Gassutveksling, sirkulasjon og patofysiologi

Gassutveksling – balanse i bevegelse

Livet avhenger av én kontinuerlig utveksling: oksygen må til cellene, og karbondioksid må bort. I lungene skjer denne prosessen i møtepunktet mellom to verdener – luften i alveolene og blodet i kapillærene. Her, over en tynn membran, foregår gassutvekslingen – selve kjernen i respirasjonsfysiologien.

To veier, én utveksling

Gassutveksling er en bidireksjonal prosess. Oksygen (O₂) og karbondioksid (CO₂) beveger seg samtidig, men i motsatt retning:

• Oksygen diffunderer fra alveolene inn i blodet. Dette skjer fordi partialtrykket av O₂ i alveolene er høyere (13,3 kPa) enn i det venøse blodet som ankommer lungene (5,3 kPa). Gassen beveger seg passivt ned langs sin trykkgradient.
• Karbondioksid beveger seg motsatt vei – fra blod til alveole – fordi det venøse blodet inneholder CO₂ med høyere partialtrykk (6,1 kPa) enn det som finnes i alveoleluften (5,3 kPa).

Begge gassene beveger seg via diffusjon, og prosessen skjer raskt og effektivt over den tynne alveolokapillære membranen.

Gassutveksling handler ikke bare om å forsyne kroppen med oksygen – den handler også om å opprettholde stabile nivåer i blodet. Riktig O₂- og CO₂-balanse er avgjørende for:

• Normal cellemetabolisme (som er avhengig av oksygen som elektronakseptor i mitokondriene)
• Syre-base-balanse, siden CO₂ i blodet danner karbonsyre og påvirker pH

Selv små avvik i disse nivåene kan påvirke kroppens funksjon dramatisk.

Tre delfunksjoner må virke sammen

For at gassutveksling skal fungere optimalt, må tre prosesser spille på lag: ventilasjon, diffusjon og perfusjon. Hvis én av dem svikter, svekkes hele systemet.

Ventilasjon – luften må inn og ut

Ventilasjon handler om bevegelsen av luft inn i og ut av lungene. Dette styres hovedsakelig av respirasjonsmuskulaturen, særlig diafragma og de ytre interkostalmusklene. Når disse trekker seg sammen, utvider brysthulen seg og skaper et undertrykk som suger luft inn.

Ventilasjonen påvirkes av flere faktorer:

• Luftveismotstand, altså hvor lett luft strømmer gjennom bronkiene
• Lungens compliance, som er et mål på hvor lett lungene lar seg utvide
• Nevral regulering, gjennom hjernestammen og kjemoreseptorer

Effektiv ventilasjon sikrer at luften i alveolene stadig fornyes, slik at O₂- og CO₂-gradientene opprettholdes.

Diffusjon – utvekslingen av gasser

Diffusjon skjer over den alveolokapillære membranen, og avhenger av flere faktorer:

• Tykkelsen på membranen: jo tynnere, desto raskere gassutveksling
• Overflatearealet: jo større areal, jo mer gassutveksling
• Diffusjonsegenskapene til gassene: CO₂ diffunderer lettere enn O₂
• Partialtrykksforskjellen mellom luft og blod

Dette følger Ficks lov, som sier at gassutveksling øker med større areal og høyere trykkforskjell, men reduseres med tykkere membran. Sykdommer som lungefibrose (fortykket membran) eller emfysem (redusert overflate) vil derfor redusere diffusjonen betydelig.

Perfusjon – blodstrømmen gjennom lungene

Lungene må ha tilførsel av blod for at gassutveksling skal finne sted. Dette skjer gjennom det pulmonale kretsløpet, som fører oksygenfattig blod fra høyre hjertekammer til lungene, og oksygenrikt blod tilbake til venstre atrium.

Effektiv perfusjon avhenger blant annet av:

• Hjertets minuttvolum, som bestemmer hvor mye blod som når alveolene
• Pulmonalt blodtrykk, som må være tilstrekkelig uten å gi ødem
• Gravitasjon, som påvirker blodfordelingen i lungevevet

En fascinerende mekanisme i lungene er den hypoksiske vasokonstriksjonen: dersom et område av lungene er dårlig ventilert (f.eks. ved slim, atelektase eller sykdom), vil blodårene i dette området trekke seg sammen. På denne måten omdirigeres blodet til bedre ventilerte områder, slik at mest mulig blod møter mest mulig luft. Det er en form for intern prioritering – lungens egen måte å sikre effektiv gassutveksling.

Gassutveksling ved diffusjon i lungene

Hovedoppgaven til lungene er å sørge for effektiv utveksling av gasser mellom luft og blod. Dette skjer i alveolene, hvor oksygen diffunderer fra luften vi puster inn og over i blodet, mens karbondioksid diffunderer motsatt vei – fra blodet og ut i luften vi puster ut. Denne prosessen foregår ved passiv diffusjon over den tynne alveolokapillære membranen, drevet av forskjeller i partialtrykk.

