Pathophysiologie der Atmung unter besonderer Berücksichtigung schlafbezogener Atmungsstörungen

Zusammenfassung

Die regelmäßige Ein- und Ausatmung wird durch ein verzweigtes Netzwerk respiratorischer Neurone im Hirnstamm gesteuert, das auf unspezifische und spezifische Atmungsantriebe wie Sauerstoffmangel- und CO₂-Empfindlichkeit angewiesen ist. Das respiratorische Netzwerk und die Atmungsantriebe mit ihrer Wirkung auf die Atmung unterliegen charakteristischen Veränderungen beim Übergang vom Wachen zum Schlafen und in den verschiedenen Schlafstadien, die eine Destabilisierung der Atmung im Schlaf begünstigen. Vom Hirnstamm geht auch die atemsynchrone Innervation der dilatierenden und versteifenden Rachenmuskeln aus. Auch diese Aktivität wie der durch lokal-reflektorische Mechanismen gesteuerte basale Tonus der Pharyngealmuskulatur unterliegt typischen Schwankungen in den verschiedenen Wach- und Schlafphasen, die zu einer Widerstandserhöhung der oberen Atemwege im Schlaf führen. Während bei Gesunden diese schlafbezogenen Besonderheiten kompensiert werden und der Gasaustausch im Schlaf kaum behindert ist, kommt es im Krankheitsfall zu erheblichen Störungen der Ventilation und damit der Blutgase und des Schlafes, der dadurch seinen Erholungseffekt einbüßt. Hierzu zählen die zentrale Hypoventilation, das zentrale Apnoe-Hypopnoe-Syndrom sowie das obstruktive Apnoe-Hypopnoe-Syndrom. Dank der intensiven Ursachensuche liegt mittlerweile ein detailliertes Bild über die pathophysiologischen Mechanismen der Entstehung und Aufrechterhaltung der schlafbezogenen Atmungsstörungen vor.

Schlüsselwörter

Atmungsregulation - Atmungsantriebe - Schlaf - Obstruktion der oberen Atemwege - Hypoventilation - zentrale Schlafapnoe

