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G. LUC - PU...

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2017-2018

Physiologie de la respiration

– UE 7 : – Physiologie Hétérogénéité ventilation/perfusion Semaine : n°10 (du 02/04/18 au 06/04/18) Date : 03/04/2018

Heure : de 11h30 à 12h30

Binôme : n°7

Professeur : Pr. Luc Correcteur : 6

Remarques du professeur ø

PLAN DU COURS

VII)

Transport des gaz par le sang

D)

Equilibre acido-basique

1)

Système tampon bicarbonate

2)

Autres systèmes

VIII) Hétérogénéité Ventilation/Perfusion A)

Introduction

B)

Ajustement ventilation – perfusion

1)

Poumons normaux

2)

Ventilation normale – absence de perfusion

3)

Absence de ventilation – perfusion normale

C)

Shunts physiologiques et pathologiques

1)

Shunts physiologiques

2)

Shunts pathologiques

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VII)

Physiologie de la respiration

Transport des gaz par le sang

D)

Equilibre acido-basique

1)

Système tampon CO2 bicarbonate

Le pH est un paramètre extrêmement régulé dans l’organisme, il est vital : il doit être à 7,4 et on doit éviter ses modifications. Expérience pour montrer l'efficacité du tampon :

•

On a un liquide dans un bocal contenant une concentration de bicarbonate physiologique (24mM)

•

Si on ajoute de l’HCl (acide fort) → augmentation importante des ions H+ qui vont réagir avec les ions bicarbonate contenus dans le liquide pour redonner de l’eau → augmentation rapide de la pression en gaz carbonique.

•

A l’équilibre cet ion H+ reviendra progressivement à une concentration inférieure à ce qu’on a ajouté initialement par recombinaison avec les ions bicarbonates → diminution des ions bicarbonate et des ions H+. Le but est d’obtenir un pH final pas trop acide : ici 7,2 environ → les ions bicarbonates ont bien tamponné les ions H+ ajoutés initialement (au moins temporairement).

•

Si on ajoute du NaOH (base forte) → Les ions OH- qui apparaissent vont se combiner avec l’eau pour redonner des bicarbonates et un ion H+.

•

A l’équilibre les ions OH- se sont combinés avec les ions H+ → diminution de H+. Le but est de conserver une PCO2 aux alentours de 40 mmHg. On a une consommation de CO2 qui va donner des bicarbonates → augmentation des bicarbonates. L’alcalinisation de ce liquide par la soude augmente transitoirement le pH. L’équilibre se fait rapidement et ces ions OH- vont être masqués sous forme d'eau pour que le pH ne soit pas trop modifié : ici 7,6 environ.

Ce tampon bicarbonate est extrêmement important pour essayer de diminuer l’acidification ou l’alcalinisation du plasma.

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Physiologie de la respiration

Courbe d'Henderson Hasselbach :

Il y a 3 paramètres : le pH, la PCO2 et la concentration en bicarbonate. Ces courbes correspondent à la relation entre le bicarbonate et le pH : Courbe bleue

pH = 7,4 PCO2 = 40 mmHg

[HCO3-] = 24mM

Courbe orange

pH = 7,4 PCO2 = 20 mmHg

[HCO3-] = 10-15 mM

Courbe verte

pH = 7,4 PCO2 = 80 mmHg

[HCO3-] = 50 mM

On voit ainsi que si le pH est modifié mais que la PCO2 est constante : plus il y a d’alcalose, plus la concentration en ion bicarbonate augmente et inversement. → La PCO2 et la concentration en bicarbonate sont les 2 paramètres qui régulent le pH. 2)

Autres systèmes

Chaque système tampon va avoir une relation différente et donc une courbe différente. On peut dessiner une courbe globale de ces différents systèmes entre la base H+ et le pH :

Si on ajoute des ions H+ : tendance à l’acidose, avec une variation des ions BH+ qui augmente. Ces systèmes tampons sont moins importants quantitativement que le système bicarbonate.

Les autres systèmes ont des concentrations variables dans le sang d’un sujet à l’autre : → impossible de déterminer la solution (prédiction mathématique du pH en fonction de la variation d'un seul paramètre) → diagramme de Davenport : il correspond a la variation du bicarbonate et du pH en fonction de la PCO2. Il inclut tous les systèmes tampons. 3/13

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Physiologie de la respiration

On retrouve donc, comme toute à l'heure, différentes courbes avec les ions bicarbonate et le pH pour une PCO 2 constante : Courbe bleue = Equilibre initial Courbe orange = Alcalose = Hyperventilation Courbe verte = Acidose = Insuffisant respiratoire

pH = 7,4 [HCO3-] = 24 mM

PCO2 = 40 mmHg

PCO2 = 20 mmHg

• •

PCO2 diminue [HCO3-] et pH se déplacent sur la droite rouge de l'équilibre initial vers le point B → pH = 7,6 et [HCO3-] = 20 mM

PCO2 = 80 mmHg

• •

Elimination CO2 → PCO2 augmente [HCO3-] et pH se déplacent sur la droite rouge de l'équilibre initial vers le point A → pH = 7,19 et [HCO3-] = 30 mM

→ Les autres tampons permettent une moindre variation du pH qui peuvent masquer des variations de H + ou OH-. Ils sont donc aussi importants.