Oksygentransport: Fra alveole til blod

Etter hvert åndedrag fylles alveolene med frisk luft, som har et oksygentrykk (pO₂) på omtrent 100 mmHg. Det venøse blodet som ankommer lungekapillærene har et langt lavere oksygentrykk, cirka 40 mmHg.

Denne trykkforskjellen driver diffusjonen av oksygen fra alveolene og over i blodet.

Det meste av oksygenet som tas opp, binder seg til hemoglobin i de røde blodcellene.

Dette gjør blodet i stand til å transportere store mengder oksygen, langt mer enn det som kunne vært fraktet som oppløst gass i plasma alene.

Karbondioksid: Fra vev til lunger og ut

Karbondioksid produseres kontinuerlig i vevene som et biprodukt av metabolisme. Det transporteres tilbake til lungene på tre ulike måter: noe er fritt oppløst i plasma (ca. 10 %), noe bindes til hemoglobin (omtrent 20 %), og størsteparten – rundt 70 % – transporteres som bikarbonat (HCO₃⁻) i plasma.

Ved ankomst til lungene har det venøse blodet et pCO₂ på omtrent 46 mmHg. I alveolene er pCO₂ lavere, cirka 40 mmHg. Dette skaper en drivkraft som gjør at CO₂ diffunderer ut av blodet og inn i alveolene, hvor det pustes ut.

Den alveolokapillære membranen

Selve diffusjonen skjer over en tynn anatomisk struktur kalt den alveolokapillære membranen. Denne barrieren består av tre hovedkomponenter:

1. Alveoleepitelet, som utgjøres av tynne type I-pneumocytter
2. Kapillærendotelet, som kler innsiden av lungekapillærene
3. Felles basalmembran, som i store deler av membranen er felles for både epitel og endotel og bidrar til å holde diffusjonsavstanden minimal

Membranens totale tykkelse varierer mellom 0,5 og 2 mikrometer. Samtidig har lungene et enormt overflateareal for gassutveksling – anslått til 70–100 m² hos voksne. Denne kombinasjonen av stor overflate og tynn barriere gjør lungene ekstremt godt egnet for rask og effektiv diffusjon.

Lagene i den alveolokapillære membranen

Når oksygen beveger seg fra luften i alveolene til blodet i kapillærene, passerer det disse lagene i rekkefølge:

1. Alveolens væskefilm (surfaktantlaget)
   – Et ultratynt væskesjikt med surfaktant og vann som fukter alveoleoverflaten. Her må oksygen først løses opp.
2. Alveoleepitelet
   – Består hovedsakelig av type I-pneumocytter. Disse er ekstremt tynne og tillater effektiv diffusjon.
3. Basalmembran til epitelet
4. Interstitiet
   – Dette er det tynne bindevevslaget mellom epitelet og kapillæren.
   – Det inneholder en felles eller to nærliggende basallaminaer, litt bindevevsmatrix, og fibroblaster, makrofager og små mengder væske.
   – Interstitiet er altså ikke bare én struktur, men en funksjonell sone.
5. Basalmembran til endotelet (dersom den ikke er fusjonert med epitelens)
6. Kapillærendotelet
   – Flate endotelceller som danner veggen i kapillæren.
7. Plasma

Ficks lov – prinsippet bak gassutveksling

Gassutveksling i lungene skjer ved diffusjon, og denne prosessen følger et grunnleggende fysikalsk prinsipp kjent som Ficks lov. Loven forklarer hvilke faktorer som avgjør hvor raskt en gass kan bevege seg over en membran, som den tynne alveolokapillære barrieren i lungene.

Ifølge Ficks lov vil en gass diffundere raskere dersom overflaten det diffunderes over er stor, dersom trykkforskjellen er høy, og dersom gassen er lettløselig. I motsatt retning vil diffusjonen gå saktere dersom membranen er tykk eller gassen har høy molekylvekt.

I praksis betyr dette at oksygen og karbondioksid diffunderer med ulik effektivitet. Karbondioksid har høyere molekylvekt enn oksygen, noe som i utgangspunktet skulle gjort det tregere. Likevel diffunderer CO₂ minst like raskt, og ofte raskere – fordi det er omtrent 20 ganger mer løselig i vann enn O₂. Løselighet er med andre ord en viktigere faktor enn molekylvekt i denne sammenhengen.

Diffusjonen skjer over en ekstremt tynn membran – bare 0,5–2 mikrometer – og gjennom en enorm samlet overflate, som hos voksne mennesker kan være så stor som 70 til 100 kvadratmeter. Når oksygen diffunderer fra alveolene til blodet, og karbondioksid diffunderer tilbake, er det denne kombinasjonen av stort areal, lav membrantykkelse og trykkforskjeller som gjør gassutvekslingen så effektiv.

Ved sykdom, som for eksempel lungefibrose eller emfysem, reduseres enten overflaten eller økes tykkelsen på membranen. Da svekkes diffusjonen, og kroppen kan få problemer med å opprettholde normal oksygenering, særlig ved belastning.

