Fisiologia preventiva e adattata

Fisiologia dell'attività preventiva ed adattata

Intolleranza all'esercizio

L'intolleranza all'esercizio è l'incapacità di far fronte alle richieste metaboliche dell'esercizio fisico sostenuto ed è caratterizzata da un eccessivamente basso volume di ossigeno massimo (VO2 max). L'intolleranza è una condizione per cui il soggetto non è in grado di raggiungere un certo livello di esercizio. È indice di uno stato di decondizionamento del soggetto (sedentarietà, inattività prolungata).

Cause dell'intolleranza

• Centrale = di origine cardiorespiratoria. Il sistema cardiorespiratorio non è in grado di fare fronte alla richiesta di consumo di ossigeno elevata che c'è durante l'esercizio fisico per:
  • Una riduzione del meccanismo di Frank – Starling (adatta la gittata cardiaca, la quantità di sangue messa in circolo dal cuore, al ritorno venoso).
  • Una eccessiva pressione arteriosa polmonare (nel ventricolo destro, che immette il sangue refluo nel sistema polmonare, un aumento del post-carico, cioè del carico che deve vincere il ventricolo).
  • Scarsa risposta inotropa o cronotropa alle catecolammine (inotropa = forza di contrazione; cronotropa = FC); questi due parametri durante l’attività fisica sono sotto il controllo delle catecolammine e se c’è scarso controllo di queste sostanze o scarsa risposta i parametri non soddisfano il fabbisogno dell’esercizio.
  • Ostruzione coronarica = insufficiente irrorazione o nutrizione del miocardio, che a riposo sono funzioni asintomatiche, poiché la richiesta di ossigeno del cuore è molto bassa. Mentre, durante l’esercizio aumentando di 3 o 4 volte la richiesta di ossigeno da parte del cuore, allora questa carenza di flusso legata ad un’ostruzione coronarica è evidente.
  • Insufficiente ventilazione polmonare = l’apparato respiratorio non riesce ad apportare una quantità sufficiente di ossigeno.
• Periferica = di origine muscolare, non legate alla capacità del sistema cardiorespiratorio, ma legata all’incapacità da parte dei muscoli di utilizzare questo ossigeno. Che si divide in:
  • Insufficienti risposte circolatorie in termini di aumento del flusso ematico nei muscoli.
  • Indebolimento dei muscoli che non riescono a sviluppare la forza necessaria per eseguire l’esercizio fisico.
  • Affaticamento precoce con precoce accumulo di acido lattico o lattato che comporta fatica e interruzione dell’esercizio.

Questi concetti portano fondamentalmente alla formazione di due grandi cause di insufficienza: insufficiente trasporto di sangue e ossigeno ai muscoli e insufficiente capacità del muscolo di utilizzare l’ossigeno. Queste cause si riassumono nell’equazione di Fick.

Equazione di Fick

Riassume quelli che sono i fattori condizionanti il consumo di ossigeno. Si basa sul fattore che se noi conosciamo in un determinato condotto ematico, la differenza di concentrazione a monte (C1) e a valle (C2) di un segmento e la quantità di liquido (Q) che passa attraverso questo condotto, allora riusciamo a trovare la quantità di sostanza (FLUSSO) che viene estratta da questo circuito in un minuto.

FLUSSO = Q x (C1 – C2)

Quando la sostanza estratta è l’ossigeno che viene consumato dai tessuti, conoscendo la differenza di concentrazione dell’ossigeno che si calcola nei distretti arterioso (C1) e venoso (C2) e la quantità di ossigeno che viene estratta (VO2) rispetto alla differenza di concentrazione artero-venosa, ci dà la portata circolatoria. Questa equazione però può essere scritta in funzione del consumo di ossigeno e questo porterebbe ad una modificazione della formula per cui: il VO2 = Q (portata circolatoria) x CaO – C O (diff. di ossigeno artero-venosa). Però quest’equazione serve soprattutto per stabilire quali sono i fattori determinanti del consumo di ossigeno che dipende: dalla quantità di ossigeno che viene trasportata ai muscoli (portata circolatoria) e dalla differenza artero-venosa. La portata circolatoria o gittata cardiaca (Q) è il prodotto tra gittata sistolica per la frequenza cardiaca (capacità di trasportare ossigeno), mentre la differenza artero-venosa (capacità di utilizzare l’ossigeno muscolarmente) dipende dalla capacità dei muscoli di estrarre ossigeno dai tessuti.