Literatur

• 1 Rasche K. Nächtliche Hypoxämien bei chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen. Stuttgart, New York; Thieme 1996
• 2 Richter D W. Neural regulation of respiration: Rhythmogenesis and afferent control. In: Greger R, Windhorst U (eds) Comprehensive Human Physiology. Berlin, Heidelberg; Springer 1996: 2079-2095
• 3 de Geus E J, Posthuma D, Kupper N. et al . A whole-genome scan for 24-hour respiration rate: a major locus at 10q26 influences respiration during sleep.  Am J Hum Genet. 2005;  76 100-111
• 4 Peyron C, Tighe D K, van den Pol A N. et al . Neurons containing hypocretin (orexin) project to multiple neuronal systems.  Journal of Neuroscience. 1998;  18 9996-10 015
• 5 Pan L G, Forster H V, Martino P. et al . Important role of carotid afferents in control of breathing.  J Appl Physiol. 1998;  85 1299-1306
• 6 Schläfke M E. Central chemosensitivity: A respiratory drive.  Rev Physiol Biochem Pharmacol. 1981;  90 172-244
• 7 Schläfke M E, Schäfer C, Schäfer T. Das Undine-Syndrom als kongenitales zentrales Hypoventilationssyndrom (CCHS).  Somnologie. 1999;  3 128-133
• 8 Krimsky W R, Leiter J C. Physiology of breathing and respiratory control during sleep.  Semin Respir Crit Care Med. 2005;  26 5-12
• 9 Nattie E. Multiple sites for central chemoreception: their roles in response sensitivity and in sleep and wakefulness.  Respir Physiol. 2000;  122 223-235
• 10 Foutz A S, Boudinot E, Morin-Surun M P, Champagnat J, Gonsalves S F, Denavit-Saubié M. Excitability of „silent” respiratory neurons during sleep-waking states: An iontophoretic study in undrugged chronic cats.  Brain Res. 1987;  404 10-20
• 11 Schäfer T, Schläfke M E. Respiratory changes associated with rapid eye movements in normo- and hypercapnia during sleep.  J Appl Physiol. 1998;  85 2213-2219
• 12 Dempsey J A, Smith C A, Harms C A, Chow C M, Saupe K W. Sleep-induced breathing instability - State of the art review.  Sleep. 1996;  19 236-247
• 13 Badr M S, Skatrud J B, Dempsey J A. Determinants of poststimulus potentiation in humans during NREM sleep.  J Appl Physiol. 1992;  73 1958-1971
• 14 Skatrud J B, Dempsey J A. Interaction of sleep state and chemical stimuli in sustaining rhythmic ventilation.  J Appl Physiol. 1983;  55 813-822
• 15 Dempsey J A, Smith C A, Przybylowski T. et al . The ventilatory responsiveness to CO(2) below eupnoea as a determinant of ventilatory stability in sleep.  J Physiol. 2004;  560 1-11
• 16 Leevers A M, Simon P M, Xi L, Dempsey J A. Apnoea following normocapnic mechanical ventilation in awake mammals - a demonstration of control system inertia.  J Physiol. 1993;  472 749-768
• 17 Iber C, Simon P, Skatrud J B. et al . The Breuer-Hering reflex in humans: effects of pulmonary denervation and hypocapnia.  Am J Respir Crit Care Med. 1995;  152 217-224
• 18 Douglas N J, White D P, Weil J V. et al . Hypoxic ventilatory response decreases during sleep in normal men.  Am Rev Respir Dis. 1982;  125 286-289
• 19 White D P, Douglas N J, Pickett C K, Weil J V, Zwillich C W. Hypoxic ventilatory response during sleep in normal premenopausal women.  Am Rev Respir Dis. 1982;  126 530-533
• 20 Tarbichi A G, Rowley J A, Shkoukani M A, Mahadevan K, Badr M S. Lack of gender difference in ventilatory chemoresponsiveness and post-hypoxic ventilatory decline.  Respir Physiol Neurobiol. 2003;  137 41-50
• 21 Douglas N J, White D P, Weil J V, Pickett C K, Zwillich C W. Hypercapnic ventilatory response in sleeping adults.  Am Rev Respir Dis. 1982;  126 758-762
• 22 Raschke F, Möller K H. Untersuchungen zur Tagesrhythmik der Chemosensitivität und deren Beitrag zu nächtlichen Atmungsregulationsstörungen.  Pneumologie. 1989;  43 568-571
• 23 Spengler C M, Czeisler C A, Shea S A. An endogenous circadian rhythm of respiratory control in humans.  Journal of Physiology - London. 2000;  526 683-694
• 24 Schäfer T. Variability of vigilance and ventilation. Studies on the control of respiration during sleep.  Resp Physiol. 1998;  114 37-48
• 25 Schäfer T, Schläfke M E. Variability of CO₂-sensitivity during sleep.  Adv Exp Med Biol. 2001;  499 459-463
• 26 White D P, Douglas N J, Pickett C K, Zwillich C W, Weil J V. Sleep deprivation and the control of ventilation.  Am Rev Respir Dis. 1983;  128 984-986
• 27 Fouke J M, Teeter J P, Strohl K P. Pressure-volume behavior of the upper airway.  J Appl Physiol. 1986;  61 912-918
• 28 Malhotra A, Pillar G, Fogel R B. et al . Genioglossal but not palatal muscle activity relates closely to pharyngeal pressure.  Am J Respir Crit Care Med. 2000;  162 1058-1062
• 29 Mortimore I L, Douglas N J. Palatopharyngeous has respiratory activity and responds to negative pressure in sleep apnoeics.  Eur Resp J. 1996;  9 773-778
• 30 Fogel R B, Malhotra A, Shea S A, Edwards J K, White D P. Reduced genioglossal activity with upper airway anesthesia in awake patients with OSA.  J Appl Physiol. 2000;  88 1346-1354
• 31 Mezzanotte W S, Tangel D J, White D P. Influence of sleep onset on upper-airway muscle activity in apnea patients versus normal controls.  Am J Respir Crit Care Med. 1996;  153 1880-1887
