Fisiologia del sistema respiratorio, Fisiologia

Il sistema respiratorio e le sue funzioni

Il sistema respiratorio ha varie funzioni:

• Ventilazione: Permettere ingresso e uscita di aria dal polmone
• Scambio di gas: Meccanismo che avviene di per sé per diffusione di O₂ e CO₂ attraverso la membrana respiratoria. Importanza della superficie di scambio: 140 m² per un totale di 300 milioni di alveoli
• Perfusione alveolare: Irrorazione di ogni singolo alveolo
• Trasporto di O₂ e CO₂
• Trasferimento di O₂ e CO₂ dai capillari alle cellule
• Sistemi di controllo della respirazione
• Rapporto ventilazione-perfusione

Scambio dei gas respiratori

Lo scambio dei gas respiratori avviene a livello dell'unità anatomo-funzionale del polmone che è l'unità alveolo-capillare, cioè rappresentata da un alveolo e dal suo capillare avvolto attorno. La circolazione polmonare, che come sappiamo è una delle due circolazioni presenti a livello polmonare insieme a quella bronchiale, si distribuisce a circa l'80% della superficie alveolare.

Gli scambi alveolari avvengono per diffusione attraverso la membrana respiratoria rappresentata da la membrana basale e l'endotelio fusi più l'endotelio del vaso. Ha uno spessore che va da circa 0,15 a 0.5 micron.

Tipi di alveoli e loro funzioni

La parete alveolare è data fondamentalmente da due tipi di cellule che sono: alveoli di tipo 1 che formano solo la parete e che permettono gli scambi, alveoli di tipo 2 i quali hanno la funzione di produrre surfattante e eventualmente anche di rimpiazzare alveoli di tipo 1 danneggiati. A livello embrionale nel polmone avevamo solamente pneumociti di tipo 2 i quali poi si sono trasformati in massa in pneumociti di tipo 1. Abbiamo poi anche pneumociti di tipo 3 i quali sono fondamentalmente chemorecettori.

Altre funzioni del sistema polmonare

Il sistema polmonare ha anche altre funzioni:

• Rimuovere PG, leucotrieni, serotonina, ATP, AMP, nora
• Disattiva: bradichinina e ACH
• Causa l'attivazione dell'angiotensina I in II tramite l'ACE polmonare

Struttura di conduzione dell'aria

Le strutture che permettono il passaggio dell'aria partono dalla trachea e continuano con i due bronchi principali DX e SX e dopo 23 generazioni si passa ai bronchioli terminali. Il passaggio dell'aria fino ai bronchioli respiratori avviene tramite movimenti di massa mentre dai bronchioli terminali in poi per diffusione tramite il gradiente di concentrazione.

Gli atti respiratori al minuto sono circa 12 normalmente e il volume di aria in ingresso è di 500 ml d'aria ed è chiamato volume corrente, questo va a sommarsi al volume di aria già presente di 2.300 ml di aria.

Perfusione e diffusione alveolare

La perfusione a livello alveolare è come sappiamo un processo continuo mentre la diffusione è un processo intermittente che avviene solo in inspirazione. Per cui il volume di riserva impedisce grandi sbalzi di concentrazione dei gas nel sangue.

Le vie aeree fino alla 17esima generazione non prendono parte alla diffusione dei gas e quindi formano lo spazio morto anatomico.

Vi è un progressivo aumento della somma delle sezioni trasverse delle vie aeree totali che fa sì che diminuiscano le resistenze al flusso e parallelamente diminuisca anche la velocità di flusso, permettendo quindi una maggiore facilità di scambio di gas.

Pulizia dell'aria nelle vie aeree

Nelle vie aeree di conduzione l'aria viene riscaldata e umidificata ad opera del muco presente in tutte le vie aeree e viene anche depurata da eventuali particelle le quali hanno un futuro diverso in base alle dimensioni:

• Per particelle con dimensioni da 10-15 micron queste vanno a sbattere contro i turbinati del naso precipitando e venendo quindi avvolte dal muco che poi tramite le vibrisse viene spostato in faringe e espulso tramite la tosse o lo starnuto.
• Per particelle con diametro di 10 micron esiste la scala mobile mucociliare la quale sposta queste particelle verso la faringe.
• Per particelle di diametro tra 2 e 5 micron queste vanno a depositarsi a livello dei bronchioli terminali.
• Per particelle invece con diametro di 2 micron o meno queste arrivano fino agli alveoli dove sono attaccate dai macrofagi e quindi eliminate nella linfa.

