Sistema respiratorio, Fisiologia

Il sistema respiratorio

Il sistema respiratorio serve principalmente a prelevare O₂ dall'ambiente e a distribuirlo, attraverso il sangue, a tutti i tessuti dell'organismo. Il complesso cuore-vasi-polmoni è funzionalmente inscindibile. Lo studio dell’SR si divide in tre parti:

• Meccanica respiratoria
• Diffusione e trasporto di gas
• Controllo nervoso e umorale

Il sangue capillare preleva CO₂ dai tessuti e rilascia O₂: CO₂ e O₂ sono detti gas respiratori. Nei polmoni avviene il cosiddetto processo di arterializzazione del sangue. Nei polmoni giunge il sangue ricco di CO₂ ma povero di O₂ e qui si libera di CO₂ e si carica di O₂, è pronto per essere trasportato nei tessuti attraverso le arterie del circolo sistemico. La ventilazione polmonare è lo scambio d'aria tra alveolo e ambiente. Nell'alveolo la pressione dei gas respiratori è mantenuta costante, indipendentemente dal metabolismo. Il controllo della ventilazione avviene per via riflessa mediante un meccanismo a feedback costituito da chemiocettori (disposti nell'aorta) sensibili alle variazioni di O₂, CO₂ e pH.

Vie aeree e meccanismi respiratori

Le vie aeree che conducono ai polmoni si distinguono in superiori (naso, bocca e faringe) e inferiori (laringe, trachea e bronchi). La respirazione nasale differisce da quella boccale, è effettuata solo in condizioni di riposo, serve a depurare l'aria per mezzo dei peli della mucosa nasale, le vibrisse, che trattengono polveri e batteri e umidifica e riscalda l'aria grazie ai turbinati. Quest'ultimi però creano una resistenza per cui quando aumenta la ventilazione la sola respirazione nasale non basta più: il valore soglia per iniziare la respirazione orale è pari a circa 30 l/min. Sotto sforzo comunque diminuisce la congestione della mucosa nasale a causa di una vasocostrizione da parte dell'ortosimpatico, ciò diminuisce il rigonfiamento della massa tissutale e quindi si abbassa la resistenza al passaggio dell'aria.

La respirazione orale è necessaria sotto sforzo (ventilazione di circa 30 l/min) per far entrare più aria e per evitare la resistenza dei turbinati nasali. Questa respirazione però è meno efficace, in termini di filtrazione, umidificazione e riscaldamento dell'aria.

L'aria passa attraverso l'apertura glottidea che è un foro di forma triangolare delimitato dalle corde vocali. Tale foro si restringe durante l'espirazione e si allunga durante l'inspirazione. Le corde vocali sono costituite da muscoli striati e possono volontariamente chiudere la glottide: la manovra di Valsalva si effettua producendo un'espirazione forzata a glottide chiusa, comporta un aumento della pressione pneumatica delle vie aeree sino ai valori di 150 mmHg, è utilizzata nel ‘colpo di tosse’ che è un riflesso difensivo per espellere corpi estranei.

Struttura e funzione dei polmoni

Il polmone non ha una sua propria forma, è appeso per gli apici (in stazione eretta) e poggia sul diaframma. Infatti, il parenchima polmonare risulta molto ricco di fibre elastiche e scarseggia di fibre muscolari. I due bronchi originano come biforcazione della trachea, da entrambi originano numerose divisioni, sempre più piccole e numerose, i bronchioli. Dalla trachea, ai bronchi, sino ai bronchioli di 1 mm di diametro, la struttura è costituita da una cartilagine a ferro di cavallo completata da fibre muscolari lisce. Tali fibre, contraendosi, provocano una riduzione del lume e ciò aumenta la resistenza dell'aria (attacco asmatico). Sino alle prime 16 generazioni non c'è scambio di gas respiratori col sangue: queste sono le ‘vie aeree di conduzione’ che rappresentano lo spazio morto anatomico; in un adulto è di circa 150 ml e aumenta del 10% sotto sforzo a causa di una modesta broncodilatazione.

Dopo la 16^esima generazione possono avvenire gli scambi gassosi poiché da qui le successive diramazioni (in tutto sono 23) sono ricoperte da cavità a fondo cieco, gli alveoli. Gli alveoli sono dunque la 23^esima e ultima generazione bronchiale, sono ricoperti da capillari e con questi formano l'Unità Funzionale Alveolo Capillare.

