Fisiologia II

Fisiologia II: l'apparato respiratorio

Introduzione all'apparato respiratorio e cardiocircolatorio

Parlare di respirazione senza parlare di sistema cardiocircolatorio è incompleto. Sono un tutt’uno, infatti negli ospedali ci sono reparti uniti, cardiotoracico, per dare luogo ad un’attività che dia luogo ad un’unica funzione: assistere le cellule negli scambi gassosi. Ha lo scopo di allontanare la CO2 in prima istanza e far arrivare l’ossigeno alle cellule.

In ordine cronologico, se si definiscono le cause che portano più rapidamente a morte, quelle che coinvolgono l'apparato respiratorio sono quelle che portano l'individuo a morire più velocemente.

La correlazione tra attività metabolica e scambi gassosi

In che modo sono correlate? L’attività metabolica delle cellule richiede ossigeno e produce anidride carbonica. Il problema è tirare via la CO2 che produce acido carbonico, si abbassa il pH, cambia la funzione degli enzimi e delle pompe di membrana, rapidamente insorge la morte. Se strangolo un cane, muore di ipocapnia, eccessiva CO2 che si accumula nei tessuti, in primis nel cervello. Nell’arco di secondi avviene.

Protocolli classici e nuovi metodi

I protocolli classici:

• A B C = A = air ways B= Breath C= cardiovascular.
• A: Ispezionare le vie aeree e controllare se ci sono impedimenti.
• B: Respiro, ci si assicura che l’animale respiri. Ci si mette di ¾ e si vede se c’è escursione tra torace e addome.
• C: Cardiovascular, ci si accerta che il cuore batta. Se non batte, si attiva la procedura cardiaca.

Il nuovo metodo inizia con C, attraverso compressioni del torace.

Meccanismo di diffusione di ossigeno e CO2

Dimensioni: se si idealizza un modello di un organismo, è qualcosa separato dall’ambiente esterno. Quanto tempo ci mette l’ossigeno e la CO2 a diffondere? Specie la CO2, è piccola e apolare. Passa bene e velocemente tra le membrane. L’anidrasi carbonica catalizza la reazione che sta alla base tra acido carbonico e CO2. Esce facilmente dalle cellule guidata da un gradiente di concentrazione. La CO2 che si produce all’interno della cellula esce quindi passivamente.

La stessa cosa si è mantenuta nelle cellule degli organismi pluricellulari. È più difficile portarla fuori: c’è un sistema di condotti che porta l’aria a contatto con le cellule e questo succede per esempio negli insetti. Hanno tracheotubi, lungo la superficie del corpo, che mettono a contatto l’aria con le strutture interne dell’organismo. L’evoluzione si è inventata un mezzo liquido in cui circolano i gas, portati ad uno scambiatori che sono i polmoni, lì si attiva un meccanismo che tiene bassa la porzione di CO2 e alta la porzione di O2.

Funzioni dell'apparato respiratorio

In sintesi le funzioni:

• Scambi gassosi
• Omeostasi acido basico
• Termoregolazione
• Escrezione sostanze endogene / esogene

Ciò mantiene attiva la funzione della respirazione.

Ipercapnia e ipossia

Ipercapnia: acidosi, problemi; ipossia: mancanza di ossigeno: scarsa capacità delle cellule di usare ossigeno, sarà messo in crisi il metabolismo cellulare. Questo può essere o meno un problema. Un’ipossia controllata e temporanea non crea problemi. Se io corro per 3000 metri, non essendo allenato, sto male e soffro e vado in ipossia. Non muoio però. L’organismo sa come switchare la situazione.

In questo caso succede che il prodotto finale del metabolismo cellulare sarà il lattato. Si fa la corsa, sviluppa metabolismo anaerobico, finisce la corsa e il lattato viene riconvertito e tramite il fegato e riconvertito.

Se l’ipossia è patologica e cronica, si avranno problemi. Può essere dovuto a mille fattori. La prima risorsa per risolvere il problema sarà aumentare la porzione di ossigeno in entrata. Si cerca di aumentare la porzione in entrata di ossigeno: caschi, mascherine per il covid.

Omeostasi acido basico

L’omeostasi acido basico: il polmone regola l’omeostasi. Qui solo due notazioni:

• Deviazione pH verso alto o verso il basso: acidosi o alcalosi. Possono essere dovute a due ordini di fattori: o problema respiratorio: si accumula CO2 e si abbassa pH; è un’acidosi respiratoria.
• Se ho il polmone che funziona bene ma ho un problema renale, questo controlla l’escrezione di bicarbonato, quindi avrò comunque un’acidosi ma metabolica.

