustausch müssen O₂ und CO₂ die Lungenmembran passieren. Dieser Prozess wird durch mehrere komplexe Kräfte angetrieben, die durch die physikalischen Eigenschaften dieser Gase bestimmt werden.

• Konzentration: O₂ und CO₂ fließen von Bereichen mit hoher Konzentration zu Bereichen mit niedriger Konzentration.
• Unterschied im Partialdruck von Gas in Luft in Alveolen und von Gas, das im Blut gelöst ist:
  • Gaspartialdruck in den Alveolen:
    • Der Luftdruck in einem feststehenden Behälter ist proportional zur Konzentration der Luftmoleküle, die in diesen Behälter gedrückt werden.
    • Atmosphärische Luft besteht aus O₂, Stickstoff und Kohlendioxid. Die Diffusionsgeschwindigkeit jedes Gases ist proportional zum Druck, der von diesem Gas allein ausgeübt wird, dem sogenannten Partialdruck.
    • Beispiel: Atmosphärische Luft ist 760 mmHg und enthält 21 % O₂. Der Partialdruck von O₂ (PO₂) in den Alveolen beträgt 760 x 0,21= 160 mmHg.
  • Partialdruck des im Blut gelösten Gases:
    • In Flüssigkeit gelöstes Gas übt einen Partialdruck aus, der sowohl durch seine Konzentration als auch durch eine Konstante, den sogenannten Löslichkeitskoeffizienten, bestimmt wird.
    • Beispiel: Partialdruck von im Blut gelöstem O₂ = Konzentration O₂/Löslichkeitskoeffizient von O₂ = 0,025 mmHg
  • Gas strömt von Bereichen mit hohem Partialdruck zu solchen mit niedrigem Partialdruck.

Kräfte, die den Austausch von O₂ und CO₂ antreiben

Die Geschwindigkeit des Gasaustausches wird durch die Effizienz des Austauschs über die Lungenmembran und die Geschwindigkeit bestimmt, mit der das Gas aus der Luft (bei O₂) oder aus dem Körper (bei CO₂) dorthin transportiert werden kann.

• O₂:
  • Die Diffusion von O₂ in das Blut aus Alveolen ist äußerst effizient.
  • Selbst eine ↑ Geschwindigkeit, mit der O₂ in die Alveolen (Beatmung) gebracht wird, kann die Diffusion von O₂ durch die Lungenmembran nicht verbessern.
  • Der einzige Faktor, der die Diffusion beeinflussen kann, ist die Veränderung des Partialdrucks von O₂ in der Atemluft (z.B. Atmen von reinem O₂ oder Atmen in großen Höhen).
• CO₂:
  • Die Diffusion ist langsamer.
  • Die Geschwindigkeit der Beatmung ist direkt proportional zur Geschwindigkeit der Diffusion durch die Lungenmembran und der Entfernung aus dem Körper.
• Klinische Korrelation:
  • Die Sauerstoffsättigung Sauerstoffsättigung Grundlegende Verfahren des Blutes wird durch den eingeatmeten Sauerstoffpartialdruck bestimmt.
  • Die CO₂-Sättigung des Blutes wird durch die Geschwindigkeit der Beatmung (Atmung) bestimmt.

Gastransport

O₂ und CO₂ müssen durch den Blutkreislauf transportiert werden, um die Orte des Gasaustausches zu erreichen.

O₂-Transport

• Es gibt:
  • 0,295 ml O₂ pro dl arterielles Blut
  • 0,124 ml O₂ pro dl venöses Blut
• 1,5 % O₂ im Plasma Plasma Transfusionsprodukte gelöst
• 98,5 % von O₂: lose an jedes Eisenatom von Hb in Erythrozyten Erythrozyten Erythrozyten gebunden
• Hb:
  • 4 Bindungsstellen für O_₂
  • Affinität von Hb für O₂ ↑ mit daran gebundenem O_₂
• O_₂-Sättigung:
  • Prozentsatz von Hb, das an O₂ gebunden ist:
    • In arteriellem Blut hat Hb eine O₂-Sättigung von nahe 99 %.
    • Im venösen Blut hat Hb eine O₂-Sättigung von etwa 75 %.
    • Ermöglicht die Erhaltung der O₂-Reserve im Blut
• Hb-Beladung- und Entladung:
  • Das Be- und Entladen von O₂ wird durch Veränderungen der Form von Hb erleichtert:
    • Wenn O₂ bindet, Hb-Affinität für O₂ ↑
    • Wenn O₂ freigesetzt wird, Hb-Affinität für O₂ ↓
  • Die Lade- und Entladegeschwindigkeit von O₂ wird reguliert durch:
    • PO₂ (↓ O₂-Werte ermöglichen eine leichtere Dissoziation von O₂ von Hb)
    • ↑ Temperatur führt zu ↓ Hb-Affinität für O₂
    • ↓ Blut-Ph führt zu ↓ Hb-Affinität für O₂
    • ↑ PCO₂ führt zu ↓ Hb-Affinität für O₂
    • ↑ Konzentration von Bisphosphoglycerat (BPG) führt zu ↓ Hb-Affinität für O₂

