肺脏病理生理学-ye

1、叶俊丽叶俊丽Mail to 肺病理生理学肺病理生理学(Pulmonary Insufficiency)Department of pathophysiologyContents Introduction Etiology and pathogenesis Alterations of function and metabolism IntroductionNormal physiological function of lung External respiration Defensive function Filter function Metabolic functionDefensive

2、 function肺泡表面积肺泡表面积80m80m2 2，接触空气，接触空气15000L/15000L/天天Defensive function 非特异性：气道异物的清除（颗粒、气体）。 (溶酶体和蛋白水解酶溶酶体和蛋白水解酶)气体的清除：喷嚏、咳嗽。MT抗原信息淋巴因子免疫反应吸引、激活抗原抗原量少，引起局部免疫反应；抗原量大，引起全身免疫反应。Defensive functionPCFilter functionarterialsuperior venainferior vena(2010) IF= 47.05Metabolic function肺组织参与糖、脂肪、蛋白质的代谢。Surfa

3、ctantT肺泡T 无表面活性物质塌陷有表面活性物质充盈Metabolic functionMetabolic functionMetabolic function血管活性物质能生成、灭活的有5-HT、NE等。能生成、极少灭活的有组胺、E等。肺是合成、释放、灭活PGs和LTs的重要场所。收缩肺血管：LTs、TXA2、PGF2、扩张肺血管：PGI2、PGE2等。Metabolic function 肽类：血管紧张素、缓激肽、血管活性肠肽、P物质等。 Pulmonary dysfunction External respiratory Defensive function Filter funct

4、ion Metabolic functionIn the study ? ? ?The respiration process in normal bodyExternal respirationHypotonic hypoxiaRespiratory failureInternal respirationHistogenous hypoxiaTransport of gasBlood gascirculationTissue gasFresh airAlveolar gasHemicCirculatoryhypoxiaventilationexchangeThe abnormal respi

5、ration processCase study 病史：病史：患者男，患者男，4545岁。因车祸致全身多发伤入院。手术岁。因车祸致全身多发伤入院。手术抢救后次日（伤后抢救后次日（伤后23 23 h h），），患者呼吸困难加重，胸闷，口唇患者呼吸困难加重，胸闷，口唇紫绀。紫绀。 体检：体检：呼吸呼吸35-4035-40次次/ / minmin，脉搏脉搏138138次次/ / minmin，血压血压97.5/45.0 mmHg97.5/45.0 mmHg，并且无尿，并且无尿， 实验室检查：实验室检查：SaOSaO2 20.70-0.780.70-0.78, ,pH7.216pH7.216；PaCO

6、PaCO2 2 35.2mmHg35.2mmHg，PaOPaO2 2 39.0mmHg39.0mmHg。拍拍X X光片：右肺上叶不张，左肺光片：右肺上叶不张，左肺下叶纤细阴影，间质水肿，肺不张。下叶纤细阴影，间质水肿，肺不张。 思考：思考：患者的主要病理过程是什么患者的主要病理过程是什么? ?机制机制是什么？如何纠正该患者的缺氧问题？是什么？如何纠正该患者的缺氧问题？Conception of respiratory failure外呼吸功能PaO2/ PaCO2病理过程 （呼吸衰竭）FiO2 20%, RFI 300 ( RFI= PaO2 / FiO2 ) PaO2 50mmHgDiagn

7、osis of respiratory failureAccording to PaCO2Type I, hypoxemic （低氧血症型）Type II, hypercapnic （高碳酸血症型）Hypoxemia, no hypercapnia existsHypoxemia，accompanied with hypercapniaClassification of respiratory failureClassification of respiratory failureAccording to pathogenesisAccording to primary siteAccordi

8、ng to durationContents Introduction Etiology and pathogenesis Alterations of function and metabolismPiO2 150mmHgPAO2 105PACO2 40外呼吸外呼吸PvO2 40mmHgPvCO2 46mmHgPaO2 100mmHgPaCO2 40mmHg肺换气肺换气肺通气肺通气 Ventilatory disorder Pathogenesis of Respiratory Failure Disorder of air exchange 肺通气功能障碍肺通气功能障碍肺换气功能障碍肺换气