• 32 Pillar G, Malhotra A, Fogel R B. et al . Upper airway muscle responsiveness to rising PCO(2) during NREM sleep.  J Appl Physiol. 2000;  89 1275-1282
• 33 Worsnop C, Kay A, Pierce R, Kim Y, Trinder J. Activity of respiratory pump and upper airway muscles during sleep onset.  J Appl Physiol. 1998;  85 908-920
• 34 Tangel D J, Mezzanotte W S, White D P. Influence of sleep on tensor palatini EMG and upper airway resistance in normal men.  J Appl Physiol. 1991;  70 2574-2581
• 35 Tangel D J, Mezzanotte W S, White D P. Influences of NREM sleep on activity of palatoglossus and levator palatini muscles in normal men.  J Appl Physiol. 1995;  78 689-695
• 36 Verse T, Pirsig W, Maurer J T, Hörmann K, Stuck B A. Influence of elevated versus flat upper body position on objective snoring intensity. A case report.  Somnologie. 2004;  8 151-154
• 37 Macey P M, Woo M A, Macey K E. et al . Hypoxia reveals posterior thalamic, cerebellar, midbrain, and limbic deficits in congenital central hypoventilation syndrome.  J Appl Physiol. 2005;  98 958-969
• 38 Harper R M, Macey P M, Woo M A. et al . Hypercapnic exposure in congenital central hypoventilation syndrome reveals CNS respiratory control mechanisms.  J Neurophysiol. 2005;  93 1647-1658
• 39 American Academy of Sleep Medicine Task Force . Sleep-related breathing disorders in adults: recommendations for syndrome definition and measurement techniques in clinical research. The Report of an American Academy of Sleep Medicine Task Force.  Sleep. 1999;  22 667-689
• 40 de Backer W A. Central sleep apnea.  Eur Respir Mon. 1998;  10 266-284
• 41 Khoo M CK, Kronauer R E, Strohl K P, Slutsky A S. Factors inducing periodic breathing in humans: A general model.  J Appl Physiol. 1982;  53 644-659
• 42 Khoo M CK, Berry R B. Modeling the interaction between arousal and chemical drive in sleep-disordered breathing.  Sleep. 1996;  19 S167-S169
• 43 Xie A L, Rutherford R, Rankin F, Wong B, Bradley T D. Hypocapnia and increased ventilatory responsiveness in patients with idiopathic central sleep apnea.  Am J Respir Crit Care Med. 1995;  152 1950-1955
• 44 Javaheri S. Central sleep apnea-hypopnea syndrome in heart failure: prevalence, impact, and treatment.  Sleep. 1996;  19 S229-S231
• 45 Hanly P, Zuberi N, Gray R. Pathogenesis of cheyne-stokes respiration in patients with congestive heart failure.  Chest. 1993;  104 1079-1084
• 46 Schulz R, Baseler G, Ghofrani H A, Grimminger F, Olschewski H, Seeger W. Nocturnal periodic breathing in primary pulmonary hypertension.  Eur Respir J. 2002;  19 658-663
• 47 Badr M S, Toiber F, Skatrud J B, Dempsey J A. Pharyngeal narrowing/occlusion during central sleep apnea.  J Appl Physiol. 1995;  78 1806-1815
• 48 Schwartz A R, Smith P L, Wise R A, Gold A R, Permutt S. Induction of upper airway occlusion in sleeping individuals with subatmospheric nasal pressure.  J Appl Physiol. 1988;  64 535-542
• 49 Grunstein R R. Metabolic aspects of sleep apnea.  Sleep. 1996;  19 S218-S220
• 50 Schwab R J, Gupta K B, Gefter W B, Metzger L J, Hoffman E A, Pack A I. Upper airway and soft tissue anatomy in normal subjects and patients with sleep-disordered breathing - Significance of the lateral pharyngeal walls.  Am J Respir Crit Care Med. 1995;  152 1673-1689
• 51 Schwab R J. Properties of tissues surrounding the upper airway.  Sleep. 1996;  19 S170-S174
• 52 Martin S E, Mathur R, Marshall I, Douglas N J. The effect of age, sex, obesity and posture an upper airway size.  Eur Resp J. 1997;  10 2087-2090
• 53 Fitzpatrick M F, McLean H, Urton A M, Tan A, O’Donnell D, Driver H S. Effect of nasal or oral breathing route on upper airway resistance during sleep.  Eur Respir J. 2003;  22 827-832
• 54 Fogel R B, Malhotra A, Pillar G. et al . Genioglossal activation in patients with obstructive sleep apnea versus control subjects. Mechanisms of muscle control.  Am J Respir Crit Care Med. 2001;  164 2025-2030
• 55 Malhotra A, Fogel R B, Edwards J K, Shea S A, White D P. Local mechanisms drive genioglossus activation in obstructive sleep apnea.  Am J Respir Crit Care Med. 2000;  161 1746-1749
• 56 Kimoff J, Sforza E, Champagne V, Ofiara L, Gendron D. Upper airway sensation in snoring and obstructive sleep apnea.  American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 2001;  164 250-255
• 57 Macey K E, Macey P M, Woo M A. et al . Inspiratory loading elicits aberrant fMRI signal changes in obstructive sleep apnea.  Respir Physiol Neurobiol. 2005;  DOI: 10.1016/j.resp.2005.05.024
• 58 Wellman A, Jordan A S, Malhotra A. et al . Ventilatory control and airway anatomy in obstructive sleep apnea.  Am J Respir Crit Care Med. 2004;  170 1225-1232
• 59 Pae E K, Wu J, Nguyen D, Monti R, Harper R M. Geniohyoid muscle properties and myosin heavy chain composition are altered after short-term intermittent hypoxic exposure.  J Appl Physiol. 2005;  98 889-894
• 60 Bradford A, McGuire M, O’Halloran K D. Does episodic hypoxia affect upper airway dilator muscle function? Implications for the pathophysiology of obstructive sleep apnoea.  Respir Physiol Neurobiol. 2005;  147 223-234