Fisiologia - Fisiologia della respirazione

Fisiologia della respirazione

Organizzazione anatomica e funzionale del polmone e delle vie aeree

• Permettere lo scambio dei gas respiratori O₂ e CO₂ tra atmosfera e sangue
• Regolazione omeostatica del pH corporeo
• Protezione da patogeni inalati e sostanze irritanti
• Vocalizzazione: l'aria che si muove attraverso il sistema respiratorio mette in movimento le corde vocali, questo genera la vocalizzazione

Tipologie di respirazione

Dal punto di vista fisiologico esistono due tipologie di respirazione:

• Respirazione esterna: scambio di gas O₂ e CO₂ tra ambiente esterno ed organismo
• Respirazione cellulare: reazioni intracellulari tra O₂ e molecole organiche (glucosio) per produrre ATP, ciclo di Krebs.

Parlando di sistema respiratorio ci concentriamo sulla respirazione esterna.

Respirazione esterna

Respirazione esterna può essere divisa in 4 fasi successive:

1. Scambio di gas tra ambiente esterno ed i polmoni, esso coinvolge:
   • Vie di conduzione
   • Meccanica respiratoria: serie di meccanismi che coinvolgono l’apparato muscolo scheletrico.

   Permettono attraverso il movimento, di creare all’interno della struttura dei polmoni: depressioni: il gradiente pressorio porta aria all’interno dei polmoni aumenti di pressione: il gradiente pressorio fa uscire l’aria dai polmoni.

2. Scambio di CO₂ e O₂ tra polmoni e sangue: lo scambio avviene attraverso la superficie degli alveoli.
3. Trasporto di CO₂ e O₂ nel sangue respiratori in soluzione o mediante il legame con l’emoglobina.
4. Scambio di gas tra le cellule dei tessuti periferici.

Strutture coinvolte nello scambio di gas

Scambio di gas tra l’ambiente esterno ed i polmoni richiede le seguenti strutture:

Sistema di conduzione

Viene che vanno dall’ambiente esterno ai polmoni e permettono all’aria di entrare nei polmoni raggiungendo gli alveoli e poi defluire. Esso può essere diviso in due parti:

• Tratto respiratorio superiore: comprende cavità nasali, bocca, faringe, laringe e alta trachea.
• Tratto respiratorio inferiore: comprende bassa trachea, i due bronchi (bronchi primari) e le loro ramificazioni.

L’aria entra dalla bocca e dal naso, passa nella faringe (tratto comune sia all’aria che al cibo) da qui solo aria passa alla laringe (dove stanno le corde vocali) e poi trachea (15-20 anelli cartilagine a forma di C) quindi si ramifica nei due bronchi primari o bronchi di primo ordine.

Bronchi e bronchioli

Nei polmoni, i bronchi (pareti: cartilagine) si suddividono ulteriormente in bronchi di secondo, terzo, quarto… fino a raggiungere l’undicesimo ordine. Dalla dodicesima ramificazione in poi si parla di bronchioli (pareti: muscolo liscio): essi ramificano dalla 12 alla 23esima ramificazione. I bronchioli della 23esima ramificazione vengono definiti bronchioli terminali, la 24esima ramificazione coincide con gli alveoli: strutture che solitamente si trovano raggruppate a grappolo (grappoli alveolari) e permettono lo scambio di gas.

La superficie di scambio nei polmoni corrisponde a circa 100 m². La superficie interna dell’alveolo è costantemente bagnata da una soluzione salina che è rivestita da un tensioattivo: il surfattante.

Questo strato molto sottile che caratterizza la parete interna degli alveoli non deve essere disidratato, perciò è fondamentale che l’aria che raggiunge gli alveoli deve avere un’umidità relativa vicina al 100%.

Ventilazione e sistema di conduzione

Durante la ventilazione il sistema di conduzione svolge un importante ruolo di condizionamento dell’aria in modo tale da non recar danno alle strutture alveolari:

• Riscalda l’aria alla temperatura corporea di 37°.
• Aggiunge vapore acqueo in modo che l’aria raggiunga il 100% di umidità, evitando la disidratazione degli alveoli.
• Filtra l’aria per impedire che virus, batteri e materiale estraneo giungano agli alveoli.

