Fisiologia del sistema cardiocircolatorio, Fisiologia

Funzione del sistema cardiovascolare

• Funzione: portare O₂ ai tessuti e rimuovere CO₂.

Componenti del sistema

• Le componenti di questo sistema: cuore (pompa cardiaca – pompa intermittente a volume), condotti elastici (vasi sanguigni) che portano alla formazione di 2 sistemi idraulici chiusi che sono il circuito sistemico e quello polmonare.

Caratteristiche dei diversi vasi

• Arterie: parete robusta ma anche elastica – vasi a pressione per il fatto che imprimono una forza sul sangue presente all'interno di essi.
• Arteriole: vasi di calibro minore con parete più robusta – notevole resistenza al flusso per la presenza di muscolatura liscia a fibre circolari – vasi a resistenza (valvole al passaggio di sangue ai tessuti).
• Capillari: calibro molto inferiore, parete molto sottile e permeabile (solo endotelio) – vasi di scambio.
• Venule e vene: hanno le stesse componenti delle arterie ma in minore quantità quindi imprimono una forza minore sul sangue al loro interno – vasi o serbatoi di volume.

Movimento del sangue

• Per la descrizione del movimento del sangue si necessita di descrivere 2 componenti importanti per il circolo del sangue:

• Flusso o portata: quantità di liquido che circola nell'unità di tempo
• Pressione
• Resistenza

• Equazione del flusso: F= ΔP/ R quindi è la R che si oppone al flusso che determina il ΔP necessario per il passaggio di sangue. In particolare ci sono R diverse in circolo sistemico e polmonare: sistemico 20 mm Hg quindi ΔP necessario: 100 mmHg; nel polmonare 2 mm Hg quindi ΔP necessario: 10 mm Hg.

• Creazione del ΔP: non è il cuore a formarlo, ma quest'ultimo provvede solamente al suo spostamento. In realtà questo è dato dalla differenza di pressione tra i 2 sistemi causata dalla differenza di distensibilità dei vasi, anche chiamata compliance vasale. In base a questo parametro il sistema arterioso è un sistema ad alta pressione, mentre quello venoso è un sistema a bassa pressione.

• Il sangue viene distribuito all'interno dei circuiti proprio in funzione delle resistenze opposte al flusso sanguigno, determinate dalla diversa compliance 64% vene e venule, 7% cuore, 13% arterie, 9% circuito polmonare.

Compliance vasale

• Differenza di compliance tra un vaso rigido e un vaso elastico: nel vaso rigido la rappresentazione della relazione tra pressione e volume risulta essere lineare per il fatto che ad ogni aumento di pressione il volume all'interno del condotto rimane costante perché non aumenta né diminuisce. Nel vaso elastico, la situazione è ben diversa: nel caso del vaso A, ad un aumento di volume ΔV1 la pressione aumenta molto ΔP1, diversamente nel vaso B ad un aumento di volume sempre di ΔV1 la pressione aumenta di meno ΔP2 (ΔP2 < ΔP1). Ciò è dovuto al fatto che il vaso B risulta essere più compliante rispetto al vaso A.

• Compliance, C= ΔV/ΔP

• Normalmente però i vasi del nostro organismo hanno un tipo di risposta diversa: sono molto complianti (elastici) a basse pressioni e poco complianti ad elevate pressioni; per questo motivo abbiamo una rappresentazione grafica iperbolica.

• La compliance del sistema venoso risulta essere 20 volte maggiore di quello arterioso, per questo motivo aumenti anche minimi di volume nel sistema arterioso causano aumenti di pressione molto rilevanti, diversamente da ciò che avviene nel sistema venoso.

• Importante nel definire la compliance è anche la pressione transmurale, cioè la pressione esercitata dall'esterno e dall'interno sulla parete del vaso. Dall'interno la forza che agisce è quella del sangue, mentre dall'esterno è una forza che dipende dalla cavità in cui si trova il vaso, per esempio in cavità toracica dove abbiamo una P minore della P atm la dilatazione del vaso risulterà essere facilitata; diversamente in cavità addominale gli organi possono andare a comprimere i vasi, rendendo più difficoltoso il flusso.

• Si parla di capacità di un vaso, cioè la quantità di sangue contenuta che non provoca alcuna pressione in esso. Oltre la capacità viene generata pressione.

