1. Các bệnh về độ giãn nở:
Nếu độ giãn nở (compliance) của phổi thay đổi do bệnh lý, thì độ dốc của các đường biểu diễn cũng thay đổi, và kết quả là thể tích của hệ thống kết hợp giữa phổi và thành ngực cũng thay đổi, như minh họa trong Hình 5.11. Để tham khảo, các mối quan hệ bình thường từ Hình 5.10 được trình bày ở phần trên của Hình 5.11.
Để tiện theo dõi, mỗi thành phần của hệ thống được biểu diễn trên một đồ thị riêng biệt (tức là: chỉ thành ngực, chỉ phổi, và hệ thống kết hợp phổi–thành ngực). Đồ thị của thành ngực đơn thuần được đưa vào chỉ để đầy đủ, vì độ giãn nở của thành ngực không bị thay đổi bởi các bệnh lý này.
Các đường liền nét trong mỗi đồ thị thể hiện mối quan hệ bình thường từ Hình 5.10. Các đường gạch nét thể hiện ảnh hưởng của bệnh lý.
a. Khí phế thũng (tăng độ giãn nở phổi). Khí phế thũng, một thành phần của bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD), liên quan đến sự mất các sợi đàn hồi trong phổi. Kết quả là độ giãn nở (compliance) của phổi tăng lên. (Hãy nhớ lại mối quan hệ nghịch giữa độ đàn hồi – elastance và độ giãn nở – compliance.) Sự tăng compliance đi kèm với độ dốc lớn hơn (đường cong dốc hơn) của biểu đồ thể tích–áp suất của phổi (xem Hình 5.11B). Do đó, tại một thể tích nhất định, lực co hồi (elastic recoil) của phổi giảm đi. Ở giá trị FRC ban đầu, xu hướng phổi co lại nhỏ hơn xu hướng thành ngực giãn ra, và hai lực đối kháng này không còn cân bằng nữa. Để cân bằng lại, cần phải tăng thêm thể tích cho phổi để làm tăng lực co hồi của chúng. Vì vậy, hệ thống kết hợp phổi–thành ngực sẽ tìm đến một FRC mới cao hơn, nơi hai lực đối kháng có thể cân bằng (xem Hình 5.11C); điểm giao mới, nơi áp suất đường thở bằng không, sẽ tăng lên. Bệnh nhân khí phế thũng được cho là hít thở ở thể tích phổi cao hơn (do FRC cao hơn) và sẽ có lồng ngực hình “thùng” (barrel chest).
Xơ phổi (giảm độ giãn nở phổi). Xơ phổi, một bệnh lý hạn chế (restrictive disease), liên quan đến sự xơ cứng của mô phổi và giảm độ giãn nở. Sự giảm compliance đi kèm với độ dốc nhỏ hơn của đường cong thể tích–áp suất của phổi (xem Hình 5.11B). Ở FRC ban đầu, xu hướng phổi co lại lớn hơn xu hướng thành ngực giãn ra, và hai lực đối kháng không còn cân bằng. Để tái lập cân bằng, hệ thống phổi–thành ngực sẽ tìm đến một FRC mới thấp hơn (xem Hình 5.11C); điểm giao mới, nơi áp suất đường thở bằng không, sẽ giảm xuống.
2. Sức căng bề mặt phế nang:
Kích thước nhỏ của các phế nang tạo ra một vấn đề đặc biệt trong việc giữ cho chúng luôn mở. “Vấn đề” này có thể được giải thích như sau: Phế nang được lót bởi một lớp màng dịch mỏng. Lực hút giữa các phân tử chất lỏng liền kề mạnh hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng và các phân tử khí trong phế nang, và chính điều này tạo ra sức căng bề mặt. Khi các phân tử chất lỏng bị hút lại gần nhau bởi lực liên kết, diện tích bề mặt có xu hướng trở nên nhỏ nhất có thể, tạo thành một hình cầu (giống như bong bóng xà phòng được thổi ra ở đầu ống). Sức căng bề mặt này sinh ra một áp suất có xu hướng làm xẹp hình cầu. Áp suất được tạo ra bởi một hình cầu như vậy được xác định theo định luật Laplace.