Det viktigste å forstå fra Ficks lov, er at gassutveksling blir bedre når det er stor trykkforskjell, tynn membran, stor overflate og høy løselighet – og dårligere når disse forholdene er motsatt.

Dette diagrammet viser den alveolokapillære membranen, der vi ser alveolen (1) omgitt av type I-pneumocytter (2) og type II-pneumocytter (3) som produserer surfaktant (4); oksygen passerer gjennom basalmembranen (5), bindevevet (6), og endotelcellens basalmembran (7), før det når kapillæret (8), mens immunceller som makrofager (9) og monocytter (10) er til stede i vevet for forsvar og vedlikehold.

For eksempel, vil man ved lungefibrose øke bindevevslaget mellom alveolene og kapillærene. Interstitiet (bindevevslaget) blir da fortykket, og det kan gi konsekvenser som redusert diffusjon og redusert lungecompliance (lungene blir stivere).

Diffusjonskapasitet og måling

Evnen til å gjennomføre gassutveksling i lungene omtales som diffusjonskapasitet (Dₗ). Denne påvirkes av både:

• Areal og tykkelse av den alveolokapillære membranen
  Ved sykdommer som emfysem reduseres overflatearealet, mens tilstander som lungefibrose øker membrantykkelsen og hindrer diffusjon.
• Partialtrykkforskjellen mellom alveoler og blod
  Ved opphold i høyden, der det alveolære oksygentrykket er lavere, reduseres drivkraften for oksygendiffusjon. Dette kan føre til hypoksemi selv om lungene er friske.

I klinikken måles diffusjonskapasiteten indirekte ved en test kalt DLCO – diffusjonskapasitet for karbonmonoksid. CO brukes fordi det binder seg raskt og irreversibelt til hemoglobin, og dermed holder partialtrykket i alveolene konstant. Det gjør CO godt egnet til å vurdere membranens gjennomslipelighet.

Diffusjonsbegrensning og perfusjonsbegrensning av gasser

Effektiv gassutveksling i lungene krever både at gassene kan bevege seg fritt over den alveolokapillære membranen, og at blodet som mottar gassene strømmer tilstrekkelig raskt og jevnt. Disse to forholdene – selve diffusjonen over membranen, og blodets bevegelse gjennom kapillærene – danner grunnlaget for to viktige begreper: diffusjonsbegrensning og perfusjonsbegrensning.

Når vi snakker om gassutveksling i lungene, handler det om hvordan gasser beveger seg fra alveolene over i blodet – og det finnes to hovedbegrensende faktorer:

• Diffusjonsbegrenset: Gassoverføringen begrenses av selve diffusjonen gjennom alveoleveggen.
• Perfusjonsbegrenset: Gassoverføringen begrenses av hvor raskt blodet strømmer forbi alveolen.

Er diffusjon et problem hos friske?

Hos friske individer under hvile er oksygentransporten perfusjonsbegrenset. Det vil si at oksygen diffunderer så raskt over membranen at det er blodstrømmen, ikke selve diffusjonen, som avgjør hvor mye oksygen som tas opp.

Blodet i lungekapillærene oppnår normalt full likevekt med alveoleluften i løpet av omtrent 0,25 sekunder – selv om det oppholder seg der i cirka 0,75 sekunder. Membranen har altså mer enn god nok kapasitet til å tillate full oksygenering.

Karbondioksid, som er langt mer løselig enn oksygen, er nærmest utelukkende perfusjonsbegrenset under normale forhold.

Selv ved sykdom reduseres ikke CO₂-diffusjonen i nevneverdig grad, og problemer med CO₂-utskillelse skyldes som regel ventilasjonssvikt – ikke diffusjonshindring.

Når blir diffusjon begrensende?

Under spesielle forhold kan diffusjonen bli flaskehalsen i gassutvekslingen. Dette skjer når membranen er endret, trykkgradienten er redusert, eller blodstrømmen er så rask at det ikke er tid til full likevekt. Dette omtales som diffusjonsbegrensning, og forekommer særlig i tre situasjoner:

1. Lavt drivtrykk for oksygen

Dersom det alveolære oksygentrykket er lavt, blir trykkforskjellen mellom alveolluften og det venøse blodet i kapillærene mindre. Dette reduserer drivkraften for diffusjon og gjør gassutvekslingen mindre effektiv. Oksygen diffunderer langsommere over membranen, og blodet kan forlate kapillærene uten å være fullt mettet.

Bildet under viser normalt drivtrykk ved lavland.

Et klassisk eksempel på dette er opphold i høyden. Mange tror dette skyldes at luften inneholder mindre oksygen, men det stemmer ikke. Sammensetningen av luften er den samme – ca. 21 % oksygen – også i høyden. Det som forandrer seg, er det atmosfæriske trykket, som synker med høyden over havet. Lavere trykk gir lavere partialtrykk av oksygen i innåndingsluften, og dermed lavere pO₂ i alveolene. Det er altså ikke mengden oksygen, men trykket som driver oksygenet inn i blodet, som blir for lavt. Forskjellen er også ganske drastisk om du ser på forskjellen på bildene.

