Fisiologia respiratoria PDF

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appunti sulla fisiologia respiratoria-...

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! Oggi riprendiamo un argomento introdotto la volta scorsa: il ruolo fisiologico del surfactante polmonare, sostanza tensioattiva secreta dagli pneumociti di tipo II e costituita da una miscela di molecole di cui la più rappresentata (50%) è la dipalmitoilfosfatidilcolina.! In questo disegno potete notare che gli alveoli con surfactante si presentano aperti, mentre in assenza del tensioattivo si verifica un vero e proprio collasso degli alveoli (soprattutto con volume piccolo), condizione definita atelettasia.! 1! La presenza di surfactante è cruciale nel momento in cui funge da interfaccia omogenea nel fenomeno di tensione superficiale tra gas e liquido: per esempio, nel neonato, se non è prodotto sufficiente surfactante, si hanno difficoltà nella distensione polmonare e si verifica una forma di distress respiratorio (ciò avviene in caso di parto prematuro).! Bisogna pensare agli alveoli come a delle bolle di sapone in cui vige la legge di Laplace: una certa pressione risulta essere uguale al rapporto tra il doppio della tensione di superficie e il raggio della bolla.! La bolla di sapone non esisterebbe se fosse composta da sola acqua perché in tal caso si verificherebbe una pressione all’esterno superiore rispetto alla pressione interna. La tensione superficiale è la forza che tende a riunire le molecole di acqua diminuendo la superficie esposta al gas, raggiungendo così una configurazione più stabile.! Grazie alla presenza di sapone, le molecole anfipatiche si dispongono con la testa polare all’interno della soluzione acquosa e con la testa apolare a contatto con le molecole di gas: questa interfaccia diminuisce drasticamente le energie d’ interazione tra la componente polare e non polare. In termini di formule, viene ridotta quella T (=Tensione) al numeratore della legge di Laplace e la pressione interna diventa, così, sufficiente a non far collassare la struttura sferica della bolla. Gli alveoli sono esattamente come le bolle di sapone: sono costituiti da una parete esterna rappresentata da una soluzione e contenente gas al suo interno. Questi collassano tanto più facilmente quanto più piccolo è il raggio perché la pressione che serve ad averli distesi è inversamente proporzionale al raggio.! P= 2T/r (legge di LaPlace)! 2! In generale, per mantenere disteso l’alveolo piccolo, c’è bisogno di una pressione più elevata di quella necessaria per mantenere disteso un alveolo grande e una maggiore densità di surfactante. In assenza di surfactante gli alveoli piccoli tendono proprio a “svuotarsi” dentro gli alveoli grandi e si verifica un passaggio di aria da un alveolo all’altro. Nell’espirazione, infatti, accade che i raggi alveolari si riducono a causa della loro riduzione di volume e aumenta questa necessità di pressione elevata all’interno del polmone: se non ci fosse il surfactante si andrebbe incontro ad atelettasia e svuotamento degli alveoli più piccoli in quelli più grandi.! La tensione superficiale spiega anche il fenomeno dell’isteresi polmonare (nota fonte di panico in sede di esame, dice il prof).! Questo è il tipico grafico che mette in rapporto la pressione di distensione con il volume polmonare: vediamo che il rapporto P/V durante la fase di inspirazione (curva in basso) è diverso rispetto al rapporto P/V durante l’espirazione (curva in alto).! Perciò, a parità di volume, esiste la necessità di applicare una pressione di distensione superiore nell’inspirazione piuttosto che nell’espirazione.! L’isteresi riguarda tutti quei processi ciclici in cui per passare da un punto A ad un punto B si fa un percorso diverso rispetto al passaggio da un punto B ad un punto A. Esistono vari tipi di isteresi: questa, in particolare, è quella polmonare. La cosa interessante è che questo fenomeno si annulla e la compliance diventa molto superiore se noi all’interno del polmone inseriamo sperimentalmente soluzioni fisiologiche, perché elimino l’interfaccia aria-liquido: quindi ho una facilità maggiore nel distendere il polmone e per pressioni più basse raggiungo volumi più alti

