呼吸生理学の基礎

肺の主な（ただし唯一の機能ではない）機能は、正常なガス交換を確保することです。外呼吸とは、肺毛細血管における大気と血液間のガス交換プロセスであり、血液組成の動脈化（酸素分圧の上昇と二酸化炭素分圧の低下）をもたらします。ガス交換の強度は、主に外呼吸系によって提供される3つの病態生理学的メカニズム（肺換気、肺血流、肺胞毛細血管膜を介したガス拡散）によって決定されます。

肺換気

肺換気は次の要因によって決まります (AP Zilber)。

1. 機械的換気装置は、主に呼吸筋の活動、その神経調節、および胸壁の可動性に依存します。
2. 肺組織と胸部の弾力性と伸縮性;
3. 気道開存性;
4. 肺内の空気の分布と、それが肺のさまざまな部分の血流とどのように対応しているか。

上記の要因の 1 つ以上が破壊されると、いくつかの種類の換気性呼吸不全として現れる、臨床的に重大な換気障害が発生する可能性があります。

呼吸筋の中で最も重要な役割を担うのは横隔膜です。横隔膜の能動収縮により胸腔内圧と胸膜内圧が低下し、大気圧よりも低くなるため、吸入が行われます。

吸入は呼吸筋（横隔膜）の能動的な収縮によって行われ、呼気は主に肺自体と胸壁の弾性引っ張りによって起こり、生理的条件下では気道を通して空気を排出するのに十分な呼気圧力勾配を作り出します。

換気量を増やす必要がある場合、外肋間筋、斜角筋、胸鎖乳突筋（補助吸気筋）が収縮し、胸腔容積の増加と胸腔内圧の低下を招き、吸気を促進します。補助呼気筋は、前腹壁の筋肉（外腹斜筋、内腹斜筋、直腹筋、横腹筋）を指します。

肺組織と胸壁の弾力性

肺の弾力性。吸入（肺への吸入）と呼気（肺からの呼気）時の空気の流れは、大気と肺胞の間の圧力勾配、いわゆる経胸郭圧（P _tr / _t）によって決まります。

Рtr/t = Рalv Рatm_であり、 Рalv_は肺胞圧、Рatmは大気圧_です。

吸入時にはP _alvとP _{tr/t は}負になり、呼気時には正になります。吸入終了時と呼気終了時、つまり空気が気道に沿って移動せず声門が開いている時、P _{alv は}P _atmと等しくなります。

_{P alv}のレベルは、胸膜内圧（P _pl ）の値と、いわゆる肺の弾性反跳圧（P _el）によって決まります。

弾性反跳圧とは、肺の弾性実質によって生み出され、肺へと向かう圧力です。肺組織の弾性が高いほど、吸気時に肺を膨張させるために必要な胸腔内圧の低下が大きく、結果として吸気呼吸筋の能動的な仕事量も大きくなります。弾性が高いほど、呼気時に肺がより速く潰れるようになります。

もう一つの重要な指標は、肺組織の弾性の逆数、すなわち無感覚肺コンプライアンスです。これは、肺をまっすぐに伸ばした時のコンプライアンスの尺度です。肺のコンプライアンス（および弾性反跳圧の大きさ）は、多くの要因によって影響を受けます。

1. 肺容量：低容量時（例えば吸気開始時）には肺はより柔軟です。高容量時（例えば最大吸気時）には肺コンプライアンスは急激に低下し、ゼロになります。
2. 肺組織における弾性構造（エラスチンおよびコラーゲン）の含有量。肺気腫は肺組織の弾性低下を特徴とすることが知られており、肺伸展性の増加（弾性反跳圧の低下）を伴います。
3. 炎症（肺炎）または血行動態（肺の血液停滞）による浮腫による肺胞壁の肥厚、および肺組織の線維化により、肺の伸展性（コンプライアンス）が著しく低下します。
4. 肺胞内の表面張力。この力は、肺胞の内側を薄い膜で覆う気体と液体の界面に生じ、この界面の面積を減少させ、肺胞内に陽圧を発生させる。このように、表面張力は肺の弾性構造と相まって、呼気時に肺胞が効果的に収縮するのを促し、同時に吸気時に肺がまっすぐになる（伸張する）のを防ぐ。

肺胞の内面を覆う界面活性剤は表面張力を低下させる物質です。

サーファクタントの活性が高いほど、密度は高くなります。したがって、吸入時にサーファクタントの密度と活性が低下すると、表面張力（すなわち、肺胞の表面積を縮小させる力）が増加し、呼気時に肺組織の虚脱につながります。呼気の終わりには、サーファクタントの密度と活性が増加し、表面張力は減少します。

