Nozioni, Fisiologia umana

Sistema circolatorio

La funzione della circolazione è quella di provvedere alle esigenze dei tessuti fornendo le sostanze nutritive, rimuovendo i prodotti di rifiuto, trasportando gli ormoni da una parte all’altra del corpo e consentendo, in generale, il mantenimento di un ambiente interno ottimale alla sopravvivenza e al funzionamento cellulare in tutti i liquidi dei tessuti.

Componenti

• Arterie (elastiche) trasportano sotto pressione il sangue ai tessuti; hanno pareti robuste e la pressione del sangue è elevata → aorta, arterie polmonari e principali diramazioni.
• Le arteriole (muscolari) controllano la distribuzione del sangue ai diversi circuiti capillari. Hanno spessa tunica muscolare che può contrarsi e rilasciarsi regolando in tal modo la quantità di sangue che fluisce ai capillari. Il muscolo liscio regola il diametro del vaso e la sua resistenza. Il SNA controlla la muscolatura. Sono responsabili della maggior parte delle resistenze vascolari periferiche.
• I capillari sono vasi scambiatori di acqua, metaboliti, ormoni e ioni con gli spazi interstiziali. Hanno parete sottile e sono permeabili alle sostanze di basso PM.
• Le venule raccolgono il sangue dei capillari. Parete muscolare sottile, bassa pressione. Le variazioni di calibro modificano la capacità.
• Le vene riportano il sangue al cuore.

Distribuzione del volume di sangue nel circolo

• Circolo polmonare 12%
• Arterie sistemiche 11%
• Arteriole e capillari 7%
• Cuore 9%
• Venule e vene sistemiche 61%

La maggior parte del sangue (79%) si trova nel sistema circolatorio.

La caratteristica principale delle arterie di maggior diametro è la grande elasticità di cui sono dotate (per la prevalenza nella loro parete della componente elastica su quella muscolare). La struttura della parete vasale determina la capacità del sistema e la compliance. La capacità è il volume di sangue che vi può essere ospitato a pressione 0.

La compliance (C) è il rapporto fra aumento di volume (ΔV) e incremento pressorio (ΔP) che si verifica al di sopra del volume 0. (È la quantità di sangue che può essere immagazzinata in una specifica parte del circolo, per ogni mmHg di aumento pressorio):

C = ΔV/ ΔP

Nei giovani la compliance è minore a livelli più bassi o alti di pressione; la massima risposta si ha nel range di pressione 75-140 mmHg. Con l’invecchiamento si ha riduzione della compliance per ispessimento e indurimento della parete aortica.

Capacità delle vene

La capacità delle vene è molto maggiore di quella delle arterie. Inoltre esse hanno compliance 24 volte maggiore delle arterie.

Compliance ritardata: dopo aumenti e diminuzioni di volumi, il vaso aumenta e diminuisce la sua compliance (minuti o ore).

• L’effetto è dovuto alle caratteristiche intrinseche del muscolo liscio.
• Aiuta ad accogliere sangue a seguito di trasfusioni.
• Riadatta il circolo dopo un’emorragia.

Quando i vasi sono sottoposti ad un incremento di volume si verifica dapprima un notevole aumento di pressione e, successivamente, nel giro di minuti o di ore, un graduale ritorno ai valori normali a causa dello stiramento ritardato delle pareti dei vasi.

Quando si aggiunge bruscamente altro sangue all'interno del vaso, la pressione sale da 5 a 12 mmHg e, subito dopo inizia a scendere, malgrado non venga asportata alcuna quantità di sangue dal vaso, avvicinandosi alcuni minuti dopo al valore di 9 mmHg. In altre parole, la quantità di sangue aggiunta provoca una distensione elastica della parete venosa, ma, in un secondo momento, le fibre muscolari lisce iniziano ad "adattarsi" in risposta all'allungamento e la loro tensione si riduce in maniera corrispondente. Questo effetto è caratteristico di tutti i tessuti muscolari lisci ed è chiamato stress-rilasciamento.

Dopo che si è verificata la compliance ritardata, viene rimosso il sangue precedentemente aggiunto. A seguito di questa manovra, la pressione diminuisce immediatamente ad un valore molto basso ma le fibre muscolari lisce tendono a riportare il loro grado di tensione ai valori iniziali.

