Bioengineering of the Respiratory System

Sistema respiratorio

Principali funzioni

• Fornire ossigeno al corpo e smaltire l'anidride carbonica
• Respirazione: devono avvenire quattro processi distinti

• Ventilazione polmonare: spostamento dell'aria dentro e fuori i polmoni
• Respirazione esterna: scambio di gas tra i polmoni e il sangue
• Trasporto: trasporto di ossigeno e anidride carbonica tra i polmoni e i tessuti
• Respirazione interna: scambio di gas tra vasi sanguigni sistemici e tessuti

L'ossigeno dagli alveoli va nella sink (mitocondri della cellula).

Sistema ventilatorio: funzioni

• Fornisce un'ampia area per lo scambio di gas tra aria e sangue
• Permette di muovere l'aria da / verso la zona di scambio gas
• Protegge le superfici respiratorie dalla disidratazione, dagli sbalzi di temperatura e da altre variazioni ambientali
• Difende se stesso e altri tessuti dall'invasione di microrganismi patogeni
• Permette la fonazione
• Aiuta la regolazione del volume / pressione sanguigna e del pH

Zone del sistema respiratorio

• Zona di conduzione: fornisce condotti rigidi per l'aria per raggiungere i siti di scambio di gas. Include tutte le altre strutture respiratorie (ad es. naso, cavità nasale, faringe, trachea).
• Zona respiratoria: sito per lo scambio dei gas, consiste nei bronchioli, condotti alveolari, alveoli.
• Muscoli respiratori: diaframma e altri muscoli che promuovono la ventilazione.

Sistema di ventilazione superiore

• Naso
• Cavità nasale
• Seni paranasali
• Faringe (filtra, riscalda e umidifica l'aria)

Apparato ventilatorio inferiore

• Laringe
• Trachea
• Bronchi
• Polmoni

Upper airways: naso

Struttura

• Diviso in due regioni:
  • Il naso esterno, tra cui la radice, il ponte, il dorso nasi e l'apice
  • La cavità nasale interna
• Filtro: un solco verticale poco profondo inferiore all'apice
• Le narici esterne (narici) sono delimitate lateralmente dalle ali

Funzione

• Fornire una via aerea per la respirazione
• Inumidire (umidificare) e riscaldare l'aria in entrata
• Filtrare l'aria inspirata e ripulirla da corpi estranei
• Serve come camera di risonanza per la parola
• Ospita i recettori olfattivi

Cavità nasale

Struttura

Si trova all'interno e posteriormente al naso esterno. È diviso da una linea mediana del setto nasale. Si apre posteriormente nella faringe nasale tramite narici interne. Le ossa etmoidali e sfenoidali formano il tetto. Il pavimento è formato dai palati duri e molli.

• Vestibolo:
  • Cavità nasale superiore alle narici
  • Vibrisse: capelli che filtrano le particelle grossolane dall'aria inspirata
• Mucosa olfattiva:
  • Riveste la cavità nasale superiore
  • Contiene recettori dell'olfatto
• Mucosa respiratoria:
  • Allinea l'equilibrio della cavità nasale
  • Le ghiandole secernono muco contenente lisozima e defensine per aiutare a distruggere i batteri

Funzione

• L'aria ispirata è umidificata dall'elevato contenuto di acqua nella cavità nasale e riscaldata da ricchi plessi di capillari
• Le cellule della mucosa ciliata rimuovono il muco contaminato
• Conca superiore, mediale e inferiore:
  • Sporgono medialmente dalle pareti laterali
  • Aumentano l'area della mucosa
  • Migliorano la turbolenza dell'aria e aiutano a filtrare l'aria
• La mucosa sensibile innesca gli starnuti quando stimolata da particelle irritanti

Mucosa nasale e conca: durante l'inalazione la conca (cornettoparanasale) e la mucosa nasale filtrano, riscaldano e umidificano l'aria. Durante l'esalazione recuperano calore e umidità; minimizzano la perdita di calore e idratazione.

Seni paranasali

Sono situati nelle ossa che circondano la cavità nasale. I seni alleggeriscono il cranio e aiutano a riscaldare e inumidire l'aria.

Faringe

Tubo a forma di imbuto del muscolo scheletrico che si collega:

• Superiormente a cavità nasale e bocca
• Inferiormente a laringe ed esofago

Si estende dalla base del cranio al livello della sesta vertebra cervicale. È diviso in tre regioni:

• Nasofaringe
• Orofaringe
• Laringofaringe

Nasofaringe

Si trova posteriormente alla cavità nasale, inferiore allo sfenoide e superiore al livello del palato molle. Rigorosamente un passaggio aereo, è foderato con epitelio colonnare pseudostratificato. Si chiude durante la deglutizione per impedire al cibo di entrare nella cavità nasale. La tonsilla faringea si trova in alto sulla parete posteriore. I tubi faringotimpanici (uditivi) si aprono nelle pareti laterali.

