Respirazione e Resistenza Aeree (Fisiologia 43)

Vie Aeree: Struttura e Resistenza al Flusso d'Aria

• Le vie aeree, dalla trachea ai bronchioli, mostrano un aumento graduale dell'area della sezione trasversa, fondamentale per la distribuzione dell'aria nei polmoni.
• La resistenza al flusso d'aria nelle vie aeree non è massima nelle vie più grandi, ma aumenta nelle vie centrali e diminuisce progressivamente nelle vie più piccole.

Variazioni dell'Area della Sezione Trasversa

• L'area della sezione trasversa delle vie aeree aumenta notevolmente passando dalla trachea ai bronchioli più piccoli.
• Questo ampliamento è esponenziale a partire dalla quarta e quinta generazione di bronchioli.
• Questa variazione è essenziale per la distribuzione efficace dell'aria ai polmoni.

Resistenza nelle Diverse Generazioni delle Vie Aeree

• A differenza del sistema circolatorio, dove la massima resistenza si trova nelle arteriole, nel sistema respiratorio la resistenza:
  • Non è massima nelle vie aeree più grandi (ad esempio, nella trachea).
  • Aumenta inizialmente nelle vie aeree di dimensioni maggiori (trachea, bronchi lobari, segmentari), raggiungendo il valore massimo in queste vie.
  • Diminuisce in modo esponenziale nelle generazioni successive (vie aeree più piccole), diventando trascurabile nelle vie aeree più piccole.

Calcolo della Resistenza al Flusso d'Aria

• Per calcolare la resistenza al flusso d'aria, si utilizzano parametri come il flusso d'aria, la durata dell'inspirazione e la differenza di pressione.
• Con questi valori si ottiene una resistenza di circa 2 cm H2O/litro/secondo a riposo.

Impatto Clinico della Resistenza nelle Piccole Vie Aeree

• Un aumento della resistenza nelle piccole vie aeree, sebbene raddoppiato, ha un impatto relativamente piccolo sulla resistenza totale.
• Patologie che colpiscono le vie aeree piccole (es. broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO)) si manifestano clinicamente solo quando la malattia progredisce e interessa anche le vie aeree più grandi.
• Se la resistenza totale è di 2 cm H2O / litro / secondo, e quella delle piccole vie aeree è di 0,3, anche se raddoppia, l'aumento della resistenza totale è minimo (circa il 15%).

Dipendenza della Resistenza dal Volume Polmonare

• La resistenza nelle vie aeree è influenzata dal volume polmonare.
• Le fibre elastiche presenti nella parete delle vie aeree si distendono all'aumentare del volume polmonare, esercitando una trazione che espande le vie aeree e riduce la resistenza.

Flusso Laminare vs. Turbolento

• Il flusso d'aria ideale sarebbe laminare.
• Nelle vie aeree, il flusso è spesso turbolento, soprattutto nelle vie aeree più grandi, a causa delle ramificazioni bronchiali.
• Il tipo di flusso dipende dal numero di Reynolds, che considera fattori come velocità, raggio, densità e viscosità dell'aria.
• Nelle piccole vie aeree, la bassa velocità e il piccolo raggio favoriscono un flusso laminare.
• Nelle vie aeree grandi, l'elevata velocità e il grande raggio favoriscono un flusso turbolento.

Flusso Transizionale

• Nelle vie aeree, il flusso è spesso transizionale, una combinazione di flusso laminare e turbolento.
• La componente turbolenta aumenta all'aumentare del flusso, quindi anche la resistenza.
• La pressione necessaria per far avvenire il flusso è data da una componente lineare (dovuta al flusso laminare) più una componente quadratica (dovuta al flusso turbolento).

Resistenza e Flusso

• A bassi flussi, la relazione pressione-flusso è quasi lineare.
• Ad alti flussi, aumenta la componente turbolenta, e la relazione diventa meno lineare, richiedendo pressioni maggiori per mantenere lo stesso flusso.
• L'aumento del flusso corrisponde ad un aumento della resistenza.

Andamento della Resistenza al Variare del Flusso

• La resistenza è minore a valori di flusso normali.
• All'aumentare del flusso, la resistenza aumenta, a causa dell'aumento della turbolenza, soprattutto a livello delle vie aeree più grandi.
• La presenza di un tubo endotracheale in pazienti intubati, specialmente se di piccolo diametro, aumenta ulteriormente la resistenza.

Lavoro Respiratorio: Componenti e Patologie

• Il lavoro respiratorio si compone di due parti principali:
  • Lavoro resistivo, dovuto alla resistenza delle vie aeree durante l'inspirazione e l'espirazione.
  • Lavoro elastico, dovuto all'espansione dei polmoni e della gabbia toracica.

Lavoro Respiratorio durante l'Espirazione

• L'espirazione, in un soggetto sano, è un processo passivo.

Lavoro Respiratorio in Condizioni Patologiche

• Patologie restrittive aumentano il lavoro elastico perché i polmoni sono meno espandibili.
• Patologie ostruttive aumentano il lavoro resistivo a causa dell'aumentata resistenza delle vie aeree.