VIII) Hétérogénéité ventilation / pulvérisation A)

Introduction

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PCO2 et PO2 alvéolaire en fonction de la ventilation alvéolaire :

La PCO2 alvéolaire et la PO2 alvéolaire dépendent de la ventilation. •

Pour la PCO2 :

Chez un sujet en bonne santé - Rejet de CO2 = 200 mL/min - Ventilation alvéolaire : 4 L/min - PCO2 = 40 mmHg

Hyperventilation (sans exercice) - On double la ventilation alvéolaire donc on rejettera + de CO2

Insuffisance respiratoire - La ventilation alvéolaire est divisée par 2 donc on va rejeter moins de CO2

- La PCO2 finale diminue (20 mmHg) - La PCO2 finale augmente (80 mmHg)

•

Pour la PO2, c'est le même raisonnement :

Chez un sujet en bonne santé - On capte 250 mL/min d'oxygène - Ventilation alvéolaire : 4L/min - PO2 : 100 mmHg

Hyperventilation

Insuffisance respiratoire

- Le sujet ventile plus - Le sujet ventile moins - La PO2 augmente jusque 120 mmHg - La PO2 diminue

La PCO2 et la PO2 dépendent : •

de la ventilation

•

de la perfusion sanguine ➢ Le sang enlève l’O2 de l’air alvéolaire : plus le sang capte de l'oxygène plus la PO2 va diminuer. ➢ Le sang apporte du CO2 de l’air alvéolaire : plus la quantité en CO2 apportée dans les poumons est importante plus la PCO2 augmente avec la perfusion sanguine.

Donc plus la perfusion est importante, plus la composition de l'air alvéolaire correspondra à celle du sang veineux mêlé.

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B)

Physiologie de la respiration

Ajustement ventilation – perfusion

•

Pour la ventilation : hétérogénéité entre la base et le sommet du poumon : elle est + importante au niveau de la base pulmonaire. La cause essentielle est la gravité.

•

Pour la perfusion : de même, le débit sanguin du poumon est + important au niveau de la base, dû également à la gravité.

On a 2 hétérogénéités qui ne sont pas parallèles : pas le même ordre de différence entre la base et le sommet du poumon. Si on fait un rapport entre ventilation et perfusion sanguine (courbe bleue) on voit que ce n’est pas constant. Ce rapport augmente de la base vers le sommet du poumon, ce qui explique pourquoi on trouve des valeurs de PO2 et de PCO2 différentes entre la base et le sommet. Effet des différences régionales du rapport ventilation / perfusion sur la composition de l'air alvéolaire et du sang capillaire : Localisation

Fraction du volume pulm

Q (L/min)

Va/Q (mmHg)

PO2 (mmHg)

PCO2

Sommet

7,00%

0,07

3,3

132

28

Base

13,00%

1,3

0,6

89

42

100

40

Chaque région apporte une contribution proportionnelle à sa perfusion Ensemble

100,00%

5

0,84

→ Les PO2 et PCO2 alvéolaires sont différentes entre la base et le sommet du poumon. → La PO2 du sang qui sort globalement du poumon sera le mélange de différents sangs plus ou moins oxygénés et plus ou moins riches en CO2. •

La PO2 est + élevée au sommet car la ventilation est très importante → l’air alvéolaire est enrichi plus régulièrement en air atmosphérique riche en oxygène. A la base la ventilation est moins importante, l'air va se redoubler plus lentement.

•

De même pour le CO2 : comme le sommet du poumon est très bien ventilé, il va être facilement rejeté et la PCO2 va être diminuée ce qui est moins le cas au niveau de la base du poumon qui est moins ventilée.

Donc globalement chaque région apporte une contribution proportionnelle à cette perfusion.

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Physiologie de la respiration

Rapport ventilation / perfusion : effet sur PO2 et PCO2 artérielles (alvéolaires) :

•

Abscisse : PO2

•

Ordonnée : PCO2 Point A

–

PO2 : aux environ de 100 mmHg

–

PCO2 : 40 mmHg

–

Point B

V/P = 0,8

→ sang artériel

–

Perfusion extrêmement élevée, ventilation quasiment nulle donc V/P = 0

–

PCO2 = 46 mmHg

–

PO2 = 40 mmHg

Point C –

Pas de perfusion car on est dans la trachée → V/P = ∝.

