Het menselijk lichaam op hoogte Tineke Renkema, longarts

Stressfactoren op hoogte: Kou Hypoxie

Relatie hoogte en PO2 West JB, 1990

Partiële drukken in inademingslucht (in mm Hg) Samenstelling droge lucht op zeeniveau: N2 (stikstof): 78,1%, O2 (zuurstof): 20.9%, Ar (Argon): 0.9%, CO2 (kooldioxide): 0.03%, sporengassen: Neon, CH4 (methaan), Helium, Crypton, H2 (waterstof), Xenon, N2O (stikstofdioxide). De PiH2O (de partiele waterdampdruk in de aanvoerende luchtwegen vóór het bereiken van de alveoli, waar beduidende bijmenging optreedt met CO2. Bevochtiging van de ingeademde lucht vindt met name plaats in de hogere luchtwegen) is op iedere hoogte hetzelfde: altijd 47 mm Hg = de partiële druk van (verzadigde) waterdamp bij lichaamstemperatuur. Deze druk is onafhankelijk van de hoogte. PiO2: op 0m, 5000m en 8848m: resp 149, 75 en 43 mm Hg

O2 transport van long naar cel McArdle, 2007

Diffusie Afhankelijk van: Oppervlakte diffunderend membraan Dikte diffunderend membraan Drukverschillen over membraan Fick’s diffusiewet: Vgas = A/T . D . (P1 – P2) A = oppervlak (area), T = dikte (thickness), D = diffusieconstante/”permeabiliteitscoëfficiënt”

PO2 van bloed in longcapillairen zeeniveau hoogte Ward MP, Milledge JS, West JB, 2000

Hoogte en saturatie Berekend vs gemeten

Handhaven O2-afgifte aan cel Adaptatie: Handhaven O2-afgifte aan cel

Aanpassingsmechanismen Hypoxische ventilatoire respons (HVR) Verschuiving O2 – dissociatiecurve Hypoxische pulmonale vasoconstrictie (HPV) Toename hartfrequentie Toename cerebrale circulatie Hypoxia inducible factor (HIF) Toename EPO en later van Hb Spieraanpassingen: toename myoglobine en mitochondrieën

Hypoxische ventilatoire respons Hypoxische stimulatie van perifere chemoreceptoren Bij arteriële PO2 < 60 mm Hg Toename van ventilatie = hyperventilatie WMW: de HVR treedt op zodra de PO2 in de inademingslucht is gedaald tot ongeveer 100 mm Hg. Dit correspondeert met een alveolaire PO2 van ongeveer 50 mm Hg (dat is dus anders dan in deze dia en lijkt niet logisch aangezien de chemoreceptoren de PO2 in het arteriële bloed “meten”) en een hoogte van ongeveer 3000m (conform deze dia: een arteriële PO2 van 60 mm komt ook overeen met een hoogte van ongeveer 3000m). Op de O2-dissociatiecurve komt dit ongeveer overeen met het punt waarop het aanvankelijk langzaam dalende (rechter) deel van de curve overgaat in het steilere deel van de curve. Perifere chemoreceptoren: in het glomus caroticum tpv de bifurcatie van de art. carotis communis (splitsing van de art. carotis communis in externa en interna)

Alveolaire gasvergelijking: PAO2 = PIO2 – (VCO2/VA) . K West: in gezonden is de (alveolaire) PACO2 vrijwel gelijk aan de (arteriële) PaCO2 (pag. 17) Verder: VA (alveolaire ventilatie) = VCO2/PACO2 x K (pag 16), dus: als alveolaire ventilatie - toeneemt bij gelijkblijvende CO2-productie - daalt de PACO2. Alveolaire gasvergelijking: West pag. 54. Zie ook: pag.132.

Samenstelling alveolair gas (zonder N2) Afb. links: situatie zonder aanpassing aan de hoogte (zonder hyperventilatie), rechts: situatie na acclimatisatie (met HVR/hyperventilatie)

Hypocapnie: verhoogde pH in het arteriële bloed (respiratoire alkalose) → renale compensatie: verhoogde uitscheiding van bicarbonaat → verhoogde urineproductie (vochtverlies) → afname plasmavolume Dehydratie: vertraagt dit proces want handhaving van de vochtbalans gaat boven handhaving van de pH

Zuurstof-dissociatiecurve Op hoogte verschuift de ODC naar links: een toegenomen affiniteit van Hb voor O2 (en dus een betere loading van het Hb met zuurstof) lijkt effectiever dan een verschuiving naar re (m.a.g. gemakkelijker afgifte van O2 in de weefsels). Overigens kunnen locale factoren in de spieren (bv lagere pH?) ter plekke weer een verschiuving naar re geven waardoor de afgifte van O2 wordt vergemakkelijkt West JB, 1990

Pulmonale vaatbed op hoogte Hypoxische pulmonale vasoconstrictie (HPV): Bij alveolaire PO2 < 70 mm Hg (9.3 kPa) Constrictie van pulmonale arteriolen => pulmonale hypertensie! Verbetering van ventilatie-perfusieverhoudingen (?) NB: zelfde mechanisme op zeeniveau (bv COPD)!

