Appunti Fisiologia 2

Apparato respiratorio

Funzione respiratoria: è una delle funzioni più importanti la cui compromissione dà conseguenze che mettono a rischio la vita nell’animale in maniera più repentina!

Ipercapnia: aumento di CO2 nel sangue che porta ad un abbassamento del pH, morte per strangolamento, per acidificazione sangue! Poi ipossia.

La quantità di CO2 al di fuori delle cellule è gestita dalla circolazione cardiopolmonare. Regola l’efficienza degli scambi gassosi a livello alveolare ed il mantenimento della pressione, efficienza circolo. Sono 2 funzioni complementari.

È importante conoscere la complementarità di queste due funzioni perché nella pratica clinica sono interconnesse; per esempio, quando c’è un intervento in emergenza si fa triage. L’animale in codice rosso è privo di conoscenza e vede le sue funzioni vitali a rischio di insufficienza immediata.

Triage

• Respira? Sì/no
• Battito? Sì/no
• Rianimazione?

Le prime considerazioni/manovre che devono essere fatte riguardano le vie aeree e la funzione respiratoria; ma anche vedere che rapporto c’è tra la funzione respiratoria e quella cardiocircolatoria. Perché la compromissione degli scambi gassosi tra respiratorio e cardio circolatorio è alla base della compromissione del controllo dell’omeostasi e se questa manca, ci saranno delle rapide conseguenze che portano all’acidificazione del pH, del sangue e quindi del liquido extracellulare.

La necessità di scambi respiratori ha a che vedere con le dimensioni dell’organismo. In organismi con dimensioni millimetriche, O2 e CO2 diffondono dalle cellule all’esterno e viceversa, in maniera passiva secondo gradiente di concentrazione. Gli unicellulari non hanno questi due apparati.

In caso di dimensioni maggiori, la capacità di diffusione dei gas non è più sufficiente a mantenere il controllo del pH, soprattutto, quindi è necessario un sistema che funzioni da scambiatore. Questo ha luogo a livello polmonare, dove abbiamo gli alveoli in cui ci sono aria e sangue, separati da una barriera sottile. Questa barriera ha una costante di permeabilità che fa sì che la CO2 passi dal sangue all’aria e che l’O2 passi dall’aria al sangue. Ciò che ci interessa sono 3 eventi:

• Costante di permeabilità della barriera. Alla sua diminuzione, abbiamo una minor efficienza degli scambi gassosi.
• Che succede sul versante sangue.
• Che succede sul versante aria.

Per mantenere attivo il gradiente che giustifica il passaggio dei gas, c’è bisogno di un continuo rimpiazzo di sangue e aria! È per questo che c’è il circolo sanguigno! Il sangue deve scorrere per mantenere attivo e costante il gradiente per il quale la CO2 e l’O2 vengono scambiati.

Il circolatorio può essere paragonato ad un sistema di riscaldamento di una casa: c’è la caldaia che genera la pressione, cuore, che porta l’acqua in tutti i tubi e termosifoni e poi da lì torna in caldaia per essere scaldata. Lo scambiatore è il termosifone, alveoli.

Funzioni del sistema respiratorio

Il sistema respiratorio nel corso della sua evoluzione, si è fatto carico di tante funzioni:

• Scambi gassosi.
• Parte integrante del controllo acido-base. Ciò vuol dire che se l’apparato respiratorio non funziona, si ha un ristagno di CO2 e quindi una riduzione di pH. Il polmone rientra nel controllo acido-base in armonia con la funzione dei reni, con i quali dialoga continuamente. Se abbiamo un cane anziano con insufficienza renale, sicuro ha problemi nella gestione omeostasi acido-base a livello sistemico. Il polmone si fa carico di questa disfunzione. Se abbiamo un aumentato fabbisogno energetico o di produzione di CO2, per esempio nello sforzo fisico, che va in accumulo e spesso viene eliminata successivamente allo sforzo. Soggetto che fa i 400 mt piani e dopo un po' di tempo ha il fiatone.
• Termoregolazione. Molti animali non sudano ma termoregolano attraverso l’evaporazione di acqua nel tratto respiratorio, trachea, quindi devono adattare il pattern respiratorio alla necessità di dover effettuare questi scambi di calore.
• Essendo un’interfaccia con l’esterno, l’apparato respiratorio ha anche una funzione duplice: assorbimento di sostanze dall’esterno e cessione di sostanze all’esterno.