L’aria è filtrata sia da trachea che dai bronchi rivestiti da un epitelio costituito da due tipologie di cellule:

• Cellule ciliate rilasciano una soluzione salina in cui sono immerse le ciglia, grazie a questa soluzione esse si possono muovere efficientemente.
• Cellule caliciformi secernono il muco contenente Ig (=immunoglobuline), esso galleggia sotto un sottile film di soluzione salina e risale verso la faringe grazie al movimento delle ciglia.

La funzione del muco è quella di intrappolare tutte le sostanze patogene o inquinanti che introduciamo nelle vie aeree inglobandole nella sua struttura. Grazie al movimento peristaltico in ascesa delle ciglia che permette una progressione fino alla gola, lo possiamo sputare o deglutire.

Malattie respiratorie: fibrosi cistica

Una delle malattie ereditarie più diffuse del bacino mediterraneo è la fibrosi cistica. È una patologia molto complessa che come principale bersaglio di alterazione degli organi ha i polmoni, coinvolge anche il pancreas esocrino ed endocrino.

Il meccanismo che viene a mancare nei pazienti affetti da fibrosi cistica è la generazione del film di soluzione salina all’interno del quale si possono muovere le ciglia e che permette al muco di galleggiare senza entrare in contatto con le ciglia.

Ciò è dovuto alla mutazione del canale al cloro CFTR, esso è espresso sulla membrana rivolta verso il lume del bronco. Nel momento in cui questo canale è geneticamente alterato può verificarsi una di queste situazioni:

• Non viene espresso
• Viene espresso ma non porta adeguati quantitativi di cloro
• Esso impedisce il passaggio del cloro dal liquido interstiziale al lume.

Come si crea fisiologicamente la soluzione salina? Se si muove Cl^- si muove anche Na⁺ per equilibrare la carica cellulare, (come spesso avviene: prima si muovono i soluti, poi a carico del movimento dei soluti si muove anche l’acqua) in seguito si ha un movimento di H₂O.

In mancanza di questo canale il film di soluzione non si forma oppure è assottigliato. Il muco va a contatto con le ciglia, esse perdono la loro funzionalità perché rimangono appiccicate quindi tutto il materiale introdotto attraverso l’atto respiratorio rimane intrappolato a livello dei bronchi e dei bronchioli. Accumulandosi esso può andare negli alveoli e progressivamente portare ad un’ostruzione.

I pazienti affetti da fibrosi cistica devono sottoporsi a lavaggi polmonari per rimuovere il muco che non riesce ad essere sputato o deglutito.

Pompa muscolare e meccanica respiratoria

Pompa meccanica respiratoria: quelle ossa e muscoli coinvolti nel processo di ventilazione = alternanza dei processi di inspirazione o inalazione e espirazione o esalazione.

Meccanica della respirazione e spirometria

I polmoni sono organi a forma di cono irregolare, occupano la cavità della gabbia toracica quasi completamente. La base è appoggiata al diaframma. Essi sono costituiti da un tessuto spugnoso il cui volume è principalmente occupato da aria.

I bronchi sono le vie di conduzione esterna semirigide che collegano i polmoni alla trachea. I due polmoni non sono identici: il destro è più grande (massa 680 g) ed è costituito da 3 lobi: superiore, medio, inferiore. Il sinistro è più piccolo (massa 620 grammi) ed è costituito da 2 lobi: superiore (è presente un’incisura a livello del lobo superiore che ospita la massa del muscolo cardiaco) e inferiore.

I polmoni sono contenuti all’interno della cassa toracica: essa è un contenitore sigillato con al suo interno 3 sacchi membranosi:

• Sacco pericardico: contiene il cuore
• 2 sacchi pleurici: ogni sacco contiene un polmone

La pleura avvolge i polmoni: ciascun polmone si trova all’interno del sacco pleurico formato da 2 foglietti pleurici di cui uno riveste l’interno della cavità toracica (parete viscerale) e l’altro la superficie esterna del polmone (parete parietale). Ciascuna membrana pleurica è costituita da diversi strati di tessuto connettivo elastico e da numerosi capillari.

I due foglietti sono separati da un sottilissimo strato/film di liquido pleurico, il volume totale ammonta a 25-30 ml (è sottilissimo).

Funzioni del liquido pleurico

• Creare una superficie umida e scivolosa tra la pleura viscerale e quella parietale in modo tale che le due pleure non vadano direttamente a contatto, cosa che potrebbe portare ad attriti e sfregamenti, condizioni di infiammazione.
• Mantenere i polmoni a stretto contatto con la parete interna della gabbia toracica: la forza di adesione esercitata dal sottile film di fluido è molto alta e permette alla superficie esterna del polmone di seguire fedelmente il movimento della superficie interna della gabbia toracica.