2. Fortykket alveolokapillær membran

Ved sykdommer som lungefibrose og alvorlig inflammasjon, blir membranen tykkere. Arrvev og væskeansamling øker diffusjonsavstanden, og dermed tiden det tar for oksygen å passere. Lignende forhold ses ved lungeødem, for eksempel ved hjertesvikt, der væske lekker ut i det interstitielle rommet og forstyrrer gassutvekslingen. Ved alvorlig ødem kan væsken også trenge inn i alveolene, noe som ytterligere hemmer diffusjonen

3. Redusert transittid i kapillærene

Ved økt behov for oksygen, som under intens fysisk aktivitet eller feber, øker hjertefrekvensen og hjertets minuttvolum betydelig. Når blodet strømmer raskere gjennom lungekapillærene, får det mindre tid til å ta opp oksygen. Hos friske personer er dette sjelden et problem, men hos eliteutøvere eller pasienter med svekket lungefunksjon kan diffusjonen bli en begrensende faktor – spesielt dersom membranen allerede er svekket.

Oksygen vs. karbondioksid

Selv om karbondioksid har høyere molekylvekt enn oksygen, diffunderer det langt raskere. Dette skyldes at CO₂ er omtrent 20 ganger mer løselig i vann enn O₂, noe som gjør at den lett passerer biologiske membraner. Dermed forblir CO₂-utvekslingen effektiv selv i tilfeller hvor membranen er fortykket eller arealet er redusert.

Dette forklarer også hvorfor hyperkapni (opphopning av CO₂ i blodet) nesten aldri skyldes diffusjonssvikt, men heller ventilasjonssvikt. Ved sykdommer som KOLS er det nedsatt evne til å ventilere alveolene som fører til CO₂-retensjon – ikke problemer med at gassen diffunderer ut. Med andre ord: så lenge luft når alveolene, vil CO₂ komme seg ut.

Måling av diffusjonskapasitet

Diffusjonskapasiteten (DL) er et mål på hvor effektivt gasser kan passere fra alveolene til blodet, og angis i ml/min/mmHg.
Den avhenger av areal, membrantykkelse og hemoglobinbinding, og gir et funksjonelt bilde av gassutvekslingen i lungene.

I klinikken måles DL vanligvis ved hjelp av karbonmonoksid (DLCO).
CO har svært høy affinitet for hemoglobin og diffunderer så raskt at opptaket blir begrenset av membranen alene – ikke av blodstrømmen. Dette gjør testen følsom for endringer i den alveolokapillære membranen, som ved fibrose, emfysem eller ødem.

DLCO påvirkes av to hovedfaktorer: membranens egenskaper og blodets evne til å binde gassen. Den første handler om hvor lett gassen passerer over den alveolokapillære membranen (Dm), og den andre om hvor raskt og hvor mye som bindes til hemoglobin (Θ·Vc). Disse to komponentene fungerer som motstander i serie, og den svakeste vil begrense total kapasitet.

Sykdommer kan svekke begge deler.
Ved emfysem reduseres overflaten for gassutveksling. Ved lungefibrose blir membranen tykkere.
Pulmonal hypertensjon og lungeemboli reduserer blodstrømmen og dermed mengden hemoglobin tilgjengelig for binding.
Anemi reduserer også DLCO, selv om selve membranen er intakt.

DLCO kan også være økt, for eksempel ved akutt lungestuvning, trening, alveolær blødning eller polycytemi. I slike tilfeller øker mengden tilgjengelig hemoglobin, og CO tas lettere opp.

I noen tilfeller brukes gassblandinger med ulikt oksygeninnhold for å skille mellom membranproblemer og vaskulære årsaker. Høyt oksygentrykk konkurrerer med CO om hemoglobinbinding, og gir dermed innsikt i hvilken komponent som er begrensende.

Men hvorfor holder hemoglobin mer på oksygen når CO tar plassene?

Karbonmonoksid (CO) er en giftig gass som konkurrerer med oksygen om samme bindingssete på hemoglobin – nemlig jernatomet i heme-gruppen.
CO har over 200 ganger høyere affinitet for dette setet enn oksygen, og binder seg derfor svært effektivt og nesten irreversibelt.
Når CO binder seg til ett eller flere av de fire setene i hemoglobin, skjer det en strukturell endring i hemoglobinmolekylet – en såkalt konformasjonsendring – som gjør at hemoglobinet går over i en tilstand med høy affinitet.
Dette betyr at hemoglobinet nå holder mye strammere på det oksygenet som allerede er bundet, og blir dårligere til å slippe det i vevet. Dermed reduseres ikke bare hvor mye oksygen som kan fraktes, men også hvor mye som faktisk frigjøres der det trengs. Dette fører til alvorlig vevshypoksi, selv om oksygenmetningen kan fremstå tilsynelatende normal.
Oksygendissosiasjonskurven forskyves samtidig mot venstre – et klassisk tegn på at hemoglobinet holder for hardt på oksygenet.