Unità funzionale alveolo-capillare

Il sistema delle diramazioni bronchiali fa sì che siano poste sia in serie sia in parallelo, quindi pur riducendosi il calibro, la resistenza anziché aumentare diminuisce e ciò perché aumenta la sezione trasversa totale. Di fatto a partire dalla 4^ta generazione la resistenza del flusso è sempre più bassa. Non avendo una propria forma il polmone colasserebbe se non ci fossero le strutture extrapolmonarie a sorreggerlo. Più precisamente dai bronchioli fino agli alveoli non c'è più nessuna struttura cartilaginea di sostegno, sicché tendono a collassare. La loro pervietà è garantita dal fatto che l'intera impalcatura è tenuta in tensione dalla pleura viscerale che a sua volta, per mezzo della pleura toracica, è mantenuta espansa dalla gabbia toracica. Il polmone non è nutrito dall'arteria polmonare, cui scopo è quello di portare il sangue a riossigenarsi, ma dall'arteria bronchiale che fa parte del circolo sistemico.

L'unità funzionale alveolo-capillare è quella che permette lo scambio dei gas respiratori. Ci sono più di 300 milioni di queste unità nei polmoni. Un'unità è costituita da un alveolo e da un capillare che hanno in comune un sottile strato di ‘membrana basale’. L'alveolo è costituito da uno strato di cellule epiteliali formato da Pneumociti di I^ordine tra cui si trovano i Pneumociti di II^ordine che secernono il surfactante utile per evitare il collabimento delle pareti alveolari. Il capillare è grande quanto basta a far passare un globulo rosso alla volta, la sua membrana basale come già detto è fusa con quella dell'alveolo. La parete alveolare, la membrana basale e la parete capillare formano insieme la membrana (o barriera) aria-sangue che permette il passaggio dei gas ma non quello della parte corpuscolata. Ogni singolo alveolo è circondato da circa 1000 capillari.

Circolazione e ventilazione polmonare

Nella circolazione polmonare ci sono circa 500 ml di sangue che scorrono con una pressione di soli 5 mmHg. Lo scambio di gas è facilitato dalla notevole estensione della rete bronchiale. La ventilazione polmonare è lo scambio di aria dall'alveolo all'ambiente, mentre la perfusione è il flusso di sangue nei capillari polmonari che dipende dalla gittata cardiaca. Questi due flussi sono regolati da complessi meccanismi a base riflessa.

Volumi polmonari

I volumi polmonari si distinguono in statici e dinamici. Va inoltre ricordato il Volume Polmonare di Equilibrio: esso è il volume di riferimento del sistema toraco-polmonare.

Volumi statici

• Capacità Polmonare Totale (CPT): è la massima quantità di aria che i polmoni possono contenere. CPT = CFR + CI. È pari a circa 6 litri.
• Capacità Funzionale Residua (CFR): è la quantità di aria che rimane nei polmoni al termine di una normale espirazione. È composta dal Volume di Riserva Espiratoria (VRE) e dal Volume Residuo (VR). CFR = VRE + VR e CFR = CPT - CI (Capacità Inspiratoria). È pari a circa 3 l.
• Capacità Inspiratoria (CI): è la quantità di aria massima che può essere inspirata al termine di un'espirazione normale, cioè al termine di una CFR. È formata dal Volume Corrente (VC) e dal Volume di Riserva Inspiratoria (VRI). CI = VC + VRI e CI = CPT - CFR. Sono circa 3 l.
• Volume Residuo (VR): è la quantità di aria che NON può essere espirata in nessun caso (potrebbe collassare il polmone), è di circa 1,5 l.
• Volume di Riserva Espiratoria (VRE): è la quantità di aria che può essere inspirata con una massima espirazione, è di circa 1,5 l.
• Volume Corrente (VC): è la quantità di aria che normalmente è inspirata alla fine di una CFR e solitamente equivale a quella che è espirata. Si dice ‘corrente’ perché è il Volume che corre ritmicamente tra l'inspirazione e l'espirazione. Sono circa 0,5 l.
• Volume di Riserva Inspiratoria (VRI): è la quantità d'aria che può essere inspirata ulteriormente oltre a quella inspirata normalmente. Si raggiunge con un'inspirazione forzata che s'aggiunge a quella normale. Sono circa 2,5 l.
• Capacità Vitale (CV): è la quantità massima di aria che può essere espirata da una massima inspirazione. CV = CPT - VR. È pari a circa 4,5 l.

Volumi dinamici

• Capacità Vitale (CV) o Forced Expiratory Volume in 0,5 s (FEV): è la quantità di aria espulsa dopo mezzo secondo di espirazione forzata e effettuata alla massima velocità. Corrisponde a circa il 60% della CV.
• Capacità Vitale 1 (CV1) o Volume Espiratorio Massimo in 1 s (VEMs): è la quantità di aria espulsa dopo 1 secondo di espirazione forzata e veloce. Corrisponde a circa l’80% della CV.
• Ventilazione Polmonare: è il prodotto della Frequenza Respiratoria per il Volume Corrente: VP = FR * VC. Secondo il prof è definibile come la quantità di aria inspirata e espirata in 1 minuto.
• Infine va considerato il Volume Alveolare (VA) che è dato dalla differenza tra CFR e l'aria dello Spazio Morto Anatomico (VSM).