• La diversa compliance dei vasi è dovuta ai suoi componenti: componente elastica e componente collagenica. In un vaso normale in cui abbiamo entrambe le componenti, la situazione è normale, per cui ad un aumento della circonferenza del vaso abbiamo una determinata tensione T. Nel caso di un vaso trattato con acido formico che va a distruggere la parte collagenica, la curva risulterà essere molto appiattita, per cui ad aumenti anche considerevoli della circonferenza, la tensione aumenta solo di poco. Questa è anche la situazione che si ha fisiologicamente nei bambini fino ai 10 anni. Nel caso di un vaso trattato con tripsina che distrugge la parte elastica, la curva risulterà essere molto più verticale, per cui aumenti anche minimi della circonferenza causano aumenti notevoli della tensione. Fisiologicamente questa è la situazione che si ha in soggetti più o meno anziani, in base alle abitudini. La curva normale invece è la rappresentazione fisiologica di un ragazzo di circa 20 anni.

Generazione di ΔP

• Si parla di pressione circolatoria media di riempimento come di quella pressione esercitata dal sangue nel caso in cui la pompa cardiaca fosse ferma; ha un valore di 7 mm Hg.

• Normalmente però la pompa è in attività, per cui abbiamo due fasi: sistole e diastole che vanno a causare anche un comportamento diverso a livello dei vasi a valle.

• Flusso normalmente è continuo mentre la pompa cardiaca come sappiamo è intermittente, quindi ciò che permette un flusso continuo anche in diastole è l'azione del mantice arterioso, rappresentato dalle grosse arterie a valle. In sistole, il sangue viene eiettato con forza dal ventricolo nel vaso a valle, il quale si dilata e permette a parte del sangue di fluire oltre, mentre un'altra parte consistente si viene a trovare nella dilatazione dell'arteria. In diastole, quando non vi è passaggio di sangue dal cuore all'arteria, grazie al ritorno elastico del vaso, dovuto all'immagazzinamento di energia potenziale nella fase precedente, il sangue che prima si trovava nella dilatazione viene spinto oltre. Per cui il flusso risulta essere continuo in entrambe le fasi cardiache.

Principi di emodinamica

• Differenze tra emodinamica e idraulica: i condotti non sono rigidi, i condotti non sono a tenuta stagna ma bensì permettono gli scambi, la pompa è intermittente, il fluido è non newtoniano, è possibile avere una forza esercitata anche fuori dal vaso.

• Velocità di flusso, v= F/A (F: flusso, A: area della sezione) in particolare la legge di Leonardo dice che all'aumentare di A la velocità del flusso diminuisce, viceversa se A diminuisce. Questo ragionamento può portare in errore se si pensa al fatto che nei capillari con calibro molto inferiore rispetto ai vasi a monte ci sia un flusso molto rapido, perché non è così, per via del fatto che il flusso dalle arterie si suddivide nei vari vasi a valle posti tra loro in parallelo, di conseguenza il flusso in ogni singolo capillare risulterà essere molto ridotto e quindi anche la sua velocità. Ciò è funzionale per permettere il processo di scambio a livello dei capillari. Diversamente avviene nei vasi posti in serie, dal momento che il flusso non si suddivide, la velocità di flusso in essi aumenta.

• Principio di Bernoulli: l'energia totale di un sistema idraulico rimane costante. Per cui le componenti che definiscono il flusso (velocità, gravità, pressione) sono legate dalla relazione secondo cui un aumento di una causa una riduzione dell'altra. Per cui una diminuzione di pressione (extramurale) causa un aumento di velocità di flusso.

Tipi di moto del sangue

• Laminare: è il moto presente fisiologicamente nei vasi; è descritto come lo scorrimento di lamine cilindriche coassiali (asse del vaso) infinitesimali una sull'altra, che porta alla definizione di un profilo parabolico perché le lamine più vicine alla parete vasale sono rallentate dall'attrito (quella più vicina è addirittura ferma), mentre la lamina centrale ha la massima velocità: il doppio della media delle velocità delle altre lamine. È un moto ordinato e perciò non causa rumori auscultabili.
• Turbulento: è un moto caotico non definito di linee di flusso ordinate come nel laminare. Di conseguenza, causa dei rumori che sono auscultabili. Fisiologicamente è presente nelle stenosi dei vasi, altrimenti è sintomo di patologia.