DLCO er en sensitiv og viktig test som avdekker nedsatt gassutveksling tidligere enn vanlige spirometritester, og gir verdifull informasjon ved både parenkymale og vaskulære lungesykdommer.

Perfusjon og pulmonalsirkulasjon

Effektiv gassutveksling krever ikke bare gode alveoler, men også tilstrekkelig blodstrøm gjennom lungekapillærene.

Oksygen er en perfusjonsbegrenset gass, noe som betyr at mengden som tas opp i blodet først og fremst avhenger av hvor mye blod som strømmer gjennom lungene – ikke hvor mye oksygen som finnes i alveolene. Ved hjertesvikt, for eksempel, kan oksygeneringen bli svekket selv om lungevevet er friskt, fordi blodet ikke passerer raskt nok.

Pulmonalsirkulasjonen er et lavtrykk, lukket kretsløp som starter i høyre ventrikkel og ender i venstre atrium. Det står i kontrast til systemisk sirkulasjon, som drives av venstre ventrikkel under langt høyere trykk.

Lungene mottar hele hjertets minuttvolum, vanligvis rundt fem liter per minutt i hvile, men dette kan øke til over 25 liter per minutt under intens fysisk aktivitet. Blodvolumet i lungene er i underkant av 500 ml, hvorav rundt 100 ml befinner seg i de alveolære kapillærene – det er her selve gassutvekslingen skjer.

Pulmonal perfusjon kan måles direkte, blant annet med Ficks prinsipp: oksygenopptaket (VO₂) deles på arteriovenøs oksygenforskjell, og gir dermed estimat for minuttvolum.

Blodprøver fra a. radialis og a. pulmonalis brukes for å måle oksygeninnhold før og etter passering gjennom vevene.

Anatomisk og hemodynamisk er pulmonalsirkulasjonen tilpasset lavt trykk og lav motstand.

Trykket i pulmonalarterien er omtrent 25/8 mmHg, med et middeltrykk rundt 15 mmHg. Dette er i sterk kontrast til det systemiske arterietrykket på 120/80 mmHg. Den lave trykkgradienten (ca. 10 mmHg) er likevel tilstrekkelig for å drive blodet gjennom lungene, på grunn av de tynne og ettergivende karene.

Denne lave trykkbelastningen er også viktig for å unngå væskelekkasje til alveolene. Dersom trykket i venstre atrium stiger over 12 mmHg, som ved venstresidig hjertesvikt, øker risikoen for lungeødem betraktelig.

Pulmonalsirkulasjonen er med andre ord både effektiv og energiøkonomisk – men også sårbar for trykkøkning, emboli og høyresidig svikt.

Pulmonalsirkulasjonen sammenlignet med systemisk sirkulasjon

Pulmonalsirkulasjonen er tilpasset helt andre krav enn den systemiske sirkulasjonen. Der systemkretsløpet skal levere blod mot høy motstand til hele kroppen, har lungene en helt annen oppgave: de skal muliggjøre rask og effektiv gassutveksling. Dette krever lavt trykk, tynne karvegger og lav motstand.

Lungekarene er derfor mye tynnere enn de systemiske. Den lave motstanden gjør at en trykkgradient på bare 10 mmHg (fra pulmonalarterie til venstre atrium) er nok til å drive blodet gjennom lungene. Dette tilsvarer et trykk på omtrent 25/8 mmHg, med et middeltrykk på ca. 15 mmHg i pulmonalarterien. Til sammenligning har systemiske arterier et gjennomsnittlig trykk på 100 mmHg.

Lavt trykk i lungekretsløpet har flere fordeler. Det reduserer belastningen på høyre ventrikkel, som har tynnere vegg enn venstre, og minsker risikoen for væskelekkasje fra kapillærene til alveolene. Dersom trykket i venstre atrium overstiger 12 mmHg, som ved venstresidig hjertesvikt, øker faren for pulmonalt ødem – væske i alveolene som kan hemme gassutveksling dramatisk.

Trykkforholdene i de ulike hjertekamrene og kretsløpene er også forklaringen på hvorfor venstre ventrikkel har en tykkere vegg enn høyre. Den systemiske sirkulasjonen krever langt høyere trykk (trykkforskjell: 100 – 3 = 97 mmHg) for å overvinne motstanden i kroppens kar, mens pulmonalsirkulasjonen nøyer seg med en lav trykkforskjell (15 – 5 = 10 mmHg) – tilstrekkelig takket være lungens ettergivende karsystem.

Regulering av vaskulær motstand i lungene

Pulmonalkarene har en unik evne til å tilpasse seg endringer i blodstrøm uten å øke trykket vesentlig. Dette gjør det mulig å mangedoble blodgjennomstrømningen under fysisk aktivitet uten å påføre høyre hjertehalvdel en stor trykkøkning.