L’isteresi è un fenomeno che dipende dalla presenza di gas. La tensione superficiale ha un ruolo di centrale importanza nei fenomeni di collasso polmonare e riguardo tutto ciò che ha una componente elastica.! ordinata e l’espirazione è rappresentata dalla curva in basso. Allo stadio 1 troviamo la! ! Distendendo il polmone non faccio nient’altro che aumentare la superficie di contatto con l’aria. Ma c’è qualche differenza tra la tensione superficiale durante l’espirazione e durante l’inspirazione? Ciò che cambia è la densità superficiale del surfactante che va ad incidere sulla tensione superficiale, cioè variano le molecole per unità di superficie. In questo grafico i termini presi in considerazione sono ribaltati rispetto al precedente, perché troviamo il volume in ascissa e la pressione in! superficie dell’alveolo alla massima distensione con un certo numero di molecole di interfaccia. Man mano che respiro queste molecole si compattano e, rimanendo dello stesso numero, la densità aumenta e questo riduce drasticamente la tensione superficiale. Questo è il motivo per cui durante l’inspirazione ho bisogno di meno pressione di distensione. Ad un certo punto succede, ad una densità massima, che tutte queste molecole di surfactante non ci stanno sulla stessa superficie e passano in fase liquida. Quando invece inspiro vado a ridurre la densità, aumenta la tensione superficiale e le molecole di surfactante che prima erano uscite dall’interfaccia ora devono rientrare.! Quindi questa isteresi dipende dalla distribuzione delle molecole di surfactante durante il processo di inspirazione ed espirazione: l’inspirazione avviene a pressioni più elevate a parità di volume. C’è una bassa compliance (nel grafico è rappresentata dal coefficiente angolare) per volumi piccoli: quando vi chiederò di disegnare il grafico rappresentativo del fenomeno di isteresi polmonare vedrete che la curva andrà sempre più ad appiattirsi perché entrano in gioco i fenomeni di resistenza delle fibre collagene. La compliance massima è al centro e diventa più piccola sia a destra che a sinistra nel grafico. Anche in presenza di soluzioni fisiologiche, quando raggiungo questi volumi massimali la mia compliance va a zero: questo fenomeno non dipende dalla tensione superficiale.! ! MECCANICA RESPIRATORIA! Abbiamo già detto nella prima lezione che i flussi possono essere di due tipi:! 1. Flussi laminari: sono a bassa velocità e si oppongono molto poco alla dispersione! polmonare perché c’è una piccolissima dissipazione a livello energetico e d’ attrito 2. Flussi turbolenti: hanno una velocità maggiore, si dissipa molta più energia e c’è! una resistenza aerodinamica al passaggio dell’aria! ! Ora dobbiamo capire come queste caratteristiche incidono sull’energetica della meccanica respiratoria, cioè come si lega questa forma di resistenza aerodinamica agli sforzi che i nostri polmoni fanno. Nella pratica medica chi ha un’insufficienza respiratoria deve fare i conti con la forza che non riesce a sviluppare in un normale meccanismo respiratorio.! Questo differente comportamento delle molecole di gas nelle vie aeree comporta una resistenza al flusso molto diversa. Se i flussi fossero tutti come quelli delle piccole vie aeree la dissipazione sarebbe minima, tant’è vero che la resistenza aerodinamica crolla nel momento in cui riduciamo il flusso. Però dovendo mantenere una certa ventilazione polmonare, se procedessimo a flussi respiratori molto bassi dovremmo fare pochi atti respiratori, ma molto profondi. Entra qui la problematica del lavoro meccanico: è vero che con pochi atti respiratori al minuto riduco le resistenze aerodinamiche, ma è anche vero che vado a lavorare contro le forze elastiche del polmone. Vedremo che, in realtà, la frequenza normale è la frequenza in cui riduciamo l’energia totale. Qui a destra vediamo come variano i flussi al variare del volume della respirazione! Al centro è rappresentata una respirazione tranquilla La forma che assumono i flussi che avete in

