Apparato Respiratorio: Meccanica e Scambi Gassosi

Apparato Respiratorio: Meccanica Respiratoria e Scambi Gassosi

Respirazione: Processi Integrati

• Per respirazione si intendono due processi integrati: respirazione esterna e respirazione interna.
• La respirazione esterna include tutti i processi coinvolti negli scambi gassosi di O₂ e CO₂ con l'ambiente.
• La respirazione interna (o respirazione cellulare) coinvolge l'assunzione di O₂ e la produzione di CO₂ a livello di singola cellula.

Componenti della Respirazione Esterna

• La respirazione esterna comprende:
  • Ventilazione polmonare (respirazione).
  • Diffusione gassosa attraverso le membrane e i capillari.
  • Trasporto di O₂ e CO₂ tra i capillari alveolari e il letto capillare sistemico.

Ventilazione Polmonare

• La ventilazione polmonare è il movimento fisico di aria dentro e fuori il tratto respiratorio, causa della ventilazione alveolare.

Legge di Boyle

• La legge di Boyle descrive la relazione inversa tra pressione gassosa e volume.
• Quando il volume diminuisce, la pressione aumenta e viceversa, secondo la formula P₁V₁=P₂V₂.

Volumi Polmonari e Ventilazione: Cavità Toracica

• I polmoni sono alloggiati in una cavità ermeticamente chiusa (la cavità toracica) e separati dall'addome dal diaframma.
• La gabbia toracica è costituita da 12 paia di coste, uno sterno e muscoli intercostali interni ed esterni, ancorata alla colonna vertebrale posteriormente e allo sterno anteriormente (eccetto le ultime due paia di coste flottanti).

Pleura e Spazio Pleurico

• I polmoni e la gabbia toracica sono rivestiti dalla pleura (viscerale e parietale rispettivamente).
• Lo spazio pleurico (10µm) tra i polmoni e la parete toracica contiene un liquido lubrificante.

Diaframma: Muscolo Inspiratorio

• Il diaframma è il muscolo striato principale utilizzato durante l'inspirazione, innervato dal nervo frenico (C4).
• Nell'inspirazione normale, il diaframma si abbassa di 1-2 cm, mentre nell'inspirazione forzata può abbassarsi fino a 10-12 cm.
• Quando il diaframma si contrae, il volume della cavità toracica aumenta, la pressione diminuisce e i polmoni si espandono automaticamente richiamando aria.
• Il diaframma, contraendosi, si muove verso il basso spingendo il contenuto addominale e aumentando l'asse verticale della cavità toracica.
• L'espansione polmonare avviene perché l'aumento dell'asse verticale fa diminuire la pressione endopleurica.

Muscoli Intercostali e Scaleni: Inspirazione

• Durante l'inspirazione si utilizzano anche i muscoli intercostali esterni.
• Nell'inspirazione forzata intervengono i muscoli scaleni del collo e gli sternocleidomastoidei.

Espirazione Forzata

• Nell'espirazione forzata è necessaria una compressione dei muscoli addominali (retti addominali) che spingono i visceri contro il diaframma.
• Intervengono anche gli intercostali interni che spingono la gabbia toracica verso il basso.

Pressione Alveolare: Inspirazione ed Espirazione

• Durante l'inspirazione la pressione alveolare diminuisce.
• Durante l'espirazione la pressione alveolare aumenta.

Fasi della Respirazione

• Inspirazione: contrazione del diaframma, contenuto addominale spinto in basso, gabbia toracica spinta all'esterno, riduzione della pressione endopleurica, espansione dei polmoni e degli alveoli.
• Espirazione: rilassamento del diaframma, abbassamento della gabbia toracica, volume toracico ridotto, svuotamento polmonare.

Principali Pressioni da Considerare

• Pressione atmosferica, intralveolare, intrapleurica, parete toracica, sacco pleurico, vie aeree e polmoni.

Cambiamenti alla Nascita

• Prima della nascita i vasi polmonari sono collassati e c'è assenza di aria nei polmoni.
• Al parto si perde la connessione con la placenta, con brusca caduta di P02 e aumento di Pc02.
• Alla nascita si vince la forza di tensione superficiale, l'albero respiratorio si riempie di aria e il bambino fa il primo respiro.
• La caduta di pressione al primo respiro spinge il sangue nel circolo polmonare, chiudendo il forame ovale e il dotto arterioso, e ridirezionando la circolazione sanguigna.

Pressioni nella Respirazione

• Nella respirazione le pressioni si esprimono in mmHg o cmH₂O, dove 1cmH₂O=0.74mmHg e 1mmHg=1.36cmH₂O.
• La pressione atmosferica (PB) è assunta come 0 come riferimento.

