Chức năng trao đổi khí

Image

Giới thiệu

Như chúng ta đã biết, trao đổi khí là một phần rất quan trọng của chức năng hô hấp. Đó là hiện tượng một chất khí được khuếch tán (đi xuyên) qua lớp màng Phế nang-Mao mạch (PNMM) bên trong phổi và chuyển đổi trạng thái từ thể khí (trong lòng phế nang) sang thể hòa tan (trong mao mạch). Ví dụ khí oxy từ không khí được hít vào qua đường dẫn khí lớn, sẽ đi đến phế nang và được khuyếch tán qua màng phế nang mao mạch để vào tuần hoàn phổi và được gắn kết với phân tử Hemoglobin trong hồng cầu. Khí CO2 theo con đường ngược lại và được thải ra ngoài.

Sinh lý của hiện tượng trao đổi khí

Định luật Fick

Image

Hiện tượng trao đổi khí qua màng phế nang mao mạch được mô tả trên phương diện Vật lý bằng định luật Fick : Lưu lượng khí khuyếch tán (DL) xuyên qua một lớp màng phụ thuộc vào 3 yếu tố : (1) gradient (sự chênh lệch) nồng độ của chất khí ở 2 phía của màng, (2) kích thước của lớp màng, và (3) Đặc tính hóa học và vật lý của chất khí đó. Theo định luật Fick, chất khí sẽ được khuếch tán theo chiều chênh lệch nồng độ (ví dụ CO2 sẽ đi từ mao mạch vào phế nang còn Oxy thì ngược lại. Tương tự, lượng O2 hít vào càng cao thì sự trao đổi khí càng dễ dàng, giải thích cho hiện tượng  giảm trao đổi khí trên độ cao nơi có áp suất khí quyển thấp và không khí loãng. Mức độ trao đổi khí tỉ lệ thuận với diện tích S của lớp màng, và tỉ lệ nghịch với bề dày Th của lớp màng này. Như ta biết, hàng rào phế nang mao mạch có diện tích tổng cộng gần 100 m2 và bề dày chỉ có 1 micromet là điều kiện lý tưởng cho việc trao đổi khí.

Phương trình Roughton-Forster

Image

Năm 1957, 2 nhà sinh lý học là Roughton và Forster đã phân tích hiện tượng trao đổi khí thành 2 giai đoạn, tương ứng với 2 khu vực là hàng rào phế nang, và tuần hoàn mao mạch.

1/DL = 1/Dm + 1/Theta. VC

Phương trình này được hiểu là : Kháng lực chung (mức độ khó khăn) của sự vận chuyển khí , hay nghịch đảo của lưu lượng khuếch tán DL) là kết quả tổng hợp của 2 kháng lực có nguồn gốc từ : Hàng rào phế nang, và Máu mao mạch. Dm được hiểu là khả năng dẫn xuất của lớp màng, Dm càng cao thì sự khuyếch tán khí qua màng càng dễ dàng và ngược lại, Dm thấp gây khó khăn cho sự khuếch tán. Kháng lực mao mạch được qui định bởi : Thể tích máu trong mao mạch (Vc) và tốc độ phản ứng sinh hóa giữa chất khí và Hemoglobin (Hằng số Theta).

Mô hình trao đổi khí của giáo sư Weibel

Image

Trong thời gian từ 1960-1990, giáo sư Weibel và cộng sự đã tập trung nghiên cứu về cấu trúc và kích thước của hệ hô hấp. Công trình nổi tiếng nhất của GS. Weibel là mô hình chi tiết của cây phế quản với các số đo về chiều dài, khẩu kính, diện tích bề mặt và độ dày của 23 thế hệ đường hô hấp,  từ khí quản cho đến phế quản, tiểu phế quản và phế nang.

Một số nội dung của mô hình giải phẩu này có thể áp dụng để nghiên cứu về hiện tượng trao đổi khí. Theo đó, sự khuếch tán của chất khí phải đi qua một hàng rào phế nang-mao mạch được cấu tạo từ rất nhiều lớp mô và tế bào khác nhau. Theo thứ tự từ phế nang đến mao mạch ta có :

Lớp dịch lót bề mặt phế nang (surfactant), lớp biểu mô phế nang (phế bào type I và type II), lớp màng đáy biểu mô phế nang, lớp mô kẽ (interstitium), màng ngoài mao mạch, lớp nội mô mao mạch, lớp huyết tương (plasma), và cuối cùng là lớp màng cùng nội bào của hồng cầu.

