Il sistema respiratorio

Il sistema respiratorio

Il sistema respiratorio comprende le vie respiratorie che portano ai polmoni, i polmoni stessi e la muscolatura respiratoria del torace e dell'addome coinvolta nella generazione del movimento dell'aria dentro e fuori il polmone, attraverso le vie aeree. Le vie respiratorie sono condutture che trasportano l'aria tra l'atmosfera e gli alveoli polmonari.

Vie aeree e struttura del sistema respiratorio

Le vie aeree iniziano con le vie nasali (naso), sboccano nella faringe (gola) che funge da via comune per i sistemi sia respiratorio sia digerente. Dalla faringe si dipartono anche due condotti (trachea ed esofago). L'aria generalmente entra nella faringe dal naso ma può entrare anche dalla bocca. Un meccanismo riflesso chiude la trachea durante l'ingestione così il cibo entra nell'esofago e non nelle vie aeree. L'esofago rimane chiuso tranne durante la deglutizione.

La laringe è posta all'ingresso della trachea, le corde vocali sono due pieghe di tessuto elastico che si estendono attraverso l'apertura della laringe possono essere tese e posizionate in forme diverse dai muscoli laringei. L'aria passa nella laringe attraverso lo spazio tra le corde vocali. L'apertura laringea è detta glottide. Quando l'aria attraverso la glottide aperta passa tra le corde vocali tese vibrano e producono i vari suoni della voce. Le labbra e la lingua modificano i suoni in modelli sonori riconoscibili.

Oltre alla laringe, la trachea si divide nei bronchi destro e sinistro che entrano poi nei due polmoni, all'interno del polmone il bronco si continua a ramificare in vie aeree più strette e sottili. Le ramificazioni più sottili sono dette bronchioli e alle loro estremità sono raggruppati gli alveoli dove i gas vengono scambiati tra aria e sangue.

Alveoli e polmoni

Alveoli: gruppi di cavità dilatabili a parete sottile simili a grappoli d'uva, posti ai rami terminali delle vie aeree. La parete alveolare è costituita da un singolo strato di cellule alveolari di tipo I, appiattite. Ogni alveolo è circondato da una rete di capillari polmonari la cui parete è costituita da un solo strato sottile di cellule. L'interfaccia alveolare aria-sangue presenta una vastissima superficie di area per gli scambi.

Oltre alle sottili cellule di tipo I costituenti la parete, il 5% dell'epitelio della superficie alveolare è ricoperto dalle cellule alveolari di tipo II che secernono il surfattante polmonare, un complesso chimico che facilita l'espansione polmonare. Inoltre i macrofagi alveolari difendono il lume degli alveoli.

Polmoni: sono due, ciascuno diviso in numerosi lobi e ognuno servito da un bronco. Il tessuto polmonare di per sé è costituito da una serie di vie aeree ramificate da alveoli, da vasi sanguigni e una grande quantità di tessuto connettivo elastico. L'unico muscolo dei polmoni è la muscolatura liscia delle pareti delle arteriole e bronchioli.

I polmoni occupano la maggior parte del volume della cavità toracica. La parete toracica esterna (torace) è costituita da 12 paia di coste incurvate che si uniscono anteriormente allo sterno e posteriormente alle vertebre toraciche. La gabbia toracica fornisce protezione ossea a polmoni e cuore.

Il diaframma è una grande lamina cupoliforme di muscolatura scheletrica che separa la cavità toracica dalla cavità addominale. È attraversato solo dall'esofago e vasi sanguigni.

Sacco pleurico: il sacco pleurico separa ogni polmone dalla parete toracica e le altre strutture circostanti. L'interno del sacco pleurico è noto come cavità pleurica. Le superfici della pleura secernono liquido intrapleurico che lubrifica le superfici pleuriche quando scivolano una sull'altra durante i movimenti respiratori.

