Die Sicherstellung, dass die Ventilation und Perfusion der Lunge adäquat aufeinander abgestimmt sind, ist entscheidend für die Sicherstellung einer kontinuierlichen Zufuhr von Sauerstoff und den Abtransport von Kohlendioxid aus dem Körper.

In diesem Artikel besprechen wir die Abstimmung von Ventilation und Perfusion, wie es zu einer Fehlanpassung kommen kann und wie diese korrigiert werden kann.

Ventilations-Perfusions-Verhältnis

Die Ventilationsrate (V) bezieht sich auf das Volumen des Gases, das in einer bestimmten Zeitspanne, in der Regel einer Minute, von der Lunge ein- und ausgeatmet wird. Sie kann durch Multiplikation des Tidalvolumens (Volumen der in einem einzigen Atemzug ein- und ausgeatmeten Luft) mit der Atemfrequenz berechnet werden. Bei einem durchschnittlichen Mann beträgt die Beatmungsrate etwa 6 l/min.

Die Perfusion (Q) der Lunge bezieht sich auf das Gesamtvolumen des Blutes, das die Lungenkapillaren in einer bestimmten Zeitspanne erreicht.

Das ideale V/Q-Verhältnis wäre 1 für eine maximal effiziente pulmonale Funktion. Allerdings variiert das Verhältnis je nach Lungenteil. Beim aufrechten Stehen zum Beispiel beträgt das Verhältnis im Scheitelpunkt der Lunge etwa 3,3, an der Basis nur 0,63. Dies bedeutet, dass die Ventilation die Perfusion zum Apex hin übersteigt, und dass die Perfusion die Ventilation zur Basis hin übersteigt.

Die unterschiedlichen Verhältnisse für die verschiedenen Bereiche sind darauf zurückzuführen, wo jeder Bereich im Verhältnis zum Herzen liegt, wobei Bereiche der Lunge unterhalb des Herzens aufgrund der Schwerkraft eine erhöhte Perfusion relativ zur Ventilation aufweisen, was das V/Q-Verhältnis verringert. Daher liegt der Gesamtwert in der durchschnittlichen menschlichen Lunge näher bei 0,8.

Die Schwerkraft löst diese Veränderungen in Ventilation und Perfusion durch zwei verschiedene Mechanismen aus:

• Der Pleuradruck wird an der Basis der Lunge erhöht, was zu nachgiebigeren Alveolen und erhöhter Ventilation führt
• Der hydrostatische Druck wird an der Spitze der Lunge verringert, was zu einem verringerten Fluss und einer verringerten Perfusion führt

Da die Perfusion mit der Schwerkraft zunimmt, sind es die apikalen und mittleren Zonen der Lunge, die den größten relativen Anstieg ihrer Perfusionsrate mit einem erhöhten Herzzeitvolumen, wie z. B. während einer Übung, erfahren.

Ventilations-Perfusions-Fehlanpassung

Wenn es eine Fehlanpassung zwischen der alveolären Ventilation und dem alveolären Blutfluss gibt, wird dies im V/Q-Verhältnis sichtbar. Wenn sich das V/Q-Verhältnis aufgrund unzureichender Ventilation verringert, wird der Gasaustausch innerhalb der betroffenen Alveolen beeinträchtigt. Als Folge sinkt der kapillare Partialdruck des Sauerstoffs (pO2) und der Partialdruck des Kohlendioxids (pCO2) steigt an.

Um dem entgegenzuwirken, bewirkt die hypoxische Vasokonstriktion, dass das Blut in besser belüftete Teile der Lunge umgeleitet wird. In den meisten physiologischen Zuständen ist das Hämoglobin in diesen gut belüfteten Alveolarkapillaren jedoch bereits gesättigt. Das bedeutet, dass die roten Zellen nicht in der Lage sind, zusätzlichen Sauerstoff zu binden, um den pO2 zu erhöhen. Infolgedessen bleibt der pO2-Wert des Blutes niedrig, was als Stimulus für eine Hyperventilation wirkt, was entweder zu normalen oder niedrigen CO2-Werten führt.

Ein Missverhältnis zwischen Ventilation und Perfusion kann entweder durch eine reduzierte Ventilation eines Teils der Lunge oder durch eine reduzierte Perfusion entstehen.

Klinische Relevanz – Reduzierte Ventilation der Lunge

Reduzierte Ventilation kann aus einer Reihe von Gründen auftreten, aber für den Rahmen dieses Artikels werden wir die häufigsten betrachten. In erster Linie wirkt sich eine reduzierte Ventilation auf den Sauerstoffgehalt aus, da Kohlendioxid besser löslich ist und trotz der Beeinträchtigung weiter diffundiert. Daher ist die anfängliche Auswirkung der reduzierten Beatmung ein Atemversagen vom Typ 1 (T1RF) mit reduziertem pO2 und normalem/niedrigem pCO2.

Alle Ursachen für T1RF können zu einem Atemversagen vom Typ 2 mit niedrigem pO2 und erhöhtem pCO2 fortschreiten, wenn sie ausreichend schwerwiegend sind.

Bei einer Lungenentzündung sind die Alveolen mit Exsudat gefüllt, was die Luftzufuhr zu den Alveolen beeinträchtigt und den Diffusionsweg für die Atemgase verlängert.

Asthma und chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) können ebenfalls zu einer Verminderung der Ventilation führen. Bei Asthma wird dies durch die Kontraktion der glatten Muskulatur verursacht, die den Widerstand für den Luftstrom zu den Alveolen erhöht. Bei COPD führen strukturelle Atemwegsschäden, die durch entzündliche Veränderungen verursacht werden, zu einem beeinträchtigten Gasaustausch, der sich bei einer akuten Exazerbation verschlimmern kann.

Der Effekt der reduzierten Ventilation ist Hypoxie. Da die übrige Lunge jedoch noch CO2 abtransportieren kann, kommt es nicht zu einer Hyperkapnie, es sei denn, die Ventilation ist stark eingeschränkt.

Klinische Relevanz – Reduzierte Perfusion der Lunge

Die Lungenembolie kann zu einer reduzierten Perfusion der Lunge führen. Bereiche des Lungenkreislaufs werden verstopft, wodurch der Blutfluss zu den Alveolen eingeschränkt wird. Infolgedessen muss das Blut in andere Bereiche der Lunge umgeleitet werden. Da die anderen Bereiche eine erhöhte Blutzufuhr erhalten, wird das V/Q-Verhältnis <1 sein. In diesem Fall tritt immer noch Hypoxie auf, weil ein Großteil der Lunge immer noch mit einem V/Q von <1 arbeitet.