Appunti esame fisiologia generale

Capacità polmonare e muscoli respiratori

La capacità polmonare può essere volontariamente spostata; diminuisce con l'età perché i muscoli si indeboliscono e i polmoni sono meno elastici. La capacità polmonare totale (CPT) = CV + VR = 5.8 L rappresenta il massimo volume d'aria contenuto nei polmoni; è controllato dai muscoli inspiratori. Il volume residuo (VR) è controllato invece dai muscoli espiratori che si contraggono per diminuire il volume polmonare. Ad un certo punto la retroazione elastica della gabbia toracica si oppone ad una ulteriore diminuzione. Il VR è raggiunto quando i muscoli espiratori non riescono a ridurre ulteriormente il volume.

La capacità funzionale residua (CFR) = VRE + VR = 2.3 L rappresenta il volume al termine di una normale espirazione. Rappresenta il risultato dell'equilibrio tra forze di retroazione opposte: polmone verso l'interno e gabbia toracica verso l'esterno. Ogni variazione di volume rispetto alla CFR prevede lo sviluppo di forza muscolare.

Per volumi maggiori di CFR è necessario vincere la forza di retroazione elastica del polmone, attraverso la muscolatura inspiratoria. Per volumi minori di CFR è necessario attivare la muscolatura espiratoria.

È possibile misurare il volume residuo con diluizione dell'elio. Si riempie uno spirometro con un volume noto di una miscela di aria ed elio a concentrazione nota, QE1 = C × V1, dove V1 è il volume dello spirometro e QE1 sta per quantità di elio. Dopo un'espirazione normale, il soggetto viene collegato allo spirometro e comincia a respirare la miscela che si mescola con l'aria rimasta nel polmone (V2, CFR). L'elio si diluisce nella CFR, che può essere valutata dal grado di diluizione dell'elio, dove V2 è CFR. QE2 = C2(V1 CFR).

Essendo all'equilibrio, e quindi QE1 = QE2, C × V1 = C2(V1 + CFR). Elasticità polmonare: l'aumento di volume della gabbia toracica e...

Il polmone è contrastato dalla difficoltà dei tessuti a distendersi (resistenze elastiche) e dalla resistenza offerta al flusso di aria nelle vie aeree (resistenze non elastiche). I polmoni sono strutture elastiche che tendono a ritornare nella loro posizione iniziale dopo essere stati stirati. L'elasticità del tessuto polmonare è dovuta all'elastina. Fibre di elastina possono essere stirate fino al doppio della loro lunghezza di riposo. La geometria della loro disposizione favorisce la resistenza. Insieme alle fibre di collagene formano una rete attorno alle pareti alveolari. Le fibre di collagene resistono allo stiramento e limitano la distensione polmonare ai volumi più elevati. Per valutare l'elasticità del sistema toraco-polmonare si utilizzano le curve pressione-volume del sistema toraco-polmonare a rilasciamento. La curva verde si riferisce alle 2 strutture torace e polmone accoppiate grazie alla pleura e senza il ruolo dei muscoli.

l'andamento di questa curva dipende quindi unicamente dalle proprietà elastiche del polmone. La curva blu rappresenta solo il torace mentre la curva rossa rappresenta solo il polmone. La curva pressione-volume riflette le proprietà elastiche di polmone e torace: a ogni volume la pressione è la somma algebrica delle pressioni di polmone e torace. La pendenza della curva V-P definisce la compliance. C = ⅆV ∕ ⅆP Queste curve sono generate con l'esclusione dell'attività muscolare. Ciò può essere realizzato in diversi modi, ad esempio attraverso il blocco della trasmissione colinergica e l'intubazione endotracheale a un sistema di pompe per immettere nei polmoni volumi di gas a pressione nota. Se la pressione alveolare è uguale alla pressione atmosferica, allora il volume d'equilibrio è pari alla capacità funzionale residua (CFR). Alternativamente si può ottenere che se la pressione alveolare