Meccanica respiratoria

L'aria tende a muoversi da una regione ad alta pressione a una a pressione bassa, secondo un gradiente pressorio. L'aria entra ed esce dai polmoni durante l'atto respiratorio muovendosi secondo gradienti di pressione che si invertono ciclicamente, stabiliti tra gli alveoli e l'atmosfera dell'attività ciclica della muscolatura respiratoria. Tre differenti tipi di pressione sono importanti nella ventilazione:

• Pressione atmosferica barometrica: pressione esercitata sul peso dell'aria nell'atmosfera su un oggetto sulla superficie terrestre.
• La pressione alveolare: pressione all'interno degli alveoli.
• La pressione intrapleurica: è la pressione all'interno del sacco pleurico. È la pressione esercitata sui polmoni nella cavità toracica. La pressione intrapleurica non si equilibra con la pressione atmosferica o con quella alveolare in quanto il sacco pleurico è un sacco chiuso senza aperture così l'aria può entrare o uscire.

Il gradiente di pressione transmurale normalmente distende i polmoni fino a riempire la cavità toracica più ampia. La cavità toracica è più ampia dei polmoni non dilatati perché la parete toracica cresce più rapidamente dei polmoni durante lo sviluppo. Un gradiente di pressione transmurale attraverso i polmoni mantiene i polmoni e la parete toracica in stretta apposizione, dilatando i polmoni fino a riempire la cavità toracica più ampia.

Gradiente di pressione transmurale: la pressione alveolare, all'equilibrio con la pressione atmosferica a 760 mmHg, è maggiore della pressione intrapleurica di 756 mmHg, così la pressione eccitata verso l'esterno attraverso la parete polmonare è maggiore di quella esercitata verso l'interno. Questo gradiente spinge i polmoni stirandoli o distendendoli; a causa di questo gradiente pressorio, i polmoni sono sempre forzati a espandersi per riempire la cavità toracica.

Come la cavità toracica si allarga, i polmoni si espandono; quindi i polmoni seguono i movimenti della parete toracica. In seguito all'elasticità polmonare, i polmoni tendono a muoversi verso l'interno separandosi dalla parete toracica quando sono espansi per riempire la cavità toracica più ampia. Il gradiente di pressione però impedisce a queste strutture di separarsi. La risultante di questa espansione della cavità pleurica è sufficiente a far diminuire la pressione in questa cavità di 4 mmHg.

La relazione tra il gradiente di pressione transmurale e la pressione intrapleurica subatmosferica. I polmoni vengono distesi dal gradiente di pressione transmurale che esiste attraverso le loro pareti perché la pressione intrapleurica è minore di quella atmosferica. La pressione a sua volta è subatmosferica perché i polmoni distesi tendono a discostarsi dalla parete toracica più ampia espandendo leggermente la cavità pleurica e facendo scendere la pressione intrapleurica al di sotto della pressione atmosferica.

Pneumotorace e legge di Boyle

Pneumotorace: condizione patologica quando la parete toracica viene perforata, l'aria fluisce rapidamente secondo il suo gradiente pressorio dalla pressione atmosferica più elevata allo spazio pleurico.

Legge di Boyle: la pressione alveolare può essere cambiata alterando il volume dei polmoni secondo questa legge. Si afferma che a temperatura costante la pressione esercitata di un gas in un contenitore chiuso è inversamente proporzionale al suo volume cioè all'aumentare del volume del gas, la pressione da esso esercitata diminuisce proporzionalmente. Viceversa, la pressione aumenta proporzionalmente alla diminuzione del volume. Cambiamenti del volume polmonare e quindi della pressione alveolare sono indirettamente determinati dall'attività dei muscoli respiratori.

Muscoli respiratori

I muscoli respiratori non agiscono direttamente sui polmoni ma cambiano il volume della cavità toracica provocando una variazione del volume polmonare perché la parete toracica e i polmoni sono collegati dal gradiente pressorio transmurale.