In conclusione, i fattori da cui dipende il consumo di ossigeno sono due: quanto ossigeno viene trasportato ai muscoli e quanto ossigeno i muscoli sono in grado di sfruttare. Questi fattori possono essere considerati anche dei limiti sul consumo di ossigeno, quando i loro valori sono inferiori rispetto a quelli standard per cause fisiche o patologiche. Il massimo consumo di ossigeno si raggiunge poiché il nostro organismo ha raggiunto la massima gittata cardiaca e la massima capacità dei muscoli di sfruttare l’ossigeno.

Questi limiti sono intrinseci riguardo al sistema poiché il cuore più di tanto sangue al minuto non può mettere in circolazione per determinare la portata circolatoria, la FC e la GS sono massime, allora quella è la quantità massima di sangue che il sistema circolatorio riesce a fare arrivare ai muscoli e quindi a parità di consumo di ossigeno nel sangue è anche definita la massima capacità di trasporto dell’ossigeno. Dall’altra parte la massima differenza artero-venosa è legata alle limitazioni delle cellule del tessuto muscolare che utilizzando l’ossigeno, usano le vie metaboliche aerobiche (enzimi) e quando l’attività di queste vie (enzimi, mitocondri) è a pieno regime anche se noi avessimo il doppio di ossigeno, esso non verrebbe utilizzato perché la cellula ha raggiunto la massima capacità di usare l’ossigeno e quindi bisogna aumentare la capacità di usare l’ossigeno e non più di saperlo utilizzare.

Massima capacità aerobica

Come si misura il consumo di ossigeno? Il metodo più antico per misurare il consumo di ossigeno è il sacco di Douglas. Il sacco di Douglas è un sacco di gomma e tela impermeabile, dentro al quale il soggetto sottoposto al test, espira tutta l’aria in un determinato periodo di tempo. Sapendo qual è la pressione parziale dell’ossigeno nell’aria atmosferica (20%), successivamente l’ossigeno arriva agli alveoli e viene captato dai capillari alveolari e all’interno del complesso alveolare il tenore di ossigeno si abbassa e di conseguenza quando il soggetto espira l’aria, essa sarà più povera di ossigeno.

Se noi abbiamo a disposizione un misuratore della concentrazione di ossigeno, sappiamo la concentrazione dell’ossigeno nell’aria inspirata, misuriamo la concentrazione di ossigeno nell’aria espirata nel sacco e possiamo calcolare, dalla differenza tra l’ossigeno contenuto nell’aria inspirata e quello contenuto nel sacco, il consumo dell’ossigeno. Questo è un metodo relativamente semplice, ma poco pratico a causa soprattutto della voluminosità del campo, difficilmente trasportabile sul campo, ma eseguibile solo in laboratorio.

Metabolimetro

Questo metodo oggi, anche se preciso, è stato sostituito dalla misurazione respiro per respiro del consumo di ossigeno attraverso uno strumento: il metabolimetro. Questo strumento, utilizzato in tutti gli ambulatori/laboratori, si basa su un principio fondamentale: è un metodo a circuito aperto, dove l’aria viene inspirata attraverso una mascherina e poi espirata; e noi possiamo valutare il consumo di ossigeno respiro per respiro.

Il soggetto respira solo attraverso la mascherina che è connessa ad una turbina che con il flusso dell’aria ruota in una determinata direzione in base all’atto di inspirazione e espirazione. La turbina è tarata in maniera che leggendo il suo numero di giri, noi possiamo conoscere il flusso. La conoscenza del flusso ci serve per calcolare il volume. Sapendo che il flusso = volume / tempo, se noi abbiamo volume e tempo possiamo conoscere il flusso di ossigeno in un determinato periodo di tempo.

In questo dispositivo, sono presenti dei sensori molto precisi che leggono istantaneamente la concentrazione di ossigeno e anidride carbonica. Quindi si legge la concentrazione di ossigeno in inspirazione (aria atmosferica) e poi si legge, sempre nel singolo respiro, la concentrazione di ossigeno in espirazione; successivamente facendo la differenza si ottiene quanto ossigeno si è consumato in un singolo respiro; questo risultato si moltiplica per il numero di respiri e si ottiene il volume e si può poi calcolare il consumo di ossigeno. Questo metodo è forse meno preciso del sacco di Douglas, perché si basa sulla sensibilità dei sensori, ma è sicuramente un metodo che può essere usato anche su campo e non solo in laboratorio.