Når cardiac output stiger, øker blodstrømmen i lungene gjennom to mekanismer:

1. Rekruttering – tidligere lukkede kapillærer åpnes, særlig i øvre lungefelt, og utvider det totale kapillærnettverket.
2. Distensjon – eksisterende kar utvider seg. Pulmonalkar er elastiske og øker diameteren ved økt trykk, noe som senker motstanden dramatisk.

Dette skiller seg fra systemisk sirkulasjon, der økt flow gjerne gir høyere motstand. I lungene gir økt flow derimot lavere motstand – en egenskap som bidrar til lavt pulmonalt trykk selv under trening.

Så når hjertet pumper mer blod – for eksempel under trening – øker blodstrømmen til lungene, men det pulmonale blodtrykket stiger likevel bare minimalt. Det skyldes disse to mekanismene som er unike for lungesirkulasjonen: rekruttering og distensjon.
Ved rekruttering åpnes tidligere ubrukte kapillærer, særlig i de øvre delene av lungene, og utvider det totale kapillærnettverket.
Samtidig vil distensjon gjøre at de eksisterende kapillærene og små blodkar utvider seg – fordi de er elastiske og gir etter for det økte trykket.
Dette øker diameteren på karene, noe som reduserer motstanden dramatisk.
Til sammen gjør disse to tilpasningene at lungesirkulasjonen kan håndtere økt blodflow uten vesentlig økning i trykk – i motsetning til systemisk sirkulasjon, der økt flow vanligvis fører til økt motstand og trykk.

Økt flow → økt motstand i systemisk sirkulasjon, med mindre det kompenseres ved vasodilatasjon.
Økt flow → redusert motstand i pulmonal sirkulasjon, på grunn av rekruttering og distensjon.

Økt pulmonalt trykk ved høydeopphold

Ved høye høyder – altså høye altituder – synker det atmosfæriske trykket, og dermed reduseres også partialtrykket av oksygen i luften vi puster inn.
Dette fører til lavere oksygentrykk i alveolene, og blodet som strømmer gjennom lungene får mindre oksygen å ta opp. Kroppen reagerer på dette med en fysiologisk mekanisme kalt hypoksisk vasokonstriksjon, der små pulmonalarterier trekker seg sammen i områder med lavt oksygentrykk.
Dette skjer for å omdirigere blodet til de mest oksygenerte delene av lungene, men ved høydeopphold er hele lungen relativt hypoksisk, og resultatet blir en generell vasokonstriksjon i lungekretsløpet.
Dette gir økt pulmonalt arterietrykk, noe som igjen kan føre til økt belastning på høyre hjertekammer og i noen tilfeller utvikling av høydelungeødem (HAPE).
Hos friske personer kan det pulmonale trykket nesten dobles under opphold i høyden, og det er en viktig årsak til symptomer på høydesyke og nedsatt fysisk yteevne.

Pulmonal vaskulær motstand (PVR)

Motstanden i lungekretsløpet kan beregnes med en modifisert versjon av Ohms lov:

Normalverdi er 1–3 Wood units. Ved sykdom vil forhøyet PVR peke mot vaskulær patologi, mens normalt PVR med høyt trykk ofte indikerer venstresidig hjertesvikt.

Alveolære og ekstra-alveolære kar

Lungekarsystemet deles i to hovedtyper:

• Alveolære kar (kapillærer) ligger i alveoleveggene og påvirkes direkte av alveoletrykket. Når alveolene strekkes, presses kapillærene sammen og motstanden øker.
• Ekstra-alveolære kar (arterier og vener) er forankret i lungevevet. Disse karene utvider seg ved inspirasjon – et fenomen kjent som barduneffekt – og får redusert motstand. Ved lave lungevolum kollapser disse karene lettere.

Regulering av pulmonal vaskulær tonus

Motstanden i lungekretsløpet er dynamisk og påvirkes av både lokale forhold i lungene og ulike signalstoffer. Denne reguleringen er viktig for å fordele blodstrømmen dit hvor gassutvekslingen er mest effektiv.

Vasokonstriktorer

Endothelin er et kraftig vasokonstriktorisk peptid som produseres av endotelcellene i karveggen. Det spiller en viktig rolle i utviklingen av pulmonal hypertensjon, da nivåene ofte er forhøyet ved sykdom og bidrar til økt karmotstand.

Hypoksisk vasokonstriksjon er en spesiell respons i lungene. Når oksygentrykket i alveolene faller under 9 kPa, trekker de omkringliggende blodårene seg sammen. Dette er kroppens måte å omdirigere blodet bort fra dårlig ventilerte områder og mot områder med bedre ventilasjon. Det er en nyttig, lokal refleks ved for eksempel slimpropp eller infeksjon, men ved kronisk hypoksi – som ved KOLS eller høydeopphold – kan denne mekanismen føre til vedvarende vasokonstriksjon og utvikling av pulmonal hypertensjon.

