HC33: Ademregulatie 1

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de onderlinge samenwerking tussen de controller, sensor en effector van het ademhalingscentrum besproken
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Doel ademregulatie

Het doel van ademhaling is de uitwisseling van O₂ en CO₂ tussen het bloed en de lucht.

De O₂- en CO₂-druk in het bloed zijn vrij stabiel: er is sprake van homeostase. De ventilatie wordt nauw gecontroleerd.

Een mens kan gemiddeld 1 minuut de adem inhouden. Door een gasmengsel aan te bieden waarmee het ademcentrum gedeisd wordt gehouden, kan beïnvloed worden hoe lang de adem ingehouden wordt. Dit wordt bijv. bij precieze longbestraling toegepast, zodat de long niet beweegt.

Onderdelen van het regelsysteem

Het ademhalingssysteem is een gesloten systeem. Een aantal onderdelen zijn essentieel om de ademhaling te kunnen reguleren:

• Controller: het ademhalingscentrum (stukje weefsel dat automatisch de ademhaling kan reguleren)
  • Hier vindt het automatische proces van ademhaling t.g.v. impulsen vanuit de hersenstam plaats
    • Medulla
      • Het prebotzinger complex is de automatische impulsgenerator (d.m.v. vurende neuronen)
      • De dorsale respiratoire groep zorgt voor inspiratie (neuronen vuren bij inademing → extra kracht))
      • De ventrale respiratoire groep zorgt voor actieve expiratie (neuronen vuren bij uitademing → extra kracht)
    • Pons: zorgt voor "finetuning" van de ademhaling → neuronen kunnen zelf geen impuls genereren
      • Heeft een lage excitoire functie
      • Heeft een hoge inhiberende functie
      • Bijv. voor het bewegen van neusvleugels of tongspieren
    • Bij letsel aan het ruggenmerg onder de hersenstam blijft de automatische ademhalingsgeneratie intact
      • De hersenstam blijft ademhaling genereren omdat deze intact blijft
  • De cortex (hersenen) kan binnen bepaalde limieten de hersenstam overheersen → ontbrekende ademhaling
    • Hyperventilatie
    • Hypoventilatie
    • Praten, zingen
    • Muziekinstrumenten bespelen
    • Gapen, slikken, etc.
  • Het lymbisch systeem speelt een rol bij emoties en kan ook de hersenstam overheersen
    • Bijv. huilen: heeft een ontbrekende ademhaling als gevolg
• Effector: de ademhalingsspieren → worden door het ademhalingscentrum en de cortex aangestuurd
  • Diafragma: gaat bij inspiratie naar beneden waardoor er lucht "aangezogen" wordt, gaat bij expiratie passief naar boven
    • Aangestuurd door de nervus phrenicus
  • Intercostaalspieren
    • Aangestuurd door de nervus intercostales
  • Hulpademhalingsspieren
    • Trekken de thorax omhoog
  • Buikspieren: aangestuurd door de spinale zenuwen
  • Zijn alleen bij inspanning zowel bij in- als uitademing actief
• Sensoren: geven input op de controller voor stabilisatie van gasspanningen (O₂-druk, CO₂-druk en pH) in het bloed
  • Centrale chemoreceptoren
    • Reageren op pH-verandering van extracellulair vocht in de hersenstam
      1. CO₂ gaat over de bloed-hersenbarrière
      2. CO₂ reageert met H₂O → lokaal wordt H⁺ gevormd
      3. De pH verlaagt
      4. Ademhaling wordt gegenereerd
      5. De pH stijgt, de pCO₂ daalt
      • De pH in de hersenen is 7,32
  • Liggen in het ventrale deel van de medulla, hersenzenuwen 9 en 10
    • Dit is voorbij de bloedhersenbarrière → hier bevindt zich geen zuurstof → chemoreceptoren zijn alleen gevoelig voor pCO₂
    • Door actief transport van HCO₃ is er een buffer
    • Centrale chemoreceptoren normaliseren de pH sneller dan de nieren
  • Perifere chemoreceptoren
    • Hele kleine lichaampjes van de carotis in de arteria carotis communis in de aortaboog
    • Reageren op de pO₂ in het bloed 
    • Zijn zeer sterk doorbloed → de zuurstofdruk is gelijk aan de systemische zuurstofdruk
    • Bij normoxie is er weinig respons
    • Bij hypoxemie (een lage zuurstofspanning) is er een snelle respons → de ademhaling stijgt snel
    • Zijn type 1 glomus cellen: meten veranderingen in de gasspanning
      • Een type 2 glomus cel geeft steun
  • Receptoren in de long
    • Pulmonale rek-receptoren
      • Zorgen voor het Herinbreuer-relfex: beschermen tegen overinflatie door even te stoppen met ademen
    • Traag adapterende rekreceptoren
    • Irritant receptoren
      • Reageren op nietspecifieke prikkels (stofjes die ingeademd worden)
      • Adapteren snel
    • Pulmonale C vezel receptoren
      • Zijn juxtacapillair
      • Reageren als de pulmonale circulatie verandert → gaan sneller ademen
      • Mensen met hartfalen hebben hierdoor een snellere ademhaling
    • Bronchiale C vezels
      • Regelen de bronchiale circulatie
  • Overige receptoren: hebben geen invloed op de homeostase, maar wel op de ademhaling
    • Neus en bovenste luchtweg
    • Gewrichten en spieren: geven bij sporten een impuls om de ademhaling te veranderen
    • Gammasysteem: geven als de spieren gerekt worden een prikkel door
    • Arteriële baroreceptoren
    • Pijn en temperatuur

