Fisiologia

Fisiologia del polmone

Il polmone serve agli scambi gassosi. La sua principale funzione è quella di permettere gli scambi gassosi, quindi far sì che l’ossigeno si muova dall’aria al sangue venoso e l’anidride carbonica dal sangue venoso all’aria. Il polmone, inoltre, filtra i materiali non desiderati dalla circolazione, metabolizza alcuni composti ed agisce come serbatoio per il sangue.

Scambi gassosi

Gli scambi gassosi avvengono tramite:

• Ventilazione
• Diffusione
• Perfusione

La VO a riposo è di 300 ml/min, durante l’esercizio è di 3000 ml/min. La VCO a riposo è di 2240 ml/min e di 3000 ml/min durante l’esercizio. La RER (V’CO/V’O) a riposo è di 0,8 e durante l’esercizio di 1,0.

Vie aeree

Le vie aeree sono costituite da una serie di tubi che si ramificano, e divengono sempre più stretti, più corti e più numerosi man mano che penetrano più profondamente nel polmone. Poiché le vie aeree di conduzione non contengono alveoli e pertanto non prendono parte allo scambio dei gas, costituiscono lo spazio morto anatomico (150 ml). La superficie di scambio ha un’area di 85 m² pari a 4L e uno spessore di 0,2-0,4 micron.

I vasi sanguigni polmonari formano anch’essi una serie di tubi che si ramificano dall’arteria polmonare ai capillari e di nuovo alle vene polmonari. L’arteria polmonare riceve l’intera gettata del cuore destro, ma la resistenza del circuito polmonare è sorprendentemente piccola. La pressione arteriosa polmonare media è di 15 mmHg ed è sufficiente per un flusso di 6 l/min.

Volumi polmonari

I volumi polmonari sono dati dal volume corrente (respiro normale) pari a 500 ml. Con un’inspirazione massimale seguita da un’espirazione massimale si ottiene la capacità vitale pari a 6 litri. Il gas che rimane dopo un’espirazione massimale è detto volume residuo. Il volume di gas che rimane nel polmone dopo un’espirazione normale è la capacità funzionale residua.

Respirazione

La respirazione è caratterizzata da 4 processi tra loro distinti ma correlati:

• Respirazione esterna:
  • Assorbimento di O₂
  • Eliminazione di CO₂
• Respirazione interna (cellule, tessuti):
  • Utilizzazione di O₂
  • Eliminazione di CO₂
• Funzione respiratoria (nel sangue):
  • Trasporto di O₂ e CO₂
• Respirazione tissutale (nelle cellule):
  • Ruolo di O₂ e CO₂ nelle relazioni metaboliche

Ventilazione

La ventilazione è data dai momenti di inspirazione ed espirazione. Il volume espirato con ciascun respiro è pari a 500 ml e in ogni minuto vengono effettuati 15 respiri; in questo modo il volume totale che lascia il polmone è pari a 7,5 litri. Questo è il volume al minuto o ventilazione totale. Il volume di aria che entra nel polmone è di poco superiore poiché viene inspirato più ossigeno di quanta anidride carbonica viene espirata. Di ogni 500 ml rimangono nello spazio morto anatomico, quindi il gas che entra nella zona respiratoria è pari a 5,25 litri ed è chiamata ventilazione alveolare ed è di fondamentale importanza perché rappresenta la quantità di aria fresca che è disponibile per lo scambio di gas.

La ventilazione alveolare è data da: V = V_T + V_D A Moltiplicando per FR V = V_D + V_E A Quindi V = V_E - V_A. I gas si spostano attraverso la barriera sangue-gas per diffusione. La diffusione attraverso i tessuti è regolata dalla legge di Fick. Questa afferma che la velocità di trasferimento di un gas attraverso una lamina di tessuto è direttamente proporzionale all’area del tessuto e alla differenza nella pressione parziale del gas tra i due lati, ed inversamente proporzionale allo spessore del tessuto. La velocità di trasferimento dipende anche da una costante che è direttamente proporzionale alla solubilità del gas e inversamente proporzionale alla radice quadrata del suo peso molecolare. Questo vuol dire che l’anidride carbonica diffonde 20 volte più rapidamente dell’ossigeno perché l’anidride carbonica ha solubilità molto più alta e peso molecolare non molto diverso.

Perfusione

La perfusione è la seguente: R = (P₁ – P₂) / Flusso RVP = (P₁ – P₂) / Qa V T. La P_O2 in un globulo rosso che entra nel capillare è normalmente intorno ai 40 mmHg. Dall’altra parte della barriera sangue-gas c’è una P_O2 alveolare di 100 mmHg. L’ossigeno dilaga lungo questo grande gradiente di pressione e la P_O2 nel globulo rosso sale rapidamente fino a raggiungere quasi la P_O2 del gas alveolare quando il globulo rosso è a un terzo del capillare. In condizioni normali la differenza in P_O2 tra gas alveolare e sangue alla fine del capillare è estremamente piccola.