Variazioni della Pressione Alveolare

• Durante l'inspirazione la pressione alveolare scende a -1mmHg, consentendo all'aria di entrare negli alveoli (circa 0.5 litri in 2 secondi).
• Durante l'espirazione, la pressione alveolare aumenta a +1mmHg.

Pneumotorace

• In presenza di una parete toracica integra, sulle superfici esterne dei polmoni si esercita una pressione inferiore a quella atmosferica.
• Questa differenza di pressione contrasta la tendenza alla retroazione elastica del polmone.
• La penetrazione di gas nella cavità pleurica determina una riduzione o la scomparsa della depressione atmosferica ivi presente.

Efficienza Respiratoria ed Età

• L'efficienza respiratoria diminuisce con l'età.

Volumi Polmonari

• La spirometria misura i volumi polmonari inspirati ed espirati per valutare la funzionalità respiratoria.
• I quattro volumi polmonari principali implicati nella ventilazione sono: volume corrente, volume di riserva inspiratoria, volume di riserva espiratoria e volume residuo.
• CPT = CV + VR
• CV = VRI + VRE + VC

Volumi Polmonari Nelle Donne e Negli Uomini

• Negli uomini: VRI 3000 mL, Vc 500 mL, VRE 1100 mL, Volume residuo 1200 mL, Capacità vitale 5800 mL.
• Nelle donne: VRI 1900 mL, Vc 500 mL, VRE 700 mL, Volume residuo 1100 mL, Capacità vitale 4200 mL.

Ventilazione Totale, Corrente ed Alveolare

• Ventilazione polmonare totale: volume di aria che entra o esce attraverso il naso o la bocca in un minuto (volume corrente x frequenza ventilatoria).
• Volume corrente (Vc): volume di ogni atto respiratorio (0.5 l in media), varia con l'età, sesso, posizione e metabolismo.
• Ventilazione alveolare (VA): volume di aria fresca che entra negli alveoli in un atto respiratorio o in un minuto.
• VA < Ve a causa dello spazio morto.

Surfactante e Tensione Superficiale

• La tensione superficiale è la maggiore responsabile della resistenza offerta dal polmone all'espansione.
• Le cellule alveolari di tipo II secernono il surfactante, che riduce la tensione superficiale, riducendo il lavoro richiesto per espandere gli alveoli e impedendone il collassamento a fine espirazione (atelettasia).

Frequenza Ventilatoria Normale

• La frequenza ventilatoria in un soggetto adulto normale è di circa 12/15 atti al minuto.
• Data la frequenza respiratoria ed il volume corrente si può calcolare la ventilazione polmonare totale (6000 ml/min) e la ventilazione alveolare (4200 ml/min).

Relazione tra Pressione Alveolare e Ventilazione

• La ventilazione alveolare condiziona il contenuto di gas all'interno dell'alvolo.
• Aumentando la ventilazione (iperventilazione) aumenta la quantità di O₂ e si riduce la quantità di CO₂.
• In regime di ipoventilazione la situazione si inverte.

Rapporto Ventilazione/Perfusione (VA/Q)

• La ventilazione, per essere efficace e distribuire ossigeno nella maniera corretta, deve essere accoppiata ad un flusso sanguigno opportuno ed adeguato.
• La modifica del flusso ematico dipende quasi esclusivamente dalle proprietà dei capillari e da fattori locali come i livelli di O₂ e CO₂.
• VA/Q ≈ 1: Po₂ = 100 mmHg e Pco₂ = 40 mmHg
• Si possono verificare condizioni estreme in cui: VA/Q = 0 (ventilazione bloccata) oppure VA/Q = ∞ (perfusione bloccata).
• Quando il soggetto si trova in posizione ortostatica gli apici polmonari presentano V/Q alti, mentre le basi del polmone hanno V/Q bassi.
• La forza di gravità fa sì che il peso del polmone renda la pressione intrapleurica a livello delle basi meno negativa, causando a sua volta una riduzione del volume degli alveoli a livello della base polmonare.

Cause di V/Q Bassi

• Bronchite cronica.
• Asma.
• Edema polmonare acuto (EPA).

Altre Cause di Alterata Ventilazione/Perfusione

• Embolia polmonare (EP) o tromboembolia polmonare (TEP) e enfisema.

Controllo Locale di Ventilazione e Perfusione

• La riduzione di Po₂ attorno agli alveoli ipoventilati provoca la costrizione delle loro arteriole, convogliando il sangue verso alveoli ventilati meglio.

