Mechanizm
Wiele mechanizmów reguluje i przyczynia się do naczyniowego oporu płucnego. Szerokie kategorie obejmują płucne ciśnienie naczyniowe, objętość płuc, grawitację, toniczność mięśni gładkich i niedotlenienie pęcherzyków płucnych.
Płucne ciśnienie wewnątrznaczyniowe
Jak wkład serca wzrasta, na przykład, podczas ćwiczeń, krążenie płucne musi dostosować się do tego zwiększonego przepływu do przodu. Dlatego, płucne wewnątrznaczyniowe ciśnienie i płucny opór naczyniowy są odwrotnie związane. Eksperymenty wykazały, że zwiększenie ciśnienia w tętnicy płucnej przy zachowaniu stałego ciśnienia w lewym przedsionku powoduje zmniejszenie naczyniowego oporu płucnego. Zmniejszenie to następuje poprzez dwa mechanizmy: rekrutację kapilar i rozciągnięcie kapilar.
Pierwszym mechanizmem, który występuje, jest rekrutacja kapilar. Na początku niektóre z płucnych naczyń włosowatych są częściowo lub całkowicie zamknięte i nie przepuszczają krwi. Rekrutacja kapilar polega na otwieraniu tych zamkniętych naczyń włosowatych podczas stanów zwiększonego przepływu krwi. Dystrybucja przepływu na większą powierzchnię przekroju poprzecznego zmniejsza ogólny opór naczyniowy. Rekrutacja zwykle występuje w strefie 1 płuca (apices), gdzie ciśnienia kapilarne są najniższe.
Dystensja kapilarna jest drugim mechanizmem i polega na poszerzeniu kapilar w celu dostosowania ich do zwiększonego przepływu krwi. Naczynia jajnikowe stają się bardziej okrągłe, co jest dominującym mechanizmem utrzymywania niskiego PVR przy wyższych ciśnieniach w tętnicy płucnej.
Objętość płuc
Ciśnienia i objętości pęcherzyków płucnych w znacznym stopniu wpływają na naczyniowy opór płucny. Wpływ objętości płuc zależy od rodzaju naczyń. Naczynia pozapęcherzykowe przebiegają przez miąższ płuca. Naczynia te mają mięśnie gładkie i tkankę elastyczną, która z natury zmniejsza obwód naczynia przeciwdziałając jego rozciągnięciu. W miarę rozszerzania się płuca średnica tych naczyń zwiększa się poprzez promienistą trakcję ścian naczyń. Dlatego opór naczyniowy jest niski przy dużych objętościach płuc. Podczas zapadania się płuc dochodzi do zwiększenia oporu przez naczynia z powodu nieopartego działania elastyczności naczyń. Krytyczne ciśnienie otwarcia to ciśnienie powietrza potrzebne do umożliwienia przepływu krwi przez kapilary pozapęcherzykowe. Koncepcja ta ma zastosowanie przy modelowaniu oporu naczyniowego w zapadniętym płucu.
Włośniczki pęcherzykowe obejmują kapilary i naczynia w rogu ścian pęcherzyków płucnych. Czynnikiem determinującym wielkość dystensji w obrębie tych naczyń jest ich ciśnienie transmuralne (ryc. 3).
Ciśnienie w pęcherzykach płucnych jest najwyższe w strefie 1 (w pobliżu koniuszków) i najniższe w strefie 3 (w pobliżu podstaw). Podczas wdechu ciśnienie w pęcherzykach płucnych wzrasta, co powoduje ucisk otaczających je kapilar pęcherzykowych. Nawet przy zwiększonym powrocie prawego serca związanym z wdechami, rozciąganie i rozrzedzanie ścian pęcherzyków płucnych zmniejsza kaliber kapilar i ostatecznie prowadzi do wzrostu PVR przy dużych objętościach płuc. PVR jest najwyższy przy całkowitej pojemności płuc (TLC), wysoki przy objętości resztkowej (RV), a najniższy przy czynnościowej pojemności resztkowej (FRC) (Rycina 4).
Grawitacja
Rycina 5 ilustruje różne strefy płuc. PVR jest największa w strefie 1, ponieważ podwyższone ciśnienie pęcherzykowe zwiększa ciśnienie transmuralne do wewnątrz na kapilarę pęcherzykowo-włośniczkową. Kapilara ulega zapadnięciu, a opór wzrasta. PVR jest najniższy w strefie 3, gdzie ciśnienie tętnicze jest wyższe niż ciśnienie pęcherzykowe, powodując zwiększone ciśnienie transmuralne na zewnątrz i zwiększony kaliber naczynia.