Il numero delle cellule caliciformi mucipare diminuisce tra la 5° e la 12° generazione di bronchioli. Ma possono aumentare in caso di tabagismo o di inalazione di sostanze inquinanti causando quindi un aumento della produzione di muco e quindi la diminuzione del calibro.

Modificazioni dello stato della muscolatura

La muscolatura della parete delle vie aeree è sottoposta all'azione del sistema nervoso autonomo. Vi agisce infatti il parasimpatico tramite l'acetilcolina che legandosi ai recettori metabotropici M3 causa costrizione (riflesso causato da stimoli irritanti o da stimoli meccanici o da eccessiva concentrazione di CO₂).

Vi agisce anche l'adrenalina circolante la quale legandosi ai recettori β2 causa dilatazione (viene infatti somministrata in caso di allergia). Vi agisce anche il simpatico noradrenergico rilasciando noradrenalina la quale legando ai recettori α causa lieve effetto costringente.

Nelle reazioni allergiche vi agiscono anche istamina e PG causando costrizione.

Differenza di pressione e legge di Boyle

Il movimento dell'aria dall'interno verso l'esterno e viceversa è sempre dato da una differenza di pressione. Normalmente devo considerare tre spazi che sono: spazio endopleurico, spazio intrapolmonare e spazio esterno.

In inspirazione: si ha variazione del volume che causa riduzione della P intrapolmonare e ciò causa l'ingresso d'aria. In espirazione: si ha riduzione del volume aumento della P intrapolmonare e uscita d'aria.

È sempre importante ricordare la legge di Boyle: P*V=K, per cui se aumenta una deve per forza diminuire l'altra. A pompa ferma avremo una P ovunque =0. Se aspiro aria dallo spazio endopleurico la P diventerà <0 nel polmone e nello spazio endopleurico. Quindi l'aria entra fino al punto di equilibrio.

P endopleurica e sistema linfatico

La P endopleurica negativa (-5 cm H₂O) causa l'espansione del polmone nel momento di ingresso d'aria. Ma ciò che mantiene la P endopleurica ad un valore negativo è il sistema linfatico il quale aspira continuamente liquido e se andasse incontro a infiammazione causerebbe un accumulo di liquido a livello endopleurico chiamato pleurite che non permetterebbe una corretta dilatazione del polmone.

Forze opposte nel polmone

In condizioni normali il polmone è sottoposto a due forze opposte: la forza di retrazione elastica del polmone che tende a farlo collassare attorno all'ilo e la forza di retrazione elastica della gabbia toracica che tende a far dilatare la gabbia. Queste forze opposte sono la causa della P endopleurica normalmente negativa. Per il fatto che a livello endopleurico esiste una pleura viscerale adesa al polmone ed una parietale adesa alla gabbia toracica le quali sono tirate in direzioni opposte al punto di equilibrio e quindi siccome la cavità endopleurica è chiusa causano una sorta di "sottovuoto" che causa questa pressione negativa.

Ovviamente se si apre un varco nella gabbia toracica o peggio ancora nel polmone ciò causa l'ingresso d'aria nello spazio endopleurico proprio per questa P negativa. Il fenomeno è chiamato pneumotorace ed è particolarmente pericoloso nel caso in cui l'aria provenga da un polmone rotto perché questa non può rientrarvi per un meccanismo a valvola. Nell'uomo il pneumotorace è generalmente non letale per il fatto che in genere si ha solamente ad un solo polmone.

Meccanismo respiratorio

La respirazione diversamente da ciò che avviene a livello cardiaco non è un meccanismo automatico. Infatti sono necessari dei muscoli respiratori i quali causano l'aumento di volume a livello toracico, quindi sia polmonare sia endopleurico che causa la pressione negativa sia a livello intrapolmonare che endopleurico (e a livello alveolare in particolare) che causa l'ingresso d'aria.

In particolare abbiamo dei muscoli detti inspiratori propriamente detti che sono diaframma e muscoli intercostali esterni. Il diaframma da solo permette circa il 60-70% della respirazione, tramite il suo abbassamento in inspirazione trascina verso il basso la base del polmone permettendogli una dilatazione di circa i 2/3 del suo volume. Il diaframma è innervato dai nervi frenici i quali hanno le loro radici a livello C3-C4-C5 e l'interruzione del collegamento tra il centro di controllo centrale a livello bulbare e queste radici causa interruzione della respirazione.

I muscoli intercostali esterni invece sono innervati dalle radici T1-T12 e l'interruzione di comunicazione con il centro di controllo a livello bulbare non causa un'interruzione di respirazione ma solo una lieve diminuzione. Esistono poi anche dei muscoli inspiratori accessori come sternocleidomastoidei e scaleni usati solamente in inspirazione forzata.