In corso di esercizio intenso il flusso polmonare di sangue aumenta considerevolmente ed il tempo normalmente impiegato dal globulo rosso nel capillare, circa 0,75 secondi, può essere ridotto ad un terzo. Pertanto, il tempo di ossigenazione è inferiore, ma in soggetti normali che respirano aria non avviene ancora generalmente una riduzione misurabile nella P_O2 di fine capillare. Se la barriera sangue-gas è marcatamente ispessita, così che sia ostacolata la diffusione dell’ossigeno, la velocità di salita della P_O2 nei globuli rossi risulta corrispondentemente lenta e la P_O2, può non raggiungere quella del gas alveolare prima che sia trascorso il tempo disponibile per l’ossigenazione capillare.

Pressione vascolare

La pressione media dell’arteria polmonare principale è di soli 15 mmHg; le pressioni diastolica e sistolica sono circa di 8 e 25 mmHg. La pressione è quindi pulsatile. La pressione media dell’aorta è circa 100 mmHg. Le pressioni negli atri destro e sinistro non sono molto dissimili: 2 e 5 mmHg. La differenza di pressione tra interno ed esterno dei vasi è chiamata pressione transmurale. Quando il polmone si espande, sia le arterie sia le vene aumentano il loro calibro. I vasi alveolari sono esposti alla pressione alveolare e comprendono i capillari ed i vasi leggermente più grandi situati negli angoli delle pareti alveolari. Il loro calibro è determinato dalla relazione fra pressione alveolare e pressione al loro interno.

I vasi extralveolari comprendono tutte le arterie e le vene che corrono attraverso il parenchima polmonare perché questo determina la trazione esercitata sulle loro pareti dal parenchima che si espande. La resistenza vascolare polmonare può essere descritta così: Resistenza vascolare = pressione di ingresso – pressione uscita/flusso sanguigno. La caduta totale di pressione dell’arteria polmonare all’atrio sinistro nella circolazione polmonare è solamente di 10 mmHg contro circa 100 mmHg per la circolazione sistemica. Poiché il flusso sanguigno attraverso le due circolazioni è virtualmente identico ne consegue che la resistenza vascolare polmonare è solo 1/10 di quella della circolazione sistemica. Il flusso sanguigno polmonare è circa 6 litri/minuto così che la resistenza vascolare polmonare è 1,7 mmHg/l/min.

L’alta resistenza della circolazione sistemica è in gran parte causata dalle arteriole muscolari che permettono la regolazione del flusso sanguigno ai vari organi del corpo. Quando la pressione nei vasi aumenta, la resistenza vascolare diventa ancora più piccola. Questo avviene perché in condizioni normali alcuni capillari sono chiusi oppure aperti ma privi di flusso sanguigno. Quando la pressione aumenta, questi vasi cominciano a condurre sangue, abbassando così la resistenza totale (fenomeno chiamato reclutamento). Oltre a questo, a pressioni vascolari più alte avviene un allargamento di singoli segmenti capillari. L’aumento del calibro, distensione, porta una modifica della conformazione dei capillari, da piatti a circolari. Un altro fattore che determina la resistenza vascolare polmonare è il volume polmonare. Il calibro dei vasi extralveolari è determinato da un equilibrio tra varie forze. Come si è visto, essi si aprono quando il polmone si espande; la loro resistenza vascolare, quindi, è bassa a grandi volumi polmonari. Hanno invece un’alta resistenza quando il volume polmonare è basso. Infatti se il polmone è completamente collassato, il tono della muscolatura liscia di questi vasi è così efficace che la pressione nell’arteria polmonare deve salire di parecchio sopra la pressione a valle prima che si abbia un flusso. Questa è chiamata pressione critica di apertura.

La resistenza periferica è uguale a: Rp = (P – P_O2 max) / VO₂ m₂. La P_capO2 è difficile da stimare, quindi viene approssimata alla P_venO2. L’ultima resistenza ha due componenti: Diffusiva (capillarizzazione): aumento superficie di scambio, aumento numero-capillari Mitocondriale (densità).

Calcolo del consumo di ossigeno

Il volume di sangue che passa attraverso i polmoni in ogni minuto (Q) può essere calcolato usando il principio di Fick. Questo stabilisce che il consumo di O₂ per minuto (V_O2) è uguale alla quantità di O₂ captata dal sangue nei polmoni per minuto. Poiché la concentrazione di O₂ nel sangue che entra nei polmoni è C_v e quella nel sangue che li lascia è C_a, si ha: V_O2 = Q x (C_aO2 – C_vO2) Q = V_O2 / (C_aO2 – C_vO2).