Se hai vomito cronico, si vedrà che perde acidi e aumenta la quantità di basi nel sangue e si avrà un’alcalosi. Questi sistemi vedono una compensazione l’uno con l’altro. Se si ha un problema respiratorio che porta il sangue ad andare verso l’acidosi, il rene lo compensa finché riesce. Viceversa, se si ha un problema metabolico per cui si ha un aumento della produzione di CO2, il polmone tenterà di mandarla via il prima possibile. C’è un dialogo continuo tra sangue, rene e polmone.

Termoregolazione e escrezione

Contributo dell’apparato respiratorio al controllo della temperatura corporea. Fondamentale specie negli animali che non sudano, tipo il cane. Anche qui c’è una connessione importante con il sistema nervoso centrale che cerca di sfruttare al meglio i meccanismi che ha per mantenere il più possibile stabile la temperatura corporea.

L’ultima funzione di cui si parlerà en passant, appannaggio di altre materie, è l’escrezione di sostanze endogene o esogene. Un esempio noto è il palloncino che fanno i carabinieri. Si beve alcol, che è stato assorbito, arriva al fegato, trasformato in altri prodotti che arrivano nel sangue. Il circolo polmonare ha una superficie enorme che lo divide dal resto, quindi raggiungono l’aria alveolare e vengono emessi. Da qui si può arrivare alla quantità di alcol assunto.

Gli animali raramente bevono quindi ci sono altre patologie: deriva del metabolismo verso la chetoacidosi. Ci sono varie condizioni di squilibrio. C’è la produzione e l’incapacità di smaltire acetil coA, aceto acetato, beta idrossibutirrato ecc. sono a basso peso molecolare e facilmente in grado di passare nel respiro. Producono odori tipici delle condizioni patologiche.

Strutture per lo scambio gassoso

Evoluzione dei sistemi di tubi e di condotti che servono per rendere possibile lo scambio gassoso. Immagina due comparti, sangue e aria. Il sangue e l’aria sono divisi da un diaframma, una struttura che in realtà è data dalle cellule dell’endotelio capillare, poi lamina basale e poi alveolociti. Gli alveolociti morfologicamente sono piatte, praticamente bidimensionali perché essendo molto schiacciati la distanza che separa l’aria dal sangue è ridotta al minimo. Tra l’altro loro l’ultima cosa che vogliono è mettere in contatto diretto l’ambiente dell’organismo con l’aria, quindi sono schiacciati sì ma saldati con tight junctions. C’è una parete, una struttura che separa quindi.

Processi di scambio e problematiche

Le grandezze che ci dicono come avvengono gli scambi: concentrazione aria e sangue, il gradiente quindi che ha ogni molecola dentro il sangue e dentro l’aria, se le due concentrazioni sono uguali non ci sarà spostamento. Se sono diverse la termodinamica ci dice che in ragione della differenza lo spostamento andrà dalla più concentrata alla più diluita.

Si terrà conto della permeabilità delle membrane. Se hai molecola grande e polare difficilmente passa, se il diaframma cambia poi le caratteristiche di permeabilità, allora può passare.

Il flusso continuo dal ventricolo destro tiene costante la circolazione. L’aria è cambiata dalla meccanica respiratoria. I gas dagli alveoli devono entrare e uscire: per mantenere attivo il metabolismo cellulare c’è bisogno di quantità di scambi gassosi che possono essere assicurati da superficie elevata. Letto alveolare 200 m² in un individuo. È così tanto perché c’è bisogno di superficie ampia per dare luogo a questi scambi. Strutture in cui avvengono scambi gassosi e strutture di servizio che portano l’aria da e agli alveoli.

Spazi morti e patologie

Spazi morti: tutte le strutture che non comprendono gli alveoli. Ci sono problemi relativi agli spazi morti: può aumentare in condizioni patologiche: se si ha una patologia quale il Covid: polmonite interstiziale. Nella zona del polmone colpita si ha la reazione infiammatoria. Porta alla formazione di tessuto cicatriziale. Non sarà sede di scambi nutrizionali e quindi diventa spazio morto. Quando è iatrogena come situazione: anestesie gassose. Se si fa un’anestesia gassosa, l’aria che entra nel tubo, si trova a dover attraversare strutture con un volume. Comporta un aumento dello spazio morto.

