Gasutbyte och diffusion

Pulmonellt gasutbyte bestäms av partialtrycksgradienter, alveol–kapillärbarriärens diffusionsförmåga och blodflödet genom lungkapillärerna. Om utbytet är diffusions- eller perfusionsbegränsat avgör vilket steg som begränsar gasflödet och har direkt betydelse för tolkning av hypoxemi, DLCO och svar på syrgasbehandling.

Grundbegrepp och avgränsning

Gasutbyte är passiv nettotransport av gasmolekyler längs partialtrycksgradienter. I lungan diffunderar O₂ från alveolargas till pulmonellt kapillärblod, medan CO₂ rör sig i motsatt riktning. I systemkretsloppets vävnader är riktningarna omvända: O₂ lämnar blodet och diffunderar mot cellerna, medan metaboliskt bildad CO₂ transporteras från vävnad till blod. Diffusionen kräver ingen direkt energitillförsel; nettotransporten uppstår genom molekylernas slumpmässiga termiska rörelse och skillnaden i partialtryck mellan två kompartment.

Diffusion ska skiljas från konvektion, det vill säga transport genom bulkflöde. Ventilation för luft till och från alveolerna, och cirkulationen transporterar gaser mellan lungor och perifera vävnader. Dessa processer upprätthåller partialtrycksgradienterna, men de är inte själva membranpassagen. Otillräcklig alveolär ventilation kan därför ge hypoxemi trots en strukturellt normal blod–gasbarriär, medan reducerad hjärtminutvolym kan försämra vävnadernas syrgasleverans trots normalt pulmonellt gasutbyte.

Ficks diffusionslag ska inte heller förväxlas med Ficks princip för cirkulatoriska beräkningar. Ficks diffusionslag beskriver gasflöde över en barriär som funktion av yta, tjocklek, diffusionskoefficient och tryckgradient. Ficks princip relaterar i stället kroppens syrgasförbrukning till hjärtminutvolym och arteriovenös skillnad i syrgasinnehåll: (\dot V_{O_2}=Q(C_{aO_2}-C_{vO_2})). Den senare kan användas för att beräkna hjärtminutvolym men beskriver inte hastigheten genom alveol–kapillärmembranet.

Partialtryck, gaslöslighet och drivande gradienter

Enligt Daltons lag är totaltrycket i en gasblandning summan av de enskilda gasernas partialtryck. För en gas med fraktionen (F_x) gäller approximativt (P_x=F_x \times P_B), där (P_B) är barometertrycket. Vid havsnivå är (P_B) cirka 760 mmHg. Eftersom torr luft innehåller omkring 21 % O₂ blir torrt inspirerat (P_{O_2}) ungefär (0,21 \times 760), det vill säga cirka 160 mmHg.

I luftvägarna mättas gasen med vattenånga. Vid 37 °C är vattenångans partialtryck 47 mmHg, vilket lämnar (760-47=713) mmHg för övriga gaser. Humidifierat inspirerat syrgastryck blir därför ungefär (0,21 \times 713), cirka 150 mmHg. I alveolerna sjunker (P_{O_2}) ytterligare genom fortlöpande O₂-upptag och tillförsel av CO₂ från blodet.

Gas måste lösas i alveolens vätskefilm och därefter i biologisk vävnad och plasma innan den kan passera barriären. Henrys lag anger att koncentrationen av löst gas vid jämvikt är proportionell mot gasens partialtryck: (C=\alpha P), där (\alpha) är löslighetskoefficienten. Partialtrycket bestäms av den fysiskt lösta gasen, inte av den totala mängd som dessutom är kemiskt bunden till exempelvis hemoglobin.

CO₂ har betydligt högre löslighet i vattenhaltig vävnad än O₂. Därför räcker en pulmonell PCO₂-gradient på omkring 6 mmHg, från blandvenöst blod kring 46 mmHg till alveolargas kring 40 mmHg, för ett stort CO₂-flöde. O₂ har lägre löslighet och behöver normalt en betydligt större initial gradient, från alveolärt PO₂ kring 100–105 mmHg till blandvenöst PO₂ kring 40 mmHg.