Nel polmone umano esiste una considerevole ineguaglianza di flusso sanguigno. Nel polmone umano in posizione eretta, il flusso sanguigno diminuisce quasi linearmente dalla base all’apice, raggiungendo in quest’ultimo valori bassissimi. Questa distribuzione è influenzata dai cambiamenti di postura e dal lavoro muscolare. Quando il soggetto giace supino, il flusso sanguigno della zona apicale aumenta mentre il flusso della zona basale rimane virtualmente immodificato, con il risultato che la distribuzione dalla base all’apice è quasi uniforme. Tuttavia, in questa posizione, il flusso sanguigno nelle zone posteriori del polmone eccede il flusso nelle parti anteriori.

Massimo consumo di ossigeno

Il VO₂ max è dato da: VCO₂ = V_A * (% CO₂ / 100) = V_A * FACO₂. Quindi VA = VCO₂ / FACO₂. L’equazione della ventilazione alveolare è: VA = (VCO₂ / PACO₂) * K. A riposo il consumo di ossigeno è pari a 4 ml/Kg/min, quindi circa 200-300 ml/min. Il debito di ossigeno deriva dall’esaurimento dell’ATP, PCr ed early lactate.

Calcolo del consumo di ossigeno

VO₂ = (V_I x F_IO2) – (V_E x F_EO2) V_E = (V_I - VO₂) + VCO₂ (V_I = V_E solo se R_Q = 1) VO₂ = V_E x (F_I – FE_O2) (N₂ non prende parte a scambi gassosi) V_I x F_IN2 = V_E x F_EN2 V_I = (V_E x F_EN2) / F_IN2 = V_E x (1-DE_O2 – FE_CO2) / (1-F_IO2) VO₂ = V_E x [(1 – FE_O2 – FE_CO2) / 0,79] x (F_IO2 - FE_O2)

Equazione della ventilazione alveolare

VA = (VCO₂ / PACO₂) * K

Equazione dell’aria alveolare

PAO₂ = PIO₂ – (PACO₂ / RER) + F₂

Calcolo VO₂ VO₂ = q x fc x (Ca – Cv)

Meccanismo lattacido

• Condizioni aerobiche:
  • [La] = costante nel tempo
  • Energia lattacida = 0
• Condizioni anaerobiche:
  • [La] = in continuo aumento
  • Produzione energia proporzionale alla velocità di accumulo del La

Fattori limitanti il massimo consumo di ossigeno

Un flusso è dato sempre dalla differenza di pressione tra ingresso e uscita diviso le resistenze incontrate, V = ΔP/R, quindi: ΔP VO₂ max = R_tot Dove ΔP = PiO₂ - P_mitO2 E R_tot = R_v + R_L + R_Q + Rp. Analisi numeratore: La pressione parziale di un gas è quella pressione che il gas eserciterebbe sul contenitore se fosse l’unico gas presente nella miscela. Aria a livello del mare = 760 mmHg O₂ = 20,93% dell’aria atmosferica Quindi: PO₂ a livello del mare = circa 159 mmHg.

A livello tracheale l’aria viene però umidificata al 100%. Poiché sappiamo che PO₂ a 37° = 47 mmHg a livello tracheale la pressione totale dell’aria diventa quindi 760-47 = 713 mmHg. Quindi: PiO₂ = 20,93% * (713mmHg) = 150 mmHg. La P_mitO2 si avvicina allo zero per cui possiamo dire che la differenza di pressione di O₂ tramite l’ingresso (trachea) e l’uscita (cresta mitocondriale, con risonanza magnetica spettroscopica) è di 150 mmHg.

Analisi denominatore: La resistenza totale è data dalla resistenza ventilatoria (R_v), dalla resistenza diffusoria (R_L), dalla resistenza cardiocircolatoria (R_Q) e dalla resistenza periferica (Rp). Resistenza ventilatoria PiO₂ - PAO₂ VO₂ max = R_v Quindi: PiO₂ - PAO₂ R_v = VO₂ max. A livello alveolare la pressione dell’ossigeno (PAO₂) si abbassa a 100 mmHg per la presenza negli alveoli della CO₂ proveniente dal sangue venoso misto. Essa viene calcolata attraverso l’equazione dell’aria alveolare.

Equazione dell’aria alveolare

P_A CO₂ P_O2 = PiO₂ - Q_R A Dove VCO₂ Q_R = VO₂ 40 / 0.8

P_O2 a riposo e in steady state = 150 - = 100 mmHg A P_O2 a esercizio massimale = 150 - 40 / 1 = 110 mmHg A. Il rapporto V’ / V’CO₂ sia a riposo che durante esercizio rimane pressoché costante poiché essa dipende dalla ventilazione alveolare, così come espresso.