9、功能障碍 Ventilatory disorder 肺通气功能障碍肺通气功能障碍Alveolar ventilation（4L / min )dead spacePulmonary ventilation（ 6L / min )Normal respiratory movement3543211. Center2. Muscles3. Chest wall4. Alveoli5. Airway325Causes of impaired ventilation& Restrictive hypoventilation (限制性通气不足)呼吸中枢抑制脊髓高位损伤脊髓前角细胞受损运动神经受损

10、呼吸肌 无力（1） 呼吸肌麻痹呼吸肌麻痹神经肌肉接头处病变Z 胸廓畸形胸廓畸形Z 胸膜纤维化胸膜纤维化Thickened pleura（2） 胸廓顺应性下降胸廓顺应性下降胸腔胸腔积液积液（3）气胸气胸胸腔积液胸腔积液（4）肺肺顺应性下降顺应性下降肺纤维化肺纤维化Diffuse Fibrosis(white-tan tissue)Caused by ARDS, hyperventilation and alveolar edema，etc.normalLack of surfactant（4）肺肺顺应性下降顺应性下降Causes of restrictive ventilatory disord

11、er 呼吸肌无力呼吸肌无力（Paralysis of respiratory muscles） 胸廓顺应性降低（胸廓顺应性降低（Decreased compliance of chest wall） 肺顺应性降低（肺顺应性降低（Decreased compliance of lung） 胸腔积液和气胸（胸腔积液和气胸（Hydrothorax or pneumothorax）呼吸中枢抑制呼吸中枢抑制脊髓高脊髓高位损伤位损伤脊髓前角脊髓前角细胞受损细胞受损运动神经受损运动神经受损呼吸肌呼吸肌 无力无力弹性阻弹性阻力增加力增加 胸壁损伤胸壁损伤气道狭窄气道狭窄 或阻塞或阻塞神经肌肉接神经肌肉接头处病

12、变头处病变Causes of impaired ventilation& Restrictive hypoventilation (限制性通气不足)& Obstructive hypoventilation (阻塞性通气不足)Factors influencing the airway resistance Inner diameters Length and shape Airflow rate and pattern80% of the airway resistance comes from central airway (2mm), 20% from periphera

13、l small airway (2mm). Obstruction of central airway ( (中央性气道阻塞）中央性气道阻塞） Obstruction of peripheral airway ( (外周性气道阻塞外周性气道阻塞) )Causes of obstructive ventilatory disorder气道内压大气压ExpirationInspiration大气压气道内压 Obstruction of extrathoracic airway Obstruction of intrathoracic airway Intra-thoracic pressureIn

14、tra-thoracic pressureExpirationInspirationIntraairway pressureIntraairway pressure Obstruction of central airway ( (中央性气道阻塞）中央性气道阻塞） Obstruction of peripheral airway (外周性气道阻塞外周性气道阻塞)Causes of obstructive ventilatory disorder Obstruction of peripheral airway Intra-thoracic pressureIntra-thoracic pres

15、sureExpirationInspirationIntraairway pressureIntraairway pressurenormalCOPD Equal pressure point shifts up leading to airway closure caused by forced expiration0+10+20+30+35+20+20+10+20+35+50+20+20Atmosphere pressureIntrathoracic pressureIntraairway pressure呼吸中枢抑制脊髓高位损伤脊髓前角细胞受损运动神经受损呼吸肌 无力弹性阻力增加 胸壁损

16、伤气道狭窄 或阻塞Changes of blood gas in alveolar hypoventilationAlveolar hypoventilationPAO2 ,PACO2PaO2 , PaCO2Changes of blood gas in alveolar hypoventilation2. PaCO2 is the best index of alveolar ventilation of total lungPaCO2 = PACO2 = 0.863 VCO2VA.R = PACO2 VA ( PiO2 PAO2) VA.= 0.81. The ratio of the i

