呼吸
本章导读:
呼吸是重要的生命体征，机体在代谢过程中必须不断地与外界环境进行O2和CO2的交换。那么，Ｏ２是如何到达组织细胞，而组织细胞内的CO2又是如何排出体外的？实际上呼吸的全过程很复杂，包括外呼吸（肺通气与肺换气）、气体在血液中的运输和内呼吸。
肺通气是指外界环境与肺泡之间的气体交换。呼吸肌的节律性收缩与舒张引起胸廓扩大或缩小，肺随之扩大或缩小，肺内压低于或高于大气压，产生吸气或呼气。因此，肺通气的原动力是呼吸运动，直接动力是肺内压与大气压的压力差。在肺通气的过程中，胸内压起着重要作用。胸内压是指胸膜腔内的压力，由作用于肺泡壁（脏层胸膜）的肺内压与肺的回缩力构成，胸内压＝肺内压－肺的回缩力。胸内压一般为负值，其生理意义是维持肺的扩张和促进静脉血与淋巴液的回流。
肺通气的动力必须克服阻力通气才能进行。肺通气阻力有弹性阻力和非弹性阻力。肺的弹性阻力包括肺泡表面张力和肺的弹性纤维回缩力，其中以肺泡表面张力为主。反映肺弹性阻力大小的常用指标是肺顺应性，两者呈反变关系。肺泡II型上皮细胞可合成和释放肺表面活性物质。肺表面活性物质的作用有：降低肺泡表面张力、减少吸气阻力，维持大小肺泡容量的稳定，防止肺不张，避免肺水肿。非弹性阻力包括气道阻力、粘滞阻力与惯性阻力，其中最主要的是气道阻力。多种因素可使气道口径变小、气道阻力增大而诱发哮喘。
如何评价肺的通气功能？目前采用的指标中反映肺通气功能较好的指标是时间肺活量，反映肺通气效率的较好指标是肺泡通气量。根据肺通气功能指标，可鉴别阻塞性和限制性通气功能障碍。
肺泡气与肺毛细血管血液之间的气体交换称为肺换气，气体交换速率与气体的分压差、温度、溶解度、肺泡膜的面积成正比；与肺泡膜的厚度及气体分子量的平方根成反变。此外，通气还必须与肺血流相匹配。
气体在体内必须经过血液运输才能与组织细胞实现交换。气体在血液中以物理溶解和化学结合两种形式运输。物理溶解是O2和CO2出入血液的必经形式，化学结合是O2和CO2的主要运输形式，O2和CO2运输的主要形式分别为氧合血红蛋白和碳酸氢盐。
呼吸运动是自动的节律性运动但在一定程度上受意识调控。那么，这种自动的节律性的呼吸运动产生于何处？受哪些因素的调节？研究表明，呼吸中枢分布于大脑皮层到脊髓的各级中枢，最基本的呼吸中枢在延髓，其节律起搏点是pre-B?tzinger complex。而正常呼吸节律的形成有赖于延髓与脑桥的共同配合。呼吸运动受机械性和化学感受性反射的调节，前者以肺牵张反射为主。化学感受性反射的感受器分为外周（颈动脉体和主动脉体）和中枢化学感受器（延髓腹外侧浅表部位），血中Pco2和H＋浓度升高及Po2降低时可兴奋外周化学感受器；CO2可进入脑脊液生成H2CO3，后者再离解出H＋兴奋中枢化学感受器，血中H＋亦可少量进入脑脊液，兴奋呼吸中枢，呼吸加深加快，维持体内正常的Pco2、Po2和H＋浓度。
呼吸是指机体与外界环境之间的气体交换过程。机体必须通过营养物质氧化产生能量以供给自身活动与维持体温。因此，机体需要从大气中摄取Ｏ2并排出所产生的CO2。由于体内贮存的氧量很少，成年人约为1 500ml，而维持基础代谢所需的Ｏ2约250ml/min，仅能维持机体代谢数分钟。可见呼吸必须不断进行，是重要的生命体征。
在呼吸过程中，Ｏ2是如何到达组织细胞，而组织细胞内的CO2又是如何排出体外的？实际上呼吸的全过程包括三个相互衔接并且同时进行的过程（图5-1），即外呼吸或肺呼吸包括肺通气（肺与外界空气之间的气体交换过程）和肺换气（肺泡与肺毛细血管之间的气体交换过程）；气体在血液中的运输；内呼吸（组织细胞与组织毛细血管之间的气体交换以及组织细胞内的氧化代谢）。
第一节 呼吸道和肺的结构与功能
(Functions and anatomy of airway and lung)
一、 呼吸道
(Airway)
（－）呼吸道的分支结构