Minimizzazione del Lavoro Respiratorio

• I sistemi di controllo attuano meccanismi per ridurre al minimo il lavoro respiratorio.
• Il lavoro elastico si riduce con volumi correnti inferiori, mentre il lavoro resistivo aumenta con flussi più elevati.

Frequenza Respiratoria Ottimale

• La frequenza respiratoria ottimale è quella che minimizza il lavoro totale, circa 12-15 atti al minuto.

Impegno Energetico dei Muscoli Respiratori

• I muscoli respiratori consumano ossigeno, ed il consumo aumenta significativamente con l'aumento della ventilazione.
• La perfusione dei muscoli respiratori si mantiene elevata per garantire l'apporto di ossigeno e nutrienti necessari.

Insufficienza Respiratoria e Fatica Muscolare

• L'affaticamento dei muscoli respiratori può contribuire all'insufficienza respiratoria.
• La fatica diaframmatica è importante, ma altre cause devono essere considerate.

Ventilazione Meccanica

• La ventilazione meccanica è usata per riposare i muscoli respiratori affaticati o quando il paziente non riesce a respirare autonomamente.
• Vantaggi: Riduce il lavoro e il consumo di ossigeno dei muscoli respiratori, riduce la produzione di acido lattico, consente di ridirigere il flusso sanguigno verso altri organi vitali.
• Svantaggi: Uso prolungato può causare atrofia dei muscoli respiratori, rendendo difficile lo svezzamento.

Modalità di Ventilazione Meccanica

• Ventilazione controllata: la macchina eroga l'aria a intervalli regolari. Il paziente è paralizzato.
• Ventilazione assistita: La macchina eroga l'aria solo quando il paziente inizia a respirare.

Controllo della Resistenza al Flusso: Ruolo del Sistema Nervoso Autonomo

• Il tono del muscolo liscio nelle vie aeree è regolato dall'equilibrio tra il sistema simpatico e parasimpatico.
• Il sistema simpatico promuove la broncodilatazione.
• Il sistema parasimpatico promuove la broncocostrizione.
• Altre attività regolano il tono muscolare liscio.

Regolazione del Tono Muscolare Liscio

• Il tono del muscolo liscio bronchiale è regolato dall'equilibrio tra le attività dei sistemi nervosi simpatico e parasimpatico.
• Il sistema simpatico promuove la broncodilatazione , influendo sul rilascio di noradrenalina.
• Il sistema parasimpatico favorisce la broncocostrizione mediante l'acetilcolina.

Attività Basale e Farmaci

• In condizioni fisiologiche, entrambi i sistemi hanno un'attività basale.
• Inibizione del parasimpatico (atropina) riduce la resistenza delle vie aeree (broncodilatazione).
• Inibizione del simpatico (betabloccanti) aumenta la resistenza delle vie aeree.

Innervazione delle Vie Aeree e Neurotrasmettitori

• Le vie aeree ricevono un'innervazione complessa.
• Innervazione parasimpatica: il nervo vago rilascia acetilcolina, causando contrazione tramite recettori muscarinici.
• Innervazione simpatica: i nervi simpatici rilasciano noradrenalina, causando rilasciamento tramite recettori beta2.
• Innervazione NANC (non adrenergica, non colinergica): usa neurotrasmettitori diversi da acetilcolina e noradrenalina, con effetti sia eccitatori che inibitori.

Fattori che Controllano il Muscolo Liscio delle Vie Aeree

• Altre sostanze e fattori, come le sostanze paracrine, gli ormoni circolanti, l'angiotensina II, fattori fisici influenzano la regolazione del muscolo liscio delle vie aeree.
• Le condizioni infiammatorie possono anche contribuire alla broncocostrizione.

Istamina

• L'istamina provoca vasodilatazione e aumento della permeabilità capillare.
• Provoca ipotensione ed edema.

ASMA

• L'asma è caratterizzata da iperreattività delle vie aeree, aumento della reattività del muscolo liscio bronchiale a stimoli che normalmente non causano broncocostrizione.
• Aumento del rilascio di acetilcolina, e di altri neurotrasmettitori costrittori del sistema NANC.
• Mediatori dell'infiammazione vengono rilasciati, dando luogo ad edema della mucosa.

Asma da Sforzo

• L'asma da sforzo è indotta dall'aria fredda e secca.
• Riduzione della temperatura nell'aria causa vasocostrizione e contrazione della muscolatura liscia delle vie aeree.
• L'aria secca causa disidratazione della mucosa e contrazione del muscolo liscio.

Broncodilatatori

• I broncodilatatori contrastano la broncocostrizione.
  • Anticolinergici: bloccano l'azione dell'acetilcolina.
  • Agonisti beta-adrenergici: aumentano l'azione di noradrenalina.
  • Corticosteroidi: possiedono proprietà antinfiammatorie e antiallergiche.