Sympatisk stimulering kan også føre til vasokonstriksjon via α-adrenerge reseptorer, men lungene har mindre sympatisk innervering enn resten av kroppen, og effekten er derfor mindre uttalt.

Vasodilatatorer

Nitrogenoksid (NO) er en av kroppens viktigste endogene vasodilatatorer. Det produseres av endotelceller, diffunderer inn i glatt muskulatur og aktiverer guanylat syklase. Dette øker nivået av cGMP, som fører til avslapning av muskulaturen og vasodilatasjon. Inhalert NO brukes blant annet i behandling av ARDS og pulmonal hypertensjon hos nyfødte.

Fosfodiesterasehemmere, som sildenafil, hindrer nedbrytningen av cGMP. Det forsterker NO-effekten og gir kraftig vasodilatasjon, spesielt i lungene som har høyt innhold av enzymet PDE5.

Prostacyklin (PGI₂) er et naturlig prostanoid som virker via økt cAMP i glatt muskulatur og gir både vasodilatasjon og hemming av blodplateaktivering. Syntetiske former, som epoprostenol, brukes ved alvorlig pulmonal hypertensjon.

Kalsiumkanalblokkere som nifedipin og diltiazem reduserer kalsiuminnstrømning i glatt muskulatur og forhindrer kontraksjon. De brukes hos utvalgte pasienter med pulmonal hypertensjon som viser vasoreaktivitet ved testing.

Adenosin virker via A2-reseptorer og brukes diagnostisk for å teste vasoreaktivitet hos pasienter med pulmonal hypertensjon.

Gravitasjonsbestemt perfusjon

Lungene er vertikalt orienterte organer, og perfusjonen – altså blodstrømmen – påvirkes sterkt av tyngdekraften.

Når vi står oppreist, strømmer mer blod til basis av lungene enn til apex. Det skyldes en trykkgradient i det pulmonale kretsløpet, der blodtrykket øker med omtrent 0,77 mmHg for hver centimeter man beveger seg nedover i lungene.

Med en lungehøyde på cirka 30 cm, kan forskjellen mellom topp og bunn bli så mye som 23 mmHg – nesten hele middeltrykket i lungearterien! Resultatet er at basis mottar 3–4 ganger mer blod enn apex i oppreist stilling.

I liggende stilling flates denne gradienten ut, og forskjellen i perfusjon mellom forside og bakside av lungene blir langt mindre.

Denne gravitasjonseffekten er viktig for å forstå hvorfor visse sykdommer (som pneumoni eller lungeemboli) kan påvirke forskjellige lungeområder ulikt – og hvorfor kroppsstilling ofte har klinisk betydning ved lungesykdom.

Shunt og hypoksemi

I en normal lunge går alt blodet fra høyre hjertehalvdel gjennom kapillærer som omgir alveolene, hvor det plukkes opp oksygen før det returnerer til venstre hjertehalvdel.

I noen tilfeller kan imidlertid blod passere gjennom lungene – eller til og med utenom lungene – uten å delta i gassutveksling.

Dette fenomenet kalles en shunt, og det innebærer at oksygenfattig blod blander seg med det oksygenerte blodet i systemkretsløpet. Konsekvensen er redusert oksygenmetning og lavere PaO₂ – altså hypoksemi.

En shunt utgjør en av de viktigste årsakene til hypoksemi og er samtidig en av de mest utfordrende å behandle. Det unike med shuntindusert hypoksemi er at den ikke lar seg korrigere tilfredsstillende med oksygentilførsel, selv ved 100 % oksygen. Årsaken er enkel: oksygenet når aldri frem til de områdene der shunten skjer, fordi disse områdene mangler ventilasjon helt. Dermed kan ikke blodet mettes med oksygen, uansett hvor mye som tilbys.

Selv en relativt liten shunt – for eksempel 10 % av hjertets minuttvolum – kan føre til betydelig fall i arterielt oksygentrykk. Jo større andel av blodet som går forbi ventilasjonen, desto lavere blir oksygeneringen, og desto mer motstandsdyktig er hypoksemien mot behandling.

Shunter kan være fysiologiske, som en naturlig del av kroppens anatomi, eller patologiske, som følge av sykdom.

Fysiologiske shunter

Noe venøst blod finner alltid veien til det arterielle kretsløpet uten å passere ventilerte alveoler. Dette gjelder blant annet bronkialvenene, som drenerer blod fra luftveisvev og tømmes direkte i pulmonalvenene. Også thebesiske vener, små kar i myokardets vegg, tømmer seg rett i venstre hjertehalvdel. Disse normale anatomiavvikene kalles fysiologiske shunter og utgjør vanligvis 1–2 % av hjertets minuttvolum.