Espirazione e muscoli accessori

L'atto espiratorio tranquillo invece è un processo totalmente passivo perché è sufficiente il rilasciamento del diaframma per far tornare la situazione allo stato di equilibrio. Ma nel caso di espirazione forzata c'è necessità di muscoli detti espiratori accessori che sono muscoli intercostali interni e muscoli dell'addome (specialmente il retto dell'addome).

Pressioni nell'apparato respiratorio

Al CFR:

• P endopleurica: -3/-4 mm Hg o -5 cm di H₂O
• P intrapolmonare all'equilibrio: 0 mm Hg all'equilibrio è uguale alla P intratracheale.

Salti pressori: Sono importanti i salti pressori da uno spazio all'altro detti P tm perché sono le P che si esercitano sulle pareti del polmone o del torace.

• P tm polmone-atmosfera: 0-0= 0 mm Hg
• P tm polmonare: polmone-spazio endopleurico: 0- (-3/-4)= 3/4 mm Hg
• P tm toracica: spazio endopleurico-atmosferica: (-3/-4) -0= -3/-4 mm Hg

Staticamente e dinamicamente

Staticamente: considerando la respirazione come il susseguirsi di situazioni singole si può vedere graficamente che si ha una distensione polmonare e endopleurica che causano la P negativa intrapolmonare e endopleurica.

Quindi il polmone si dilata e entra aria; la forza di retrazione elastica sarà maggiore della forza di distensione toracica quindi la P endopleurica sarà ancora più negativa: -7 cm H₂O. In espirazione invece i volumi si riducono e l'aria esce; la P endopleurica diventa meno negativa e torna ai valori di -5 cm H₂O.

Dinamicamente: considerando invece la respirazione come un atto dinamico, non è sufficiente considerare come unica forza agente contro la dilatazione del polmone la forza di retrazione elastica. Infatti vi agisce anche un'altra forza contraria che causa un ritardo nell'ingresso dell'aria in inspirazione che è dovuto alla componente di viscosità delle vie aeree e dei tessuti. Quindi la P da vincere per far entrare l'aria sarà maggiore. Una volta che si è riusciti a vincere questa maggiore depressione si ha l'ingresso d'aria. La P intrapolmonare arriva al culmine e si annulla nel momento in cui si arriva al volume massimo inspiratorio. In questo momento chi esprime la negatività endopleurica è solo la retrazione elastica del polmone. Quando poi la P intrapolmonare diventa meno negativa l'aria esce.

La differenza tra la depressione dinamica e quella statica è la forza che fa entrare l'aria dentro e rappresenta la resistenza viscosa delle vie aeree e dei tessuti.

Spirometria e volumi respiratori

La spirometria è una tecnica utilizzata per calcolare i volumi respiratori. Sappiamo che l'aria in ingresso è il volume corrente di 500 ml che si va a sommare a 2300 ml già presenti che sono la somma del volume di riserva espiratorio e il volume residuo. Il primo è il volume d'aria che può essere emesso in massima espirazione forzata mentre il secondo è il volume d'aria che entra nei primi atti respiratori e che non uscirà più tranne in caso di collasso respiratorio.

Il quantitativo massimo di aria inspirabile arriva fino a volumi di 5800 ml ed è chiamato volume di riserva inspiratoria. Il totale d'aria al massimo dell'inspirazione dà la capacità polmonare totale (è l'aria totale presente nel polmone al massimo della inspirazione). Mentre la capacità vitale è l'aria che si muove dalla massima inspirazione alla massima espirazione.

Nell'anziano: la capacità vitale diminuisce perché la capacità polmonare totale diminuisce perché diminuisce la distensibilità della gabbia toracica. I volumi respiratori dipendono anche dalla postura.

Valutazione dei volumi (CFR)

È importante considerare la capacità funzionale residua di un soggetto perché questa può essere modificata in caso di patologie. La misurazione del CFR avviene indirettamente tramite tre meccanismi che sono:

Meccanismo di lavaggio dell'azoto

Nell'aria respiratoria abbiamo una buona percentuale di azoto N₂=80%. Se facciamo respirare ad un soggetto da uno spirometro solamente O₂ puro, avremo che questo andrà a lavare a livello del CFR tutto l'azoto presente.