Perciò, entro pochi minuti, la pressione del vaso ritorna al valore iniziale normale di 5 mmHg. La compliance ritardata, in definitiva, è un meccanismo molto utile che permette al sistema circolatorio di accogliere anche eccedenti quantità di sangue quando è necessario, così come può avvenire durante una trasfusione. Inoltre, la compliance ritardata, nei fenomeni di segno opposto, è una delle modalità che permette al sistema circolatorio di adeguarsi nel tempo di minuti o di ore a riduzioni di volume ematico dovute a gravi emorragie.

Distensibilità

La distensibilità (D) è l’incremento relativo di volume diviso l’incremento pressorio:

D = (ΔV/V₀) / ΔP = C/ V₀

L’aumento della pressione provoca dilatazione delle arteriole e riduce quindi la loro resistenza. Il fatto che le arterie sono distendibili inoltre, permette loro di accogliere la gittata pulsatoria del cuore e di smorzare le pulsazioni pressorie, trasformando il flusso da pulsatile a continuo nei vasi sanguigni molto piccoli. Il sistema più distendibile è quello venoso; le vene hanno una funzione di riserva temporanea di grandi quantità di sangue, da poter utilizzare nel momento del bisogno, ogni volta che viene richiesto da altri settori del sistema circolatorio. La distensibilità delle vene è sempre la stessa.

Anatomicamente le pareti arteriose sono molto più robuste di quelle venose e, perciò, in media, circa 8 volte meno distendibili. Nella circolazione polmonare le vene sono simili a quelle della circolazione sistemica, ma le arterie polmonari hanno una distensibilità pari a circa la metà di quella delle vene.

Circolo sistemico: D_ven = 8 D_art
Circolo polmonare: D_ven = 2 D_art

La forza che il sangue esercita sulle pareti delle arterie è detta P arteriosa.

Affinché il cuore possa generare, a livello delle arterie, una pressione in grado di far circolare il sangue, è necessario che il volume di quest’ultimo sia sufficiente a creare la pressione necessaria.

Vi è una sostanziale differenza nella curva volume-pressione tra la circolazione arteriosa e venosa. Nel sistema arterioso al volume di 750 ml la pressione arteriosa media è di 100 mmHg, mentre al volume di 500 ml la pressione scende a 0; al contrario nel sistema venoso dove la pressione è solitamente 8-10 mmHg a un V di 2500-3500 ml, anche notevoli cambiamenti di volume non influenzano significamenela pressione, inducendo variazioni di pochi mmHg.

È evidente che l'incremento del tono del muscolo liscio vasale, causato dalla stimolazione simpatica, causa aumenti del valore della pressione per ogni dato volume nelle arterie e nelle vene mentre l'inibizione simpatica provoca l'effetto contrario. Appare pertanto chiaro che il controllo vasale da parte del simpatico rappresenta un valido mezzo per modificare le dimensioni di una porzione del circolo e per consentire il trasferimento di sangue da un settore all'altro.

Un aumento del tono vasale, per esempio, che si verifichi in tutta la circolazione sistemica, può provocare lo spostamento di una grande quantità di sangue verso il cuore. Proprio attraverso questo meccanismo l'organismo aumenta l'attività propulsiva del cuore. Inoltre il controllo del simpatico sulla capacità vascolare è particolarmente importante anche nel caso di un'emorragia. Un aumento del tono dei vasi, e in special modo delle vene, riduce infatti le dimensioni del sistema circolatorio e la circolazione del sangue può continuare a svolgersi in condizioni quasi normali perfino quando viene perso il 25% del volume totale di sangue.

Principi di emodinamica

La costanza della gittata cardiaca: il ventricolo destro e il sinistro immettono in circolo ciascuno 5 l di sangue al minuto e questi 5 l/min attraversano tutte le sezioni del sistema circolatorio: quello che varia è la velocità → all’aumentare della sezione trasversa totale, la velocità diminuisce.

La sezione trasversa totale aumenta dall’aorta ai capillari per ridiminuire nuovamente nelle vene. Quindi la velocità di flusso diminuisce progressivamente passando dalle arterie (33 cm/s) ai capillari (0.03 cm/s) e risale a 10 cm/s nelle vene: la bassa velocità di scorrimento nei capillari è necessaria per gli scambi dei gas.

Il flusso ematico (Q, in ml o l/min) è quantità di sangue che passa in un dato punto della circolazione per un dato tempo, dipende dalla differenza di pressione ai 2 estremi del condotto e dalla resistenza dei vasi.