• Legge di Hagen-Poiseuille: definisce il flusso continuo e laminare di un liquido all'interno di un condotto cilindrico rigido. F= π*ΔP*r⁴/8*η*l. Eguagliando questa formula all'equazione del flusso: F=ΔP/R, si ha che: R= 8*η*l/π*r⁴. Da ciò notiamo che la resistenza al flusso è direttamente proporzionale alla viscosità (η) e alla lunghezza del condotto, mentre è inversamente proporzionale alla quarta potenza del raggio; quindi il raggio risulta avere un'azione preponderante nel determinare la resistenza.

Tipo di moto e numero di Reynolds

• Il numero di Reynolds è un numero adimensionale che descrive il tipo di moto. Numero di Reynolds= d*v*ρ/η, dove d = diametro del condotto, v = velocità di flusso, ρ = densità, η = viscosità. Per cui per valori <2000 moto laminare, valori tra 2000 e 3000 moto transizionale, valori >3000 moto turbolento. In particolare, è importante ricordare che per avere un uguale flusso in moto turbolento c'è necessità del quadrato del ΔP, per cui in moto turbolento : F= √(ΔP)/R.

• Perché si ha moto turbolento dopo una stenosi: all'interno di un restringimento diminuisce d, cioè il diametro del condotto, ma aumenta v, velocità di flusso il numero di Reynolds non si modifica granché. Subito dopo la stenosi aumenta repentinamente il diametro del condotto, mentre la velocità di flusso rimane aumentata ciò porta ad un rapido incremento del numero di Reynolds che causa moto turbolento.

Viscosità (η)

• Definizione: La viscosità è definita come la difficoltà di scorrimento di un fluido per attrito tra le sue parti (lamine).

• U.d.m: Poise (dine*s/cm²).

• Share rate: velocità di taglio o velocità di scorrimento tangenziale γ=Δv/Δx, dove Δv è la differenza di velocità tra due strati del liquido e Δx è la distanza tra i due strati.

• Share stress: sforzo di taglio: τ= F/A (F: flusso, A: area di sezione). η= τ/γ.

• Viscosità: I fluidi non newtoniani, come il sangue, sono caratterizzati da una viscosità non costante.

• Viscosità dell'H₂O= 1 centipoise.

• Ematocrito (Ht): La viscosità dipende da (relazione esponenziale):

• L'ematocrito è la relazione tra parte corpuscolata del sangue e parte liquida. Ematocrito normale: 40-45%.
• La viscosità del plasma: 1.5 centipoise, quella del sangue ad Ht di 45% è: 3.5 centipoise. Diminuisce nelle anemie e aumenta nelle policitemie.
• Un aumento dell'ematocrito causa un aumento di viscosità e quindi di resistenza al flusso. (vedi post it fondo alla pagina)

Velocità di flusso

• La viscosità dipende da:

• All'aumentare della velocità, la viscosità diminuisce e viceversa. Ciò risulta essere pericoloso nel caso di rallentamenti del flusso perché si può avere la formazione di aggregati di globuli rossi che danno vita a fenomeni trombotici che causano aumenti di resistenza.
• Accumulo assiale: i globuli rossi all'interno di un vaso sono sottoposti all'azione di due forze: pressione frontale (o propulsiva, cioè quella che spinge il flusso) e forza di attrito viscosa (è diversa se il globulo rosso è più vicino o più lontano dalla parete vasale), l'azione di entrambe contemporaneamente porta al rotolamento dei globuli rossi verso il centro del vaso, con formazione di colonne di globuli rossi centrali (maggiore Ht) e plasma povero di questi verso la periferia del vaso (minore Ht). Fenomeno di scrematura del plasma. La velocità di migrazione dei globuli rossi è data dallo share rate: γ=Δv/Δx.