P = 2T/r
Trong đó:
P= áp suất làm xẹp phế nang (dynes/cm2) hay áp suất được yêu cầu để giữ cho phế nang mở
T = sức căng bề mặt
r = bán kính của phế nang (cm)
Quy luật Laplace phát biểu rằng xu hướng áp lực đối với sự sự xẹp xuống một phế nang là tỷ lệ thuận với sức căng bề mặt được tạo ra bởi các phân tử dịch lót phế nang và tỷ lệ nghích với đường kính phế nang. Hình 5.12. Bởi vì mối quan hệ ngược với bán kính, một phế nang lớn sẽ có áp lực xẹp nhỏ hơn và vì vậy chỉ yêu cầu một lực duy trì nhỏ hơn để mở phế nang. Mặt khác những phế nang nhỏ có đường kính nhỏ sẽ có áp lực làm xẹp cao hơn và yêu cầu nhiều áp lực để duy trì mở phế nang. Vì vậy phế nang nhỏ là không lý tưởng bởi vì xu hướng của chúng là làm xẹp. Tuy nhiên xét từ góc độ trao đổi khí, các phế nang cần phải càng nhỏ càng tốt để làm tăng tổng diện tích bề mặt so với thể tích. Điều này giúp tối ưu hóa quá trình khuếch tán khí (O2 và CO2). Mâu thuẫn này được giải quyết bởi surfactan
3. Surfactant
Từ việc thảo luận về ảnh hưởng của bán kính lên áp suất gây xẹp, câu hỏi đặt ra là: Làm thế nào các phế nang nhỏ vẫn có thể mở ra dưới áp suất xẹp cao? Câu trả lời nằm ở surfactant, một hỗn hợp phospholipid lót trên bề mặt phế nang và có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt. Bằng cách giảm sức căng bề mặt, surfactant làm giảm áp suất xẹp đối với một bán kính nhất định. Hình 5.12 minh họa hai phế nang nhỏ, một có surfactant và một không có. Nếu không có surfactant, định luật Laplace dự đoán rằng phế nang nhỏ sẽ xẹp (gây xẹp phổi – atelectasis). Ngược lại, khi có surfactant, phế nang nhỏ vẫn duy trì mở (có khí bên trong) vì áp suất xẹp đã được giảm xuống. Surfactant được tổng hợp từ acid béo bởi tế bào phế nang type II. Thành phần chính xác của surfactant vẫn chưa được biết đầy đủ, nhưng thành phần quan trọng nhất là dipalmitoyl phosphatidylcholine (DPPC). Cơ chế DPPC làm giảm sức căng bề mặt dựa trên tính chất lưỡng cực (amphipathic) của phân tử phospholipid (một đầu kỵ nước – hydrophobic, một đầu ưa nước – hydrophilic). Các phân tử DPPC sắp xếp trên bề mặt phế nang: phần kỵ nước hút nhau, phần ưa nước đẩy nhau. Lực tương tác giữa các phân tử DPPC phá vỡ lực hút giữa các phân tử dịch lót phế nang (vốn gây ra sức căng bề mặt cao). Do đó, khi có surfactant, sức căng bề mặt và áp suất xẹp giảm xuống, giúp phế nang nhỏ duy trì mở. Surfactant còn mang lại một lợi ích khác cho chức năng hô hấp: nó tăng độ giãn nở của phổi (lung compliance), từ đó giảm công hô hấp cần thiết để làm nở phổi trong thì hít vào. (Như đã nhắc ở Hình 5.11, tăng compliance của phổi sẽ giảm lực co hồi tại một thể tích nhất định, khiến phổi dễ dàng nở ra hơn). Trong hội chứng suy hô hấp ở trẻ sơ sinh (neonatal respiratory distress syndrome), surfactant bị thiếu hụt. Ở thai nhi đang phát triển, sự tổng hợp surfactant bắt đầu sớm nhất từ tuần thai thứ 24 và hầu như luôn có mặt vào tuần thai thứ 35. Trẻ sinh càng non tháng thì khả năng có surfactant càng thấp. Trẻ sinh trước tuần thai 24 sẽ hoàn toàn không có surfactant, còn trẻ sinh trong khoảng tuần 24–35 thì tình trạng surfactant không chắc chắn. Hậu quả của việc thiếu surfactant ở trẻ sơ sinh rất rõ ràng: Không có surfactant, phế nang nhỏ sẽ có sức căng bề mặt và áp suất xẹp tăng cao, dẫn đến xẹp phế nang (atelectasis). Phế nang xẹp sẽ không được thông khí và do đó không tham gia trao đổi khí (hiện tượng này gọi là shunt, sẽ được bàn đến sau trong chương). Hệ quả là trẻ bị giảm oxy máu (hypoxemia). Ngoài ra, khi thiếu surfactant, độ giãn nở của phổi giảm và công hô hấp để làm nở phổi trong quá trình thở sẽ tăng lên.
