Fisiologia dell'apparato respiratorio

Fisiologia del respiratorio

L'apparato respiratorio presenta funzioni che non interessano solo la ventilazione, ma presenta funzioni quali regolazione del pH corporeo, funzione protettiva e fonazione.

Respirazione esterna e interna

• Respirazione esterna: l'aria si sposta dall'atmosfera ai polmoni, l'O₂ e la CO₂ vengono scambiati a livello dei tessuti polmonari e il sangue, dove l'O₂ e la CO₂ vengono trasportati dal sangue nei tessuti sistemici dove si ha lo scambio gassoso.
• Respirazione interna: utilizza l'O₂ e la produzione di CO₂ da parte della cellule, principalmente a livello di mitocondri.

Anatomia funzionale

A livello istologico possiamo ritrovare un epitelio composto per il 95% da cellule piatte ed allungate. Queste cellule sono i pneumociti di tipo I, che tramite la membrana basale sono uniti all'endotelio capillare. Abbiamo poi i pneumociti di tipo II che hanno invece una forma cuboidale e producono, a partire dal VII mese di gestazione, una sostanza fosfolipidica, il surfactante, che ha la proprietà di ridurre la tensione superficiale che si crea nell'alveolo all'interfaccia aria-liquido. I pneumociti di III tipo sono distribuiti anche in strutture extralveolari e si comportano da chemocettori.

Vie aeree

Trachea → bronchi → bronchi principali → bronchi secondari → bronchi terziari → bronchioli → bronchi terminali → alveoli polmonari.

Vasi sanguigni

Analogamente alla divisione sequenziale da trachea a bronchioli terminali, i vasi sanguigni procedono dall'arteria polmonare fino ai capillari polmonari che contornano l'alveolo. I vasi sanguigni poi ricostituiscono grandi vasi come le vene polmonari che riportano il sangue ossigenato all'atrio di sinistra. Quindi mentre l'aria inspirata ed espirata percorrono le stesse vie aeree dopo lo scambio di gas a livello alveolare, il sangue venoso e quello ossigenato hanno vie circolatorie ben distinte. Le arterie seguono i bronchi nelle loro divisioni fino al centro dei lobuli polmonari mentre le vene passano fra i lobuli. I capillari sono numerosissimi e hanno un diametro che consente il passaggio dei globuli rossi in un'unica fila riducendo così al minimo il tragitto dei gas. Le arterie polmonari si diramano dal tronco polmonare (ventricolo dx) e percorrono tutte le vie aeree inferiori. Si ricorda che le arterie polmonari trasportano sangue ricco di CO₂ e povero di O₂. Dai capillari alveolari, il sangue che viene ossigenato torna in atrio sx attraverso le vene polmonari, che partendo dai capillari, si uniscono formando vasi di grosso calibro.

Pleure, gabbia toracica e diaframma

Il polmone è rivestito da una membrana, la pleura viscerale. Questa a livello dell'ilo polmonare si ribatte e riveste, prendendo il nome di pleura parietale, il cuore, la faccia superiore del diaframma e la superficie interna della gabbia toracica. Tra la pleura viscerale e la pleura parietale si trova un volume di circa 10ml di liquido intrapleurico, un ultrafiltrato del plasma che serve come lubrificante per lo scorrimento relativo di una pleura sull'altra durante il ciclo respiratorio. Il liquido pleurico viene secreto continuamente dalla pleura parietale e viene riassorbito dai linfatici posti al di sotto della pleura viscerale. L'insieme delle pleure e del liquido intrapleurico definisce una struttura che ha un ruolo cruciale nella funzione polmonare. Infatti, grazie all'impossibilità di comprimere o espandere il liquido intrapleurico, si manifesta un accoppiamento meccanico tra la gabbia toracica/diaframma e polmone. Secondo questo principio il polmone non può che seguire la gabbia toracica/diaframma durante l'inspirazione, e la gabbia toracica/diaframma non può che seguire il polmone durante la retrazione spontanea durante l'espirazione passiva che avviene dopo la cessazione dell'attività dei muscoli inspiratori.