Q = ΔP/R; Q = 5 l/min (a riposo)

La pressione che spinge il sangue nella circolazione sistemica viene generata dall’attività del ventricolo sinistro mentre la resistenza al flusso è determinata dai vasi che costituiscono il circolo (dal loro diametro, dalla loro lunghezza, dalla viscosità del sangue). Poiché il sistema circolatorio è formato da vasi in serie, il diametro si riduce mano a mano che si dividono mentre la R complessiva è data dalla somma delle resistenze dei differenti segmenti. In una singola parte del letto vascolare:

R = 8 η l / πr⁴ (legge di Poiseuille).

Quindi: Q = ΔP πr⁴/ 8 ηl

Nel caso di resistenze in parallelo si sommano le conduttanze, ossia l’inverso delle resistenze.

Portata o flusso

La portata o flusso (cm³/s) è direttamente proporzionale alla quarta potenza del raggio del condotto, alla differenza di pressione creata ai suoi estremi e inversamente alla lunghezza del condotto e alla viscosità del sangue.

Piccole variazioni del raggio portano a notevoli variazioni del flusso ematico. Nei vasi reali però l’incremento della variazione di pressione produce un incremento di flusso maggiore di quello atteso:

ΔP = 50 mmHg → Q = 1 l/min; ΔP = 100 mmHg → Q = 5 l/min

Distensione della parete vasale e diminuzione della resistenza

Poiché i vasi sono distensibili, Ptm può influenzare il raggio del vaso e, per la Legge di Poiseuille, modificare la resistenza al flusso. Per un fluido che scorre in un tubo rigido, la relazione ΔP/F è lineare. Nei tubi elastici (vasi): relazione ΔP/F non è lineare. Esiste un valore minimo di P=Pc (pressione critica di chiusura), sotto la quale il vaso tende a chiudersi. Quando il vaso è aperto, ↑P → ↑F maggiore rispetto ad un vaso rigido dello stesso diametro, perché il raggio aumenta in seguito alla distensione delle pareti con conseguente riduzione della resistenza al flusso.

Vasi tipo reattivo (vasi renali): dopo iniziale aumento, F tende a stabilizzarsi. Il vaso reagisce all’aumento di P costringendosi: ↓raggio → ↑resistenza = flusso costante (autoregolazione).

La curva flusso/pressione è modificata dalla stimolazione simpatica: fra massima dilatazione e costrizione il flusso varia di un fattore maggiore di cento. Quando la gittata è costante, la pressione nei diversi settori del sistema circolatorio dipende dalla resistenza di ogni tratto.

Poiché il cuore immette di continuo sangue nell’aorta, la pressione in questo vaso è alta e si aggira intorno ai 100 mmHg e, a causa dell’intermittenza dell’azione cardiaca, la pressione arteriosa oscilla tra un livello sistolico di 120 mmHg e un livello diastolico di 80 mmHg. Con lo scorrere del sangue lungo la circolazione sistemica la pressione diminuisce progressivamente fino a raggiungere il valore intorno a 0 mmHg nel punto in cui le vene cave terminano nell’atrio destro del cuore.

La pressione nei capillari sistemici passa da 35 mmHg nelle arteriole a 10 mmHg nei pressi delle terminazioni venose. La pressione media dei capillari è di circa 17 mmHg.

Nelle arterie polmonari la pressione è pulsatile, esattamente come nell’aorta, ma il livello pressorio è di gran lunga minore essendo la pressione sistolica di 25 mmHg e la pressione diastolica di 8 mmHg. La pressione arteriosa media è di 16 mmHg e la pressione media dei capillari polmonari è di soli 7 mmHg.

Q = ΔP/R. Nel circolo sistemico: ΔP (medio) = 100 mmHg; Q = 100 ml/sec; R = 1 URP (unità di resistenza periferica)

• Vasocostrizione: R = 4 URP
• Vasodilatazione: R = 0.2 URP

Nel circolo polmonare: ΔP medio = 14 mmHg, Q = 100 ml/sec; R = 0.14 URP

Elementi di reologia

Il sangue è un fluido non newtoniano: il suo comportamento viscoso varia secondo diversi parametri come la velocità di flusso, il diametro dei vasi e la quantità e la qualità di cellule ematiche sospese nel plasma.