Ficks diffusionslag

För en tunn, homogen barriär kan gasflödet beskrivas som:

[ \dot V_{\text{gas}}=\frac{A}{T}\times D\times \Delta P ]

Här är (A) den tillgängliga utbytesytan, (T) barriärens tjocklek, (D) gasens diffusionskoefficient i vävnaden och (\Delta P) skillnaden i partialtryck över barriären. Sambandet innebär att gasflödet ökar linjärt med yta, diffusionskoefficient och tryckgradient men minskar när diffusionsvägen blir längre.

För biologisk vävnad är (D) proportionell mot gasens löslighet och omvänt proportionell mot kvadratroten ur molekylvikten:

[ D \propto \frac{\text{löslighet}}{\sqrt{\text{molekylvikt}}} ]

CO₂ har högre molekylvikt än O₂, vilket isolerat skulle bromsa diffusionen. Den mycket större lösligheten dominerar emellertid, så CO₂ passerar vattenhaltig biologisk vävnad ungefär 20 gånger lättare än O₂. Kliniskt påverkas O₂-utbytet därför vanligen tidigare än CO₂-eliminationen vid förtjockad eller reducerad utbytesbarriär.

Ficks lag kan tillämpas direkt på flera lungsjukdomar:

• Emfysem: destruktion av alveolarsepta reducerar (A). Samtidigt försvinner kapillärbädd, vilket sänker diffusionskapaciteten och kan öka fysiologiskt dead space.
• Lungresektion: den totala alveolära och kapillära ytan minskar. Kvarvarande lunga kan delvis kompensera genom rekrytering och distension av kapillärer.
• Interstitiell lungfibros: deposition av bindväv och remodellering ökar (T). Effekten framträder ofta tydligast under arbete, när transittiden förkortas.
• Alveolärt ödem: vätska i interstitium och alveoler förlänger den effektiva diffusionsvägen. Samtidig låg V/Q eller shunt bidrar ofta mer till hypoxemin än ren diffusionbegränsning.
• Ökad inspirerad syrgashalt: högre FiO₂ höjer alveolärt PO₂ och därmed (\Delta P), vilket ökar O₂-flödet över kvarvarande fungerande yta.

Lagen beskriver en idealiserad barriär. Den verkliga lungan innehåller parallella utbytesenheter med olika ventilation, perfusion, barriärtjocklek och kapillär blodvolym. Ett uppmätt globalt gasutbyte är därför summan av många regionalt olika processer.

Alveol–kapillärbarriärens struktur

Alveolerna är vanligen omkring 200–300 µm i diameter. Deras stora antal och täta veckning ger en total anatomisk utbytesyta på ungefär 50–100 m² hos vuxna. Den funktionellt tillgängliga ytan varierar med lungvolym, kroppsläge, perfusion och fysisk aktivitet; all anatomisk yta används inte likformigt i vila.

Diffusionsvägen från alveolargas till hemoglobin omfattar flera skikt:

I den tunna delen av blod–gasbarriären är avståndet ungefär 0,2–0,6 µm. Där ligger epitel och endotel tätt, med minimalt interstitium. I den tjockare delen av alveolarseptat finns mer interstitium, bindväv och cellstrukturer, och den effektiva diffusionsvägen är längre. Erytrocytens läge i kapillären påverkar dessutom avståndet genom plasmaskiktet.

Regional heterogenitet är fysiologisk. Gravitation, lungvolym och lokala tryckförhållanden påverkar både alveolernas storlek och kapillärernas fyllnad. Vid ödem eller inflammation kan barriären förtjockas fläckvis, medan andra enheter fortfarande fungerar normalt. Ett normalt medelvärde utesluter därför inte regionalt uttalad gasutbytesstörning.

Alveolär ventilation och alveolargas

En normal tidalvolym i vila är ungefär 500 mL, men cirka 150 mL stannar i anatomiskt dead space och når inte gasutbytande alveoler. Den alveolära ventilationen beräknas som:

[ \dot V_A=(V_T-V_D)\times f ]

där (V_T) är tidalvolym, (V_D) dead space och (f) andningsfrekvens. Vid exempelvis ytlig, snabb andning kan minutventilationen vara relativt hög men alveolär ventilation låg, eftersom en stor andel av varje andetag endast ventilerar dead space.