ordinata è diversa tra espirazione e inspirazione: questo accade perché inspiriamo in maniera attiva ed espiriamo in maniera passiva. Il flusso dell’espirazione è sempre maggiore all’inizio e più piccolo alla fine, mentre quello dell’inspirazione, come si vede nel grafico, è molto più regolare. Sono positivi i flussi in uscita e negativi quelli in! entrata. Durante l’inspirazione ed espirazione forzata i flussi aumentano, variano i volumi e le pressioni intrapleuriche e polmonari. Andando a mettere in evidenza la componente dinamica di queste variazioni di volume e di pressione, vediamo come nell’inspirazione la pressione intrapleurica (che a riposo è di -5 cm di H2O) diventa sempre più negativa semplicemente perché sta aumentando il volume della gabbia toracica e di conseguenza sta aumentando anche il vuoto tra la pleura parietale e quella viscerale.! In realtà la pressione fra le due pleure diventa ancora più negativa perché c’è la resistenza aerodinamica e maggiore è quest’ultima maggiore sarà la negatività all’interno delle pleure durante l’inspirazione. Durante l’espirazione il valore tra le due pleure diventerà più positivo perché la gabbia toracica sta spingendo.! ! Nel grafico a sinistra vediamo rappresentati, procedendo dall’alto verso il basso, i grafici del volume corrente, della pressione intrapleurica, della pressione alveolare e del flusso intervallati da due cicli insp/esp.! Nella pressione intrapleurica c’è una linea tratteggiata rettilinea e una non tratteggiata curvilinea che vengono indicate come pressione statica e pressione dinamica. Vuol dire che se faccio una respirazione in tempi molto lunghi (es. inspiro sempre mezzo litro d’aria ma invece di farlo in un secondo lo faccio in tempi più lunghi! quindi con flussi molto più piccoli) mi trovo sulla linea tratteggiata invece che sulla linea curva.! Cioè se si riducono i flussi si riduce la variazione della pressione intrapleurica; certamente ogni volta che dilato il polmone la pressione intrapleurica diventa più negativa però se lo faccio molto rapidamente diventa ancora più negativa perché i flussi di grandi dimensioni producono grandi resistenze aerodinamiche. Come vedete quella componente pressoria dinamica può essere molto diversa da quella statica (che dipende solo dall’elastina dei polmoni): l’opposizione ai flussi richiede una quantità di lavoro in più, molto elevata. I muscoli respiratori devono vincere la resistenza elastica dei polmoni e le resistenze aerodinamiche che aumentano all’aumentare dei flussi, per cui compiono un lavoro.! Qui a sinistra potete vedere una curva pressione / volume con diverse intensità di respirazione. In ascissa abbiamo la pressione endoesofagea (che è uguale alla pressione intrapleurica) e in ordinata abbiamo il volume corrente, cioè il volume effettivamente utilizzato durante la nostra respirazione. Se noi riuscissimo a fare respirazioni molto lente senza la componente di resistenza aerodinamica voi potreste spostarvi da un punto A ad un punto B lungo la retta, tolto il discorso dell’isteresi per motivi didattici e di semplificazione. Quello che succede però, nella realtà, è che l’isteresi compare nel momento in cui ci sono queste resistenze aerodinamiche: andate dal punto A al punto B lungo la curva b1 e in ritorno lungo b2. Disegnata così viene messa in evidenza la pressione utilizzata per vincere la resistenza aerodinamica: per flussi sempre più grandi abbiamo una componente pressoria sempre più grande. Quindi, se io voglio andare dal punto A al punto B (=1,5 L di volume corrente) nello stesso tempo, la mia pressione! endoesofagea diventa molto grande: ciò significa che io molto violentemente sto cercando di espandere la gabbia toracica. Qui, per capire, è utile ricordarsi la metafora del mantice che il professore ha spiegato all’inizio della meccanica respiratoria: un conto è se io apro il mantice molto lentamente, un altro è se io lo apro molto rapidamente. Risulta infatti chiaro che nel secondo caso potrò arrivare a spezzare i manici del mantice, data la forza applicata. Un altro esempio potrebbe essere quello di una riga da disegno di cui una parte sporge e una parte più grande è adesa sulla cattedra: se ci metto sopra un foglio di giornale e premo la parte che sporge il giornale si alza senza problemi Il comportamento cambia se io faccio rapidamente lo