è maggiore/ minore dellapressione atmosferica allora il volume polmonare aumenta/ diminuisce. La compliance èmassima intorno alla capacità funzionale residua (CFR, volume d’equilibrio) e diminuisceall’aumentare o al diminuire del volume. L’efficacia della respirazione è massima per levariazioni che si verificano nella respirazione tranquilla.Quando ci si allontana dal volume di equilibrio (CFR), sia aumentando che riducendo ilvolume polmonare, si compie lavoro W. In caso di aumento del volume i muscoliinspiratori compiono W mentre nel caso in cui il volume è minore di CFR allora i muscoliespiratori compiono W. L’espirazione tranquilla è passiva e non c’è W dall’esterno. Ilsistema toraco-polmonare si muove verso il suo punto di equilibrio grazie all’energiaelastica accumulata nelle fibre durante l’inspirazione. Il lavoro respiratorio è calcolabilecome l’integrale definito di V

rispetto a P è rappresentato sul diagramma P-V statico dall'area descritta dalla variazione di P per ottenere variazione di V. Patologie polmonari ostruttive La maggior parte del lavoro ventilatorio è impiegato per far espandere i polmoni. L'inverso della compliance è l'elastance (elasticità) ossia la capacità di un polmone di resistere all'espansione. In caso di bassa elastance (eccesso di compliance) il polmone si espande facilmente in fase di inspirazione ma c'è un ridotto ritorno elastico in fase di espirazione si ha quindi la difficoltà a espellere aria passivamente. Nell'enfisema l'elastina è distrutta da enzimi prodotti da leucociti neutrofili attivati nel processo infiammatorio generato ad esempio dal fumo di sigaretta. Le persone con enfisema sono costrette a contrarre i muscoli respiratori (espirazione attiva) per espellere l'aria. Patologie polmonari restrittive Queste comportano

la perdita di compliance per formazione di tessuto cicatriziale anelastico. C'è bisogno di più lavoro per espandere il polmone rigido in fase di inspirazione. Nella fibrosi polmonare si ha lo sviluppo di tessuto fibroso cicatriziale in seguito a infiammazione dovuta o a cause sconosciute o a inalazione cronica di materiale particolato fine (amianto, silicio; troppo fine per essere intrappolato nel muco). I macrofagi alveolari fagocitano le particelle inorganiche ma non riescono a digerirle. Queste si accumulano e si ha quindi la risposta infiammatoria. Vengono stimolati i fibroblasti a produrre collagene che è anelastico. Il processo è irreversibile. Le persone affette da fibrosi sono costrette a respirare più frequentemente per compensare i bassi volumi. Queste patologie che modificano la compliance modificano il lavoro respiratorio. L'enfisema comporta la degenerazione del tessuto elastico e quindi un'alta compliance. È quindi

richiesto meno lavoro per inspirare (ma non c'è ritorno elastico passivo). La fibrosi comporta collagene eccessivo e quindi una bassa compliance. È quindi richiesto più lavoro per inspirare.

Le modificazioni della curva P-V del polmone determinano cambiamenti corrispondenti della curva P-V del sistema toraco-polmonare (la curva del torace rimane invariata). Il tracciato spirometrico è spostato verso l'alto in caso di enfisema e verso il basso in caso di fibrosi, per variazioni della CFR. La compliance toracica diminuisce in condizioni di ridotta distensibilità della gabbia toracica (obesità, cifosclerosi).

L'elasticità del polmone ha 2 componenti: una componente parenchimale (tissutale) dovuta a componenti elastiche del tessuto polmonare formato da fibre di elastina (facilmente distensibili) e fibre di collagene (meno distensibili) e una componente alveolare che origina dalla tensione superficiale (Ts) generata nell'alveolo.

dall’esistenza dell’interfaccia aria-liquido. Gli alveoli sono la sede degli scambi gassosi e sono raggruppati all’estremità dei bronchioli terminali, hanno una superficie totale di scambio di 75 m². Gli alveoli sono costituiti da epitelio di scambio. I capillari ricoprono l’80-90% della superficie degli alveoli e ciò consente un rapido scambio di gas. L’epitelio degli alveoli è costituito da: cellule alveolari di tipo I che permettono gli scambi gassosi, sono grandi e sottili e sono il 95% della superficie degli alveoli e cellule alveolari di tipo II che sono coinvolte nella sintesi e nella secrezione di surfattante che facilita l’espansione polmonare, sono piccole ma più spesse. Gli alveoli non sono avvolti da muscolo liscio ma da tessuto connettivale che contiene collagene ed elastina. L’endotelio dei capillari e l’epitelio alveolare sono a stretto contatto attraverso la membrana basale comune. Gli scambi gassosi.

avvengono per diffusione secondo la legge di Fick.