CO₂-Transport

• 7 –10 % CO₂: im Plasma Plasma Transfusionsprodukte gelöst
• 20 % CO₂: gebunden an Hb (Carbaminohämoglobin)
• Die restlichen 70 % sind Bicarbonat (HCO3); CO₂ wird durch die Carboanhydrase in Erythrozyten Erythrozyten Erythrozyten in HCO3 umgewandelt.

Ventilation/Perfusion (V/Q)-Kopplung

Ventilation Ventilation Atemmechanik und Perfusion sind die Mechanismen, die O₂ und CO₂ zwischen der Lungenmembran und dem Körpergewebe transportieren.

• Für einen effizienten Gasaustausch müssen Ventilation Ventilation Atemmechanik und Perfusion perfekt aufeinander abgestimmt sein.
• Veränderungen des Stoffwechselbedarfs oder der Krankheitszustände können die Ventilation Ventilation Atemmechanik oder Perfusion unabhängig voneinander beeinflussen.
• Es existieren Mechanismen, um Ventilation Ventilation Atemmechanik und Perfusion im Gleichgewicht zu halten.

Perfusion

Perfusion ist der Blutfluss zum Lungengefäßsystem.

• Lungenperfusion = Herzzeitvolumen Herzzeitvolumen Herzmechanik
• Bei starker Belastung muss der Stoffwechselbedarf an O₂ ↑ und mehr CO₂ abgebaut werden
• Herzzeitvolumen Herzzeitvolumen Herzmechanik und Lungendurchblutung ↑ zur Befriedigung des Bedarfs durch 2 Mechanismen:
  • Rekrutierung: bei pulmonalarteriellem Druck ↑ Öffnung von kollabierten Gefäßen
  • Distension: Wenn der pulmonalarterielle Druck ↑, weiten sich arterielle Gefäße zur Kapazitätsausschöpfung des Blutflusses
• Lungenvolumen und Blutfluss:
  • Bei ↑ Lungenvolumina werden Kapillaren Kapillaren Kapillaren komprimiert, wodurch ↑ Gefäßwiderstand Gefäßwiderstand Physiologie des Blutkreislaufs erzeugt wird (Kompressionseffekt)
  • Bei ↓ Lungenvolumina werden auch Kapillaren Kapillaren Kapillaren komprimiert, ↑ Gefäßwiderstand Gefäßwiderstand Physiologie des Blutkreislaufs
  • Vasodilatationswirkung auf den Blutfluss: Ein negativer Pleuradruck, der auf die Alveolen ausgeübt wird und auf die Blutgefäße übertragen wird, verursacht eine Vasodilatation.

Ventilation Ventilation Atemmechanik

• Veränderungen des PO₂ in Alveolen → Veränderungen des Durchmessers der Arteriolen, die die Durchblutung beeinflussen:
  • ↓ PO₂ induziert Vasokonstriktion Vasokonstriktion Physiologie des Blutkreislaufs
  • ↑ PO₂ induziert eine Vasodilatation
  • Förderung der Umverteilung des Blutflusses zu den Alveolen mit höherem PO₂
• Bei PO₂ ↓ in allen Alveolen kommt es zu einer chemoreflektorischen Vasokonstriktion Vasokonstriktion Physiologie des Blutkreislaufs.
• Veränderungen des PCO₂ → Veränderungen des Durchmessers der Bronchiolen:
  • Wenn alveoläres CO₂ ↑, Erweiterung der Bronchiolen
  • Wenn alveoläres CO₂ ↓, Verengung der Bronchiolen
• Schwerkraft und Durchblutung:
  • Schwerkraft: ↓ Blutfluss in Richtung Apex und ↑ in Richtung Basis

Hypoxämie und Hyperkapnie

Es gibt zwei wichtige PO₂-Unterschiede (Gradienten):

• Alveolar-arteriell (Aa): Unterschied im PO₂ zwischen Alveolen und systemischem arteriellem Blut
• Arteriovenös (AV): Unterschied im PO₂ zwischen venösem und arteriellem Blut

Gewebehypoxie

• Niedrige O_₂ Verfügbarkeit für die Gewebe
• Hypoxie wird von den Nieren Nieren Niere wahrgenommen und stimuliert die Erythrozytensynthese durch die Freisetzung von EPO.