Geïntegreerde respons

Centrale en perifere chemoreceptoren worden gevoeliger voor veranderingen als de gasspanningen veranderen in het bloed. De relatie tussen zuurstof- en CO₂-druk op de ventilatie kan in een grafiek worden weergegeven:

• Op de Y-as staat de totale ventilatie (liters/min)
• Op de X-as staat de alveolaire CO₂-druk of O₂-druk

Hieruit ontstaat een lijn:

• Als de O₂-druk lager wordt, gaat de pCO₂/ventilatie lijn meer naar links liggen en wordt het begin hoger en steiler
• Als de CO₂-druk hoger wordt, gaat de pO₂/ventilatie lijn hoger liggen en wordt het begin vlakker

COPD

Bij kortademigheid, bijv. bij COPD, kan zuurstof toegediend worden. Hierdoor wordt de pO₂ genormaliseerd en wordt de ademhaling rustiger. Dit kan echter schadelijk zijn: 

1. Normaal is er alleen een ventilatoire respons op O₂
2. Door toediening van O₂ is er geen ventilatoire respons op lage O₂
3. De patiënt raakt comateus
4. De patiënt stopt met ademen

Zuurstof toedienen bij COPD heeft dus geen zin.

Bij COPD is er sprake van faling van de ademhalingspomp. Dit heeft een aantal gevolgen:

1. Er is een kleiner halfminuutvolume
2. CO₂ wordt moeilijker uitgewassen
3. Er is chronische CO₂-retentie → hypercapnie
4. De [H⁺] neemt toe → pH daalt
5. Er is influx van de bicarbonaatbbuffer in de ECM en vloeistof in de hersenen
6. Hierdoor is er een normale pH in de extracellulaire vloeistof → geen respons van centrale chemoreceptoren op bestaande hypercapnie
7. Er is meer verandering in de ventilatoire respons voor CO₂ nodig → het ademcentrum is minder gevoelig

Een patiënt met COPD ademt dus alleen op basis van de input van de perifere chemoreceptoren → er is alleen een ventilatoire respons op zuurstof. Als zuurstof wordt toegediend verdwijnt ook deze prikkel, en gaat de patiënt nog rustiger ademen.

Regelende versus geregelde systeem

De drie onderdelen van het ademhalingssysteem vormen samen twee systemen:

• Geregelde systeem
  • Effector → sensor
• Regelende systeem
  • Input: sensor → centrale controller
  • Output: centrale controller → effector

De metabole hyperbool:

Het geregelde systeem is afhankelijk van de CO2-productie van de regelaar. Dit kan beïnvloed worden door ziekte en medicijnen. Met een curve kan zichtbaar gemaakt worden hoe deze factoren op elkaar ingrijpen: de regelaar en het geregelde systeem kunnen als lijnen weergegeven worden in een metabole hyperbool:

• Y-as: ventilatie in L/min
  • De onafhankelijke as voor de regelaar
  • De afhankelijke as voor het geregelde systeem
• X-as: pCO2 in kPa
  • De onafhankelijke as voor het geregelde systeem
  • De afhankelijke as voor de regelaar

Hieruit zijn een aantal processen af te lezen:

• Anestesie: de regelaar heeft minder invloed → de lijn van de regelaar wordt vlakker
• Metabole acidose: de lijn van de regelaar is stijler en ligt meer naar links
• Inspanning: de lijn van de regelaar gaat naar links en behoudt dezelfde helling, de geregelde lijn gaat maar naar rechts → er ontstaat een nieuw evenwicht
• Opioiden: de lijn van de regelaar is vlakker en ligt meer naar rechts
  • Hier vindt eigenlijk het omgekeerde als bij inspanning plaats

De metabole hyperbool is dus afhankelijk van de CO₂-productie en de ventilatie die wordt opgewekt door de regelaar. De curve vlakt (als men wakker is) een beetje af naar het "wake stimulus". Dit omdat de CO₂-gevoeligheid op een gegeven moment hetzelfde blijft.