Il confronto tra il lavoro richiesto per espandere il polmone riempito d'aria con quello del polmone riempito di soluzione salina (fisiologica) dimostra che il polmone riempito d'aria si espande con maggior difficoltà (maggiore lavoro richiesto). Deve esserci un'altra proprietà che contrasta l'espansione: la tensione superficiale. Gran parte della forza retroattiva polmonare (50% del lavoro elastico) dipende dalle forze di tensione superficiale. Inoltre si osserva isteresi quando si riempie di aria il polmone e non con la soluzione fisiologica. L'isteresi dipende dalla tensione superficiale. La tensione superficiale da vincere è maggiore durante l'espansione (insufflazione) a partire dal volume residuo rispetto allo svuotamento (desufflazione) a partire dalla capacità polmonare totale. Il lavoro elastico di espansione è maggiore di quello di svuotamento e solo una parte.

dell'energia elastica accumulata viene spesa per il ritorno elastico, la rimanente (area di isteresi) è dispersa come calore. Tensione superficiale La struttura polare delle molecole d'acqua genera forze di attrazione tra loro. Una molecola all'interfaccia liquido-aria, a differenza di quelle di bulk (all'interno del liquido), è attratta solo verso il basso e lateralmente, così da creare una forza netta verso l'interno che sviluppa la tensione superficiale (forza nel piano della superficie). La tensione superficiale ha un duplice effetto sugli alveoli: da una parte tende a ridurre al minimo l'area della superficie liquida e dunque riduce il volume dell'alveolo, dall'altra parte si oppone ad ogni forza che tende ad aumentare l'area della superficie del liquido e quindi si oppone all'espansione dell'alveolo, aumentando le forze di retrazione elastica e riducendo la compliance polmonare. L'effetto dellaa legge di Laplace. Questa legge afferma che la differenza di pressione tra due lati di una superficie curva è direttamente proporzionale alla tensione superficiale e all'inverso del raggio di curvatura della superficie. In altre parole, maggiore è la tensione superficiale e minore è il raggio di curvatura, maggiore sarà la differenza di pressione. La tensione superficiale è una proprietà dei liquidi che si manifesta sulla superficie di separazione tra il liquido e l'aria (o un altro mezzo). È causata dalle forze di coesione tra le molecole del liquido, che tendono a tirarsi a vicenda verso l'interno del liquido. Questa forza di coesione crea una sorta di "pellicola" sulla superficie del liquido, che si comporta come una membrana elastica. Un esempio comune di tensione superficiale è quello dell'acqua che forma gocce sulla superficie di un foglio di vetro. La tensione superficiale fa sì che l'acqua si "tiri" verso l'interno della goccia, creando una forma sferica. Questo avviene perché la sfera è la forma che minimizza l'energia superficiale del liquido. La legge di Laplace è particolarmente importante per comprendere il funzionamento degli alveoli polmonari. Gli alveoli sono piccole sacche d'aria presenti nei polmoni, che permettono lo scambio di ossigeno e anidride carbonica tra l'aria e il sangue. Gli alveoli hanno una forma sferica e sono rivestiti da uno strato di liquido chiamato surfattante. Il surfattante ha la funzione di ridurre la tensione superficiale all'interno degli alveoli, permettendo loro di espandersi durante l'inspirazione e di non collassare durante l'espirazione. Questo è fondamentale per garantire un adeguato scambio di gas nei polmoni. In conclusione, la tensione superficiale è una proprietà dei liquidi che influisce sulla forma e sul comportamento delle superfici di separazione tra il liquido e l'aria. La legge di Laplace descrive la relazione tra la tensione superficiale, la differenza di pressione e il raggio di curvatura delle superfici. Nel caso degli alveoli polmonari, la tensione superficiale è ridotta dal surfattante per permettere loro di svolgere correttamente la loro funzione respiratoria.