Inspirazione

I principali muscoli inspiratori comprendono il diaframma e muscoli intercostali esterni. Prima dell'inizio dell'inspirazione, tutti i muscoli respiratori sono rilasciati. All'inizio dell'inspirazione, i muscoli inspiratori vengono stimolati a contrarsi allargando la cavità toracica. Il principale muscolo inspiratorio è il diaframma. Quando rilasciato è cupoliforme e si protende verso l'alto nella cavità toracica. Quando si contrae, il diaframma si abbassa incrementando il volume della cavità toracica (il diaframma si abbassa di circa 1 cm durante l'inspirazione).

Tra le coste ci sono due serie di muscoli intercostali. I muscoli intercostali esterni posti sopra quelli interni. La contrazione dei muscoli intercostali esterni, le cui fibre decorrono verso il basso e in avanti tra coste adiacenti, allarga la cavità toracica nelle direzioni laterolaterale e anteroposteriore. Quando gli intercostali esterni si contraggono, innalzano le coste e spostano lo sterno verso l'alto e verso l'esterno. Prima dell'inspirazione e al termine dell'espirazione precedente, la pressione alveolare è uguale a quella atmosferica. Quando la cavità toracica si espande durante l'inspirazione in seguito alla contrazione del diaframma anche i polmoni sono forzati ad espandersi per riempire la cavità toracica più ampia e la pressione alveolare diminuisce. Ora la pressione alveolare è minore di quella atmosferica, l'aria entra nei polmoni secondo un gradiente pressorio dalla regione a maggiore pressione a minore pressione. L'aria continua ad entrare nei polmoni finché non viene annullato il gradiente e la pressione alveolare eguaglia l'atmosferica. Durante l'inspirazione, la pressione intrapleurica si abbassa di 754 mmHg in conseguenza all'espansione polmonare e toracica.

Ruolo dei muscoli accessori: le inspirazioni più profonde possono essere effettuate contraendo più vigorosamente il diaframma e i muscoli intercostali esterni facendo intervenire i muscoli inspiratori accessori che sono localizzati nel collo. Quando si contraggono, lo sterno e le prime due coste si sollevano espandendo la porzione superiore della cavità toracica, anche i polmoni però si espandono facendo calare ulteriormente la pressione alveolare.

Espirazione

Quando è rilasciato il diaframma riassume la sua posizione cupoliforme. Quando i muscoli intercostali esterni si rilasciano, la gabbia toracica sollevata si abbassa a causa della forza di gravità. La parete e i polmoni espansi ritornano alle loro dimensioni preinspiatorie grazie alle loro proprietà elastiche. Mentre i polmoni ritornano alle dimensioni preinspiratorie, la pressione alveolare aumenta, perché un maggior numero di molecole d'aria contenute nel volume polmonare espanso al termine dell'inspirazione sono ora compresse in un volume minore. La pressione alveolare incrementa di circa 1 mmHg sopra la pressione atmosferica salendo a 761 mmHg, l'efflusso d'aria termina quando la pressione alveolare eguaglia la pressione atmosferica e non esiste più alcun gradiente pressorio.

Espirazione forzata: durante la respirazione tranquilla, l'espirazione è normalmente un processo passivo perché viene effettuata dal ritorno elastico dei polmoni. Al contrario l'inspirazione è sempre attiva in quanto viene realizzata grazie alla contrazione dei muscoli inspiratori con dispendio energetico. Per produrre espulsione forzata o attiva, i muscoli espiratori devono contrarsi per ridurre ulteriormente il volume della cavità toracica e dei polmoni. I muscoli espiratori più importanti sono quelli della parete addominale e quando questi si contraggono, il conseguente aumento della pressione intraddominale esercita una forza verso l'alto sul diaframma spingendolo nella cavità toracica al di sopra della posizione rilasciata. Gli altri muscoli intercostali interni, la cui contrazione spinge le coste verso il basso e l'interno, appiattendo la parete toracica e diminuendo la dimensione della cavità toracica.

La resistenza delle vie aeree influenza il flusso d'aria

F = P / R

• F: flusso d'aria
• P: differenza tra pressione alveolare e pressione atmosferica (gradiente pressorio)
• R: resistenza delle vie aeree