Mekanism
Flera mekanismer reglerar och bidrar till pulmonell kärlresistens. Breda kategorier inkluderar pulmonalt kärltryck, lungvolym, gravitation, tonicitet i glatt muskulatur och alveolär hypoxi.
Pulmonalt intravaskulärt tryck
När hjärtinflödet ökar, t.ex. under träning, måste lungcirkulationen anpassa sig för att tillgodose detta ökade framåtgående flöde. Därför är pulmonalt intravaskulärt tryck och pulmonalt kärlmotstånd omvänt relaterade. Experiment har visat att en ökning av det pulmonella arteriella trycket samtidigt som vänster förmaks tryck hålls konstant resulterar i en minskning av det pulmonella kärlmotståndet. Denna minskning sker via två mekanismer: kapillär rekrytering och kapillär distension.
Den första mekanismen som uppstår är kapillär rekrytering. Vid baslinjen är en del av lungkapillärerna helt eller delvis stängda och tillåter inget blodflöde. Kapillärrekrytering är öppnandet av dessa stängda kapillärer under tillstånd med ökat blodflöde. Genom att fördela flödet över en större tvärsnittsarea minskar det totala kärlmotståndet. Rekrytering sker vanligen i zon 1 i lungan (apicer), där kapillärtrycket är lägst.
Kapillär distension är den andra mekanismen och innebär att kapillärerna vidgas för att tillgodose ett ökat blodflöde. De ovulära kärlen blir mer cirkulära, vilket är den dominerande mekanismen för att upprätthålla ett lågt PVR vid högre pulmonella arteriella tryck.
Lungvolymer
Alveolära tryck och volymer påverkar i hög grad det pulmonella kärlmotståndet. Effekten av lungvolymen beror på typen av kärl. Extra-alveolära kärl löper genom lungparenkymet. Dessa kärl har glatt muskulatur och elastisk vävnad, vilket i sig minskar kärlomfånget genom att motverka distension. När lungan expanderar ökar diametern på dessa kärl genom radiell dragning av kärlväggarna. Därför är kärlmotståndet lågt vid stora lungvolymer. Under lungkollapsen ökar motståndet genom kärlen på grund av att kärlens elasticitet inte motarbetas. Det kritiska öppningstrycket är det lufttryck som krävs för att blodflödet ska kunna strömma genom extra-alveolära kapillärer. Detta begrepp är tillämpligt vid modellering av kärlmotståndet i en kollapsad lunga.
Alveolära kapillärer omfattar kapillärer och kärl i hörnet av de alveolära väggarna. Det som bestämmer mängden distension i dessa kärl är deras transmurala tryck (figur 3).
Alveolärt tryck är högst i zon 1 (nära topparna) och lägst i zon 3 (nära baserna). Vid inspiration stiger det alveolära trycket, vilket komprimerar de omgivande alveolära kapillärerna. Även med det ökade högerhjärtåterflödet i samband med inspiration minskar sträckningen och förtunnandet av de alveolära väggarna kapillärkalibern och leder i slutändan till en ökning av PVR vid stora lungvolymer. PVR är högst vid total lungkapacitet (TLC), hög vid restvolym (RV) och lägst vid funktionell restkapacitet (FRC) (figur 4).
Gravitation
Figur 5 illustrerar lungans olika zoner. PVR är störst i zon 1 eftersom det förhöjda alveolära trycket ökar det inåtriktade transmurala trycket på alveolärkapillärerna. Kapillären blir kollapsbar och motståndet ökar. PVR är lägst vid zon 3, där det arteriella trycket är högre än det alveolära trycket, vilket orsakar ett ökat utåtriktat transmuralt tryck och ökad kärlkaliber.