4. Các mối quan hệ về dòng khí, áp suất, kháng lực
Mối quan hệ giữa dòng khsi, áp lực, và kháng lực trong các phổi tương tự mối quan hệ trong hệ thống tim mạch. Dòng khí tương tự dòng máu, áp suất khí tương tự áp suất dịch và kháng lực của dòng khsi giống với kháng lực mạch máu. Mối quan hệ sau giống:
Nói cách khác, dòng khí Q tỷ lệ thuận với sự chênh áp iuẵ miệng hoặc mũi và phế nang và nó tỷ lệ nghịch với kháng lực của đường dẫn khí. Quan trọng để hiểu rằng chênh áp là động lực thúc đẩy - không có chênh áp, dòng khí sẽ không có. Để minh họa quan điểm này, so sánh các áp lực mà nó tồn tại trong các pha khác nhau của chu kỳ thở, lúc nghỉ (giữa các hơi thở) và suốt thì hít vào. Giữa các hơi thở, áp lực phế nang bằng với áp lực khí quyển; không có gradient áp lực, sẽ không có động lực, và không có dòng khí. Mặt khác, suốt thì hít vào, cơ hoành co lại để tăng thể tích phổi, điều này làm giảm áp lực phế nang và tạo ra một chênh áp tạo động lực để dòng khí đi vào phổi.
a. Kháng lực:
Trong hệ thống hô hấp, như trong hệ thống tim mạch, dòng khí tỷ lệ nghịch với kháng lực (Q = ΔP/R). Kháng lực được quyết định bởi Poiseuille law. Vì vậy:
Chú ý rằng mối quan hệ mạnh mẽ tồn tại giữa kháng lực và bán kính của đường dẫn khí bởi vì chỉ một thay đổi nhỏ của bán kính cũng làm thay đổi tới mũ lũy thừa của kháng lực.
Các phế quản có kích thước trung bình là những vị trí có kháng lực cao nhất. Giường như ai cũng nghĩ rằng với các đường dẫn khí nhỏ mới có kháng lực cao nhất do kích thước của đường dẫn khí nhỏ. Tuy nhiên, bởi vì sự sắp xếp song song của chúng, nên kháng lực tích góp của chúng không phải là cao nhất. Nhắc lại kiến thức khi các mạch máu sắp xếp song song với nhau thì kháng lực tổng cộng là ít hơn các kháng lực riêng rẻ và thêm một mạch máu song song làm giảm tổng kháng lực. Những nguyên tắc này cũng áp dụng được đối với đường dẫn khí.
b. Những thay đổi trong kháng lực:
Mối quan hệ giữa kháng lực đường dẫn khí và bán kính đường dẫn khí là một mối quan hệ mạnh mè, dựa trên bậc mũ 4. Vì vậy, việc thay đổi kích thước đường dẫn khí cung cấp một cơ chế mạnh mẽ trong thay đổi kháng lực và dòng khí. Cơ trơn ở thành của đường dẫn khí được chi phối bởi các sợi thần kinh tự chủ; khi được hoạt hóa, những sợi thần kinh này tạo ra sự co hoặc giãn của đường dẫn khí. Những sự thay đổi trong thể tích và trong độ nhớt của khí hít vào cũng có thể thay đổi kháng lực đối với dòng khí.
