Sinh lý học Hô hấp ứng dụng của Nunn & Lumb, ấn bản thứ 9. CHƯƠNG 8. KHUẾCH TÁN CÁC KHÍ HÔ HẤP

Sinh lý học Hô hấp ứng dụng của Nunn & Lumb, ấn bản thứ 9. Nunn and Lumb’s Applied Respiratory Physiology 9th Edition.
Chủ biên: Andrew Lumb, Caroline Thomas. Nhà xuất bản ELSEVIER. Biên dịch: Ts.Bs. Lê Nhật Huy, Ths.Bs. Lê Đình Sáng. ISBN-13: 978-0702079085. 
Ấn bản tiếng Việt của cuốn sách này được dịch & chia sẻ vì mục đích lan toả tri thức, hoàn toàn phi lợi nhuận, duy nhất trên các website sachyhoc.com & yhoclamsang.net của THƯ VIỆN MEDIPHARM. NGHIÊM CẤM THƯƠNG MẠI HOÁ bản dịch tiếng Việt của cuốn sách này dưới bất cứ hình thức nào.

CHƯƠNG 8. KHUẾCH TÁN CÁC KHÍ HÔ HẤP

Diffusion of respiratory gases
Andrew Lumb, MB BS FRCA; Caroline Thomas, BSc MBChB MRCS(Ed) FRCA

Nunn and Lumb’s Applied Respiratory Physiology, 8, 111-121.e2

Các chương trước đã mô tả chi tiết cách thức khí phế nang và máu mao mạch phổi đi đến các vị trí tương ứng của chúng trên thành phế nang. Chương này đề cập đến bước cuối cùng trong chức năng hô hấp của phổi, tập trung thảo luận về sự chuyển giao các khí hô hấp giữa phế nang và máu.

Thuật ngữ sử dụng trong lĩnh vực này đôi khi gây nhầm lẫn. Tại Châu Âu, việc đo lường sự di chuyển của các chất khí giữa phế nang và mao mạch phổi được gọi là hệ số chuyển giao của phổi (lung transfer factor) (ví dụ: TLO, đại diện cho hệ số chuyển giao của phổi đối với carbon monoxide). Tuy nhiên, thuật ngữ cũ hơn là khả năng khuếch tán (diffusing capacity) (ví dụ: DLCO, viết tắt của khả năng khuếch tán của phổi đối với carbon monoxide), từng được sử dụng trong nhiều năm tại Hoa Kỳ, hiện là thuật ngữ được khuyến nghị sử dụng thống nhất, bất chấp thực tế rằng một phần rào cản đối với quá trình chuyển giao oxy hoàn toàn không liên quan đến hiện tượng khuếch tán vật lý (sẽ thảo luận ở phần sau).

Nguyên Lý Cơ Bản Của Quá Trình Khuếch Tán

Khuếch tán khí là quá trình chuyển giao ròng các phân tử từ một vùng mà chất khí tạo ra phân áp (partial pressure) cao sang một vùng mà nó tạo ra phân áp thấp hơn. Cơ chế cốt lõi của sự chuyển giao này là sự chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử, và thuật ngữ này hoàn toàn loại trừ quá trình vận chuyển sinh học tích cực (active biological transport), sự chuyển giao bằng chuyển động khối lượng của khí nhằm đáp ứng với chênh lệch áp suất toàn phần (ví dụ: luồng khí lưu thông xảy ra trong quá trình thông khí lưu lượng lưu thông – tidal ventilation) và sự di chuyển khối lượng có điều kiện thuận lợi (facilitated mass movement) (ví dụ: sự luân chuyển oxy trong hệ tuần hoàn nhờ liên kết với hemoglobin). Phân áp của một chất khí cụ thể trong một hỗn hợp khí là mức áp suất mà nó sẽ tạo ra nếu nó chiếm toàn bộ không gian một mình (bằng tổng áp suất nhân với nồng độ phần phân số). Các phân tử khí di chuyển theo mọi hướng nhưng với tốc độ tỷ lệ thuận với phân áp của chất khí trong vùng mà chúng đang rời đi. Sự chuyển giao ròng của chất khí chính là sự chênh lệch về số lượng các phân tử di chuyển theo mỗi hướng, do đó nó tỷ lệ thuận với sự chênh lệch phân áp giữa hai vùng. Các ví dụ điển hình về sự khuếch tán được thể hiện trong Hình 8.1.

Trong mỗi ví dụ được minh họa ở Hình 8.1, luôn tồn tại một sức cản hữu hạn đối với sự chuyển động của các phân tử khí. Trong Hình 8.1, A, sức cản tập trung ở phần thắt hẹp tại cổ chai. Rõ ràng, cổ chai càng hẹp, quá trình đạt trạng thái cân bằng với không khí bên ngoài diễn ra càng chậm. Trong Hình 8.1, B, vị trí của sức cản đối với sự khuếch tán ít bị giới hạn tại một điểm hẹp hơn, mà bao gồm sự khuếch tán khí bên trong phế nang, màng phế nang/mao mạch (alveolar/capillary membrane), đường dẫn khuếch tán qua huyết tương và sự chậm trễ trong việc liên kết oxy với hemoglobin khử nằm trong tế bào hồng cầu (red blood cell/RBC). Trong Hình 8.1, C, sức cản khởi nguồn từ sự chậm trễ trong việc giải phóng oxy từ hemoglobin và bao gồm tất cả các bề mặt tiếp xúc nằm giữa màng tế bào hồng cầu và vị trí tiêu thụ oxy bên trong ty thể (mitochondria). Sau đó, một thành phần bổ sung có thể xuất hiện liên quan đến tốc độ mà oxy tham gia vào các phản ứng hóa học ở cấp độ tế bào.

Trong cơ thể sống, các mô và tế bào liên tục tiêu thụ oxy và tạo ra carbon dioxide, do đó không thể đạt được một trạng thái cân bằng tĩnh giống như trường hợp mở nắp chai oxy ở Hình 8.1, A. Thay vào đó, một trạng thái cân bằng động (dynamic equilibrium) được thiết lập với sự khuếch tán liên tục tuân theo một dốc nồng độ (gradient) giữa phế nang và ty thể đối với oxy và diễn ra theo chiều ngược lại đối với carbon dioxide. Việc duy trì các gradient phân áp này, trên thực tế, là một đặc trưng cơ bản của sự sống.

Đối với các chất khí không tham gia nhiều vào quá trình chuyển hóa, chẳng hạn như nitơ, luôn tồn tại xu hướng tiến tới một trạng thái cân bằng tĩnh (static equilibrium) tại đó tất cả các phân áp ở mô trở nên cân bằng với phân áp của chính chất khí đó trong bầu không khí hít vào.

Hình 8.1 Ba ví dụ về sự khuếch tán của oxy. Trong mỗi trường hợp đều có sự chuyển giao ròng oxy từ trái sang phải phù hợp với gradient phân áp. (A) Oxy di chuyển từ một pha khí sang một pha khí khác. (B) Oxy di chuyển từ một pha khí sang một pha lỏng. (C) Oxy di chuyển từ một chất lỏng sang một chất lỏng khác. 

Định Lượng Sức Cản Đối Với Sự Khuếch Tán

Khuynh hướng khuếch tán của một chất khí sinh ra bởi một gradient áp suất nhất định được gọi là khả năng khuếch tán của chất khí đó, tính toán theo phương trình:

Khả năng khuếch tán = Tốc độ chuyển giao khí ròng/Gradient phân áp