Alveolär hypoxi
Hypoxi i alveolerna inducerar vasokonstriktion i lungans kärlsystem. Denna homeostatiska mekanism gör det möjligt för lungorna att shunta blod till mer syresatta lungsegment, vilket möjliggör en förbättrad matchning mellan ventilation och perfusion, vilket i sin tur förbättrar syretillförseln i hela kroppen. Denna mekanism blir mycket viktig när lungorna utsätts för störande processer, t.ex. konsolidering (t.ex. lunginflammation) eller blockering i kärlsystemet (t.ex. lungemboli), vilket möjliggör lämplig kompensation. Teorin är att denna reaktion börjar på molekylär nivå där en mitokondriell sensor utnyttjar redoxkopplingsreaktioner för att förändra elasticiteten hos lungartärens glatta muskelceller (PASMC). Redoxreaktionerna leder till depolarisering av PASMC via aktivering av spänningsstyrda kalciumkanaler och hämning av kaliumkanaler, vilket leder till minskad elasticitet i arterioler i hypoxiska lungsegment. Vid ihållande hypoxi kan dessutom alternativa vägar aktiveras (t.ex. rho kinas) och frisättning av kemokiner (t.ex, hypoxiinducerbar faktor (HIF)-1alpha), vilket förstärker de vasokonstriktiva effekterna samt remodellering av kärlsystemet.
Smooth Muscle Tonicity
Generellt sett har lungcirkulationen en låg kärltonus; detta beror på att lungkärlen har proportionellt mindre glatt muskulatur jämfört med kärl med liknande diameter i andra organ. Jämfört med systemiska kärl är den glatta muskelvävnaden i lungkärlen mindre jämnt fördelad i tunica intima. Lungkärlen är också mer följsamma än systemiska artärer på grund av brist på vävnad runt små kärl, minskade elastin- och kollagenfibrer och minskat innehåll av glatt muskulatur. Ett fenomen som visas av den tryckgradient som observeras mellan höger och vänster kammare.
Pulmonalartärer är både elastiska och muskulösa. Dessa artärer innehåller glatt muskulatur i tunica media som är omgiven av inre och yttre elastiska laminae. Till dessa hör lungartärstammen, huvudgrenarna och de extra-alveolära kärlen. Större, peri-bronchiala artärer är mer muskulösa (>2 mm). De peri-bronchiala artärerna ligger inom lungloberna. Dessa extra-alveolära artärer kontrollerar PVR genom neural, humoral eller gasformig kontroll. När kärlen blir mindre minskar innehållet av glatt muskulatur. Den glatta muskulaturen får en spiralform och blir till lungarterioler som försörjer alveoler och alveolära kanaler. Om den glatta muskulaturen överstiger 5 % av den yttre diametern betraktas den som patologisk.
Lungaarterierna har mer glatt muskulatur i förhållande till venerna och utgör de primära platserna för konstriktion genom vasoaktiva mediatorer. Kapillärer saknar vasomotorisk kontroll. Faktorer som orsakar ökad tonus och därmed ökad PVR är bland annat serotonin, adrenalin, noradrenalin, histamin, ATP, adenosin, neurokinin A, endotelin, angiotensin, tromboxan A/Prostaglandiner/Leukotriener (LTB). De flesta av dessa faktorer verkar genom en G-proteinkopplad väg som aktiverar myosinkontraktion. Neuronalt står lungkonstriktionen under förmedling av det sympatiska nervsystemet genom stimulering av a1-adrenerga receptorer.
Faktorer som minskar toniciteten i glatt muskulatur och minskar PVR är bland annat acetylkolin och isoproterenol, prostacyklin (PGI), bradykinin, vasopressin, ANP, substans P, VIP, histamin (under adrenalinrespons). De flesta av faktorerna verkar genom aktivering av cykliskt adenosin 3′,5′-monofosfat (cAMP). cAMP avfosforylerar myosin och minskar kalciumnivåerna, vilket orsakar relaxation av glatt muskulatur. Pulmonella endotelceller orsakar relaxation genom produktion av kväveoxid (NO). NO diffunderar genom glatta muskelceller och aktiverar cykliskt guanosin 3′, 5′ monofosfat (cGMP), vilket orsakar relaxation av glatt muskulatur genom avfosforylering av myosin. Dessutom kan stimulans från det parasympatiska nervsystemet via vagusnerven på M-muskarinreceptorer i kärlsystemet leda till NO-beroende vasodilatation.