呼吸道包括由鼻、咽、喉组成的上呼吸道和气管以下的下呼吸道。从气管到肺泡囊共分支23级（图5-2），以气管为"0"级，主支气管为1级，则第n级分支的支气管数目为：f(n)＝2n，如第5级的支气管数有32。支气管的左右分支常不对称，随着呼吸道的不断分支，其数目增多，管径变小，管壁变薄，呼吸道的总横切面积增大。通常0～16级的呼吸道因管壁较厚而不具备气体交换的功能，称为气体传导区。该区也是产生气道阻力的主要部位。17～19级管壁明显变薄，已具有气体交换的功能，称为呼吸性细支气管。20～22级为肺泡管，23级是肺泡囊。从17～22级的管壁上均有肺泡，能进行气体交换，称为呼吸区。一般将相当于由一根呼吸性细支气管所支配的区域称为一个肺功能单位。后者包括近百个肺泡囊和2 000个肺泡。
（二）气道上皮的生理作用
气道上皮的生理作用已愈来愈受到重视，包括：
1．分泌黏液与浆液 气道上皮的腺体及细胞所分泌的弹性蛋白含量高的黏液覆盖在纤毛顶层，可粘着由于惯性冲撞、重力沉降和扩散沉积下来的微粒；而分泌的弹性蛋白含量低的浆液可降低粘滞阻力，有利于纤毛运动及黏液运输。
2．纤毛运输 气道上皮的纤毛细胞呈单层成簇排列（图5-3），每个细胞约有200根长6μm、直径为0.3μm的纤毛，形成纤毛野。纤毛野之间间隔有非纤毛细胞如杯状细胞等。相邻上皮细胞的纤毛协调性摆动，可将其顶端的黏液及附着在其中的异物颗粒推向咽喉部，再排到体外。
3．转化与解毒 气道上皮可将吸入呼吸道的药物或有毒物质，转化成低活性或低毒的物质或经纤毛运输排出体外。
4．抗氧化性损伤 气道上皮细胞处于氧分压较高的环境，易造成氧化性损伤。在上皮细胞内的过氧化氢酶和谷胱甘肽氧化酶，在气道上皮的抗氧化性损伤中发挥重要作用，以维持气道上皮的自稳态。
此外，气道上皮还能自分泌或旁分泌多种生物活性物质，参与肺内功能的调控。
（三）气道阻力
气道阻力(Airway resistance)是指气体流经呼吸道时气体分子之间以及气体分子与气道壁之间的摩擦力，属动态阻力。气道阻力的大小一般用维持单位时间内气流量所需的压力差来表示：
气道阻力＝大气压与肺内压之差(cmH2O)/单位时间内气体流量(L/s)
健康人平静呼吸时，总气道阻力为1～3cmH2O·(L-1s)。90%发生在口径大于2mm的呼吸道。其中产生于鼻、声门及气管和支气管的气道阻力约分别占总阻力的50%、25%及15%。但在病理情况下，产生于细支气管的气道阻力意义更大，这是因为细支气管易被堵塞且管壁含有平滑肌，易引起气道阻力增加。
影响气道阻力的因素有：
1．气流速度 流速快，气道阻力大；反之，流速慢，阻力小。
2．气流形式 呼吸道内的气流形式可分为层流(laminar flow)和湍流(turbulent flow)，层流阻力小，湍流阻力大。气流太快和管道不规则容易发生湍流。在肺通气的大多数情况下，气流形式常是混合性或过渡性的。
3．气道口径 气道阻力在呼吸过程中的周期性变化主要是由于小气道的口径变化引起的。气道阻力的大小与呼吸道半径的4次方成反比，即R∝1/r4。因此，气道口径是影响气道阻力的最重要因素。气道口径主要受以下因素影响：（1）跨壁压(transmural pressure)：即呼吸道内外的压力差。呼吸道内压力高，跨壁压增大，管径被动扩大，阻力变小；反之则阻力增大。跨壁压为零的部位称为等压点(isopressure point)，是气道闭合的临界点。在呼气过程中，等压点逐渐下移。当下移至无软骨支持的小气道时小气道开始关闭。（2）肺实质对气道壁的外向放射状牵引作用：吸气时的牵引作用大于呼气时，故吸气时口径大于呼气。（3）自主神经系统对气道管壁平滑肌舒缩活动的调节：呼吸道平滑肌受交感、副交感神经的紧张性调节。副交感神经节后纤维释放乙酰胆碱，使气道平滑肌收缩，管径变小，气道阻力增加；交感神经节后纤维释放去甲肾上腺素，使气道平滑肌舒张，管径变大，阻力降低。临床上常用拟肾上腺素药物解除支气管痉挛，降低气道阻力，缓解呼吸困难。呼吸道平滑肌还受多种肺内神经肽的调节。（4）化学因素的影响：肾上腺素、去甲肾上腺素、氨茶碱、前列腺素E2可使气道平滑肌舒张；前列腺素F2α(PGF2α)、组胺、5-羟色胺、白三烯、内皮素以及吸入气中CO2含量的增加均使支气管收缩，气道阻力增加。