Esempio per comprendere quest’azione: 2 pannelli di vetro sono uniti da una sottile pellicola d’acqua, essi possono scivolare uno sull’altro avanti e indietro ma essi non possono essere separati perché è presente una coesione data dalle molecole d’acqua che tengono unite le due superfici di vetro. Un meccanismo simile mantiene adesi i due foglietti pleurici tenendo i due polmoni incollati alla gabbia toracica, mantenendoli pieni d’aria anche a riposo.

Le forze di adesione, che si instaurano grazie al sottile film di liquido pleurico che separa i due foglietti, sono fondamentali per permettere alla superficie esterna del polmone a contatto con la gabbia toracica e col diaframma di seguire fedelmente le variazioni di forma e di volume a cui va in contro la gabbia toracica durante l’atto inspiratorio/espiratorio.

Durante l’inspirazione: il piano del diaframma scende e la gabbia toracica aumenta di volume, soprattutto espandendosi orizzontalmente. Grazie alle forze di adesione il polmone aumenta il proprio volume attirato dalle forze di adesione tra i due foglietti.

Durante l’espirazione: il polmone riduce il suo volume continuando a rimanere adeso, in virtù di una risalita diaframmatica contemporanea ad una riduzione del diametro della gabbia toracica.

All’interno dello spazio tra i due foglietti c’è una pressione negativa, dovuta alle forze di ritorno elastico presenti sulla superficie del polmone.

In assenza di una pleura integra che lo mantenga adeso alla gabbia toracica, il polmone tenderebbe a collassare su sé stesso.

La pressione intrapleurica in una respirazione tranquilla: è -3 mmHg al termine dell’atto espiratorio, prima che inizi l’atto inspiratorio, diventa -6 mmHg al termine dell’atto inspiratorio.

Durante una respirazione forzata, i valori diventano più negativi.

Pneumotorace

Pneumotorace è una lesione della pleura che porta alla scomparsa delle forze adesive tra i 2 foglietti pleurici e di conseguenza al collasso della struttura del polmone su sé stesso.

Se si apre un passaggio tra la cavità pleurica chiusa e l’atmosfera, l’aria rompe il legame che manteneva il polmone adeso alla parete toracica. Il polmone collassa verso il proprio volume di riposo e la parete toracica si espande ulteriormente.

Cause

• Trauma che lesiona la parete parietale, es. costa che buca
• Cisti congenita che lesiona la parete viscerale

Trattamento

1. Tramite una pompa aspirante si rimuove la maggior quantità possibile di aria.
2. Chiusura del passaggio per impedire un ulteriore ingresso di aria.
3. L’aria residua nel polmone verrà progressivamente assorbita dal circolo sanguigno; i due foglietti pleurici sono fittamente irrorati da una rete di capillari.

La respirazione

La respirazione è un processo attivo che utilizza la contrazione muscolare per avvenire. L’aria entra nei polmoni per il gradiente di pressione creato dall’apparato muscolo scheletrico: funziona come una vera e propria pompa in grado di aspirare (inspirare) e rimettere verso l’esterno (espirare) l’aria. Nella ventilazione il flusso d’aria (Φ) è causato da gradiente pressorio (ΔP) ed ostacolato dalla Resistenza (R) delle vie aeree.

Flusso: Φ = ΔP/R

La ΔP è generata da una pompa costituita da:

• Muscoli della cassa toracica
• Diaframma

Prendo in considerazione i diversi muscoli che costituiscono la pompa muscolare della respirazione:

Muscoli coinvolti nell'atto inspiratorio

• Muscoli dell’inspirazione tranquilla:
  • Mm. intercostali interni
  • M. diaframma
• Muscoli dell’inspirazione forzata:
  • M. sternocleidomastoideo
  • Mm. scaleni

Muscoli coinvolti nell'atto espiratorio

• Muscoli dell’espirazione forzata:
  • Mm. intercostali interni
  • Mm. Addominali

NB: Il processo dell’espirazione tranquilla non necessita di muscoli in quanto è passivo, dovuto al rilassamento dei muscoli dell’inspirazione.

Meccanica respiratoria

Inspirazione a riposo: tranquilla. Affinché l’aria entri negli alveoli è necessario che la pressione dentro ai polmoni diventi inferiore a quella atmosferica.