–

PO2 = 150 mmHg

–

PCO2 = 0

→ sang veineux mêlé = avant qu'il soit → Espace mort avec air humidifié en contact avec de l'air alvéolaire

Globalement le poumon se situe autour du point A.

1)

Poumons normaux

On a 2 poumons normaux qui reçoivent chacun le même volume de sang (2,5L/minute) et qui rejettent la même quantité de CO2 (100 mL par minute) → tout se passe normalement. 7/13

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Physiologie de la respiration

Chaque poumon reçoit le même débit d'air et le même débit sanguin.

2)

Ventilation normale – absence de perfusion

La perfusion sanguine se déroule normalement dans le poumon droit mais il y a un arrêt de la circulation sanguine dans le poumon gauche → il ne reçoit plus le sang → tout le sang se répartit dans le poumon droit qui va donc recevoir 5L / min. Le poumon droit reçoit toujours 2L d'air mais 5L de sang donc le rapport V/D sera divisé par 2. Par contre il sera égal à l'infini dans le poumon gauche car il n'y a plus de perfusion. Comme il y a 2 fois + de CO 2 qui doivent être rejeté par rapport à la situation normale → La PCO2 double (augmente à 80 mmHG). Le poumon droit fonctionne donc normalement mais ne peut pas assurer la totalité du rejet de CO2. La PCO2 du sang de l’ensemble des poumons sera de 80 mmHg —> augmentation de la PCO2 de façon importante (situation caricaturale qui n'est pas viable).

Le débit sanguin est tellement important que l'oxygénation ne peut pas se faire et au lieu d’avoir une PO2 du sang qui sort du poumon de 100 elle est de 50 → diminution de l’oxygénation du sang. Cet oxygène du sang sera utilisé pour les organes. Dans les capillaires systémiques, l'oxygène va être capté par les cellules et va diminuer à 37 mmHg au lieu de 40 normalement.

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Physiologie de la respiration

Quand on a un rapport V/P qui devient anormal (divisé par 2 ici) : –

Augmentation de la PCO2 = Hypercapnie

–

Diminution de la PO2 = Hypoxie

C’est une zone ventilée mais non perfusée 3)

Absence de ventilation – Perfusion normale

Un poumon n'est pas ventilé mais les 2 sont perfusés normalement. Il y a donc un seul poumon qui est ventilé et qui va recevoir tout l'air de la ventilation → 4L / min, mais le débit sanguin reste le même donc il reçoit 2,5L de sang / min. L’autre poumon n’est pas ventilé et continue d’être perfusé : perfusion sanguine qui ne sert à rien. Débit sanguin = 2,5 L/min Seulement 100 mL va pouvoir être rejeté par cette perfusion → La PCO2 va pouvoir rester à un niveau un peu + élevé. Le CO2 qui est arrivé dans le poumon droit va rester tel quel et ne pourra pas être rejeté → –

Poumon droit : 40 mmHg

–

Poumon gauche : 46 mmHg

→ On va avoir un mélange de sang et donc une augmentation de la PCO2 dans le sang artérialisé. Ce sang va repasser dans les capillaires systémiques, recapter encore du CO2 donc le sang veineux mêlé aura une PCO2 qui augmentera encore et au lieu qu'elle soit aux alentours de 46 elle est à 50 = hypercapnie.

L'oxygénation se fait normalement, mais seul le poumon droit est perfusé. La PO2 à la sortie du poumon droit reste à un niveau normal, par contre à la sortie du poumon gauche elle reste basse → mélange de sang pauvre en oxygène et de sang normal → diminution de la PO2 globale.

Globalement quand on a un poumon perfusé normalement mais qui n'est pas ventilé on a : –

Une PO2 basse = hypoxie

–

Une PCO2 qui augmente = hypercapnie

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Physiologie de la respiration

Il peut y avoir un thrombus mais aussitôt le système va essayer de réguler pour améliorer les PCO 2 et PO2. Par exemple, en cas d’arrêt de la perfusion dans un poumon on a : –

un thrombus

–

persistance de la ventilation : le gaz alvéolaire va avoir la même composition que le gaz aspiré

Dans ces cas là il va y avoir une réaction de l'organisme avec des phénomènes de compensation et la perfusion de l'autre poumon. Phénomènes de compensation : •

Constriction bronchiolaire : les bronchioles du poumon gauche vont diminuer de calibre → réduit la ventilation du poumon gauche → redistribue une partie de la ventilation vers le poumon droit.

•

Réduction de l’espace mort alvéolaire (diminution du volume alvéolaire) qui était constitué par ce poumon perfusé non ventilé.