Intrapulmonale shunter

I sykdomstilstander som atelektase, ARDS, lungekollaps eller ved større pneumonier, kan enkelte lungeområder være perfundert, men ikke ventilert. Blodet som passerer gjennom disse områdene mottar ikke oksygen og bidrar dermed ikke til gassutveksling. Dette er funksjonelle shunter som dramatisk kan redusere oksygeninnholdet i arterielt blod, særlig ved omfattende lungeaffeksjon.

Kardiale shunter

Noen medfødte hjertefeil fører til at blod passerer fra høyre til venstre hjertehalvdel uten å gå via lungene. Ved slike høyre-til-venstre-shunter, som ASD (atrialt septumdefekt), VSD (ventrikulært septumdefekt) eller PDA (persisterende ductus arteriosus), blir blodet aldri eksponert for alveolært oksygen i det hele tatt. Disse tilstandene gir ofte uttalt hypoksemi og kan være livstruende uten kirurgisk korreksjon.

Respirasjonssvikt og hypoksemi

Respirasjonssvikt oppstår når lungene ikke lenger klarer å opprettholde normal gassutveksling – det vil si tilstrekkelig opptak av oksygen og/eller utskillelse av karbondioksid. Et sentralt kjennetegn er hypoksemi, altså for lavt oksygentrykk i arterielt blod (PaO₂ ≤ 8,0 kPa), men vi skiller mellom to hovedtyper av respirasjonssvikt, avhengig av om også CO₂-verdiene er påvirket.

Type 1 respirasjonssvikt – oksygenmangel uten CO₂-retensjon

Dette er den vanligste formen, og her ser vi isolert hypoksemi. Pasienten har lavt arterielt oksygentrykk (PaO₂ ≤ 8,0 kPa), men karbondioksidtrykket (PaCO₂) er normalt eller lavt. Dette skyldes som regel at CO₂ diffunderer så lett at det fortsatt ventileres ut, mens oksygen – som har dårligere diffusjonsegenskaper – ikke tas godt nok opp. Årsakene til type 1 inkluderer:

• V/Q-mismatch, der noen alveoler er godt ventilert, men dårlig perfundert (eller omvendt), slik at det totale oksygenopptaket reduseres.
• Diffusjonshemming, som ved lungefibrose eller lungeødem, der den alveolokapillære membranen er fortykket og oksygengass ikke diffunderer raskt nok.
• Shunt, der blod går fra høyre til venstre side av hjertet uten å passere ventilerte alveoler, som for eksempel ved atelektaser eller visse medfødte hjertefeil.
• Lavt oksygeninnhold i inspirasjonsluften

Pasienter med type 1 respirasjonssvikt kan virke forbausende upåvirket i hvile, men blir ofte raskt andpustne ved aktivitet. Behandlingen retter seg mot underliggende årsak og oksygenbehandling.

Type 2 respirasjonssvikt – oksygenmangel med CO₂-opphopning

I denne formen er det ikke bare hypoksemi, men også hyperkapni – altså for mye CO₂ i blodet (PaCO₂ ≥ 6,0 kPa). Dette tyder på at ventilasjonen er utilstrekkelig – det vil si at lungene ikke blåser ut nok luft, og dermed ikke kvitter seg med CO₂ i tilstrekkelig grad.

Karbondioksid diffunderer vanligvis svært lett, så når det likevel hoper seg opp, er det nesten alltid fordi pasienten hypoventilerer. Det kan skyldes:

• Alvorlig KOLS eller astmaforverring, der luftveismotstanden er så høy at pasienten rett og slett ikke klarer å puste nok ut.
• Nedsatt respirasjonsdrive i hjernestammen (f.eks. ved overdose av dempende medisiner)
• Muskelsvakhet i respirasjonsmuskulaturen, som ved nevromuskulære sykdommer
• Thoraxdeformiteter eller alvorlig fedme som fysisk hindrer brystkassens bevegelighet

Symptomer på CO₂-opphopning inkluderer hodepine, sløvhet, forvirring og sur pust (respiratorisk acidose). Ved alvorlig hyperkapni kan pasienten bli bevisstløs. Behandlingen krever ofte non-invasiv ventilasjonsstøtte (f.eks. BiPAP) for å øke alveolær ventilasjon, og oksygentilførsel må gis med forsiktighet for å unngå å undertrykke pasientens eget pustedriv.

Type 1 respirasjonssvikt handler primært om problemer med gassutvekslingen mellom alveolene og blodet. Oksygen kommer ikke godt nok over i blodet – på grunn av V/Q-mismatch, diffusjonsbarrierer eller shunt – men ventilasjonen kan fortsatt være intakt, så CO₂ skilles fortsatt godt ut.

Type 2 respirasjonssvikt handler om nedsatt ventilasjon – altså at pasienten ikke puster godt nok ut. Dermed hoper CO₂ seg opp, og det blir også for lite oksygen tilført.

En god huskeregel:

🫁 Type 1 = Lungen klarer ikke få nok oksygen inn i blodet
🧠 Type 2 = Kroppen klarer ikke blåse ut nok CO₂