Eventi che interessano la funzione respiratoria

• Ventilazione: movimento d’aria dall’atmosfera al polmone e viceversa. Il polmone non è dotato di muscolatura, per cui la modifica di forma e volume avviene in funzione delle modifiche di forma e dimensione della cassa toracica e del diaframma, che lo circondano. Ci sono sistemi che monitorano la pressione parziale dei gas nel sangue e nel liquido cefalorachidiano, il messaggio viene tradotto in afferenze che si portano ai centri respiratori, tronco encefalico, da qui si generano segnali efferenti che coinvolgono gruppi muscolari specifici.
• Distribuzione: movimento dell’aria attraverso vie aeree superiori e inferiori fino a raggiungere l’alveolo. Accoppiamento tra quello che succede a livello polmonare con quello che avviene a livello sistemico. Nel comparto sistemico, i capillari sono organizzati in maniera molto precisa ed hanno delle caratteristiche anatomiche che variano da distretto a distretto, renali, epatici, ecc.; esistono dei gradienti che governano gli scambi di gas e liquidi da capillare e interstizio.

Come variano la richiesta di O2 e la produzione di CO2? In base al metabolismo basale, cioè il dispendio energetico di un organismo a riposo, funzioni vitali e funzione cellulare. Tra la massa ed il consumo c’è una relazione inversamente proporzionale, all’aumento di massa, c’è una riduzione del metabolismo basale. Anche in base all’attività metabolica c’è un diverso consumo metabolico! Animali allevati in diverse condizioni, avranno diverso fabbisogno di ossigeno. In base allo stimolo, c’è un aumento/diminuzione della risposta dell’animale in termini cardiaci/respiratori.

Nei sistemi tonici → aumento stimolo → aumento risposta.

Ma i sistemi di cui ci occupiamo sono fasici quindi la risposta si avrà in funzione della variazione dell’intensità dello stimolo!

• Perfusione: flusso sanguigno alveolare.
• Diffusione o scambi gassosi: movimento di O2 e CO2 attraverso la membrana respiratoria.
• Trasporto: trasferimento di O2 e CO2 nel sangue.
• Diffusione tessutale: movimento di O2 e CO2 attraverso la membrana cellulare.

Omeostasi del sangue

L’omeostasi del sangue è mantenuta stabile dalla presenza di un tampone, che è il tampone bicarbonato. È essenziale che l’organismo mantenga un pH costante: 7.4. Perché è stato scelto lui dato che ha una pKa di 6.3, quindi non è il migliore? È 10 volte minore. Non sarebbe una scelta intelligente. Il tampone fosfato ha una pKa di 7.2, quindi molto più simile. Il tampone bicarbonato è stato selezionato come primo tampone perché tramite la respirazione, la CO2 viene rilasciata rapidamente, è un sistema aperto, grazie al gradiente di concentrazione che ne favorisce il passaggio verso l’aria. Allo stesso tempo, a livello del rene HCO3- viene escreto/riassorbito.

C’è la relazione tra polmone e rene che mantengono l’equilibrio acido base.

Se il polmone ventila poco, avremo CO2 trattenuta → acidosi respiratoria. Se ventila troppo, troppa CO2 rilasciata → alcalosi respiratoria.

Coordinamento tra funzione cardiorespiratoria e quella renale.

Frequenza respiratoria = numero di atti respiratori/minuto.

Cavallo: riposo 30, esercizio 160/200. Piccola taglia: riposo 30/40 e sonno 15/25.

A livello cardiaco, quale è l’info complementare alla frequenza? La gittata!

Nel momento in cui aumenta la frequenza cardiaca, viene eiettato meno sangue dopo un certo valore → abbassamento pressione arteriosa.

Stessa cosa succede a livello polmonare: misuro frequenza e ampiezza respiro = ventilazione!

Il tutto dipenderà dalle necessità metaboliche dell’animale.

Termoregolazione

Alcuni animali, tipo il cane, non sudano ma termoregolano attraverso la respirazione.

Sull’epitelio delle prime vie aeree, è presente un velo di “muco” capace di legare un grande quantitativo di molecole d’acqua. Questa acqua tende ad evaporare e questo porta alla liberazione di energia, calore latente di evaporazione, che serve per rompere le interazioni molecolari che consentono alle molecole d’acqua di abbandonare la fase liquida e passare a fase gassosa per poi evaporare. Per fare ciò, è necessario un flusso d’aria che entra ed esce dalla trachea. L’aria si rinnova continuamente, quella che entra ha meno acqua in fase gassosa, per cui ho la cessione di molecole d’acqua dalla fase presente sottoforma di muco a quella in fase aerea stessa. Affinché questo avvenga è necessario che l’animale mantenga il flusso d’aria. Essendo esposto al caldo e quindi per abbassare la temperatura deve cedere calore all’esterno, avrà la tendenza ad aumentare la quantità di aria che entra/esce. Ma se così fosse, senza nessun altro meccanismo, andrebbe in alcalosi! Quindi lui va ad aumentare la frequenza e riduce l’ampiezza! Perché:

Frequenza x ampiezza respiro = ventilazione.