L'ossigeno puro che entra in ogni inspirazione andrà a prendere parte del posto nel CFR dell'azoto. Per cui se io vado a calcolare l'azoto che viene espirato e ne calcolo il volume e la concentrazione media di tutte le espirazioni fino a che la concentrazione non è <1% avrò che: Q=V*C quantità di azoto espirata = concentrazione media delle espirazioni di azoto * volume di azoto totale espirato. Quindi il volume di azoto espirato sarà equivalente al CFR cioè tutto l'azoto che avevamo all'interno dei polmoni ha lo stesso valore dell'intero CFR.

Meccanismo di diluizione dell'elio

In questo meccanismo viene usato un gas non presente nell'aria respiratoria: l'elio. Questo quindi deve essere espirato nella stessa quantità in cui viene inspirato. Per cui avremo che il volume inspirato (noto) * la concentrazione di elio inspirata (nota) = la concentrazione media dell'elio nelle diverse espirazioni * il volume dell'elio espirato + il volume polmonare. Infatti l'elio non viene espirato da solo nelle 14-16 espirazioni successive all'inspirazione dell'elio. Questo viene espirato insieme al CFR. nel momento in cui avremo che l'elio inspirato è stato tutto espirato allora sarà stato espirato anche tutto il CFR.

Pletismografia corporea

La pletismografia corporea utilizza una stanza con aria e vi pone un soggetto dentro, il quale inizialmente respira tramite uno spirometro. Al termine di una espirazione normale lo spirometro viene occluso e il soggetto espande con forza la gabbia toracica per inspirare ma non riesce tramite lo spirometro e quindi inspira l'aria presente nella stanza. Per cui il volume di aria presente nella stanza dopo 14-16 inspirazioni sarà il volume iniziale meno un ΔV corrispondente al CFR.

Disomogenea distribuzione dei volumi

Il polmone è come se fosse appeso alla volta della gabbia toracica e poggiato sul diaframma. Quindi risulta che gli alveoli più in alto sono maggiormente dilatati mentre quelli più in basso sono più compressi. A motivo di ciò la respirazione e in particolare l'inspirazione è più efficace a livello degli alveoli più in basso per il fatto che questi possono dilatarsi di più partendo da una dilatazione minore di quelli posti più in alto. Anche le P corrispondenti alle diverse altezze nello spazio endopleurico ha valori diversi. Infatti la P endopleurica in alto ha valori più negativi: -9 cm H₂O mentre più in basso ha valori meno negativi: -3 cm H₂O. in più la parte più in basso è anche maggiormente perfusa e ciò è funzionale alla maggiore diffusione che avviene a questo livello perché altrimenti sarebbe una sorta di spazio morto anatomico molta diffusione e poca perfusione inutile.

Resistenze della meccanica respiratoria

Le resistenze che si oppongono alla meccanica respiratoria sono fondamentalmente due: le resistenze elastiche e resistenze non elastiche. Le resistenze non elastiche sono quelle che si oppongono al passaggio dell'aria nei condotti delle vie aeree. Le resistenze elastiche invece rispecchiano la difficoltà delle strutture polmonari a distendersi + la resistenza della tensione polmonare.

Queste resistenze elastiche si oppongono al lavoro svolto dai muscoli inspiratori nella respirazione. Quanto più la forza elastica fa pressione sull'aria presente nel polmone tanto meno il polmone è compliance cioè è distendibile in base alla maggiore o minore presenza di aria in esso. Importanti nell'indicare le forze che si oppongono alla distensione sono le P tm cioè le pressioni che si applicano su una determinata parete, sia questa quella polmonare o quella toracica. In totale parliamo di P tm toraco-polmonare.

Curva di rilasciamento toraco-polmonare

Nella curva di rilasciamento toraco-polmonare si tiene in considerazione sia la parete toracica sia quella polmonare. La misurazione di questa curva di rilasciamento o curva di compliance si ha a glottide chiusa e con i muscoli respiratori sempre rilassati ad ogni valore di volume polmonare. Questa curva viene misurata quindi a riposo situazione in cui la P transmurale = 0 cioè al CFR in cui la forza di distensione toracica è uguale alla forza di retrazione elastica polmonare.

Poi si chiede al soggetto di inspirare, quindi di chiudere la glottide e di rilassare i muscoli inspiratori. In questo momento quindi il sistema è in una situazione di tendenza al collasso del polmone che tende a far aumentare la P intrapolmonare. Diversamente se si fosse chiesto al soggetto di espirare anziché di inspirare, avremmo avuto la tendenza del sistema intero a dilatarsi e quindi la P intrapolmonare sarebbe stata minore. La curva di rilasciamento toraco-polmonare rappresenta quindi la somma di quella polmonare e di quella toraciche poste in serie.

In particolare se il polmone è più elastico anche il sistema "torace" risulterà essere...