Scambio e Trasporto dei Gas: Legge di Fick

• I gas respiratori (O₂ e CO₂) sono scambiati per diffusione semplice sia a livello dell'interfaccia alveoli-capillari polmonari sia a livello dell'interfaccia capillari sistemici-cellule.
• La diffusione obbedisce alla legge di Fick: J = [A * (C₂ - C₁) * P] / d
  • J = Flusso.
  • A = Area di scambio.
  • C₂ - C₁ = Gradiente di concentrazione.
  • P = Permeabilità della membrana.
  • d = Spessore.
• Negli organismi biologici il fattore determinante è il gradiente di concentrazione.
• In fisiologia respiratoria ci si riferisce alle pressioni parziali dei gas in soluzione.

Gradiente di Diffusione dei Gas

• Un gas si sposta da regioni a maggior pressione parziale verso regioni a minor pressione parziale.

Cause di un Basso Contenuto Arterioso di Ossigeno

• L'aria inspirata ha un basso contenuto di ossigeno (altitudine).
• Ventilazione alveolare inadeguata (ipoventilazione).

Patologie Polmonari e Ossigenazione

• Asma: l'aumento della resistenza offerta dalle vie aeree riduce la ventilazione.
• Edema polmonare: il liquido interstiziale aumenta la distanza di diffusione, la PCO₂ arteriosa può essere normale per via della maggiore solubilità di CO₂ in acqua.

Trasporto di Ossigeno nel Sangue

• L'ossigeno è trasportato nel sangue con due meccanismi: in soluzione (meno del 10%, circa 250ml/min a riposo) e legato all'emoglobina (Hb + O₂ ↔ HbO₂).

Emoglobina e Condizioni Normali

• La richiesta di O₂ in condizioni normali è di 250 ml/min.
• L'emoglobina lega ≈ 20 ml di O₂ ogni 100 ml di sangue (circa 197 ml/l), scambiando 5 ml/100 ml con i tessuti, che equivalgono a 250ml, abbastanza per le condizioni normali.

Legame tra Ossigeno ed Emoglobina

• Il legame fra ossigeno ed emoglobina segue la legge dell'azione di massa (Hb + O₂ ↔ HbO₂).
• Lo stato del legame si sposta a sinistra se la concentrazione di ossigeno diminuisce e a destra se aumenta.

Saturazione dell'Emoglobina

• Il legame di ossigeno all'emoglobina si esprime in percentuale.
• Saturazione % = (Quantità di O₂ legata / Quantità max che può essere legata) * 100
• A livello tissutale (Po₂ = 40mmHg) a Hb cede il 25% dell'ossigeno trasportato, restando satura al 75%.

Fattori che Regolano la Ventilazione

• La respirazione è un processo ritmico non cosciente, mediata dal SNC attraverso i motoneuroni somatici.
• Il meccanismo è altamente regolato e influenzato da emozioni, controllo volontario, CO₂, O₂, pH e dal sistema limbico.
• Il controllo respiratorio è localizzato nel ponte e nel bulbo.
• I neuroni formano un generatore centrale di ritmo respiratorio.

Centri Respiratori Bulbari

• Il centro respiratorio bulbare è controllato continuamente dai livelli plasmatici di CO2, O2 e H+.
• I neuroni bulbari sono raggruppati in due nuclei principali: il gruppo ventilatorio dorsale (inspiratorio) e il gruppo ventilatorio ventrale (espiratorio, controllo dei muscoli inspiratori profondi).

Ruolo di CO2 e O2

• La CO₂ è lo stimolo principale per modificare la ventilazione.
• I chemocettori per ossigeno e anidride carbonica sono associati alla circolazione arteriosa.
• Quando O₂ diminuisce troppo o la CO₂ aumenta, il centro inspiratorio viene stimolato ad aumentare la ventilazione.
• I chemocettori comprendono chemocettori periferici (glomi aortici e carotidei) e chemocettori centrali (superficie ventrale del bulbo).
• Affinché sia attivata risposta ventilatoria, Po₂ deve scendere sotto a 60mmHg.

Chemocettori nel Bulbo Encefalico

• L'aumento di PCO2 passata barriera emato–encefalica stimola chemiocettori centrali.
• I chemocettori sono sensibili alla riduzione pH in base a CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-.

Chemocettori Centrali

• I chemocettori centrali si adattano all'ipercapnia cronica, mentre i chemocettori periferici non si adattano all'ipossia cronica; in questi casi, come nell'enfisema, la bassa P02 rimane l'unico stimolo alla ventilazione.

Riflesso di Hering-Breuer

• Riflessi protettivi difendono il polmone.

Modulazione Volontaria della Ventilazione

• La ventilazione è modulata anche da centri superiori come ipotalamo e sistema limbico.