Muscoli coinvolti

• La contrazione genera un abbassamento del diaframma di 1,5 cm, essa pesa per circa il 70% della inspirazione tranquilla a riposo. Il piano diaframmatico si abbassa facendo scendere verso il basso il polmone, ciò porta ad un aumento del volume del polmone.
• Mm. intercostali esterni si contraggono, esercitando una trazione sulle coste verso l’alto e l’esterno. Essa pesa per il 30% della variazione del volume dei polmoni.

Sempre più evidenze sperimentali stanno dimostrando che i muscoli sternocleidomastoidei e gli scaleni (coinvolti nell’espirazione forzata) hanno un contributo minoritario anche.

Espirazione a riposo (processo passivo)

Avviene per semplice rilassamento del diaframma (torna ad avere una struttura concava) e dei mm. intercostali esterni (riduce il diametro orizzontale della gabbia toracica) con un ritorno elastico dei polmoni che riporta il diaframma e le coste in posizione di partenza.

Inspirazione forzata

Si contraggono anche i muscoli scaleni e sternocleidomastoidei oltre agli intercostali esterni ed al diaframma.

Espirazione forzata (processo attivo)

Contrazione dei muscoli addominali (genera una compressione dei visceri che aiuta l’innalzamento del diaframma) e degli intercostali interni (fanno chiudere le coste più rapidamente con un’accentuata riduzione del volume della gabbia toracica).

Ciclo espiratorio: l’atto di inspirazione seguito da quello di espirazione, richiede un tempo medio di 4 secondi.

In una ventilazione tranquilla effettuiamo 15 atti respiratori al minuto, per un volume di aria scambiata di 500 ml per ogni ciclo espiratorio.

In questa trattazione del ciclo respiratorio poniamo per convenzione pari a 0 mmHg la pressione atmosferica, quando in realtà essa equivale a 760 mmHg, pari ad 1 atm.

Tempo 0 s

È una breve pausa tra un atto respiratorio e l’altro in cui la pressione alveolare è 0 mmHg, uguale alla pressione atmosferica. In questa fase si registra il valore minimo di pressione intrapleurica: -3 mmHg.

Tempo 0-2 s (Inspirazione)

I muscoli inspiratori si contraggono ed il volume polmonare aumenta. Durante il primo secondo c’è una progressiva riduzione della pressione alveolare che da 0 diventa negativa fino ad un valore di -1 mmHg. La pressione intrapleurica in questa fase arriva a -4,5/-5 mmHg. In fase di inspirazione entra un quantitativo d’aria pari a 250 ml.

La pressione alveolare diventa molto negativa perché la variazione del flusso polmonare è più veloce del flusso dell’aria. Essa continua ad entrare nei polmoni fino a che la pressione intrapolmonare risulta uguale a quella atmosferica. Il quantitativo massimo di aria negli alveoli si raggiunge dopo 2 secondi, questo punto corrisponde anche al valore di minima pressione negativa -6 mmHg.

Tempo 2-4 s (Espirazione)

Il volume dei polmoni si riduce passivamente per il rilassamento del muscolo intercostale esterno ed il diaframma. La pressione alveolare aumenta più velocemente rispetto al flusso dell’aria e va al secondo 3 ad un valore di 1 mmHg. In corrispondenza a ciò avviene una rapida riduzione della pressione intrapleurica.

Tempo 4 s

Il flusso di aria si arresta perché la pressione all’interno degli alveoli è tornata uguale a quella atmosferica. Di fatto questo punto corrisponde al punto 0.

I gradienti di pressione richiesti per il flusso d’aria derivano dalla contrazione del muscolo scheletrico: il 3-5% del dispendio energetico dell’organismo è speso per la respirazione in condizioni di riposo. Durante l’esercizio fisico l’energia richiesta per la ventilazione aumenta notevolmente, i due fattori che influenzano di più la quantità di lavoro sono:

• Complianza (cedevolezza): entità della forza che deve essere esercitata su un corpo per deformarlo. Nel polmone possiamo esprimerla come il cambiamento di volume in risposta ad una certa pressione esercitata su di esso. Un polmone con un’elevata complianza si dilata facilmente a differenza di un polmone con una bassa complianza avrà bisogno di un maggior lavoro dei muscoli inspiratori per dilatarlo. Esistono delle patologie che fanno perdere la complianza: esse sono patologie polmonari restrittive.