Efter normal utandning finns omkring 2,5–3 L gas kvar som funktionell residualkapacitet, FRC. De ungefär 350 mL färsk gas som når alveolerna per andetag blandas med denna större reservoar. FRC dämpar därför variationen i alveolärt PO₂ och PCO₂ mellan andetagen och upprätthåller gasutbyte även under den del av andningscykeln då inget inspiratoriskt flöde förekommer.

Alveolärt PO₂ kan på rumsluft uppskattas med den alveolära gasekvationen:

[ P_{AO_2}\approx F_{IO_2}(P_B-P_{H_2O})-\frac{P_{aCO_2}}{R} ]

Vid 37 °C används (P_{H_2O}=47) mmHg och respiratorisk kvot (R) antas vanligen vara 0,8. Vid havsnivå och PaCO₂ 40 mmHg blir beräkningen ungefär (0,21 \times 713-40/0,8), vilket ger ett PAO₂ nära 100 mmHg.

Ekvationen är en klinisk approximation. Noggrannheten minskar vid hög FiO₂, extrem respiratorisk kvot eller instabila förhållanden. Barometertrycket måste anpassas vid hög höjd eller tryckkammarbehandling, och FiO₂ kan vara osäker vid okontrollerad syrgastillförsel. PaCO₂ används som approximation av alveolärt PCO₂, vilket kan vara problematiskt vid omfattande dead space och uttalad V/Q-heterogenitet.

Kapillär transittid och ekvilibrering

Blod som når lungkapillären har typiskt blandvenöst PO₂ omkring 40 mmHg och PCO₂ omkring 46 mmHg. När blodet exponeras för alveolargas diffunderar O₂ in och CO₂ ut. Kapillärt PO₂ stiger successivt mot alveolärt PO₂ omkring 100–105 mmHg, medan kapillärt PCO₂ sjunker mot cirka 40 mmHg.

I vila är den pulmonella kapillära transittiden ungefär 0,75 sekunder. Hos en frisk person är O₂-ekvilibreringen normalt i stort sett avslutad inom cirka 0,25 sekunder. Den återstående tiden utgör en diffusionsreserv, vilket gör att fullständig ekvilibrering vanligtvis bibehålls trots måttliga förändringar i blodflöde eller barriär.

Vid hårt arbete kan transittiden sjunka mot 0,25 sekunder genom ökat hjärtminutflöde. Samtidigt rekryteras tidigare sparsamt perfunderade kapillärer och redan öppna kärl distenderas. Detta ökar både den perfunderade utbytesytan och den pulmonella kapillära blodvolymen, vilket höjer lungans diffusionskapacitet.

Vid fibros, ödem eller minskad alveolär yta tar ekvilibreringen längre tid. Patienten kan därför ha acceptabel PaO₂ i vila men desaturera vid belastning, när blodets kontakttid med alveolargas förkortas. Hög höjd förstärker problemet genom att sänka alveolärt PO₂ och därmed den drivande gradienten.

Perfusionsbegränsat gasutbyte

Ett gasutbyte är perfusionsbegränsat när gasens partialtryck i kapillärblodet snabbt når jämvikt med alveolargas. Därefter finns ingen kvarvarande gradient som kan driva fortsatt nettodiffusion i samma blodvolym. Ytterligare upptag kräver att nytt blod med lägre kapillärt partialtryck tillförs.

Lustgas, N₂O, är det klassiska exemplet. Gasen passerar lätt blod–gasbarriären men binds inte i någon betydande omfattning till hemoglobin. Det lösta kapillära partialtrycket stiger därför snabbt till alveolär nivå. När jämvikt uppnåtts bestäms det fortsatta upptaget främst av pulmonellt blodflöde.

O₂ är vanligen perfusionsbegränsat i friska lungor vid havsnivå. Hemoglobinbindningen fördröjer visserligen ökningen av löst PO₂ genom att O₂ tas upp av hemoglobin, men jämvikt nås normalt långt innan blodet lämnar kapillären. Ett ökat hjärtminutflöde kan då öka det totala O₂-upptaget genom att mer blod passerar per tidsenhet, trots kortare transittid.