Orofaringe

Si estende inferiormente dal livello del palato molle all'epiglottide. Si apre alla cavità orale tramite un arco chiamato fauces. Funge da passaggio comune per cibo e aria. Il rivestimento epiteliale è un epitelio squamoso stratificato protettivo. Le tonsille palatine si trovano nelle pareti laterali delle fauce. La tonsilla linguale copre la base della lingua.

Laringofaringe

Funge da passaggio comune per cibo e aria. Si trova posteriormente all'epiglottide eretta e si estende alla laringe, dove le vie respiratorie e digestive divergono.

Ventilazione meccanica nelle ICU

The circuit of a typical ICU mechanical ventilator: il tubo viene inserito nella trachea. Bisogna umidificare l'aria tramite un umidificatore, riscaldarla e filtrarla. Viene spinta aria nel sistema con una pressione positiva. L'aria che esce dalla sorgente è fredda e secca dunque bisogna riscaldarla e umidificarla grazie a un calorifero. Dall'altro lato, il gas nei polmoni ha determinate condizioni mentre all'uscita dell'umidificatore ve ne sono altre. Prima di entrare nel paziente, l'aria subirà ulteriori modifiche. L'umidificatore sostituisce le funzioni del tratto respiratorio superiore. Non è complicato ma bisogna controllarlo affinché funzioni efficientemente.

Laringe: struttura

• Attaccata all'osso ioide e aperta superiormente nella laringofaringe
• Continua posteriormente con la trachea, legata dal legamento cricotracheale e critiroidale

Cartilaginea (ialina) della laringe:

• Cartilagine anterosuperior tiroidea a forma di scudo con prominenza laringea sulla linea mediana (pomo di Adamo)
• Cartilagine anteroinferior cricoide a forma di anello con sigillo
• Tre paia di piccole cartilagini aritenoidi, cuneiformi e corniculari

Epiglottide: cartilagine elastica che copre l'ingresso laringeo durante la deglutizione.

Funzioni della laringe

• Provvedere a una via aerea aperta
• Agire come un meccanismo di commutazione per instradare aria e cibo nei canali appropriati
• Per funzionare nella produzione vocale

Inoltre, la laringe ha funzioni sfintere:

• È chiuso durante la tosse, gli starnuti e la manovra di Valsalva (manovra di compensazione forzata dell'orecchio medio).

La tosse non è solo un riflesso, è importante per rimuovere le secrezioni. In alcuni situazioni, per esempio distrofia muscolare o altre malattie, la tosse non avviene e si possono avere più frequentemente infezioni della laringe. Questa funzione di sfintere è permessa da legamenti (corde vocali) che chiudono la glottide. Agisce durante la manovra di Valsalva. L'aria viene trattenuta temporaneamente nel tratto respiratorio inferiore chiudendo la glottide, fa aumentare la pressione intra-addominale quando i muscoli addominali si contraggono, aiuta a svuotare il retto e funge da stecca per stabilizzare il tronco durante il sollevamento di carichi pesanti.

Legamenti vocali

Attacca le cartilagini aritenoidi alla cartilagine tiroidea. Composto da fibre elastiche che formano pieghe della mucosa chiamate corde vocali vere. L'apertura mediale tra di loro è la glottide. Vibrano per produrre il suono quando l'aria esce dai polmoni.

False corde vocali: pieghe mucose superiori alle corde vocali vere. Non hanno parte nella produzione del suono.

Esempi di funzioni

Tosse: la tosse inizia con un'ispirazione, la glottide si apre, entra aria nei polmoni. Successivamente la glottide si chiude e i muscoli comprimono l'aria nei polmoni. Successivamente la glottide è aperta improvvisamente e l'aria complessa è rapidamente espulsa come un getto. Le particelle sono espulse. Bisogna avere dei muscoli respiratori efficienti e una buona sincronizzazione tra le varie fasi.

Nella produzione vocale, i polmoni sono come un serbatoio d'aria in cui i muscoli agiscono per esempio nell'inspirazione. La trachea è una sorta di tubo che connette il serbatoio alle cavità per l'aria passando per le corde vocali nella faringe. Successivamente l'aria si divide in due cavità parallele: naso e bocca.