Meccanica respiratoria

Spirogramma

I volumi di aria che possono essere ventilati dal sistema polmonare sono quantità misurabili. Questi volumi vengono misurati attraverso lo spirometro. Lo spirometro è uno strumento che viene collegato con un boccaglio al soggetto che inspira ed espira in una campana rovesciata che può alzarsi ed abbassarsi quando l'aria viene ad essa aggiunta (espirazione) o sottratta (inspirazione). La linea di base da cui si parte per la misura dei volumi polmonari è quella che si raggiunge dopo un'espirazione massimale, cioè quando il soggetto non può espirare aria ulteriormente. Questo punto di partenza si chiama Volume Residuo (VR). Il volume residuo è la quantità di aria che, in vivo, non può essere espirata e non partecipa alla definizione dei volumi ventilati. Il volume residuo corrisponde a 1.2L.

Il volume residuo è un dato fondamentale, in quanto si costituisce alla nascita con il primo atto respiratorio. Questo ci permette di stabilire se il neonato è nato vivo o nato morto. In quanto se noi preleviamo un pezzo di polmone e lo immergiamo in acqua, se sarà presente il VR, il polmone galleggerà, se sarà assente il pezzo di polmone andrà a fondo. Quindi se il VR è presente il neonato è nato vivo. Se il VR è assente il neonato è nato morto.

• Volume residuo: 1.2L di aria che non possono essere espirati e permangono nel polmone
• Capacità vitale: volume residuo più una quantità massima di aria che il soggetto può inspirare (circa 5L)
• Capacità polmonare totale: è data dalla somma tra VR e CV.
• Volume corrente: definito da aria inspirata ed espirata ad ogni ciclo respiratorio. Il suo valore è di circa 0.5L durante la respirazione tranquilla, che può aumentare circa 6 volte durante lo sforzo.

La variazione di VC agisce sulla variazione del volume di riserva inspiratoria e volume di riserva espiratorio.

• Aumento VC: riduce l'ampiezza del VRI, cioè la quantità di aria che può essere inspirata oltre VC
• Diminuzione VC: aumenta ampiezza del VRE cioè la quantità di aria che può essere espirata oltre VC.

Ponendo VC = 0.5L, VRI e VRE sono rispettivamente 3L e 1.5L. Un altro dato importante è la capacità funzionale residua che corrisponde a circa il 40% della capacità totale vitale (CV). La capacità funzionale residua indica il volume a cui la forza di retrazione elastica del polmone è in equilibrio con la forza di espansione della gabbia toracica. Questo equilibrio dà luogo ad un breve intervallo tra la fine dell'espirazione e l'inizio dell'inspirazione detto pausa respiratoria.

Ventilazione

Gli atti respiratori hanno luogo a causa di gradienti pressori che si stabiliscono tra aria atmosferica (Patm) ed aria alveolare (Palv). Rapporto tra pressione atmosferica e pressione alveolare. Un ruolo fondamentale è svolto dalla pressione intra-pleurica, negativa, che ha un ruolo fondamentale nella genesi dei ruoli pressori tra aria atmosferica e alveolare.

• Se Patm > Palv: l'aria si sposta dalla pressione atmosferica verso gli alveoli e si ha l'inspirazione.
• Se Palv > Patm: la pressione alveolare, essendo maggiore di quella atmosferica, l'aria viene emessa all'esterno e si ha l'espirazione.

Rimane da capire come si creano questi gradienti. Bisogna considerare due elementi, meccanici e nervosi. Tra gli elementi meccanici vanno considerati la gabbia toracica, i muscoli respiratori e le pleure. Tra gli elementi nervosi vanno considerati un centro respiratorio, detto Centro Respiratorio Bulbare, e i nervi spinali che si dipartono da determinati segmenti del midollo spinale. Questi nervi sono gli intercostali, che si dipartono dai segmenti T1-T12 e il nervo frenico, che invece si diparte dai segmenti cervicali da C3-C5. Il centro respiratorio bulbare è localizzato nel midollo allungato (bulbo). Questo centro respiratorio è organizzato in gruppi neuronali, alcuni dei quali sottendono la inspirazione - neuroni inspiratori - e un gruppo di neuroni espiratori che favoriscono l'espirazione. Controllo reciproco tra questi gruppi.