Pressione e flusso d'aria

L’aria è un fluido: ha bisogno di differenza di pressione per spostarsi. Ci sono 3 condizioni quindi:

• Pressione alveolare
• Pressione atmosferica

Se uguali non ho flusso, se diverse, ho flusso. Se alveolare è inferiore, l’aria entra, se alveolare superiore, l’aria esce. Due grandezze: pressione atmosferica: si può cambiare? No. Si può cambiare solo se parlo di anestesia o rianimazione. Se devo far variare la pressione, come faccio? Faccio variare il volume dell’alveolo. Ho bisogno di una struttura contrattile. Nell’alveolo ci sono strutture contrattili che possono far cambiare il volume così da far cambiare rapporto di pressione con il volume esterno?

Struttura dell'alveolo e meccanica respiratoria

Endotelio capillare. È fatto di cellule, pneumociti di tipo I, II, cellule immunocompetenti, impalcatura lamina basale che contiene le molecole che agganciano all’endotelio vascolare. Strato sottile, un quarto di micron. Molto sottile ma le cellule sono attaccate le une alle altre altrimenti la fase liquida uscirebbe. Le piastrelle che ricoprono l’alveolo sono strette le une alle altre.

Impalcatura di connettivo e roba varia formata da fibre elastiche che assecondano le variazioni di volume della struttura. Essendo elastiche sono deformabili. Per cui si ha una necessità di dare luogo a variazione di volume dell’alveolo per causare una differenza di pressione e quindi un flusso. Non abbiamo però una struttura muscolare quindi ci si appoggia a chi le ha. Ovvero la gabbia toracica che è fatta di struttura ossea e struttura muscolare.

Per cui saranno le variazioni di volume del torace a ripercuotersi sul polmone, a dilatarlo e farlo tornare su se stesso. Il polmone è attaccato al torace? No. Tra polmone e torace c’è la pleura, parietale e viscerale. Nel cavo pleurico c’è il liquido pleurico e un po’ di “vuoto”. C’è una sorta di sottovuoto che tiene attaccato il polmone al torace. Il torace si dilata, si porta dietro il polmone e questo dà luogo ad un aumento di volume dell’alveolo.

Elasticità e compliance

L’elasticità deve essere entro un range definito, perché se è troppa o troppo poca funziona male. Non parleremo di elasticità: perché l’elasticità è un concetto che nel linguaggio comune è espresso in modo diverso dai fisici. I fisici dicono che è la capacità di un solido di recuperare la forma iniziale dopo sollecitazione meccanica.

Si parla quindi di compliance: DV/DP : cambiamento di volume che viene riscontrato in un alveolo nel momento in cui applico una pressione. Più è elastico, più a parità di pressione, si deforma. Più tende a modificare la propria forma, più la compliance è alta.

Componenti funzionali del sistema respiratorio

Naso, cavità orale, seni, vie aeree (trachea, bronchi, bronchioli fino agli alveoli) ma anche altre strutture che formano un tutt’uno funzionale (parete torace, le basi ossee del torace, del collo, degli arti anteriori e le strutture muscolari che definiscono in primo luogo la cavità toracica che rendono completa la parete toracica: diaframma, elevatori coste, intercostali esterni ed interni, retrattore delle coste, gran dentato, trapezio, scaleno, sternocefalico, brachiocefalico che gira la testa e spinge in avanti lo sterno nel momento in cui si contrae.

Pattern respiratori

2 pattern respiratori:

• Quello a riposo
• Quello sotto sforzo

Rientra nella valutazione attitudinale dell’animale sportivo. Se un animale usa un pattern respiratorio come se fosse respiratorio ma non lo è, c’è qualcosa che non va.

Integrazione tra funzione respiratoria e metabolismo

Due concetti vagamente importanti per quello che riguarda l’integrazione tra funzione respiratoria e metabolismo: la quantità che esprime l’intensità delle reazioni chimiche, del fabbisogno di energia in termini di ossigeno e nutrienti, è riferibile al metabolismo. Da un punto di vista analitico, l’entità di queste reazioni è misurata sottoforma di quantità di ossigeno misurato. Si mettono in camera metabolica, stanza sigillata, e si vede quanto ossigeno consuma. Su kg di peso, definisce il metabolismo basale. Non è uguale in tutti gli animali. Più la massa dell’animale cresce, più diminuisce la quantità di ossigeno consumato per unità di massa corporea. Più è piccolo l’animale, più è intenso il metabolismo.