Nei grandi vasi può essere approssimativamente considerato un fluido newtoniano perché c’è una disposizione assiale degli eritrociti e a contatto della parete vasale vi è uno strato di plasma che non contiene cellule. Il sangue si muove formando lamine coassiali dotate di differenti velocità: quelle situate in vicinanza della parete si muovono con velocità molto ridotta rispetto a quelle centrali → si determina così un profilo della velocità con andamento parabolico. In questo modo nei grandi vasi il flusso è di tipo laminare.

La viscosità è data dal rapporto tra share stress (sforzo di taglio) e lo share rate (gradiente di velocità) → η = τ/γ

Il gradiente di velocità è dato dal rapporto fra la velocità e la distanza tra le lamine → γ = dv/dr (d: derivata)

Lo sforzo di taglio è dato dal rapporto tra la forza applicata tangenzialmente sulla superficie libera e l’area sulla quale essa è applicata → τ = F/A

I fluidi non newtoniani sono caratterizzati dalla non costanza di questo rapporto τ/γ. Se la velocità aumenta, il vaso si restringe, o fa una brusca curva, se la parete vasale è ruvida, il flusso diventa turbolento, con moto sia trasversale che longitudinale, a cui il vaso offre una resistenza maggiore.

Il flusso laminare tipico dei grandi vasi diventa turbolento quando si supera un limite di velocità detto numero di Reynolds:

Re = D ρ V/η (D: diametro; ρ: densità; η: viscosità)

• Se Re > 200 c’è turbolenza in alcune diramazioni dell’albero vasale
• Se Re > 2000 c’è turbolenza generalizzata
• Flusso turbolento nelle grandi arterie
• Se c’è un cambiamento di forma nel vaso (diramazione, biforcazione, ricambio di direzione ecc.) si ha un certo grado di probabilità di avere turbolenza.

A parità di parametri fisici del vaso (D, l, r) e con lo stesso gradiente pressorio, un regime turbolento produce un flusso minore rispetto a un flusso laminare.

La viscosità del sangue dipende da vari fattori e può essere apparente o relativa. Con la formula di Poiseuille si ottiene la viscosità apparente η = ΔP πr⁴/ Q 8 l.

Se si rapporta la viscosità apparente del sangue con quella del plasma, che è un fluido newtoniano, si ottiene la viscosità relativa.

La viscosità del sangue varia al variare della velocità: fluido non newtoniano. La viscosità del sangue è tre volte quella dell’acqua (viscosità relativa) a causa dei globuli rossi e delle proteine plasmatiche. Il plasma ha una viscosità che è 1.5 volte quella dell’acqua ed è costante: fluido newtoniano.

Il comportamento viscoso è in rapporto con il numero di cellule presenti in sospensione nel plasma: in condizioni fisiologiche le cellule maggiormente rappresentate sono i globuli rossi (la loro % nel sangue è espressa dall’ematocrito). Un aumento dell’ematocrito ↑ la viscosità del sangue (es. nella policitemia l’ematocrito arriva a 60-70 e la viscosità aumenta di 10 volte). La η ↑ anche per aumento del numero dei leucociti come nel caso delle leucemie.

La riduzione dell’ematocrito come in alcune forme di anemia, si accompagna a riduzione della viscosità relativa. Quando a parità di ematocrito si riduce la deformabilità degli eritrociti, la η ↑. Al ridursi del diametro dei vasi si accompagna un decremento dell’ematocrito per la differente velocità del plasma e degli eritrociti. Infatti nelle arteriole che si diramano da quelle più grandi si ha riduzione delle cellule ematiche con ↓ dell’ematocrito → alle biforcazioni, le linee di scivolamento degli eritrociti fanno sì che la maggior parte delle cellule resti nel centro delle linee di flusso e rimanga nel vaso di D maggiore.

La viscosità risale nei capillari a causa del loro piccolo diametro (D < 10 µm): gli eritrociti possono attraversare il circolo capillare solo deformandosi e procedendo lungo il lume in ragione del movimento di rotolamento su se stessi → movimento a cingolo di carrarmato (il movimento è turbolento e difficoltoso, quindi ↑ la viscosità apparente del sistema). Se la velocità di circolo è ridotta la viscosità si innalza e si formano gli aggregati eritrocitari che ostruiscono i capillari e ne impediscono la perfusione.

*Un altro fattore che interferisce sulla viscosità ematica è la velocità del flusso (share rate). Con il crescere della velocità si riduce la viscosità ematica, che aumenta quando ↓ le forze deformanti. In questo caso l’aumento della η è dovuto alla formazione di aggregati di er...