Att utbytet kallas perfusionsbegränsat innebär inte att diffusionen är oviktig. Barriären måste fortfarande ha tillräcklig yta och genomsläpplighet för snabb ekvilibrering. Benämningen anger endast vilket steg som under aktuella förhållanden är hastighetsbestämmande.

Diffusionsbegränsat gasutbyte

Vid diffusionsbegränsning kvarstår en partialtrycksgradient mellan alveol och kapillär när blodet lämnar utbytesenheten. Kapillärblodet har alltså inte hunnit nå jämvikt med alveolargasen. Om blodflödet ökar utan att diffusionskapaciteten samtidigt förbättras förkortas transittiden ytterligare och utbytet normaliseras inte nödvändigtvis.

Kolmonoxid, CO, är prototypen. CO diffunderar in i blodet och binder med mycket hög affinitet till hemoglobin. Därmed förblir koncentrationen av fysiskt löst CO, och följaktligen kapillärt PCO, nära noll under större delen av kapillärpassagen. En stor alveol–kapillär gradient bevaras, och upptaget begränsas av membranpassagen samt reaktionen med erytrocyt och hemoglobin.

O₂ kan bli diffusionbegränsat vid:

• interstitiell fibros eller alveolärt ödem, som ökar barriärtjockleken,
• emfysem eller lungresektion, som minskar utbytesytan,
• mycket högt hjärtminutflöde, som förkortar transittiden,
• hög höjd, som sänker alveolärt PO₂,
• kombinationer av nedsatt diffusionskapacitet och fysisk belastning.

Högre FiO₂ ökar PAO₂ och därmed (\Delta P), vilket vanligen förbättrar O₂-flödet. Syrgas kan emellertid inte återskapa förlorade alveolarsepta eller normalisera en kraftigt förtjockad barriär. Behandlingen kan därför korrigera hypoxemin utan att den bakomliggande diffusionsstörningen försvinner.

Skillnader mellan O₂, CO₂, CO och lustgas

Gasernas beteende bestäms av löslighet, membranegenskaper, kemisk bindning i blodet och hur snabbt det lösta kapillära partialtrycket stiger. Hemoglobinbindning ökar blodets totala gasinnehåll utan en proportionell ökning av den lösta fraktionen. Därmed kan en diffusionsgradient upprätthållas trots att stora mängder gas redan tagits upp.

CO₂ passerar biologisk vävnad ungefär 20 gånger lättare än O₂. Isolerad förtjockning av barriären ger därför i första hand försämrad oxygenation. Hyperkapni vid lungsjukdom talar oftare för otillräcklig alveolär ventilation, stort dead space, uttröttning eller mycket avancerad och utbredd lungskada än för en ren CO₂-diffusionsstörning.

För O₂ är det viktigt att skilja partialtryck från innehåll. PaO₂ avspeglar den lösta syrgasen och driver diffusionen, medan arteriellt O₂-innehåll till största delen bestäms av hemoglobinkoncentration och saturation. En patient med anemi kan således ha normalt PaO₂ och normal saturation men reducerat O₂-innehåll och nedsatt syrgasleverans.

Lungans diffusionskapacitet och DLCO

Diffusionskapacitet definieras som gasflöde dividerat med den genomsnittliga partialtrycksgradienten:

[ D_L=\frac{\dot V_{\text{gas}}}{\Delta P} ]

I klinisk diagnostik används vanligen kolmonoxid och resultatet anges som DLCO, lungans diffusionskapacitet för CO. CO är lämpligt eftersom kapillärt PCO förblir mycket lågt till följd av stark hemoglobinbindning. Den alveolära partialtrycksgradienten kan därför uppskattas utan direkt provtagning från lungkapillären.

Vid single-breath-DLCO andas patienten in en gasblandning med låg CO-koncentration och en inert spårgas. Efter en snabb, nära maximal inspiration hålls andan vanligen i cirka 10 sekunder. Vid utandning kasseras först gasen från anatomiskt dead space, varefter ett alveolärt prov analyseras. Minskningen av CO i förhållande till spårgasen används för att beräkna upptaget och alveolär volym.

Ett typiskt värde hos en vuxen är omkring 20–30 mL/min/mmHg, men värdet varierar betydligt med ålder, kön, längd, hemoglobinkoncentration och population. Tolkningen ska därför baseras på validerat referensvärde, procent av förväntat värde eller z-poäng samt metodens nedre normalgräns, inte på ett enda universellt gränsvärde.