Fonazione

La camera è una camera in cui si misura la pressione dei polmoni. Poiché è una camera chiusa, ogni variazione sarà trasmessa. Leggendo un testo o parlando si ha un'ispirazione e poi un'espirazione lenta e a volume costante.

Deglutizione

La deglutizione, come il parlare e la tosse, si verifica principalmente durante l'espirazione. A differenza del parlare e della tosse, che di solito sono associati ad un aumento della ventilazione o del volume corrente, la deglutizione non ha alcun effetto sulla ventilazione o sul volume corrente, sebbene la respirazione diventi più irregolare. Nella maggior parte degli esseri umani sani, la deglutizione segue uno sforzo espiratorio incompleto e avviene con la glottide chiusa dalle corde vocali e schermata dall'epiglottide. La deglutizione coincide con un periodo di apnea ed è seguita da un ulteriore sforzo espiratorio. Si ha un aumento dell'EMG del diaframma durante l'ispirazione, successivamente si ha una piccola espirazione e poi una sorta di apnea in cui nella parte centrale abbiamo una deglutizione faringale in cui si ha l'uso del diaframma per assistere la deglutizione, contraendosi aiuta a mantenere costante la pressione nei polmoni per non avere flusso respiratorio. Si ha un cambiamento della pressione nella cavità faringale, la pressione aumenta durante la deglutizione. Poi si ha l'espirazione.

Vie aeree

Sono composte da più parti. La funzione principale delle parti più profonde dell'albero bronchiale è lo scambio gassoso. Dalla trachea si hanno poi i bronchi primari, sempre più piccoli, fino ad arrivare ai bronchioli che terminano con gli alveoli. Si passa da un'area di 2.5 cm² a più di 10⁶ cm². La trachea fornisce aria a entrambi i polmoni, successivamente ogni bronco supplirà ciascun lato dei polmoni. Quindi proseguendo avremo una sempre più piccola area da rifornire. La trachea e la prima generazione di bronchi hanno una cartilagine a forma di U, successivamente una cartilagine con una forma irregolare e dai bronchioli in poi si ha l'assenza di cartilagine.

Trachea

La trachea inizia dopo la laringe fino alla carena, dove la trachea si divide nei due bronchi. È formata da tessuto cartilagineo ialino di forma a C uniti da tessuto connettivo fibroelastico che conferisce flessibilità permettendo di non chiudere le vie nonostante i cambi di pressione. Nella parte posteriore, a contatto con l'esofago, non è presente cartilagine ma solo uno strato di muscolo che permette di modificare il lume della trachea e far espandere l'esofago durante il passaggio di cibo e l'espulsione di cibo. La parete della trachea ha strati comuni a molti organi tubolari: filtra, riscalda e inumidisce l'aria in ingresso.

• Membrana mucosa (epitelio pseudostratificato con ciglia e lamina propria con foglio di elastina): ha il compito di espellere il muco attraverso la faringe grazie anche allo strato di soluzione salina acquosa.
• Submucosa (contiene ghiandole sieromucose): intrappola le particelle inalate.
• Adventizia (tessuto connettivo che contiene le cartilagini tracheali).

Zona di conduzione: bronchi

La carena dell'ultima cartilagine tracheale segna la fine della trachea e l'inizio dei bronchi destro e sinistro. L'aria che raggiunge i bronchi è:

• Calda e purificata dalle impurità
• Saturo di vapore acqueo, i gas che entrano nei polmoni sono modificati non solo nelle condizioni termodinamiche ma anche in umidità e composizione dei gas.

I bronchi si suddividono in bronchi secondari (o lobari) (3 nel polmone destro, 2 nel polmone sinistro), ciascuno dei quali fornisce un lobo dei polmoni. I bronchi lobari si ramificano in terziari = bronchi segmentari. Continua a dividere: circa 23 volte.

Albero bronchiale

Le pareti tissutali dei bronchi imitano quella della trachea. Man mano che i tubi conduttori diventano più piccoli, si verificano cambiamenti strutturali.

• Le strutture di supporto della cartilagine cambiano (placche cartilaginee, non anelli, poi scompaiono).
• I tipi di epitelio cambiano (da colonnare pseudostratificato a colonnare semplice a cuboide semplice senza muco o ciglia).
• La quantità di muscolo liscio aumenta:

• Rilassamento simpatico ("broncodilatazione"), costrizione parasimpatica ("broncocostrizione").