17、ncreased value of to the decreased value of is equal to the respiratory quotientv Ventilatory disorder (肺通气功能障碍肺通气功能障碍) Causes of Respiratory Failurev Disorder of air exchange (肺换气功能障碍肺换气功能障碍 )Normal gas exchange1. Normal diffusionVQ2. Normal V/QCauses of disorder of air exchange Impaired Gas Diffus

18、ion （弥散障碍）（弥散障碍） Ventilation- Perfusion Imbalance （通气（通气/血流比例失调）血流比例失调） Increased anatomic shunt （解剖分流增加）（解剖分流增加） Impaired Gas Diffusion （弥散障碍）（弥散障碍）Factors influencing gas diffusion speed MW and dissolubility of the gas Gas partial pressure difference The area and thickness of the membrane The time

19、 of the processthickness：-2.5cmH2O -10cmH2OVQ3.0VQ0.6apexapex：V Vbasebase：V VQ QQ QV VS SQSSV VL LQ QLLLL Partial alveolar hypoventilation Partial alveolar hypoperfusionClassification of Ventilation- Perfusion ImbalanceACBA：V/Q normalB：V/Q （perfusion, no ventilation）C：V/Q （ ventilation, no perfusion

20、 ） Partial alveolar hypoventilationPartial alveolar hypoventilation( functional shunt)Functional shuntPhysiological shuntPhysiological shunt：3% 3% of of pulmonary perfusion pulmonary perfusionPathoPhysiologicalPathoPhysiological shunt shunt ：30-50% 30-50% ofof pulmonary perfusion pulmonary perfusion

21、 Local hypoventilationFunctional shunt（venous admixture）normalairwayPulmonary veinPulmonary arterycapillaryalveolihypoxiaHypoven-tilationPartial alveolar hypoperfusion PhysiologicalPhysiological：30% 30% of alveolar ventilationof alveolar ventilationPathophysiologicalPathophysiological：60-70%60-70%Lo

22、cal hypoperfusionnormalhypoxiahypoperfusionchanges of blood gas in Ventilation-Perfusion ImbalanceVentilation-Perfusion ImbalancePaO2 ,PaCO2normal,or or PaO2Abnormal PaCO2NormalPaO2PaCO2Total lungPaO2 , PaCO2 normal, or or气少血多气多血少（depend on compensatory degree）changes of blood gas in functional shun

23、tPaO2PaCO2正常,或 或 氧离曲线决定 CO2解离曲线决定代偿过度， PaCO2降低代偿不足， PaCO2升高代偿适度， PaCO2正常changes of blood gas in functional shuntHbO2H2CO3海平面各部分气体分压(mmHg)大气肺泡气静脉气动脉气O2158.0104.040.0100.0CO20.340.046.040.0PaO2AbnormalPaCO2NormalPaO2PaCO2TotalPaCO2,normal, , or气少血多气多血少（取决于代偿程度）（hypoventilation）（hyperventilation）PaO2ch

24、anges of blood gas in functional shuntabnormalPaO2PaCO2normalPaO2totalPaO2 , PaCO2,normal,or，PaCO2气少血多气多血少changes of blood gas in VDfPaO2病变肺PaCO2健侧肺PaO2PaCO2全肺PaCO2,正常 ，或气少血多气多血少（取决于代偿程度）（ hypoventilation ） （ hyperventilation ）PaO2changes of blood gas in VDf肺换气功能障碍的基本原因肺换气功能障碍的基本原因 弥散障碍 (Impaired Ga

25、s Diffusion) 通气血流比例失调(Ventilation- Perfusion Imbalance) 解剖分流增加(Increased anatomic shunt)Pulmonary arteryBronchial veinsCapillary netA-v shuntPulmonary vein解剖分流解剖分流(anatomic shunt)anatomic shuntnormalairwayhypoxiaPulmonary arteryPulmonary veins解剖分流增加解剖分流增加功能性分流功能性分流功能性分流功能性分流（VA= 0）解剖分流解剖分流No gas exc