4．肺容积 肺容积增大时，气道跨壁压及肺实质对气道壁的牵引作用增大，气道阻力变小；反之，气道跨壁压及肺实质对气道壁的牵引作用变小（如肺气肿时），气道阻力变大。 气道阻力与哮喘
哮喘的易感性具有一定的体质性、家族性或遗传倾向。关于哮喘的发病机制，目前主要集中在气道平滑肌高反应性和呼吸道黏膜炎症。如环境因子、血清中免疫或炎症介质水平异常升高、肺间质炎症和气道平滑肌力学性质异常。上皮源性的细胞因子能触发炎症的恶性循环，吸引肥大细胞、嗜酸性粒细胞、淋巴细胞渗入呼吸道，释放大量的炎症细胞因子而诱发哮喘。有研究表明，通过IL-4α受体介导IL-1β和IL-4与哮喘发病密切相关。基因连锁研究显示编码这些细胞因子及IL-4α受体的基因在人类基因组中的位置与家族性易感哮喘相关。环境中特殊的过敏原与哮喘也密切相关，例如某些过敏原中的蛋白酶可裂解气道上皮细胞之间的紧密连接中的跨膜蛋白，过敏原穿过上皮屏障，接触免疫系统诱发哮喘。同时哮喘病人的气道平滑肌存在分子缺陷，导致横桥循环速率变化，气道平滑肌的缩短速度增加，表现出气道高反应性。
二、 肺泡
(Alveoli)
肺泡是肺部气体交换的场所，正常成年人约有3亿个大小不等的肺泡，总面积约为70m2。
（一）呼吸膜
呼吸膜(Respiratory membrane)也称为肺泡-毛细血管膜，由6层组成（图5-4）：含肺表面活性物质的极薄的液体层、肺泡上皮细胞层、上皮基底膜层、肺泡上皮和毛细血管基膜之间含有胶原纤维和弹性纤维的间隙、毛细血管基膜层及毛细血管内皮细胞层。其总厚度不到1μm，最薄处只有0.2μm，因而气体易于扩散。由于呼吸膜的面积极大，分布于肺毛细血管的总血量不多，为60～140m1，因此血液层很薄，非常有利于气体交换。
（二）肺泡隔
相邻肺泡之间的结构称为肺泡隔(alveolar septum)，由两层肺泡上皮细胞、基膜及结缔组织间隙构成，肺毛细血管则穿行其中。肺泡隔是气体交换和液体交换的重要场所。通常情况下肺毛细血管在肺泡隔中呈偏心分布，即肺泡毛细血管在肺泡隔中一般贴近一侧肺泡构成肺泡隔的薄侧和厚侧。薄侧由毛细血管内皮、基膜和肺泡上皮构成，薄（小于0.4μm）且结构紧密，因此有利于气体交换并防止液体进入肺泡；厚侧则有宽松的组织间隙，其中穿插有弹性纤维、胶原纤维与毛细血管网，除有支持作用外，也有利于肺部液体交换。
（三）肺泡表面张力与肺表面活性物质
表面张力(surface tension)是存在于液-气界面的使液体表面积缩小的力。根据Laplace定律，液泡内的回缩压(P)、表面张力(T)和液泡半径(r)三者的关系为：P∝T/r。因此，对于性质相同、表面张力相等的液泡如肥皂泡来说，将会出现大肥皂泡内回缩压变小，而小肥皂泡内回缩压变大。如果大小肥皂泡连通，则气体将从小肥皂泡流向大肥皂泡，出现小肥皂泡塌陷而大肥皂泡破裂的现象（图5-5）。
存在于肺泡内壁极薄的液体层，与肺泡中的气体构成液-气界面将产生表面张力。用离体猫肺做实验，分步注入一定量的空气或生理盐水使肺扩张，记录使肺容积增加的压力值。再逐步抽出气体或液体，记录相应的压力值。以压力为横坐标，容量为纵坐标，所得到的曲线即压力-容积曲线（图5-6）。从两条压力-容积曲线可以看出，要引起相同的容积变化，注气时所需的压力要大得多。理由是注气时需克服的阻力既有肺的弹性回缩力，还存在肺泡表面张力；而注入生理盐水时则消除了产生表面张力的液-气界面。前已述及，肺泡内的回缩压（P）、表面张力(T)和肺泡半径(r)三者的关系为P＝2T/r。由于3亿个肺泡大小不等，如果大小肺泡内的表面张力相等，将出现大肺泡膨大破裂、小肺泡萎陷。但正常情况下并未出现上述现象。由此推断，在肺内一定存在有某种因素可调节肺泡表面张力，这就是肺表面活性物质。