- Hệ thần kinh tự chủ: Các cơ trơn phế quản được chi phối bởi hệ thần kinh phó giao cảm và giao cảm. Việc hoạt hóa những sợi này tạo ra co hoặc giãn của cơ trơn phế quản, điều này tạo nên sự giãn hoặc co của phế quản, làm thay đổi đường kính của phế quản như sau: (1) Kích hoạt phó giao cảm tạo ra sự co của cơ trơn phế quản, giảm đường kính và tăng kháng lực. Những tác dụng này có thể được hoạt hóa bởi đồng vận agonist (như muscarine và carbachol) và có thể bị blọck bởi các chất đối vận muscariníc (như muscarinic). Sự co của cơ trơn phế quản cũng diễn ra trong hen và trong đáp ứng với các chất kích thích. (2) Kích hoạt giao cảm tạo ra một sự giãn cơ trơn phế quản thông qua kích hoạt thụ thể beta 2. Sự giãn cơ trơn phế quản dẫn đến tăng bán kính và giảm kháng lực đường thở. Vì vậy đồng vận beta 2 như là epinephrine, isoproterenol và albuterol tạo ra sự giãn cơ trơn phế quản, được ứng dụng trong điều trị hen.
- Thể tích phổi. Những sự thay đổi trong thể tích phổi thay đổi kháng lực đường dẫn khí, bằng cách giảm thể tích phổi gây ra tăng kháng lực (thậm chí đến mức xẹp đường dẫn khí) và tăng thể tích phổi làm giảm kháng lực. Một cơ chế đối với các tác dụng của thể tích phổi liên quan đến sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các phế nang - đó là, phế nang có xu hướng giữ cho những phế nang cạnh nó mở ra bằng lực kéo xuyên tâm hoặc (radial traction) hoặc sự ràng buộc cơ học (mechanical tethering). Khi các phế nang căng phồng hơn (thể tích phổi cao hơn), chúng sẽ kéo các phế nang lân cận và các tiểu phế quản gần đó, giúp mở rộng các tiểu phế quản và làm giảm sức cản của chúng. Những người bị hen suyễn thường thở ở mức thể tích phổi cao hơn để bù đắp một phần tình trạng sức cản đường thở cao do bệnh lý gây ra (nghĩa là cơ chế thể tích này giúp giảm sức cản đường thở như một cơ chế bù trừ).
- Độ nhớt của khí hít vào. Tác dụng của độ nhớt của khí hít vào trên kháng lực là rõ ràng theo mối quan hệ Poiseuille. Mặc dù không phổ biến, tăng độ nhớt khí (chẳng hạn trong lúc lặn sâu xuống biến) tạo ra tăng trong háng lực, và giảm độ nhớt (như hô hấp với khí có trọng lương phân tử thấp như helium) tạo ra giảm kháng lực.
5. Chu kỳ thở:
Chu kỳ thở bình thường được minh họa trong hình 5.13 và 5.14. Vì mục đích thảo luận, chu kỳ hô hấp được chia thành các pha: nghỉ (thời gian giữa các hơi thở), hít vào và thở ra. Trong hhình 5.13, 3 thông số được biểu thị độ thị để mô tả chu kỳ thở: thể tích của khí di chuyển trong và ra ngoài phổi. áp lực khoang màng phổi, và áp lực phế nang.