26、hange真性分流真性分流真正分流真正分流功能性分流功能性分流解剖上不允许气体交换，吸入纯氧无效部分肺泡气体交换减少，吸入纯氧有效如何鉴别功能性分流与真正分流如何鉴别功能性分流与真正分流肺泡通气与血流比例失调肺泡通气与血流比例失调气气道道肺动脉肺动脉肺静脉肺静脉肺泡肺泡毛细血管毛细血管1. 正常正常2. 解剖分流解剖分流3. 功能分流功能分流4. 死腔样通气死腔样通气分流分流低氧低氧通气不足通气不足血流不足血流不足低氧低氧低氧低氧返回返回Acute respiratory distress syndrome, ARDS（急性呼吸窘迫综合征（急性呼吸窘迫综合征）-Acute respirator

27、y failure caused by acute lung injury 1992年欧美ARDS联席会议认为，ARDS不是一个独立的疾病而是一个连续的病理过程。 *早期为急性肺损伤（ALI）,重度ALI即为ARDS ARDSEpidemiology Incidence: 5 71 per 100,000 Financial cost: $5,000,000,000 per annum Fatality: 40%-60%ARDSEtiologyARDS-EtiologyARDSPathophysiology 肺间质/肺泡水肿 进行性缺氧 due to intra-pulmonary shunt

28、 (V/Q = 0) shunt 25% - 50% 气道阻力增加病因病因直接损伤直接损伤急性肺泡毛细血管膜损伤急性肺泡毛细血管膜损伤间接激活炎症细胞间接激活炎症细胞急性呼吸衰竭急性呼吸衰竭?Causes and mechanisms of ARDSSIRSMechanism of cell injury and repair单核巨噬细胞单核巨噬细胞 ARDS发病624，肺巨噬细胞数量速增，且持续时间长。肺巨噬细胞来自骨髓单核细胞，是肺的正常细胞成分。分为型：肺泡巨噬细胞（AM）：其数量为肺泡常驻细胞80；肺间质巨噬细胞；树突状细胞（dendritic cell）；肺血管内巨噬细胞（pulmo

29、nary intravascular macro phage， PIM） Pathophysiology of ARDS Bello证实，支气管肺泡灌注液，PMNs凋 亡延迟: * 粘细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF） * 粘细胞集落刺激因子（G-CSF） * TNF-2、IL-1、IL-6 延长PMNs生命周期 维持了白细胞的多种功能。 3. 3. NF-NF-BB活性显著增高活性显著增高, , 促进蛋白质转录。促进蛋白质转录。 4. 4. 在炎性介质作用下在炎性介质作用下, ,中性粒细胞流变学特性的改变（如变中性粒细胞流变学特性的改变（如变形性降低、体积增加形性降低、体积增加, ,

30、聚集聚集） 肺循环低灌注压、大容量、分枝少，肺血管中性粒细胞含量较其他部位大血管高4080倍。 中性粒细胞通过肺毛细血管时间延长：26s(2120s)，红细胞12s。 2.2.多形核中性粒细胞（多形核中性粒细胞（PMNsPMNs）凋亡延迟或抑制的调控作用凋亡延迟或抑制的调控作用 Pathophysiology of ARDS Drost用细胞通过分析仪研究脓毒血症病人中性粒细胞流变学特性 ，这些细胞通过直径为8um，长为20um微管。* * 移动方式：跳跃式快速移动与停顿，变形，在5.3 m毛细血管变形时间延长。 硬化(rinidity)，变形性降低，体积增大20100%。 （Na+/H+)*