DLCO bestäms både av membranets egenskaper och av blodets förmåga att ta upp CO. Detta uttrycks med Roughton–Forster-relationen:

[ \frac{1}{DLCO}=\frac{1}{D_{MCO}}+\frac{1}{\theta_{CO}\times V_c} ]

(D_{MCO}) är membranets diffusionskapacitet, (\theta_{CO}) reaktionshastigheten mellan CO och hemoglobin per blodvolym och partialtryck, och (V_c) pulmonell kapillär blodvolym. Sänkt DLCO kan således bero på skadad barriär, minskad kapillärbädd, lågt hemoglobin eller en kombination.

Tolkning av DLCO, VA och KCO

DLCO måste tolkas tillsammans med spirometri, lungvolymer, hemoglobin och klinisk kontext. Samma numeriska reduktion kan uppstå genom destruktion av alveolarsepta, interstitiell förtjockning, minskad pulmonell kärlbädd eller minskad mängd tillgängligt hemoglobin.

Den alveolära volymen (V_A) uppskattas genom spårgasens utspädning. Transferkoefficienten definieras som (KCO=DLCO/V_A). KCO beskriver CO-upptag per uppmätt ventilerad lungvolym, men är inte en enkel korrigering som gör DLCO oberoende av lungstorlek. När lungvolymen minskar kan KCO stiga eftersom kapillär blodvolym och gasutbytesyta inte minskar proportionellt.

Vid ojämn ventilation når testgasen inte alla alveoler. Uppmätt VA kan då underskatta den anatomiska lungvolymen, samtidigt som DLCO huvudsakligen representerar de bäst ventilerade enheterna. Ett till synes normalt eller högt KCO utesluter därför inte betydande parenkymal eller vaskulär sjukdom. VA bör jämföras med lungvolymer uppmätta med annan metod och med kvaliteten på inspirationsmanövern.

Hemoglobinkoncentration och barometertryck ska beaktas. Rökning och förhöjt karboxihemoglobin minskar tillgängliga bindningsställen och höjer det initiala CO-innehållet, vilket kan ge missvisande resultat. Andra felkällor är otillräcklig inspiration, läckage, felaktig andhållningstid, provtagning innan dead space eliminerats samt tryckmanövrer: Valsalva kan minska venöst återflöde och kapillär blodvolym, medan Müller-manöver kan öka dem.

Diffusion i relation till V/Q-mismatch, shunt och dead space

Diffusionbegränsning är bara en av flera mekanismer bakom hypoxemi. Vid lungsjukdom är låg ventilation–perfusionskvot, låg V/Q, vanligare än isolerad diffusionbegränsning. En dåligt ventilerad men fortsatt perfunderad enhet lämnar blod med lågt O₂-innehåll; när detta blandas med blod från bättre ventilerade enheter sjunker arteriellt PaO₂.

V/Q varierar även normalt med gravitationen. I upprätt läge ökar både ventilation och perfusion mot lungbaserna, men perfusionen ökar mer, vilket ger lägre V/Q basalt. Apikalt är både ventilation och perfusion lägre, men perfusionen minskar mest, vilket ger högre V/Q. Det arteriella blodet representerar en flödesviktad blandning från samtliga regioner.

Vid shunt passerar blod från höger till vänster utan kontakt med ventilerade alveoler. Detta kan vara anatomiskt eller bero på perfunderade men helt oventilerade alveoler, exempelvis vid konsolidering eller atelektas. Vid dead space är situationen den omvända: alveolen ventileras men saknar effektiv perfusion, såsom vid lungemboli.

Hypoxisk pulmonell vasokonstriktion reducerar blodflödet till hypoventilerade områden och omfördelar perfusion till bättre ventilerade enheter. Mekanismen förbättrar regional V/Q-matchning men kan vid generaliserad alveolär hypoxi bidra till pulmonell hypertension. Syrgas korrigerar vanligen låg V/Q och diffusionbegränsning bättre än en stor shunt, eftersom shuntblodet inte exponeras för den höjda alveolära syrgashalten.