したがって、呼気の終了後、サーファクタントの活動が最大となり、肺胞の直線化を妨げる表面張力が最小となると、その後の吸入中の肺胞の直線化に必要なエネルギー消費は少なくなります。

サーファクタントの最も重要な生理機能は次のとおりです。

• 表面張力の減少による肺コンプライアンスの増加。
• 肺の容積が低いとき（呼気の終わり）に肺胞の活動が最大になり、表面張力の力が最小限になるため、呼気中に肺胞が虚脱する可能性が低くなります。
• 小さな肺胞から大きな肺胞への空気の再分配を防ぐ（ラプラスの法則による）。

サーファクタント欠乏を伴う疾患では、肺の硬直性が増し、肺胞が虚脱し（無気肺が起こり）、呼吸不全が起こります。

[ 1 ]

胸壁の塑性反動

胸壁の弾性特性も肺換気の性質に大きな影響を与えますが、これは骨格系、肋間筋、軟部組織、壁側胸膜の状態によって決まります。

胸郭容積と肺容積が最小（最大呼気時）および吸入開始時には、胸壁の弾性反動が外側に向けられ、陰圧が生じて肺の拡張が促進されます。吸入中に肺容積が増加すると、胸壁の弾性反動は減少します。肺容積がVC値の約60%に達すると、胸壁の弾性反動はゼロ、つまり大気圧レベルまで減少します。肺容積がさらに増加すると、胸壁の弾性反動は内側に向けられ、陽圧が生じて、その後の呼気時に肺の虚脱が促進されます。

一部の疾患では胸壁の硬直が増し、胸郭の伸展（吸気時）と虚脱（呼気時）の能力に影響を及ぼします。このような疾患には、肥満、脊柱後側弯症、肺気腫、広範囲癒着、線維胸などが含まれます。

気道開存性と粘膜繊毛クリアランス

気道の開通性は、気管支分泌物の正常な排出に大きく依存しており、これはまず第一に粘膜繊毛クリアランス機構の機能と正常な咳反射によって確保されます。

粘液繊毛器の保護機能は、繊毛上皮と分泌上皮の適切かつ協調的な機能によって決定され、その結果、分泌物の薄い膜が気管支粘膜の表面に沿って移動し、異物が除去されます。気管支分泌物の移動は、繊毛が頭側方向に急速に移動し、反対方向へゆっくりと戻ることによって起こります。繊毛の振動数は1分あたり1000～1200回で、気管支粘液は気管支内で0.3～1.0 cm /分、気管内で2～3 cm /分の速度で移動します。

気管支粘液は2層構造であることも覚えておく必要があります。下層の液層（ゾル）と、繊毛の先端が接触する上層の粘性弾性ゲルです。繊毛上皮の機能は、主にゲル層とゲル層の厚さの比率に依存します。ゲル層の厚さが増加すると、あるいはゾル層の厚さが減少すると、粘液繊毛クリアランスの効率が低下します。

呼吸細気管支と肺胞のレベルで粘液繊毛器官が機能し、咳反射と細胞の貪食作用によって浄化が行われます。

特に慢性の炎症性損傷による気管支の場合には、上皮が形態学的および機能的に再構築され、粘液繊毛機能不全（粘液繊毛装置の保護機能の低下）および気管支腔内の痰の蓄積につながる可能性があります。

病的な状態では、気道の開通性は粘膜繊毛クリアランス機構の機能だけでなく、気管支けいれん、粘膜の炎症性浮腫、および小気管支の早期呼気閉鎖（虚脱）現象の存在にも左右されます。

[ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ]

気管支腔の調節

気管支の平滑筋の緊張は、気管支の多数の特定の受容体の刺激に関連するいくつかのメカニズムによって決まります。

1. コリン作動性（副交感神経性）作用は、神経伝達物質アセチルコリンが特定のムスカリン性M-コリン受容体と相互作用することによって生じます。この相互作用の結果、気管支けいれんが発生します。
2. ヒトの気管支平滑筋への交感神経支配は、例えば血管平滑筋や心筋の平滑筋とは対照的に、わずかに発現している。気管支への交感神経作用は、主に循環血中のアドレナリンがβ2アドレナリン受容体に作用し、平滑筋を弛緩させることによって生じる。
3. 平滑筋の緊張は、いわゆる「非アドレナリン・非コリン作動性」神経系（NANC）の影響も受けます。この神経系は迷走神経の一部として走行し、気管支平滑筋の対応する受容体と相互作用するいくつかの特定の神経伝達物質を放出します。最も重要な神経伝達物質は以下のとおりです。
   • 血管作動性腸管ポリペプチド（VIP）;
   • サブスタンスR。