La contrizione di questi muscoli ha un effetto negativo perché dà una resistenza al passaggio dell'aria. In caso di asma, questi muscoli sono troppo sensibili dunque si ha una contrazione esagerata. Bronchioli (diametro <1 mm): sono costituiti da epitelio cuboide, hanno uno strato completo di muscolatura liscia circolare, mancano di supporto cartilagineo e cellule che producono muco.

Bronchioli terminali (diametro <0,5 mm)

Zona respiratoria

Definito dalla presenza di alveoli; inizia quando i bronchioli terminali si alimentano nei bronchioli respiratori. I bronchioli respiratori conducono ai dotti alveolari, quindi ai gruppi terminali di sacche alveolari composte da alveoli. Circa 300 milioni di alveoli:

• Rappresenta la maggior parte del volume dei polmoni
• Fornisce un'enorme superficie per lo scambio di gas

Nei dotti alveolari abbiamo una sorta di singoli alveoli che condividono un'entrata di aria. La sacca alveolare contiene una membrana atta allo scambio gassoso. Dall'immagine SEM vediamo che si ha per la maggior parte vuoto. La densità dei polmoni è circa -60 (considerando una scala in cui la densità dell'acqua è 0). In casi patologici questa densità può aumentare a causa dell'ingresso di acqua nei polmoni, per esempio nell'enfisema polmonare si ha un aumento di muco e distruzione dei tessuti alveolari.

Membrana respiratoria

La barriera aria-sangue è composta da:

• Pareti alveolari e capillari
• Le loro lamine basali fuse

Alveoli

• Circondati da sottili fibre elastiche
• Contengono i pori aperti che:
  • Collegano alveoli adiacenti
  • Consentono di equalizzare la pressione dell'aria in tutto il polmone
• Contengono Macrofagi che mantengono sterili le superfici alveolari

Pareti alveolari: singolo strato di cellule epiteliali di tipo I, consentono lo scambio di gas per semplice diffusione, secernono l'enzima di conversione dell'angiotensina (ACE). Le cellule di tipo II secernono tensioattivo. All'interfaccia alveolo/capillare abbiamo scambio gassoso. Vi sono cellule di tipo I dell'epitelio squamoso. La membrana basale è costituita dalla fusione di epitelio alveolare e endotelio capillare. L'ossigeno viene trasportato dall'emoglobina, l'altro è disciolto nel plasma. Partendo dalla trachea fino agli alveoli si ha un cambiamento dell'epitelio. Da un epitelio pseudo stratificato fino all'epitelio alveolare privo di cellule epiteliali ma solo cellule di tipo I.

Polmoni

I polmoni sono formati dai canali aerei e dal tessuto polmonare. I polmoni occupano tutta la cavità toracica tranne il mediastino (spazio mediano della cavità toracica, compreso tra due polmoni).

• Radice: sito di attacco vascolare e bronchiale
• Superficie costale: superfici anteriore, laterale e posteriore a contatto con le costole
• Apice: punta superiore stretta
• Base: superficie inferiore che poggia sul diaframma
• Hilo: rientranza che contiene vasi sanguigni polmonari e sistemici
• Incavo cardiaco: cavità che accoglie il cuore

Polmone sinistro: separato nei lobi superiore e inferiore dalla fessura obliqua, è più piccolo del destro. Polmone destro: separato in tre lobi dalle fessure oblique e orizzontali. I vasi sanguigni e le vie aeree entrano nei polmoni nell'hilo. Forma la radice dei polmoni. Coperto dalla pleura (il parietale diventa viscerale).

Segmenti e lobuli broncopolmonari

• Ogni lobo è costituito da segmenti broncopolmonari separati da un denso tessuto connettivo
• Ogni segmento riceve aria da un bronco segmentale (terziario) individuale
• Circa 10 segmenti broncopolmonari in ciascun polmone
• Limita la diffusione dell'infezione
• Possono essere rimossi più facilmente perché solo i piccoli vasi si estendono su segmenti

La più piccola suddivisione vista ad occhio nudo è il lobulo: esagonale in superficie, dimensioni di una gomma di matita, servito da un grande bronchiolo e dai suoi rami. Sul tessuto connettivo è visibile del carbonio nero che separa i singoli lobuli nei fumatori e negli abitanti delle città.

Pleura

Sierosa sottile a doppio strato.

• Pleura parietale:
  • Copre la parete toracica e la faccia superiore del diaframma
  • Continua intorno al cuore e tra i polmoni
• Pleura viscerale o polmonare:
  • Copre la superficie polmonare esterna
  • Divide la cavità toracica in tre camere: il mediastino centrale e due scomparti laterali