31、 粘附形成双联体。 幼稚粒细胞增加。 Normal Cell Apoptotic cell Cell undergoing apoptosis5.5.血小板血小板： 释放AAM、5-羟色胺（5-HT）,血小板激活因子（PAF）,表皮生长因子（EGF）、转化生长因子（TGF）等。 Pathophysiology of ARDS6. 血管内皮细胞血管内皮细胞： 可选择性地代谢生物活性物质，如5-HT、去甲肾上腺素、缓激肽、血管紧张素等；可释放氧自由基、花生四烯酸、前炎症因子和生长因子；也可表达某些粘附分子。7. 肺泡上皮细胞肺泡上皮细胞 分为型肺泡细胞（pneumocyte type，PC-）和型

32、肺泡细胞（PC-）。它们在ARDS发病中的变化，包括直接受损和PC-表面活性物质（PS）代谢异常两个方面。 Pathophysiology of ARDSARDS Acute Exudative PhaseARDSProliferative Phase Type II pneumocyte proliferate differentiate into Type I cells reline alveolar walls Fibroblast proliferation interstitial/alveolar fibrosisARDSFibrotic Phase Characterized

33、by: local fibrosis vascular obliteration Repair process: resolution vs fibrosis *ARDS发病的三个阶段发病的三个阶段 局部炎症反应阶段： 有限全身炎症反应阶段：介质入血 SIRS/CARS失衡阶段： 瀑布样释放炎症扩散，失控。 细胞因子，保护自身破坏。Pathophysiology of ARDSCausesInflammatory responseMODSPrimary inflammationSIRSCARS抗炎因子大抗炎因子大量释放量释放致炎因子大致炎因子大量释放量释放BalanceAnti-inflamm

34、atory responseCoagulation cascadeProstaglandinsleukotrienesComplementcascade DIC MODSProinflammatory cytokinesSecondary mediators agents（chemical, physical or biological） inflammationPulmonary edema atelectasis bronchospasm vasoconstriction thrombosisDiffusion disorder shunt dead space like ventialt

35、ion hypoxiaType I RFARDSClinical Phases I. Injury Phase II. Latent/Lag Phase III. ARF Phase IV. Recuperative/Terminal Phase ALI的诊断标准: 1.急性起病； 2.氧合指数PaO2/FIO2300mmHg（ 40kPa ） 3.正位胸片两肺斑片状阴影； 4.PAWP18mmHg（2.4kPa），或无左房压力增高ARDS的诊断标准的诊断标准: ALI诊断标准基础+氧合指数200mmHg（26.67kPa）1.血清表面活性蛋白-A (SP-A) ARDSARDS早期预测早期预

36、测 ARDS病人支气管肺泡灌洗液（BALF） 中(SP-A)水平降低，而血清水平明显增高。因此，血清SP-A可以作为预测ARDS发生的高危因素。 2. 抗IL-8/IL-8复合物 具有ARDS高危因素的病人中，BALF抗IL-8/IL-8复合物含量越高，发生ARDS的几率越大，死亡率也越高。与PMNs在肺泡的浓度呈正相关。 3. HT156 ALI发病机理中，肺泡上皮屏障的损伤处于中心位置，HT156是人类I型肺泡上皮细胞膜蛋白成分。ALI病人肺水肿液及血浆中含量数倍于正常人，表明HT156可以作为肺泡上皮损伤的生化标记物，有助于预测ALI的发生。目前正在进行的治疗探索n抗氧化剂： N乙酰半胱

37、氨酸（NAC），谷胱甘肽、VitE、VitCn高频通气n肾上腺素能受体兴奋剂n蛋白酶抑制剂n中心粒细胞内皮黏附抑制剂n补体抑制剂、弹性蛋白酶抑制剂nIL10、布洛酚n持续大流量CVVH的作用Chronic obstructive pulmonary disease (COPD)Chronic bronchitisEmphysemaChronic airway obstruction（diameter2mm）COPD 患病率（患病率（1990年）年）nIndia4.383.44nChina26.2023.70nOther Asia 2.891.79nSub-Saharan Africa4.412