Condotto del vaso

• La viscosità dipende da:

• In un condotto ristretto, il Δx risulterà essere più piccolo, il γ, share rate, sarà maggiore per questo motivo i globuli rossi migreranno più velocemente e ciò causa un Ht minore e quindi minore viscosità.
• In realtà, l'accumulo assiale è un processo presente in tutti i vasi, ma risulta più evidente nei vasi più piccoli, dove il plasma con pochi globuli rossi occuperà una porzione di vaso maggiore in proporzione rispetto a ciò che avviene nei vasi più grandi. In generale, l'Ht apparente più alto nei vasi più ristretti sarà minore di quello nei vasi più ampi. Ciò è funzionale ad evitare un ulteriore aumento di resistenza in vasi che già da soli offrono un'elevata resistenza causata dal calibro minore (arteriole).
• Questo fenomeno della riduzione di viscosità man mano che il calibro del vaso diminuisce è progressivo fino ai capillari (effetto Fahraeus-Lindqvist) a livello dei quali invece l'Ht sale molto repentinamente per via del fatto che i globuli rossi occupano tutto il diametro del vaso non lasciando spazio al plasma povero di essi.
• Effetto network: secondo cui a livello delle biforcazioni delle arteriole, nei vasi che si staccano dal vaso centrale andrà a finire la parte più periferica del sangue presente nel vaso, cioè quella di plasma povera di globuli rossi, dal momento che la biforcazione avviene sempre dalla periferia del vaso e le linee di scivolamento dei globuli rossi fanno sì che la maggior parte di essi rimanga al centro del vaso. Ht nei vasi di biforcazione.
• La capacità dei globuli rossi di passare attraverso vasi anche di calibro molto ristretto è data dalla loro deformabilità, modificata patologicamente o fisiologicamente da variazioni del pH (alcalosi causa aumenti di deformabilità e acidosi causa diminuzioni della deformabilità).

Resistenza e distribuzione dei vasi

• La resistenza totale impressa ad un fluido che passa in condotti posti in serie o in parallelo risulta essere molto diversa:

• In serie: la R tot è data dalla somma delle singole resistenze sarà maggiore di ogni R singola.
• In parallelo: 1/ R tot è data dalla somma dei reciproci delle resistenze singole quindi la R tot sarà inferiore alle R singole. È ciò che avviene nel nostro organismo, per cui la resistenza al flusso totale è inferiore a quella presente nei singoli distretti.

• Massima caduta pressoria è presente a livello delle arteriole, dove cade di 58 mm Hg dai 100 mm Hg (arterie). Quindi dai capillari in poi diminuisce sempre di più. In caso di costrizione delle arteriole, la P aumenta a monte e diminuisce a valle, viceversa in caso di dilatazione delle stesse.

• Legge di Laplace: T= P tm * r/ d. Ciò spiega perché all'interno dei capillari la pressione non è elevatissima perché il raggio si è molto diminuito ma anche lo spessore è molto più sottile rispetto ai vasi a monte, infatti è formato di solo endotelio. Perciò la tensione nei capillari risulta essere bassa.

• Pressione critica di chiusura di un vaso: se all'interno di un vaso la pressione scende -T -r -T e così via fino a che le pareti del vaso collabiscono.

• Normalmente il sistema venoso è un sistema a basse pressioni, ciò non è tale negli arti inferiori dove abbiamo pressioni anche di 20-25 mm Hg. Questi aumenti sono tenuti sotto controllo da sistemi che comunque permettano il reflusso del sangue, come la pompa muscolare e la presenza di strutture valvolari. Nel caso in cui queste non funzionino abbiamo un aumento ulteriore di tensione +T fino a che il vaso si dilata, provocando vene varicose. Per diminuirne il fastidio si possono usare calze contenitive che aumentino la P esterna al vaso per cui diminuisca la P tm oppure porre il soggetto in clinostatismo.

• Le dilatazioni non fisiologiche di un vaso sono gli aneurismi, sfiancamenti unilaterali o bilaterali di un vaso che ne causano quindi aumento del raggio e assottigliamento della parete fino a che per aumenti progressivi di tensione all'interno dell'aneurisma (anche perché all'interno di esso il moto si fa turbolento perché aumenta repentinamente il raggio del condotto durante il flusso del sangue) questo non scoppia.

Gravità

• La gravità è un altro fattore importante nel determinare il flusso sanguigno.

• In soggetti posti in clinostatismo non è rilevante per il fatto che tutti i vasi sono sottoposti alla stessa spinta gravitazionale.

• In ortostatismo invece distinguiamo un livello idrostatico 0 a livello della valvola tricuspide (livello al quale la pressione idrostatica P₀=ρ*g*h è uguale a 100 mm Hg, dove h è la colonna di sangue) per cui al di sopra del cuore la P idrostatica sarà P= P₀ – ρ*g*h può arrivare fino a 40 mmHg.