Hart en hoogte: Acute hypoxie: hartfrequentie ↑ cardiac output ↑ Acclimatisatie: cardiac output normaliseert HF blijft verhoogd (dus slagvolume neemt af) verhouding cardiac output vs O2 opname zelfde als op zeeniveau Afname slagvolume op hoogte, ook na acclimatisatie: berust niet op afname van myocardiale contractiliteit cq myocardiale hypoxie (bij geven van O2 op hoogte neemt slagvolume niet toe en onderzoek (OE II bv) suggereert behoud van de myocardiale contractiliteit tot op grote hoogte). Hypothese: slagvolume neemt (oa) af door afname van het plasmavolume. Verhouding CO vs O2 opname blijft op hoogte zelfde als op zeeniveau. Dit lijkt tegenstrijdig maar berekeningen suggereren dat stijging van cardiac output (of van Hb) niet leiden tot een toename van de O2 opname

Hartslag bij inspanning op hoogte Barometerdrukken: 760 mm Hg = zeeniveau 347 mm Hg = 6100m hoogte 282 mm Hg = 7620m 240 mm Hg = ruim boven 8000m (iets onder de top van de Everest) Intensiteit van de inspanning: op iedere hoogte gelijk, voor 3 van de 5 (NB: ik zie steeds maar 4 bolletjes!) 120W en voor 2 van de 5 60W Reeves JT et al, 1987

Cardiac output vs VO2 op hoogte Dichte cirkels: 760 mm Hg Open cirkels: 347 mm Hg Open driehoeken: 282 mm Hg Dichte driehoeken: 240 mm Hg Bij laaglanders na acclimatisatie of bij autochtone hooglanders: cardiac output voor een gegeven VO2 hetzelfde op zeeniveau als op hoogte. Dit lijkt onlogisch: je zou verwachten dat cardiac output op hoogte groter zou zijn (waardoor méér transport van O2 naar de weefsels) maar berekeningen suggereren dat een verhoging van de cardiac output op hoogte (itt zeeniveau) niet leidt tot een verbeterde VO2 max door diffusiebeperking in de longen en de weefsels (maw: die diffusie is en blijft de beperkende factor). Hetzelfde lijkt te gelden voor een (verdere) toename van het Hb. Reeves JT et al, 1987

Lactaatproductie vs hoogte Acute hypoxie: verhouding lactaatproduktie vs workload verhoogd. Acclimatisatie: verhouding lactaatproduktie vs workload genormaliseerd. A) Maximale lactaatproductie: neemt af met de hoogte. B) Extrapolatie van meetgegevens hierboven: bij maximale inspanning > 7500m treedt geen toename van lactaat meer op (ondanks ernstige hypoxie op die hoogten!) A en B samen: worden de “lactaatparadox” genoemd

Hypoxia inducible factor (HIF) Snelle toename (minuten) tijdens hypoxie door afgenomen afbraak Induceert gen-transcriptie Hierdoor toename van oa: - glycolytische enzymen (voor anaerobe stofwisseling) - VEGF (angiogenese), - i-NOS (NO-productie en vasodilatatie) - EPO (erythropoiese) - transferrine (Fe-transport) Bron: HAMB 2005, vol 6 nr 2 (Summer), art Wilson et al, p 97 ev, mn fig 4

Hoogte en erythropoiese C: sea level K: 1200 m L: 3500 m BC: 4500 m PCV = packed (red) cell volume = hematocriet Hematocriet neemt op hoogte toe door toegenomen erythropoiese en afgenomen plasmavolume. Milledge JS, CotesPM, 1985

Adaptatie: Acclimatisatie

Arteriële bloedgassen op de Mt Everest (8400m) pH: 7.53 PaO2: 24.6 mm Hg PaCO2: 13.3 mm Hg Bic: 10.8 mmol/L BE: -6.9 Sat: 54% Lactaat:2.2 mmol/L Zeeniveau: pH: 7.35-7.45 PaO2: 75-100 mm Hg PaCO2: 35-48 mmHg Bic: 22-29 mmol/L BE: -3 - +3 Sat 95-98% Lactaat: 0.6 – 2.0 mmol/L Grocott MPW et al, NEJM, 2009

Maladaptatie: Hoogteziekte

Hoogteziekte Acute mountain sickness (milde vorm) Hoogtelongoedeem Hoogtehersenoedeem Combinaties hiervan

Bedankt voor uw aandacht!