Những lớp tế bào này áp sát nhau, nhưng không hoàn toàn chồng lắp, và mỗi lớp cũng có bề dày, mật độ riêng biệt, vì vậy khái niệm diện tích màng và bề dày trong công thức định luật Fick phải được hiểu như giá trị trung bình của diện tích và bề dày của tất cả các lớp màng nói trên.

Như vậy, một sự thay đổi về cấu trúc của từng lớp mô-tế bào nói trên có thể gây thay đổi diện tích S và bề dày T, từ đó ảnh hưởng tới khả năng trao đổi khí. Ví dụ sự phá hủy cấu trúc phế nang trong khí phế thũng làm giảm diện tích S, trong khi các bệnh viêm, xơ hóa phổi làm tăng bề dày T, cả 2 trường hợp dẫn đến sự suy giảm lưu lượng khí khuếch tán DL.

Thăm dò chức năng trao đổi khí

Chức năng trao đổi khí được khảo sát bằng kỹ thuật đo lưu lượng khuếch tán của khí CO, hay còn gọi là hệ số vận chuyển CO qua màng phế nang mao mạch (transfer factor of CO, hay diffusing capacity for CO : TLCO hay DLCO).

Image

Chỉ số dẫn xuất của màng (Dm) và thể tích mao mạch khả dụng (Vc) có thể được xác định nhờ phương pháp đo khuếcn tán đôi (double diffusion),  trong đó người ta dùng đồng thời 2 chất khí là NO và CO để đo cùng lúc 2 hệ số khuếch tán là DLNO và DLCO. Như vậy ta sẽ có hệ 2 phương trình Roughton-Forster cho NO và CO giúp tính được DmCO và Vc.

Image

Ứng dụng lâm sàng của xét nghiệm khả năng trao đổi khí (DLCO)

Như đã trình bày ở trên, ta thấy rằng giảm khả năng trao đổi khí có thể do 2 nguyên nhân chính :

(1) Giảm diện tích và/hoặc tăng bề dày màng phế nang mao mạch ;

(2) Giảm thể tích và/hoặc lượng hồng cầu trong mao mạch

(1a) Giảm diện tích : Tất cả những bệnh lý phổi đều có nguy cơ làm giảm diện tích khả dụng của màng phế nang mao mạch (ví dụ khí phế thũng tạo ra những vùng phế nang không được thông khí ).

(1b) Tăng bề dày của màng PNMM có thể do nhiều nguyên nhân như : hiện tượng viêm, phù mô kẽ, hiện tượng xơ hóa của mô kẽ.

(2a) Giảm thể tích mao mạch (Vc) do Giảm số đơn vị mao mạch: do lão hóa (bị giảm 1 ml mao mạch mỗi năm ở người < 60 tuổi , và giảm 2 ml/ năm kể từ 60 tuổi trở đi).

Một số bệnh lý làm giảm Vc như: Khí phế thũng trong COPD, hội chứng mô kẽ, nhiễm trùng (lao, vi khuẩn…)

(2b) (2a) Giảm thể tích mao mạch (Vc) do thuyên tắc: bệnh tắc mạch phổi, nhồi máu phổi, tăng áp động mạch phổi (PAH), do khối u chèn ép…

(2c) Thiếu máu làm giảm lượng hồng cầu.

Ví dụ: Trong bệnh suy tim, khả năng trao đổi khí sẽ bị suy giảm dần dần theo thời gian và có thể hồi phục 1 phần dưới tác dụng điều trị.

Trong thời gian đầu (NYHA I hay II), DLCO có thể vẫn bình thường hay không giảm nhiều, do tác dụng tăng thể tích mao mạch, nhưng khi bệnh kéo dài, DLCO sẽ bị giảm, do tăng bề dày lớp màng phế nang mao mạch do ứ dịch mô kẽ.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: