Meccanica respiratoria

La funzione primaria degli alveoli è lo scambio di gas tra l'aria contenuta in essi ed il

sangue. Ogni alveolo è costituito da un singolo strato di epitelio di scambio che presenta 2

tipi di cellule:

• Cellule alveolari di tipo II ---> sintetizzano e secernono il surfactante che si

mescola con lo strato di liquido che riveste gli alveoli per facilitare l'espansione

polmonare durante la ventilazione. Queste cellule contribuiscono anche a

minimizzare il volume di liquido presente negli alveoli trasportando soluti seguiti da

acqua fuori dagli spazi alveolari.

• Cellule alveolari di tipo I ---> ricoprono il 95% della superficie alveolare e i gas

possono diffondere rapidamente attraverso di esse.

La parete alveolare non contiene tessuto muscolare e quindi il tessuto polmonare non può

contrarsi; il tessuto connettivale presente tra gli alveoli contiene però molte fibre elastiche

e di collagene che creano un ritorno elastico del tessuto polmonare precedentemente

stirato.

Nella circolazione polmonare passano circa 0.5 L di sangue che equivalgono al 10% del

volume totale. La portata del flusso nei polmoni è molto più alta rispetto a quella negli altri

tessuti poiché i polmoni ricevono l'intera gittata cardiaca dal ventricolo destro. La

pressione del sangue è invece molto bassa e la resistenza del circolo polmonare è molto

bassa per la minore lunghezza totale dei vasi polmonari. La pressione idrostatica netta

che spinge il liquido fuori dai capillari nello spazio interstiziale è bassa a causa della ridotta

pressione arteriosa, il sistema linfatico si occupa di rimuovere efficacemente il liquido

interstiziale polmonare che solitamente è minimo.

Nel sistema respiratorio i cambiamenti di volume della cavità toracica durante la

ventilazione generano gradienti di pressione che determinano il flusso d'aria. Se il volume

del torace aumenta diminuisce la pressione intratoracica e l'aria entra mentre al contrario

se il volume del torace diminuisce aumenta la pressione e l'aria esce: questo movimento è

chiamato flusso di massa.

La funzionalità polmonare si valuta con la misura del volume di aria che un soggetto riesce

a spostare durante la ventilazione.

La quantità di aria che viene mossa durante la ventilazione è divisa in quattro volumi:

• Volume corrente

• Volume di riserva inspiratoria

• Volume di riserva espiratoria

• Volume residuo

Questi volumi variano considerevolmente in funzione dell'età, del sesso e dell'altezza.

Il volume di aria che si muove durante una singola inspirazione o espirazione è noto come

il volume corrente, il suo valore medio è di 500 mL.

Il volume aggiuntivo inspirato oltre al volume corrente è il volume di riserva inspiratoria

(VRI) che in un uomo è pari in media a 3000 mL.

Il volume di aria esalata forzatamente dopo la fine di un'espirazione tranquilla è detto

volume di riserva espiratoria (VRE) che in media è circa 1100 mL.

Il volume di aria residuo dopo un'espirazione massimale è detto volume residuo (VR) e la

presenza di questo volume è da imputare al fatto che i polmoni sono mantenuti adesi alla

parete toracica per azione del liquido pleurico.

La capacità vitale (CV)è la somma del volume di riserva inspiratoria, del volume di riserva

espiratoria e del volume corrente e rappresenta il massimo volume d'aria che può essere

spostato volontariamente; la somma della CV e del volume residuo danno la capacità

polmonare totale (CPT). Altre misure importanti sono la capacità inspiratoria (volume

corrente + volume di riserva inspiratoria) e la capacità funzionale residua (volume di

riserva espiratoria + volume residuo).

La respirazione utilizza la contrazione muscolare; l'aria entra perché esiste un gradiente di

pressione. I muscoli della cassa toracica e il diaframma agiscono da pompa muscolare,

quando questi si contraggono i polmoni si espandono; i muscoli coinvolti nella ventilazione

sono: diaframma, muscoli intercostali e scaleni.

Il flusso d'aria segue il gradiente di pressione e varia in maniera inversamente

proporzionale alla resistenza al passaggio dell'aria.

Perché l'aria vada verso gli alveoli è necessario che la pressione dei polmoni sia inferiore

a quella atmosferica; i movimenti prodotti durante l'inspirazione fanno si che il volume dei

polmoni aumenti in seguito alla contrazione del diaframma e dei muscoli della gabbia

toracica. Quando il diaframma si contrae si abbassa verso l'addome e (in caso di

ventilazione tranquilla) questo movimento è responsabile dell'aumento del 60-75% del

volume polmonare. Il movimento della cassa toracica è responsabile del restante 25-40%

di variazione del volume; durante l'inspirazione i muscoli intercostali esterni e gli scaleni si

contraggono esercitando una trazione sulle coste verso l'alto e l'esterno, la combinazione

di questi due movimenti allarga la cassa toracica. All'aumentare del volume la pressione

diminuisce, analizziamo ora le pressioni e i volumi in dettagli nella ventilazione

respiratoria:

• Nella pausa tra un atto respiratorio e l'altro, la pressione alveolare è uguale a quella

atmosferica e quindi non si ha un flusso di aria

• Quando l'inspirazione inizia il volume toracico aumenta riducendo così la pressione

che scende circa a -1mmHg rispetto a quella atmosferica. L'aria inizia quindi a

muoversi verso gli alveoli, la pressione alveolare raggiunge il suo punto minimo a

circa metà dell'atto inspiratorio. Mentre l'aria entra negli alveoli la pressione tende ad

aumentare finché non vi è più un aumento di volume toracico appena prima della fine

dell'inspirazione. Va ricordato che il flusso di aria continua fino a che la pressione

all'interno dei polmoni non è uguale a quella atmosferica

• Al termine dell'inspirazione i motoneuroni simpatici smettono di inviare potenziali di

azione ai muscoli inspiratori e il ritorno elastico dei polmoni riporta il diaframma e le

coste nella loro posizione originale. Per questo motivo l'espirazione è definita come

un processo passivo.

• Mentre i volumi della cassa toracica e dei polmoni diminuiscono la pressione

interna aumenta fino al massimo di +1mmHg rispetto alla pressione atmosferica;

questo inverte il flusso di aria

• Il movimento di aria si blocca quando la pressione alveolare è di nuovo uguale a

quella atmosferica

La frequenza ventilatoria normale è di 12-20 atti respiratori al minuto per un adulto

L'espirazione attiva i muscoli intercostali interni e i muscoli addominali che quindi vengono

chiamati muscoli espiratori.

La ventilazione richiede che i polmoni si muovano in associazione alla cassa toracica

seguendo la sua espansione o il suo rilasciamento, questo è consentito dal particolare

rivestimento dei polmoni. La superficie dei polmoni è rivestita dalla pleura viscerale e la

porzione del sacco che fodera la cavità toracica è detta invece pleura parietale; la forza di

coesione esercitata tra queste due membrane dal liquido che vi scorre tra di esse provoca

l'adesione dei polmoni alla cassa toracica. La pressione intrapleurica è di norma inferiore a

quella atmosferica (-3mmHg) di modo che le due membrane rimangano adese tramite il

liquido e i polmoni si mantengano distesi; questa pressione è il risultato della

combinazione della spinta verso l'esterno della cassa toracica e del ritorno elastico dei

polmoni verso l'interno.

All'inizio dell'inspirazione la pressione intrapleurica è di circa -3mmHg rispetto a quella

atmosferica e mentre l'inspirazione procede le membrane tendono a seguire il movimento

della cassa toracica mentre in polmoni tendono ad allontanarsi da essa e questo porta la

pressione intrapleurica a valori ancora più negativi scendendo a circa -6mmHg rispetto a

quella atmosferica.

Durante l'espirazione i polmoni si rilasciano dalla loro posizione di estensione forzata e la

pressione intrapleurica torna al proprio valore normale di circa -3mmHg.

La capacità dei polmoni di espandersi è detta complianza, il suo inverso è l'elastanza.

Una proprietà degli alveoli polmonari che causa una resistenza all'espansione è la

tensione superficiale che si forma al livello dello strato di liquido che si frappone fra le

cellule alveolari e l'aria; in corrispondenza di qualsiasi interfaccia aria e liquido di forma

una tensione superficiale. Assumendo gli alveoli come sferici va ricordato che la tensione

superficiale generata dal liquido è diretta verso il centro di questa bolla generando quindi

una pressione all'interno della bolla stessa. La pressione all'interno dipende da 2 fattori: la

tensione superficiale e il raggio.

Se nell'organismo non ci fossero dei mezzi di regolazione di questa tensione servirebbe

molto più lavoro per espandere gli alveoli piccoli, per questo motivo i polmoni secernono il

surfactante che è composto di molecole che riducono la forza di coesione tra le molecole

di acqua inserendosi in corrispondenza della superficie. Nei polmoni il surfactante

diminuisce la tensione superficiale del liquido alveolare e diminuisce la resistenza

intrinseca del polmone all'espansione, per questo risulta più concentrato negli alveoli più

piccoli.

La resistenza del sistema respiratorio è analoga a quella del sistema cardiocircolatorio e

dipende tra 3 fattori: la lunghezza delle vie, la viscosità del liquido che vi passa e il raggio

delle vie. Assumendo come costanti i due parametri risulta evidente che il principale fattore

ad influenzare la resistenza è il raggio delle vie respiratorie. Il 90% della resistenza delle

vie aeree può essere attribuito a trachea e bronchi. Solitamente i bronchioli non vengono

coinvolti nella resistenza del sistema respiratorio ma un loro massiccio reclutamento li può

trasformare in una importante fonte di resistenza. I bronchioli sono sotto il controllo riflesso

del sistema nervoso e del sistema endocrino ma la maggior parte dei cambiamenti a breve

termine è determinata da sostanze paracrine quali ad esempio la concentrazione di

anidride carbonica che porta ad una broncodilatazione. Il muscolo liscio dei bronchioli

presenta inoltre molti recettori all'adrenalina e la stimolazione di questi recettori porta al

β2

rilasciamento muscolare con conseguente broncodilatazione.

L'efficienza polmonare si stima calcolando la ventilazione polmonare che è data dalla

frequenza ventilatoria per il volume corrente, assumendo valori standard di frequenza

compre tra i 12 e i 20 e di volume di circa 500 mL si ottiene un totale di 6L/min. Va

sottolineato però che