Hình 5.14 chỉ ra hình ảnh quen thuộc của phổi (được đại diện bởi một phế nang), thành ngực, khoảng không gian trong màng phổi giữa các hổi và thành ngực. Áp lực, đo bằng cm nước chỉ ra các điểm khác biệt trong chu kỳ thở. Áp lực khí quyển bằng 0, và các giá trị đối với phế nang và áp lực trong khoang màng phổi được đưa ra trong các không gian riêng biệt. Mũi tên màu vàng chỉ ra hướng và độ lớn của áp lực xuyên màng qua phổi. Theo duy ước, áp lực xuyên thành được tính toán bằng áp lực phế nang trừ áp lực khoang màng phổi. Nếu áo lực xuyên thanh dương tính, đó là một áp lực ngày càng tăng lên phổi và mũi tên màu vàng hướng ra ngoài. Ví dụ, nếu áp lực phế nang là 0 và áp lực khoàng màng phổi là -5 cm nước, có một áp lực tác động lên phoiỏ là +5cm H2o (0-(-5))= +5cm H2O). Nếu áp lực xuyên thành âm tính, nó là một áp lực xẹp phổi và mũi tên mà vàng đi vào trong. Lưu ý rằng trong tất cả các giai đoạn của chu kỳ hô hấp bình thường, mặc dù áp suất phế nang (alveolar pressure) và áp suất màng phổi (intrapleural pressure) có thay đổi, nhưng áp suất xuyên thành (transmural pressure) qua phổi vẫn được duy trì theo cách mà phổi luôn mở. Các mũi tên xanh lớn cho thấy hướng dòng khí đi vào hoặc đi ra khỏi phổi.
a. Hít vào:
Trong thì hít vào, cơ hoành co lại, làm thể tích lồng ngực tăng lên. Khi thể tích phổi tăng, áp suất trong phổi phải giảm xuống. (Định luật Boyle nêu rằng 𝑃×𝑉 là hằng số ở một nhiệt độ nhất định).
Ở khoảng giữa thì hít vào (xem Hình 5.13 và 5.14B), áp suất phế nang giảm xuống thấp hơn áp suất khí quyển (−1 cm H₂O). Chính sự chênh lệch áp suất giữa khí quyển và phế nang đã tạo ra dòng khí đi vào phổi.
Không khí tiếp tục đi vào phổi cho đến cuối thì hít vào (xem Hình 5.14C), khi áp suất phế nang trở lại bằng áp suất khí quyển; lúc này, chênh lệch áp suất giữa khí quyển và phế nang đã mất đi, và dòng khí vào phổi ngừng lại.
Thể tích khí hít vào trong một nhịp thở gọi là thể tích khí lưu thông (tidal volume – VT), khoảng 0,5 L. Do đó, thể tích khí có trong phổi vào cuối thì hít vào bình thường sẽ bằng FRC cộng thêm một thể tích khí lưu thông (FRC + VT).
Suốt thời gian hít vào, áp suất khoang màng phổi trở nên âm tính hơn lúc nghỉ. Có 2 lý do giải thích: (1) khi thể tích phổi tăng, độ đàn hồi của phổi cũng tăng và kéo mạnh hơn lên khoang màng phổi, làm cho áp suất trong khoang này trở nên âm hơn. (2) Áp suất trong đường dẫn khí và phế nang trở nên âm (thấp hơn áp suất khí quyển), góp phần làm áp suất màng phổi giảm thêm.
2 tác dụng này cũng gây ra áp lực trong khoang màng phổi để trở nên âm tính hơn, hay xấp xỉ -8cm H2O ở cuối thì hít vào. Mức độ thay đổi của áp suất màng phổi (intrapleural pressure) trong thì hít vào có thể được sử dụng để ước tính độ giãn nở động (dynamic compliance) của phổi.
b. Thở ra.
Bình thường, thở ra là một quá trình thụ động. Áp suất phế nang trở nên dương tính (cao hơn với áp suất khí quyển) bởi vì lực đàn hồi của các phổi nén thể tích khí lớn hơn trong các phế nang. Khi áp suất phế nang tăng lên vượt quá áp suất khí quyển (xem Hình 5.13 và 5.14D), không khí sẽ thoát ra khỏi phổi và thể tích khí trong phổi trở về mức FRC (dung tích cặn chức năng). Thể tích khí được thở ra chính là thể tích khí lưu thông (tidal volume). Vào cuối thì thở ra (xem Hình 5.13 và 5.14A), tất cả các thể tích và áp suất trở lại giá trị lúc nghỉ, và hệ thống sẵn sàng bắt đầu một chu kỳ hô hấp mới.
c. Thở ra gắng sức
Trong thì thở ra gắng sức, một người chủ động và cố ý thở ra mạnh. Các cơ thở ra được huy động để làm cho áp suất trong phổi và đường dẫn khí trở nên dương hơn (cao hơn) so với những gì quan sát thấy trong thì thở ra bình thường, thụ động.