Il respiro frequente e superficiale è utile per garantire contemporaneamente:

• Aumento passaggio di aria calda attraverso vie aerifere per favorire dispersione calore, aumenta eliminazione H2O sotto forma di vapore acqueo.
• Ridotto volume agli alveoli compensato dall’elevata frequenza, stessa quantità di O2 per unità di tempo.
• Stessa eliminazione di CO2 nell’unità di tempo per cui si evita alcalosi metabolica.

Il sistema respiratorio deve pertanto garantire simultaneamente che avvengano gli scambi gassosi, omeostasi acido-base e termoregolazione modulando la frequenza e profondità del respiro.

Tratto respiratorio

09/03/2021

Per tratto respiratorio si intende l’insieme di: narici, cavità nasali, faringe, laringe e nell’albero tracheo bronchiale, vie aeree inferiori.

Modelli fisiologici tengono presenti 2 problematiche principali per funzione alveolare:

• Interfaccia aria-sangue: rappresenta la costante di permeabilità ai gas che viene definita da struttura composta da pneumociti, periciti, ecc. Questa struttura è una membrana semipermeabile; se varia la permeabilità ci sarà un problema! Interfaccia estremamente sottile, 0,2-0,3 μm; superficie vastissima, 50–100 m2 in un uomo; circa 500x10⁶ alveoli; il diametro di ogni alveolo è circa 0,3 mm.
• Presenza di vasi con pressione idrostatica minore rispetto a quella dell’interstizio, affinché non ci sia filtrazione, perché porterebbe a ingresso di liquido in alveoli, patologico, edema polmonare!
• Caratteristiche meccaniche dell’alveolo. Esso forma una superficie enorme, quindi la sua natura meccanica definirà le caratteristiche meccaniche del polmone stesso. Prevale la componente di fibre elastiche, quindi questa superficie ha la capacità di andare incontro a deformazione e ritornare allo stato originale. Le proprietà meccaniche del polmone assieme a quelle della cassa toracica sono la base per definire gli eventi che fanno parte della meccanica respiratoria e quindi, potrebbero essere sito di alterazioni che portano a patologie.
• Circolo alveolare. Differenza di diametro vaso e globulo rosso. Nel circolo polmonare, il diametro dei vasi è in media 7-10 micron, simile a quello dei GR → non avremo un flusso di liquido nel capillare polmonare, ma avremo un flusso di un materiale misto in parte liquido e in parte corpuscolato, GR, che andranno ad interagire meccanicamente con le pareti dei capillari, in maniera diretta. L’interazione tra il corpuscolato e i capillari sarà peculiare. Questo comporterà una serie di possibili adattamenti.

Alterazioni strutturali del polmone, si risentono in primo luogo, a livello cardiaco!

Distribuzione dell’aria

Si definiscono due macrosettori:

• Interfaccia aria-sangue, alveolo, che presiede agli scambi gassosi.
• Apparato di conduzione dell’aria, che si è evoluto per trasportare l’aria dall’esterno agli alveoli e viceversa. È una struttura molto raffinata, che modifica la composizione dell’aria, la riscalda, la umidifica, la pulisce, ne controlla il flusso. L’aria che arriva all’alveolo è diversa da quella atmosferica. L’insieme di queste strutture, in cui non avvengono gli scambi gassosi, non ci sono alveoli, viene definito spazio morto anatomico.

Esiste anche uno spazio morto fisiologico: spazio dedicato allo scambio gassoso ma che invece viene sottratto in risposta a condizioni patologiche. Per cui, quello anatomico è lo spazio che fisiologicamente dovrebbe esserci e quello fisiologico dovrebbe esser chiamato patologico! Colpa dei fisiologi eh!

Quindi, lo spazio morto anatomico è fisiologico, è normale che ci sia! Non deve eccedere, perché se aumentasse ci sarebbero problemi! Normalmente, in un animale sano, circa i 2/3 del volume delle vie aeree sono riferibili alla struttura alveolare; lo spazio morto anatomico corrisponde ad 1/3. In base alla morfologia dell’animale, c’è una variazione dei volumi, ovviamente.