→ Efficaces si l’espace mort alvéolaire relativement minime Constriction bronchiolaire → redistribution de l'air vers les alvéroles perfusées car la PCO2 locale diminue. En réponse à cette diminution de perfusion : –

Les pneumocytes produisent moins de surfactant

–

Diminution de la compliance et diminution de la ventilation

–

Diminution du volume alvéolaire

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Physiologie de la respiration

Le gaz alvéolaire à la même composition que le gaz ventilé : –

PO2 aux alentours de 40 mmHg : quand on a une PO2 basse au niveau local cela entraine une vasoconstriction hypoxique avec diminution du calibre. Comme cette diminution est très forte, on aura une redistribution du sang vers le poumon ventilé et un rapport V/P qui revient à la normale.

–

PCO2 aux alentours de 46 mmHg

C) 1)

Shunts physiologiques et pathologiques Shunts physiologiques

La PO2 du sang artériel est + basse que la PO2 alvéolaire. On a pas les mêmes chiffres car il y a des shunts physiologique.

Shunt = sang traversant les poumons sans contact avec les alvéoles (zone non ventilée) (pas d’échange gazeux) C'est donc du sang qui est pauvre en oxygène avant d'arriver et qui reste pauvre et qui ne rejette pas de CO2 non plus. C'est une zone non ventilée et qui reste perfusée.

Il existe un shunt physiologique qui est celui de la circulation bronchique : les bronches, leur paroi, les nerfs, etc doivent être irrigués par du sang oxygéné qui vient d'une branche de l'aorte. Ensuite on revient dans un système veineux qui peut se jeter dans l'oreillette gauche dans du sang très oxygéné → mélange de sang veineux pauvre en oxygène venant du système bronchique, et de sang oxygéné → Ce sang veineux réduit le contenu en oxygène du sang artérialisé. Il existe un deuxième shunt physiologique qui est celui des veines de Thébésius : système d'irrigation du myocarde. On a les artères coronaires qui apportent le sang oxygéné, qui vont ensuite se drainer dans les veines de Thébésius. Une partie de ces veines de Thébésius vont se jeter dans l'oreillette gauche voire dans le ventricule gauche (alors que normalement c'est dans l'oreillette droite). C'est encore du sang veineux pauvre en oxygène qui va se jeter dans une cavité cardiaque riche en oxygène et qui va irriguer l'ensemble de l'organisme. C'est pourquoi la PO2 artériel est légèrement inférieure à la PO2 alvéolaire de façon physiologique.

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2017-2018 2)

Physiologie de la respiration Shunts pathologiques

Le foramen ovale : La circulation foetale nécessite de transférer du sang de l'oreillette droite dans l'oreillette gauche. Cette communication inter-auriculaire va se fermer comme un clapet. Normalement il devrait être en permanence fermé car la pression dans l'oreillette gauche est supérieure à celle dans l'oreillette droite. Parfois ce clapet n’existe pas et du sang passe par ce trou : c’est du sang veineux pauvre en oxygène qui arrive dans l'oreillette droite, qui ne va pas aller au contact des alvéoles donc ne va pas s'enrichir en oxygène → il shunt les poumons (l'oxygénation, et le rejet de gaz carbonique) Ce shunt se caractérise par une PO2 basse = Hypoxie. Quand on a une PO2 basse, il faut éliminer les causes « évidentes » : –

Haute altitude

–

Difficulté ventilatoire (spirométrie)

–

Modification de DL (il faudrait une anomalie x3 pour une PO2 basse)

Si on a éliminé tout cela on cherche un shunt : pour cherche un shunt on va mesurer le débit de shunt = on mesure le débit de sang qui traverse les poumons sans passer au contact des alvéoles. On prend le principe de conservation des masses en fonction de l'oxygène. •

Qt = On a un débit de sang qui arrive dans les poumons

•

Qs = Un débit de shunt

•

CvO2 = contenu en oxygène du sang veineux

•

Cc'O2 = Le sang qui va sortir des poumons qui est normalement artérialisé

•

CaO2 = Sang artériel à la sortie des poumons

→ Le contenu en oxygène qui arrive = Qt x CvO2 → On ajoute l'oxygène capté par le sang qui est au contact des alvéoles → Le total est celui qui sort des poumons = Qt x CaO2 = Qs x CvO2 + (Qt – Qs) x CC'O2 Le contenu en oxygène du sang qui sort du capillaire et est au contact des alvéoles : c’est le contenu en oxygène de l’air alvéolaire : en recueillant de l’air à la fin de l’expiration on a le contenu d'oxygène du sang qui sort du capillaire en contact avec les alévoles. Le contenu artériel en oxygène : on prend du sang artériel au niveau de l'artère radiale. Le contenu en oxygène qui arrive au niveau des poumons : on met un cathéter dans l'artère pulmonaire (CvO2) On a un rapport Qs / Qt = % de sang qui passe dans ce shunt par rapport au débit sanguin total. En général il est de moins de 5%. Ces données peuvent nous donner des indications pour les interventions chirurgicales. 12/13

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