Hipoksja pęcherzykowa
Hipoksja w obrębie pęcherzyków płucnych indukuje skurcz naczyń w obrębie naczyń płucnych. Ten homeostatyczny mechanizm pozwala płucom na kierowanie krwi do bardziej natlenionych segmentów płuc, co pozwala na lepsze dopasowanie wentylacja/perfuzja, co z kolei poprawia dostarczanie tlenu do całego organizmu. Mechanizm ten staje się niezwykle ważny, gdy płuca są narażone na procesy zakłócające, takie jak konsolidacja (np. zapalenie płuc) lub blokada w obrębie naczyń krwionośnych (np. zatorowość płucna), co pozwala na odpowiednią kompensację. Teoria zakłada, że odpowiedź ta rozpoczyna się na poziomie molekularnym, w którym czujnik mitochondrialny wykorzystuje reakcje sprzężenia redoks do zmiany elastyczności komórek mięśni gładkich tętnicy płucnej (PASMC). Reakcje redoks prowadzą do depolaryzacji PASMC poprzez aktywację kanałów wapniowych bramkowanych napięciem i inhibicję kanałów potasowych, co prowadzi do zmniejszenia elastyczności w tętniczkach niedotlenionych segmentów płuc. Ponadto, w przypadku utrzymującego się niedotlenienia, może dojść do aktywacji alternatywnych szlaków (np. kinazy rho) i uwalniania chemokin (np, hypoxia-inducible factor (HIF)-1alpha), co zwiększa efekty wazokonstrykcyjne, jak również przebudowę naczyń.
Toniczność mięśni gładkich
Ogólnie, krążenie płucne ma niski ton naczyniowy; jest to spowodowane tym, że naczynia płucne mają proporcjonalnie mniej mięśni gładkich w porównaniu do naczyń o podobnej średnicy w innych narządach. W porównaniu do naczyń systemowych, tkanka mięśni gładkich w naczyniach płucnych jest rozmieszczona mniej równomiernie w tunica intima. Żyły płucne są również bardziej podatne niż tętnice systemowe z powodu braku tkanki wokół małych naczyń, zmniejszonej ilości włókien elastyny i kolagenu oraz zmniejszonej zawartości mięśni gładkich. Zjawisko, które jest wykazane przez gradient ciśnienia obserwowany między prawą i lewą komorą.
Tętnice płucne są zarówno elastyczne, jak i mięśniowe. Tętnice te zawierają mięśnie gładkie w obrębie tunica media, które są otoczone wewnętrznymi i zewnętrznymi blaszkami sprężystymi. Obejmują one pień tętnicy płucnej, główne gałęzie i naczynia pozapęcherzykowe. Większe tętnice okołobronchialne są bardziej umięśnione (>2mm). Tętnice okołobronchialne leżą w obrębie płatów płucnych. Te pozapęcherzykowe tętnice kontrolują PVR poprzez kontrolę neuronalną, humoralną lub gazową. W miarę zmniejszania się naczyń zmniejsza się zawartość mięśni gładkich. Mięśnie gładkie przybierają kształt spirali i stają się tętniczkami płucnymi, które zaopatrują pęcherzyki płucne i przewody pęcherzykowe. Jeśli mięśnie gładkie przekraczają 5% średnicy zewnętrznej, uważa się je za patologiczne.
Tętnice płucne mają więcej mięśni gładkich w stosunku do żył i stanowią podstawowe miejsca zwężenia przez mediatory wazoaktywne. Kapilary są pozbawione kontroli wazomotorycznej. Czynniki, które powodują zwiększone napięcie i tym samym zwiększone PVR to: serotonina, epinefryna, noradrenalina, histamina, ATP, adenozyna, neurokinina A, endotelina, angiotensyna, tromboksan A/prostaglandyny/leukotrieny (LTB). Większość z tych czynników działa poprzez szlak sprzężony z białkiem G, który aktywuje skurcz miozyny. Neuronalnie, zwężenie płuc odbywa się pod wpływem współczulnego układu nerwowego poprzez stymulację receptorów adrenergicznych a1.
Faktory, które zmniejszają toniczność mięśni gładkich i zmniejszają PVR to acetylocholina i izoproterenol, prostacyklina (PGI), bradykinina, wazopresyna, ANP, substancja P, VIP, histamina (podczas odpowiedzi adrenalinowej). Większość z tych czynników działa poprzez aktywację cyklicznego adenozyno-3′,5′ monofosforanu (cAMP). cAMP de-fosforyluje miozynę i obniża poziom wapnia, powodując rozkurcz mięśni gładkich. Komórki śródbłonka płuc powodują relaksację poprzez produkcję tlenku azotu (NO). NO dyfunduje przez komórki mięśni gładkich, aktywuje cykliczny 3′, 5′ monofosforan guanozyny (cGMP), który powoduje relaksację mięśni gładkich poprzez dezfosforylację miozyny. Dodatkowo bodziec z przywspółczulnego układu nerwowego poprzez nerw błędny na receptory muskarynowe M w naczyniach powoduje zależną od NO wazodylatację.