VIP受容体の刺激は顕著な弛緩を、β受容体の刺激は気管支平滑筋の収縮を引き起こします。NANH系のニューロンが気道内腔の調節に最も大きな影響を与えると考えられています（KK Murray）。

さらに、気管支には、ヒスタミン、ブラジキニン、ロイコトリエン、プロスタグランジン、血小板活性化因子（PAF）、セロトニン、アデノシンなどの炎症メディエーターを含む、さまざまな生理活性物質と相互作用する受容体が多数含まれています。

気管支の平滑筋の緊張は、いくつかの神経体液性メカニズムによって調節されます。

1. 気管支拡張は刺激によって起こります。
   • β2アドレナリン受容体アドレナリン;
   • 血管作動性腸管ポリペプチドによる VIP 受容体 (NANH システム)。
2. 気管支腔の狭窄は、以下の刺激によって起こります。
   • M-コリン受容体アセチルコリン;
   • サブスタンスP受容体（NANHシステム）
   • α アドレナリン受容体（例えば、β 2 アドレナリン受容体の遮断または感受性の低下）。

肺内の空気分布と血流との対応

正常時にも存在する肺の換気不均一性は、まず第一に肺組織の機械的特性の不均一性によって規定されます。肺の基底部は最も活発に換気され、肺の上部はそれよりわずかに換気されます。肺胞の弾性特性の変化（特に肺気腫の場合）や気管支の開存性の侵害は、換気不均一性を著しく悪化させ、生理的死腔を増加させ、換気効率を低下させます。

ガスの拡散

肺胞毛細血管膜を介したガス拡散のプロセスは、

1. 膜の両側（肺胞の空気と肺毛細血管内）のガス分圧の勾配から;
2. 肺胞毛細血管膜の厚さから;
3. 肺の拡散領域の全表面から。

健康な人の場合、肺胞気中の酸素分圧（PO₂）は通常100 mmHg、静脈血中の酸素分圧（PO₂）は40 mmHgです。静脈血中の二酸化炭素分圧（PCO₂）は46 mmHg、肺胞気中の二酸化炭素分圧（PCO₂）は40 mmHgです。したがって、酸素の圧力勾配は60 mmHgであるのに対し、二酸化炭素の圧力勾配はわずか6 mmHgです。しかし、肺胞毛細血管膜を通過する二酸化炭素の拡散速度は、酸素の約20倍です。そのため、肺胞と毛細血管間の圧力勾配が比較的低いにもかかわらず、肺における二酸化炭素の交換は極めて完全に行われます。

肺胞毛細血管膜は、肺胞の内面を覆うサーファクタント層、肺胞膜、間質腔、肺毛細血管膜、血漿膜、赤血球膜で構成されています。肺胞毛細血管膜のこれらの構成要素が損傷すると、ガス拡散が著しく阻害される可能性があります。その結果、疾患においては、肺胞気および毛細血管における上記の酸素分圧および二酸化炭素分圧の値が大きく変化する可能性があります。

[ 11 ], [ 12 ]

肺血流

肺には2つの循環系があります。体循環の一部である気管支血流と、肺血流そのもの、いわゆる肺循環です。生理的および病的な状態の両方において、これらの循環系の間には吻合が存在します。

肺血流は機能的に心臓の右半分と左半分の間に位置しています。肺血流の駆動力は、右心室と左心房間の圧力勾配（通常約8 mmHg）です。酸素が少なく二酸化炭素で飽和した静脈血は、動脈を通って肺毛細血管に入ります。肺胞におけるガス拡散の結果、血液は酸素で飽和し二酸化炭素が除去され、動脈血は肺から静脈を通って左心房へと流れます。実際には、これらの値は大きく変動する可能性があります。特に動脈血中のPaO2値は顕著で、通常約95 mmHgです。

呼吸筋の正常な機能、気道の良好な開存性、肺組織の弾力性の変化がほとんどない場合の肺におけるガス交換のレベルは、肺を通る血液灌流速度と、酸素と二酸化炭素の分圧勾配の影響下でガスの拡散が起こる肺胞毛細血管膜の状態によって決まります。

換気と灌流の関係

肺におけるガス交換のレベルは、肺換気量とガス拡散の強さに加え、換気灌流比（V/Q）によっても決定されます。通常、吸入空気中の酸素濃度が21%で通常の大気圧の場合、V/Q比は0.8です。

他の条件が同じであれば、動脈血酸素化の低下は 2 つの原因によって引き起こされる可能性があります。

• V/Q < 0.8-1.0 の場合、血流は同じレベルを維持しながら肺換気が減少する。
• 肺胞換気は維持されながら血流は減少した（V/Q > 1.0）。