Per cui una parte del volume di aria introdotta in ciascun atto, serve a riempire questo spazio e solo la parte restante raggiunge gli alveoli per sottoporsi agli scambi gassosi. È importante poter determinare lo spazio morto anatomico, per esempio, nel caso in cui bisogna fare una anestesia gassosa, per determinare quali volumi di aria sono necessari per arrivare a ventilare correttamente gli alveoli!

Cause di alterazioni dello spazio morto

• Possiamo averne un aumento, per esempio, in corso di anestesia, in cui l’animale è intubato con respirazione assistita, quindi cambiano le condizioni della meccanica respiratoria e spazio morto. Nella meccanica, c’è un’inversione dei gradienti di pressione, in genere abbiamo dilatazione e poi ritorno del torace e questo avviene rispettivamente nel polmone; in anestesia avviene il contrario, l’animale si “gonfia” e poi si fa uscire l’aria. Nel momento in cui si aggiunge un pallone e i tubi endotracheali, avremo una espansione dello spazio morto anatomico e quindi degli spazi in cui non avvengono gli scambi! Somministriamo diuretici!

Quando abbiamo delle patologie a carico del parenchima polmonare, al momento della guarigione si forma tessuto cicatriziale nei punti danneggiati, fisiologico → abbiamo il risarcimento del danno ma vengono sostituiti gli pneumociti da cellule che non saranno in grado di fare da scambiatori! Quindi avremo una diminuzione dell’estensione dell’interfaccia per gli scambi gassosi.

• Alterazione del diaframma.
• Problemi a livello cardiaco. Se il cuore non riesce a smaltire il carico idraulico presente a livello di circolo polmonare. Avremo un allagamento del polmone, ma il film di acqua che permea l’alveolo si opporrà al passaggio del gas → aumento spazio morto e diminuzione della superficie di scambio! Il problema proviene sicuramente dal cuore sinistro, va in insufficienza, per mille motivi, non riesce a mantenere una gittata corretta e quindi avremo tanto sangue che proviene da destra e poco sangue che viene eiettato da sinistra. Il sangue si “accumula” a livello del circolo polmonare, aumenta la pressione e vince quella interstiziale, quindi la parte liquida va a riempire l’alveolo!
• Meccanismi più complessi che vedono un aspetto importante della funzionalità polmonare; il polmone è un’interfaccia col mondo esterno, quindi, è bersaglio di diversi agenti esterni, batteri, virus, ecc., quindi c’è un sistema immunitario con le sue varie componenti a livello alveolare molto efficiente! Spesso però può dar luogo ad una risposta esagerata e dare più problemi rispetto a quelli che provocherebbe l’agente eziologico. Nel momento in cui valutiamo la funzione polmonare, dobbiamo considerare il sistema immunitario. Esistono patologie croniche respiratorie, per esempio del cavallo, che vedono il SI come movente patogenetico significativo.

Qualità dell’aria e superficie delle vie aeree

Il rapporto funzionale importante tra qualità aria e superficie delle vie aeree.

Esempio: il fumo di sigaretta contiene delle molecole che inibiscono alcuni enzimi presenti a livello della componente proteica, secretoma, rilasciata dagli pneumociti di tipo 2, che hanno la funzione di bloccare gli enzimi litici prodotti dal pancreas, alcuni di questi enzimi sono delle elastasi, hanno come target le fibre elastiche. Se gli pneumociti vengono inibiti dal fumo, non riescono a produrre questi inibitori e quindi le elastasi agiscono sul polmone! Distruzione delle fibre elastiche e variazione della deformabilità del polmone, provocando un cambiamento dei flussi d’aria a livello polmonare; aumentando la probabilità che agenti esterni aderiscano alla parete alveolare → aumento rischio patologie alveolari!

Nel momento in cui si verifica una patologia alveolare, questi rispondono producendo tessuto cicatriziale, quindi avremo la perdita di interfaccia di scambio e l’aumento dello spazio morto.

La distribuzione dell’aria nello spazio morto anatomico cosa altro comporta funzionalmente? Modifiche che vengono effettuate all’interno di questo spazio:

• Umidificazione.
• Modifica temperatura.
• Depurazione.

Bisogna considerare la qualità dell’aria, che è una delle principali cause di morte, se non è di qualità, in Italia. Numerosi problemi per patologie contratte in funzione di una pessima qualità dell’aria.

Animali hanno ciclo vitale più breve ma sono esposti ad una diversa aria, sono più bas