stesso spostamento:! 6! se diamo un pugno violento sulla riga, la riga si spezza e non ruota. Ciò accade perché non diamo tempo all’aria di passare sotto al giornale, così il foglio si trova sovrastato da tutta una colonna d’aria che va a spezzare la riga. Provare per credere.! Questo per sottolineare che la velocità nei processi aerodinamici conta tantissimo e che la respirazione non è un processo che varia linearmente. Per flussi elevati la resistenza aumenta in maniera non lineare. Durante l’espirazione massimale devo vincere la resistenza allo svuotamento talmente tanto che la pressione che si oppone diventa positiva e superiore rispetto a quella atmosferica perché io schiaccio molto la gabbia toracica con i miei muscoli respiratori.! Nelle curve pressione / volume l’aria è un lavoro: nel grafico si vede molto bene che abbiamo due componenti, la componente elastica (A) e la componente di resistenza aerea che si dissipa sotto forma di lavoro eseguito (B). Quindi il lavoro usato per espandere la gabbia toracica (esattamente come caricare una molla) viene perso completamente. Tutte le aeree nel grafico comprese nelle curve rappresentano il lavoro eseguito. C’è una grande quantità di energia spesa e non recuperabile: la respirazione a bassi flussi è molto favorevole, quella ad alti flussi è molto dispendiosa. Perciò l’attività respiratoria è anche una forma di attività fisica: quando si parla di allenamento cardiopolmonare si fa riferimento ad un esercizio fisico che migliora la forza cardiaca e polmonare per garantire ventilazioni ad alti flussi! Nel grafico a sinistra la frequenza respiratoria (in ascissa) è messa in rapporto con il lavoro respiratorio al minuto (in ordinata). Abbiamo un lavoro dinamico (curva in basso) e un lavoro statico (curva in mezzo):! il lavoro dinamico è quello che aumenta! Il lavoro statico è quello che posso distensione del polmone a respirazioni molto lente. però devo aumentare il volume corrente lavorando! Il lavoro totale è la somma di questi due valori: il minimo si trova alla frequenza di 15-14 cicli/min. Noi respiriamo, quindi, alla frequenza che minimizza la spesa energetica e il lavoro respiratorio, come quasi sempre accade negli organismi che si evolvono nel tempo.! Ovviamente la componente dinamica tenderà a aumentare sempre il flusso.! 7! con i grandi flussi e serve per vincere la resistenza aerodinamica. All’aumentare della frequenza respiratoria aumentano le resistenze perché i flussi saranno sempre più veloci. misurare andando a vedere quanto aumenta la! I flussi e le resistenze saranno così molto bassi,! contro la struttura toraco-polmonare! ! SCAMBI GASSOSI ALVEOLO-CAPILLARI! Abbiamo già detto che questi scambi avvengono puramente per diffusione per cui tutti i prodotti diffusibili dipendono dalla loro concentrazione. Siccome c’è una diretta proporzionalità (legge di Henry) fra la concentrazione e le pressioni parziali, in fisiologia respiratoria si parla di pressioni parziali, ma è la stessa cosa della concentrazione. Tenete conto che quando parliamo di pressioni parziali e concentrazioni ci riferiamo esclusivamente al modello di gas liberi in soluzione. La membrana alveolare è molto grande e va ad interagire con modeste quantità di sangue, perché i capillari sono molto piccoli. Nel polmone c’è questa grande capacità del sangue di distribuirsi nelle superfici alveolo-capillari e questo determina una grande facilità di scambio.! 8! Abbiamo tre “punte” che sono la fonte di questi scambi: il cuore destro e il cuore sinistro che veicolano sangue con gas disciolti, e i muscoli respiratori che portano l’aria atmosferica a livello alveolare. La pressione parziale è il contributo che il singolo gas dà alla pressione totale. Sappiamo che la pressione atmosferica totale è pari a 760 mmHg quindi avremo:

PO2+PCO2+PN2+PH20 = Patm = 760 mmHg PO2+PCO2+PN2= Patm - 47mmHg (pressione di vapore di un gas saturo al 100% d’umidità) = pressione atmosferica secca Da qui possiamo ricavare le frazioni secche da cui posso ricavare il contributo percentuale che ciascun gas dà. FO2= PO2 / (Patm-47mmHg) FCO2= PCO2 / (Patm-47mmHg) FN2= PN2 / (Patm-47mmHg)! É interessante vedere quali sono i valori veri delle pressioni parziali (DA SAPERE). Nell’aria inspirata: PO2 =159 mmHg PCO2 = 0,3 mmHg (attenzione che alcuni libri dicono zero) Nell’alveolo: PO2 = 100 mmHg PCO2 = 40 mmHg Nel sangue venoso: PO2 = 40 mmHg PCO2 = 46 mmHg! Nel sangue arterioso: PO2 = 100mmHg PCO2 = 40mmHg! 9! componenti che riportano queste pressioni parziali: 40 mmHg per O2 e 46 mmHg per la CO2.! Questi valori pressori ovviamente varieranno in pazienti con insufficienza respiratoria, caratterizzata da ipercapnia, cioè presenza di CO2 nel sangue maggiore del normale.! Man mano che l’aria arriva giù attraverso la trachea verso gli alveoli, assistiamo ad una salita della pressione parziale dell’ossigeno perché arriva aria con maggiore concentrazione di O2 e minor concentrazione di CO2; durante l’espirazione aumenta la pressione parziale di CO2 perché c’è un trasferimento graduale di questa molecola dal sangue verso l’alveolo.! L’alveolo è in equilibrio fra la presenza di gas nel sangue e la presenza di gas nella trachea, per cui i valori dei gas sono diversi sia rispetto al sangue venoso che rispetto all’aria atmosferica.! Esistono shunt fisiologici e anatomici, cioè quelli a livello della circolazione: sangue che scorre nei vasi che irrorano i tessuti e che poi non rientra nella circolazione venosa ma si ributta direttamente in quella arteriosa. Quindi, a causa di questi shunt fisiologici, la pressione sistemica è ridotta: esiste perciò un gap pressorio arteria- alveolo.! Il sangue viene poi trasportato nei vari distretti circolatori dove la composizione di gas si differenzia nuovamente. Parliamo di “sangue venoso misto” perché all’interno delle grandi vene che vanno verso il cuore ho il mescolamento di tutte queste! CENNI DI PATOLOGIE RESPIRATORIE Enfisema polmonare: diminuisce l’aria perché si riduce l’aria di scambio e a livello alveolare la PO2 è normale o diminuita se gli alveoli ventilano male a causa di! eventuali ostruzioni delle vie aeree. Fibrosi: si assiste ad un ispessimento della membrana alveolare per cui la PO 2 nel! sangue sarà diminuita a causa di una diminuzione della compliance che impedisce! la ventilazione. Edema polmonare: aumenta la distanza di diffusione perché aumenta lo spessore! del liquido che separa i capillari dall’area alveolare. A fronte di una normale! ventilazione del polmone avremo comunque una bassa pressione parziale di O 2 nel! sangue. Asma: dato che si verifica broncocostrizione diminuirà la pressione parziale di O 2! negli alveoli ma sarà bassa anche a livello capillare, quindi avrò un’ipossia da! diminuita pressione parziale di ossigeno.! ! I gas coinvolti nella respirazione (ossigeno, anidride carbonica, azoto) si muovono per diffusione attraverso la membrana alveolo-capillare guidati da una differenza di pressione parziale; la velocità di diffusione dipende anche dallo spessore, dall’area della membrana e dal coefficiente di diffusione del gas nelle sostanze di cui è composta.! ➢ TRASPORTO DI OSSIGENO! Il valore medio di pressione parziale di ossigeno nell’aria alveolare è di circa 104 mmHg, mentre nel sangue venoso è di circa 40 mmHg poiché una parte dell’ossigeno è stata rimossa dal sangue capillare e ceduta ai tessuti periferici. Quindi il gradiente di pressione parziale che

determina il movimento di O2 nei capillari polmonari è di circa 64 mmHg. Così l’O2 diffonde dai sacchi alveolari ai capillari polmonari, raggiunge i tessuti tramite il flusso ematico e viene utilizzato dagli stessi per ossidare substrati con produzione di CO2.! Circa il 98% di sangue che giunge all’atrio sinistro si è ossigenato fino a raggiungere PO2 = 104 mmHg, il rimanente 2% non è stato esposto agli scambi gassosi, passando dall’aorta alla circolazione bronchiale o coronarica e costituendo così un flusso di shunt. Questo sangue si unisce a quello ossigenato n...