Hypoxämie

• Niedriger PO₂ im Blut
• Kann verursacht werden durch:
  • Hypoventilation
  • Reduzierter (< 21 %) eingeatmeter O₂-Anteil
  • Diffusionsstörung: unzureichende Diffusion von Gasen in die Kapillaren Kapillaren Kapillaren
  • Rechts-Links-Shunt: Kommunikation zwischen pulmonalarteriellem und venösem Kreislauf, wodurch sauerstoffarmes Blut den Gasaustausch teilweise überspringen kann
  • V/Q-Ungleichgewicht

Hyperkapnie

• Arterielles PCO₂ größer als 40 mm Hg
• Dieser Prozess kann auftreten aufgrund von:
  • Verminderte alveoläre Ventilation Ventilation Atemmechanik
  • Schwerem V/Q-Ungleichgewicht
  • Erhöhte CO₂-Produktion ohne ventilatorische Kompensation
• Alveolarventilation und PaCO₂ stehen in einem umgekehrten Verhältnis zueinander.

Klinische Relevanz

• Anämie Anämie Anämie: Überblick und Formen: eine Abnahme der Erythrozyten Erythrozyten Erythrozyten im Kreislauf. Anämie Anämie Anämie: Überblick und Formen führt zu einer Abnahme der verfügbaren O₂-Menge durch eine verringerte Gesamtmenge an Hb. Ätiologien können in solche eingeteilt werden, die eine unzureichende Produktion von Erythrozyten Erythrozyten Erythrozyten (Eisenmangel, Knochenmarkdysplasie und Neoplasie) aufweisen, und solche, die eine erhöhte Zerstörung von Erythrozyten Erythrozyten Erythrozyten (autoimmun, infektiös, genetisch) aufweisen. Häufige Symptome einer Anämie Anämie Anämie: Überblick und Formen sind Blässe der Schleimhäute und leichte Ermüdbarkeit. Die Pulsoximetrie bleibt normal, da die prozentuale Sättigung jedes Hämoglobinmoleküls nicht variiert. Die Diagnose einer Anämie Anämie Anämie: Überblick und Formen wird durch Bluttests bestätigt, die eine Abnahme des Hb-Gehalts anzeigen. Die Behandlung zielt darauf ab, die zugrunde liegende Pathologie zu beheben, die eine Anämie Anämie Anämie: Überblick und Formen verursacht.
• Polyzythämie: eine Zunahme der Erythrozyten Erythrozyten Erythrozyten im Kreislauf. Polyzythämie verursacht eine Zunahme der verfügbaren O₂-Menge durch die Erhöhung der Gesamtmenge an Hb. Die Ätiologien reichen von nicht-pathologischen (Höhengewöhnung, perinatale Anpassungsphase) bis hin zu schwerwiegenden Krankheitsprozessen (Neoplasie, Polyzythämie). Polyzythämie-Patient*innen haben typischerweise einen rötlichen Teint und können eine übermäßige Gerinnung und deren Folgen aufweisen. Die Diagnose wird durch die Anzahl der Blutkörperchen bestätigt und die Behandlung variiert je nach Ätiologie.
• Kohlenmonoxid (CO)-Vergiftung: Das Einatmen von CO verringert die Menge an verfügbarem O₂ im Kreislauf, indem es Bindungsstellen von Hb mit größerer Affinität besetzt als O₂. Die Pulsoximetrie zeigt oft normale, sogar erhöhte Sättigungen, da alle Bindungsstellen des Hämoglobins besetzt sind. Patient*innen berichten häufig von Kopfschmerzen und Bewusstseinsstörungen. Eine Kohlenmonoxidvergiftung kann tödlich sein, wenn Betroffene nicht rechtzeitig von der CO-Quelle entfernt und behandelt werden.
• Lungenödem Lungenödem Atemwegsobstruktion: Anwesenheit von Flüssigkeit statt Luft in den Alveolen. Das Vorhandensein zusätzlicher Flüssigkeit behindert den richtigen Gasaustausch, wodurch die verfügbare Oberfläche stark verringert wird. Lungenödeme haben verschiedene Ursachen, einschließlich Herzinsuffizienz und Sepsis Sepsis Sepsis und septischer Schock. Die Patient*innen stellen sich mit Kurzatmigkeit vor und haben bei der Untersuchung oft hörbare Rasselgeräusche. Die Pulsoximetrie ist oft niedrig. Die Behandlung zielt darauf ab, die Ursachen der übermäßigen Flüssigkeitsansammlung zu beseitigen.