RER (Rapporto di scambio respiratorio)

Il rapporto di scambio respiratorio è uno dei parametri fondamentali nel consumo di ossigeno, perché si valuta per avere indicazioni se il picco di ossigeno è uguale o vicino al massimo consumo di ossigeno. Uno dei parametri per affermare che il picco di ossigeno corrisponde al massimo consumo di ossigeno è quello di un RER > 1,1, il che vuol dire che siamo in un regime di tipo lattacido. Il RER è il rapporto tra la CO2 eliminata e l’O2 consumato. In condizioni di steady state è uguale al quoziente respiratorio (QR). La RER aumenta durante l’esercizio a causa dell’iperventilazione e del tamponamento dell’acido lattico.

VAT (Soglia anaerobica ventilatoria)

Un altro aspetto importante per le valutazioni del consumo di ossigeno (metabolismo aerobico o anaerobico) è quello della soglia anaerobica ventilatoria (VAT). La soglia anaerobica ventilatoria è quel valore di consumo di ossigeno al quale il lattato comincia ad accumularsi nel sangue; e la ventilazione aumenta esageratamente rispetto al consumo di ossigeno.

Grafico lattato in funzione dell'intensità

Se guardiamo la curva della concentrazione di lattato ematico in funzione dell’intensità dell’esercizio, c'è una regione della rampa di crescita dell’intensità dove il lattato si mantiene più o meno costante, intorno alle 2 mmmoli per litro. Raggiunto un certo punto si ha un leggero incremento, abbastanza lento, della concentrazione di lattato che porta la concentrazione da 2 a 4 mmmoli. Successivamente, continuando a far crescere l’intensità dell’esercizio, il lattato si accumula in maniera sempre più rapida e la curva del lattato si impenna. Quindi ci sono due punti individuabili di incremento del lattato ematico:

• Un primo punto in cui il lattato ematico da costante tende leggermente ad aumentare in base all’intensità dell’esercizio.
• Un secondo punto in cui la curva del lattato si impenna e il lattato aumenta in maniera considerevole.

Fra il primo ed il secondo punto, se l’intensità dell’esercizio si mantiene costante, il lattato può essere mantenuto costante fra le 2 e le 4 mmmoli con una fase di steady state, dove c’è iperproduzione di lattato rispetto al valore di riposo, che può essere mantenuta tale. Superata la fase di steady state, invece il lattato tende a crescere anche se noi manteniamo l’intensità superiore ad un certo livello, per cui non si può raggiungere un valore di steady state a quel valore di lattato.

Le soglie

Possono essere valutate in base alla ventilazione respiratoria e all’intensità dell’esercizio. Fondamentalmente esistono due soglie:

• Soglia aerobica
• Soglia anaerobica

Soglia aerobica

La soglia aerobica, attualmente, è definita come:

• Il primo punto di variazione della concentrazione di lattato.
• Sulla base degli equivalenti ventilatori di ossigeno e anidride carbonica, che sono il rapporto tra la ventilazione polmonare (aria espirata) e, a seconda del gas preso in considerazione, il consumo di ossigeno e la produzione di anidride carbonica.

In poche parole, l’equivalente ventilatorio dell’ossigeno (VEVO2) quanti litri d’aria vengono ventilati al minuto per ogni litro di ossigeno in più consumato? Per soddisfare il fabbisogno di un litro di ossigeno in più del nostro organismo, quanti litri di aria in più devono essere ventilati rispetto alla condizione di riposo = costo respiratorio del consumo di ossigeno. D’altra parte, lo stesso discorso vale per l’equivalente ventilatorio dell’anidride carbonica (VEVCO2), ovvero quanti litri d’aria dobbiamo ventilare al minuto per poter eliminare un litro al minuto di anidride carbonica? Costo respiratorio dell’eliminazione dell’anidride carbonica.

Gli equivalenti ventilatori sono considerati come due flussi, quindi volume/tempo. Questi rapporti entro un certo limite, sono costanti. Nella prima parte della curva l’inclinazione di questi due rapporti è uguale, non il valore, il che vuole dire che il rapporto tra ventilazione/consumo d’ossigeno/anidride carbonica è costante = per ogni litro in più di ossigeno consumato o per ogni litro in più di anidride carbonica consumata, noi dobbiamo ventilare in più sempre la stessa quantità d’aria (20-21 lt al minuto per ogni litro di ossigeno in più consumato o litro di anidride carbonica eliminata).