Hình 5.15 minh họa ví dụ về các mức áp suất được tạo ra trong thì thở ra gắng sức; trong đó so sánh một người có phổi bình thường với một người mắc COPD (bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính).
Ở một người có phổi bình thường, thì thở ra gắng sức làm cho áp suất trong phổi và đường thở trở nên rất dương (rất cao). Cả áp suất đường thở và áp suất phế nang đều tăng lên mức cao hơn nhiều so với khi thở ra thụ động. Ví dụ, trong một thì thở ra thụ động bình thường, áp suất phế nang là +1 cm H₂O (xem Hình 5.14D); còn trong ví dụ thở ra gắng sức này, áp suất đường thở là +25 cm H₂O và áp suất phế nang là +35 cm H₂O (xem Hình 5.15).
Trong thở ra gắng sức, sự co cơ thở ra cũng làm tăng áp suất màng phổi, giờ đây trở thành một giá trị dương, ví dụ +20 cm H₂O. Một câu hỏi quan trọng đặt ra là: Liệu phổi và đường thở có bị xẹp trong điều kiện áp suất màng phổi dương này không? Câu trả lời là không, miễn là áp suất xuyên thành (transmural pressure) vẫn dương thì đường thở và phế nang sẽ vẫn mở.
Trong một thì thở ra gắng sức bình thường:
Áp suất xuyên thành qua đường thở = áp suất đường thở – áp suất màng phổi = +5 cm H₂O (+25 − [+20] = +5 cm H₂O).
Áp suất xuyên thành qua phổi = áp suất phế nang – áp suất màng phổi = +15 cm H₂O (+35 − [+20] = +15 cm H₂O).
Do đó, cả đường thở và phế nang đều sẽ vẫn mở vì áp suất xuyên thành đều dương. Thở ra sẽ diễn ra nhanh và mạnh bởi vì chênh lệch áp suất giữa phế nang (+35 cm H₂O) và khí quyển (0) lớn hơn nhiều so với bình thường.
Tuy nhiên, ở người bị khí phế thũng (emphysema), thì thở ra gắng sức có thể khiến đường thở bị xẹp. Trong khí phế thũng, độ giãn nở của phổi (lung compliance) tăng lên do mất các sợi đàn hồi.
Trong thở ra gắng sức, áp suất màng phổi (intrapleural pressure) tăng lên cùng mức như ở người bình thường, tức +20 cm H₂O. Tuy nhiên, vì cấu trúc phổi mất đi lực đàn hồi co hồi, nên áp suất phế nang và áp suất đường thở thấp hơn so với người bình thường.
Áp suất xuyên thành (transmural pressure) qua phổi vẫn là một áp suất dương có tác dụng làm nở phổi, khoảng +5 cm H₂O, nên các phế nang vẫn mở. Nhưng các đường thở lớn lại bị xẹp vì áp suất xuyên thành qua chúng đảo chiều, trở thành âm (áp suất xẹp) là −5 cm H₂O.
Rõ ràng, khi các đường thở lớn bị xẹp, sức cản đối với dòng khí tăng lên và việc thở ra trở nên khó khăn hơn. Những người bị khí phế thũng (emphysema) học cách thở ra chậm rãi bằng cách mím môi. Cách thở này tạo ra sức cản cao tại miệng và làm tăng áp suất trong đường thở, từ đó ngăn chặn sự đảo chiều của áp suất xuyên thành (transmural pressure) qua các đường thở lớn và ngăn không cho chúng bị xẹp.