Klinisk bedömning av nedsatt gasutbyte

Arteriell blodgas ger PaO₂, PaCO₂ och syra–basstatus. Pulsoximetri ger kontinuerlig uppskattning av hemoglobinsaturation men mäter varken PaCO₂ eller hemoglobinkoncentration och kan inte ensam bedöma O₂-innehållet. Saturationen påverkas dessutom av oxyhemoglobindissociationskurvans form; en relativt liten sänkning av PaO₂ kan ge snabb desaturation när patienten befinner sig på kurvans branta del.

Den alveol–arteriella O₂-gradienten beräknas som:

[ A!-!a\text{-gradient}=P_{AO_2}-P_{aO_2} ]

PAO₂ uppskattas med alveolära gasekvationen. Gradientens normalvärde är lågt hos unga men ökar med ålder genom större V/Q-heterogenitet. På rumsluft kan en grov övre referens uppskattas som ålder/4 + 4 mmHg. Formeln är approximativ och måste relateras till FiO₂, kroppsläge och lokalt referensintervall.

Diffusionbegränsning, låg V/Q och shunt breddar A–a-gradienten. Ren alveolär hypoventilation sänker däremot både alveolärt och arteriellt PO₂ i ungefär motsvarande grad och ger därför normal eller nära normal A–a-gradient, samtidigt som PaCO₂ stiger. På hög höjd kan PaO₂ vara lågt på grund av reducerat inspirerat PO₂ utan primär lungsjukdom; A–a-gradienten kan då vara normal.

Diffusionsstörning framträder ofta under arbete. Ökat hjärtminutflöde förkortar transittiden, samtidigt som metabol O₂-förbrukning ökar och blandvenöst PO₂ sjunker. Arbetsprov med pulsoximetri, sex minuters gångtest eller kardiopulmonellt arbetsprov kan därför påvisa desaturation som inte ses i vila. Belastningsutlöst hypoxemi är dock inte specifik och kan även orsakas av V/Q-mismatch, pulmonell kärlsjukdom eller cirkulatorisk begränsning.

En systematisk bedömning kan genomföras i följande ordning:

1. Fastställ förutsättningarna: dokumentera FiO₂ eller syrgasflöde, barometertryck eller höjd, kroppsläge, temperatur och om provet togs i vila eller under belastning.
2. Bedöm ventilationen: tolka PaCO₂ och pH. Hyperkapni talar för otillräcklig alveolär ventilation i förhållande till CO₂-produktionen.
3. Bedöm oxygenationen: analysera PaO₂ och saturation samt beakta hemoglobinkoncentration och möjlig dyshemoglobinemi.
4. Beräkna PAO₂ och A–a-gradient: skilj låg inspirerad syrgastension eller hypoventilation från intrapulmonell gasutbytesstörning.
5. Bedöm syrgassvaret: tydlig förbättring talar för låg V/Q eller diffusionbegränsning; svagt svar trots hög FiO₂ väcker misstanke om stor shunt.
6. Integrera lungfunktion: obstruktion, restriktion, lungvolymer, DLCO, VA och KCO hjälper till att skilja emfysem, interstitiell sjukdom, pulmonell kärlsjukdom och extrapulmonell restriktion.
7. Komplettera morfologiskt och funktionellt: lungröntgen eller datortomografi kan visa emfysem, fibros, ödem, atelektas eller konsolidering; ekokardiografi och kärldiagnostik kan behövas vid misstänkt pulmonell hypertension eller emboli.
8. Pröva belastning när vilodata är otillräckliga: dokumentera desaturation, ventilatorisk respons och symtomutveckling.

Slutligen måste laboratorievärden kopplas till kliniken. Dyspné kan förekomma utan hypoxemi och hypoxemi kan vara relativt symtomfattig, särskilt vid långsam utveckling. Ålder, hög höjd, fetma, neuromuskulär sjukdom, kroppsläge, anemi, rökning och fysisk belastning kan alla förändra tolkningen utan att den alveol–kapillära barriären i sig är den enda eller viktigaste begränsningen.

Källor

• Gas exchange
• Category:Gas exchange
• Gas exchange
• Bild: File:Gas exchange in the aveolus.svg — domdomegg, CC BY 4.0