C’è un punto però in cui all’aumentare dell’intensità dell’esercizio, il consumo di ossigeno cresce sempre con la stessa inclinazione, ma la ventilazione cresce in misura maggiore così come la produzione di anidride carbonica, rispetto al consumo di ossigeno. C’è una piccola differenza tra il rapporto ventilazione/consumo di ossigeno e ventilazione/produzione anidride carbonica. Allora, il punto in cui il VEVO2 comincia ad aumentare rispetto all’intensità d’esercizio, evidenzia che il costo ventilatorio dell’ossigeno tende a crescere e si consumano circa 23-24 lt al minuto di aria ventilati per ossigeno consumato. Questo perché, c’è un punto chiamato break point ventilatorio, determinato dal fatto che l’acido lattico comincia ad aumentare rispetto al valore di riposo e questo punto viene considerato come la soglia aerobica.

Quindi, il VEVO2 aumenta all’incremento di acido lattico perché l’acido lattico che viene prodotto si scinde in ioni idrogeno (H+) e lattato e gli ioni idrogeno vengono tamponati dagli ioni bicarbonato, prodotti dai fluidi corporei. Da questo tamponamento, si forma prima acido carbonico, che si scinde in anidride carbonica e acqua. Quindi abbiamo questo surplus di anidride carbonica non metabolica, che si va ad aggiungere alla quota metabolica già presente. L’anidride carbonica è lo stimolo principale che sostiene la ventilazione perché aumentando l’anidride carbonica aumenta anche la ventilazione per eliminare questo eccesso di anidride carbonica.

Mentre prima l’anidride carbonica che veniva prodotta durante l’esercizio aveva bisogno sempre della stessa quantità di incremento di ventilazione perché era solo metabolica, adesso la ventilazione aumenta in misura superiore perché deve eliminare anche quella quantità non metabolica e quindi essendo la CO2 che determina la variazione della ventilazione, noi abbiamo un incremento di ventilazione nonostante il consumo di ossigeno cresca sempre con lo stesso tasso. Per cui questo punto di rottura (break point ventilatorio) viene definito come soglia aerobica.

Diversamente il rapporto VE/VCO2, si mantiene costante perché la ventilazione è guidata dallo stimolo di anidride carbonica prodotta in più per cui per ogni quantità di anidride carbonica prodotta in più viene ventilata sempre la stessa quantità d’aria. Per cui questa prima soglia, è quella in cui il VE/VO2 incomincia a crescere, mentre il rapporto VE/VCO2 si mantiene ancora costante, essendo la CO2 la responsabile dell’aumento della ventilazione per eliminare il surplus di CO2 non metabolica.

Soglia anaerobica

La soglia anaerobica, invece, corrisponde:

• Al secondo punto di incremento del lattato (LTP2), quando il lattato supera le 4 mmoli per litro.
• Al fatto che questa soglia può essere definita in base anche agli equivalenti ventilatori perché: il VE/VO2 aumenta, ma aumenta anche il VE/VCO2 poiché la ventilazione aumenta in maniera esageratamente superiore rispetto alla produzione di CO2 = il tamponamento degli ioni H+ da parte degli ioni bicarbonato non è più sufficiente a compensare questa produzione di acido, per cui lo ione H+ comincia ad accumularsi nel sangue ed essendo un responsabile dell’aumento di ventilazione, la ventilazione stessa aumenta notevolmente non solo dalla CO2 in più ma anche dagli ioni H+ prodotti.

Quindi la ventilazione aumenta in maniera maggiore rispetto alla quantità che serve per eliminare la CO2 in eccesso (non metabolica). Quindi quando il VE/VO2 continua ad aumentare ed inizia ad aumentare anche il VE/VCO2, allora stabiliamo la presenza della soglia anaerobica. L’aumento dei due rapporti (VE/VO2 e VE/VCO2) è indice anche dell’aumento dell’acido lattico nel sangue che comporta la comparsa della fatica. Infatti, al raggiungimento della seconda soglia, la pressione parziale dell’anidride carbonica nell’aria espirata, tende a diminuire perché c’è un’iperventilazione.

In conclusione, quando noi parliamo di soglie dobbiamo definire chiaramente i criteri per identificarle durante l'esercizio fisico.