Ovviamente si avranno effetti importanti relativi all’attività fisica e alla composizione corporea. Attività fisica perché è ovvio che se si sta sdraiati, si consuma di meno rispetto a che si faccia attività fisica. Tessuti diversi danno luogo a valori diversi. Ci sono variabili relative all’età, al sesso e allo stato fisiologico. In ambito veterinario vengono spese per valutazione degli animali sportivi. Succedono cose interessanti, le accenniamo e basta.

Efficienza della respirazione negli animali sportivi

Nel momento in cui l’animale sviluppa un’attività motoria spinta, sincronizza la respirazione con il passo. Avremo un effetto globale di tutta la muscolatura e la postura, sull’efficienza della respirazione. Per gli animali sportivi, è limitante.

Consumo ossigeno e intensità attività motoria: ci sono limiti dati dall’efficienza meccanica del sistema. Si può fare un paragone con la funzione cardiaca. Primo intervento del cuore? Aumenta la frequenza: nel momento in cui è eiettato un certo volume di sangue, aumenta l’output cardiaco. Non può essere fatto all’infinito perché se è troppo veloce il movimento, non si riempiono bene i ventricoli, esce poco sangue. Diminuisce perché non riesce a contrarsi bene e diminuisce la pressione a livello centrale. La soglia è soggettiva a età, razza, allenamento ecc.

Metabolismo e ossigeno

È importante cosa accade sul lato metabolico. È possibile che il soggetto non sia in grado di gestire le risorse. Si può lavorare allora in anaerobiosi: se la situazione è controllata a livello di tempo e se si riesce a sostenerlo. 400 mt: corridori hanno il fiatone dopo, perché hanno accumulato CO2 e lattato. Devono evacuarlo.

Termoregolazione

Siamo omeotermi. Ipotermia, ipertermia. L’ipertermia è una risposta adattativa dell’animale a dei problemi. Se si ha un’aggressione da un virus ad esempio, l’organismo alza la temperatura per ammazzare il virus. Ipertermia conseguenza della risposta fisiologica dell’organismo ad un’aggressione virale, batterica ecc. limitata ad un certo evento quindi.

Tetano: tossina. Ci sono sistemi che tengono sotto controllo la temperatura. Vasodilatazione / vasocostrizione. Se hai freddo o ti bagni con qualcosa di freddo, scappa la pipì. Perché?

Le catecolammine ripartiscono la volemia. Si ha la messa in circolo di queste che danno vasocostrizione periferica: transitorio aumento della pressione e del flusso dei visceri: scappa pipì. I brividi? Attività metabolica cui danno luogo i muscoli, genera calore e protegge.

A noi interessa un meccanismo attivo specie negli animali che non sudano. Perché la sudorazione funziona con le ghiandole sudoripare cariche di acqua che è espulsa all’esterno. Raggiunge la superficie corporea, evapora e per dare luogo alla transizione di fase deve assorbire energia, parte dall’esterno parte dalla superficie del corpo. È ceduto calore alla massa liquida.

Meccanismi di raffreddamento negli animali

Esempio tipico: passeggiata in montagna, bagni fronte ed evaporando dà sensazione di refrigerio. Il cane usa l’evaporazione a livello di trachea: qui si hanno le cellule dell’epitelio ciliato. Sono cellule mucipare: la secrezione mucipara prevede la formazione di una rete tridimensionale che intrappola l’acqua. Si tratta di molecole che formano ponti disolfuro e formano una sorta di gel, uno strato di muco che ricopre l’apparato respiratorio.

Altra funzione: siccome sono ricche di cariche, trattengono l’acqua. Nel momento in cui il lume è pieno, evapora, cedendo calore, acquisisce calore e fa sì che la temperatura dell’animale si possa raffreddare. Meccanismo presente in tutte le vie aeree. Questo strato trattiene l’acqua che evapora e salva l’animale da ipertermia.

Non vai in alcalosi? Porti via CO2 più del normale quindi il pH del sangue dovrebbe salire. Se aumenta il pH del sangue, con un ritardo che è trasferito al liquido cefalo rachidiano che va in sofferenza, gira la testa e viene una vertigine. Come fa ad ottemperare a questa situazione? Tachipnea senza alcalosi? Come fa?