38、.49nLatin America and Caribbean3.362.72nMiddle Eastern Crescent2.692.83nWorld9.347.33*From Murray & Lopez, 1996男/1000女/1000中国城市十大死亡原因 (2003)RankDiseaseMortality(per 105)1Malignant tumor134.52Cerebrovascular diseases105.434Heart diseases76.25Trauma/Poisoning32.66Digestive diseases19.37Endocrinal,

39、 Nutritional & Metabolic Disorders14.18Genitourinary diseases7.19Neurological diseases4.810Perinatal diseases162.1中国农村十大死亡原因 (2003)RankDiseaseMortality (per 105)1Malignant tumor95.72Cerebrovascular diseases89.934Heart diseases45.55Trauma/Poisoning21.56Endocrinal, Nutritional & Metabolic Diso

40、rders14.57Digestive diseases10.58Genitourinary diseases7.29Perinatal diseases372.210Pulmonary TB4.2WHO和中国呼吸界关注和中国呼吸界关注COPD 世界世界COPD日：日：11月月 世界戒烟日：世界戒烟日：5月月31日日 GOLD:Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease(2002,2004,2009) 中国中国COPD诊治规范（诊治规范（1997） 中国慢性阻塞性肺疾病诊治指南中国慢性阻塞性肺疾病诊治指南（2002年年-2009

41、版版）2010 - The Year of the Lung: Measure your lung health Ask your doctor about a simple breathing test called spirometry SymptomsWhen its hard to breathe, its hard to do anything People with COPD: avoid activities that they used to do more easily limit activity to accommodate shortness of breath and

42、 other symptoms. Some activities include: Take elevator instead of stairs. Park close by instead of walking. Avoid shopping or other similar day-to-day tasks. Stay home rather than go out with friends.u不可逆的气流受限的疾病不可逆的气流受限的疾病u支气管扩张症u囊性纤维化u肺结核u支气管哮喘 除非与COPD重叠的部分外均不属于COPD的范畴发发 病病 机机 制制 炎症炎症/ /免疫与免疫与COP

43、DCOPD炎症炎症/ /免疫与免疫与COPDCOPDantitrypsin与与COPDROS与与COPDChun-zhen Zhao et al. Respiratory Medicine (2010) 104, 1391-1395.分级特征分级特征0：危险状态肺功能正常慢性症状(咳嗽、咳痰):轻度COPDFEV1/FVC70%FEV180%的预计值有或没有慢性症状(咳嗽、咳痰):中度COPDFEV1/FVC70%30%FEV180%的预计值（A：50%FEV180%的预计值B：30%FEV150%的预计值）有或无慢性症状(咳嗽咳痰、呼吸困难):重度COPDFEV1/FVC70%FEV130%

44、的预计值或FEV150%的预计值伴有呼吸衰竭或右心衰的临床表现COPDAirway obstruction, constriction or EPP Shift upObstructive hypoventilation Type II RFLack of surfactant，dysfunction of respiratory musclesDiffision memembrane area V/Q imbalanceRestrictive hypoventilationDiffusion disorderFunctional shunt or dead space like ventil

45、ationPathophysiology of COPD-induced RF 3Alterations of function and metabolism外呼吸障碍血气异常血气异常酸碱、电解质异常酸碱、电解质异常各系统各系统器官反应器官反应代偿代偿失失代偿代偿总体变化趋势总体变化趋势Acid-base imbalance and electrolyte disturbances呼吸衰竭呼吸衰竭缺缺 氧氧COCO2 2潴留潴留代酸代酸呼酸呼酸呼碱呼碱代偿性通气增强时代偿性通气增强时医源性医源性代碱代碱（血钾升高）（血钾升高）（血氯升高（血氯升高）（血钾升高）（血钾升高）（血氯降低）（血氯降低）（血钾降低）（血钾降低）（血氯升高）（血氯升高）（血钾降低）（血钾降低）（血氯降低）（血氯降低）Effects on respiratory system低氧血症外周化感器（PaO2 8KPa)呼吸中枢+直接作用（PaO2 4KPa)_高碳酸血症中枢化感器（PaC