肺表面活性物质是肺泡Ⅱ型上皮细胞合成并释放的、由脂质和肺表面活性物质相关蛋白组成的混合物，主要成分是二棕榈酰卵磷脂(dipalmitoyl phosphatidyl choline，DPPC)。其分子特点是：它的一端是不溶于水的非极性疏水脂肪酸，另一端是亲水的胆碱极性基团。DPPC分子以单分子层垂直排列于肺泡液-气界面，从而降低肺泡表面张力，使后者下降至原来的1/7～1/4。由于肺表面活性物质的密度随肺泡的张缩而改变，因此，肺泡表面张力也随之改变。
肺表面活性物质的生理作用有：①降低吸气阻力，增加肺顺应性。②维持大小肺泡容量的稳定。由于肺表面活性物质的密度随肺泡半径的变小而增大，也随半径的增大而减小。所以在小肺泡或呼气时，肺表面活性物质的密度大，降低肺泡表面张力的作用强，肺泡表面张力小，即半径小时肺回缩压也变小，可防止肺泡塌陷；在大肺泡或吸气时，肺表面活性物质的密度减小，肺泡表面张力增加，即半径大时肺回缩压也变大，可防止肺泡过度膨胀,从而保持肺泡容量的稳定。③维持肺组织适当的扩张与回缩。④减少表面张力对肺毛细血管中液体的吸引作用，防止肺间质和肺泡内的组织液生成过多（肺水肿），使肺泡保持相对干燥。
近年来的研究表明，肺表面活性物质还能上调肺内吞噬细胞的活性，参与肺内防御；可抗氧化与抗弹性蛋白酶损伤，促进吸入颗粒的排出，降低矿物质粉尘的生物学活性、下调炎症因子产生，抑制成纤维细胞增殖，从而发挥器官保护作用；同时参与维持气道的通畅。
促进肺表面活性物质合成的因素有：糖皮质激素、甲状腺激素、肾上腺素和胰岛素。此外，内皮素、雌二醇和表皮生长因子等亦可促进肺表面活性物质的合成与分泌。肺扩张刺激是出生后促进和调控肺表面活性物质分泌的主要因素。而低温可抑制肺表面活性物质的合成。
临床上成年人患肺炎、肺血栓、出血性休克、高碳酸血症等疾病及体外循环等情况下，可因肺表面活性物质减少而引起肺不张。新生儿尤其是早产儿（胎儿30周时开始合成肺表面活性物质，随胎龄增长而增加）肺表面活性物质过少可导致肺泡表面张力增大，发生肺不张和形成肺泡内透明质膜，造成呼吸窘迫综合征导致死亡。临床上必要时可通过羊水检查肺表面活性物质的含量。当肺表面活性物质含量过低时，可通过延长妊娠或用药物（糖皮质激素等）促进其合成。对于新生儿或早产儿也可采用吸入肺表面活性物质来进行治疗。 有研究表明,非典型肺炎又称严重急性呼吸综合症(severe acute respiratory syndromes，SARS)，其病原体为冠状病毒。目前认为，冠状病毒感染引起炎性细胞活化和炎性介质释放形成炎症级联反应。肺部的急性炎症，使肺部血管的通透性增加，渗出增加，出现肺水肿；Ⅱ型肺泡上皮细胞受损，肺表面活性物质分泌减少，引起肺不张；肺不张可加重肺水肿，形成透明膜，出现气体交换障碍。其具体病理生理变化还有待进一步研究。
三、 肺的神经支配
(Pulmonary nervous system）
支配肺的神经主要有交感神经和副交感神经。交感神经的节后纤维释放去甲肾上腺素，由于肺内的α受体数量少，故主要为β受体的效应，使气道平滑肌舒张。副交感神经即迷走神经释放乙酰胆碱，与M受体结合，使气道平滑肌收缩、腺体分泌。
肺内还有非肾上腺素能非胆碱能神经纤维，现已证明为肽能神经纤维，能释放多种神经递质如血管活性肠肽、P物质等。此外，肺内还有神经上皮体，能释放降钙素基因相关肽、蛙皮素、脑啡肽、生长抑素、内皮素等神经肽。肺内神经肽(pulmonary neuropeptide)参与调控气道平滑肌舒缩、上皮损伤修复及肺表面活性物质释放等多种功能。
