FISIOPATOLOGIA DEI SISTEMI

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1 FISIOPATOLOGIA DEI SISTEMI Obiettivi generali del corso Il corso si propone di approfondire le conoscenze dello studente sul funzionamento dei principali sistemi ed apparati dell organismo umano analizzando anche le implicazioni patologiche relative al malfunzionamento di determinati meccanismi o processi.

2 FISIOLOGIA DEL POLMONE Struttura e funzione della pompa respiratoria Ruolo delle pressioni e resistenze nella ventilazione Regolazione della respirazione

3 LA FUNZIONE RESPIRATORIA

4 RESPIRAZIONE Ventilazione: Movimento di aria dentro e fuori i polmoni Respirazione esterna: Scambio dei gas tra l aria alveolare ed il sangue Trasporto di ossigeno ed anidride carbonica nel sangue Respirazione interna: Scambio dei gas tra il sangue ed i tessuti Respirazione cellulare: Utilizzo dell O 2 per produrre ATP

5 Funzioni del Sistema Respiratorio Scambio dei Gas Regolazione del ph sanguigno Produzione del Suono Olfatto Termoregolazione Protezione contro microorganismi Polmone: organo metabolico

6 Divisioni Sistema Respiratorio Tratto superiore Naso, faringe e Laringe Tratto inferiore Trachea, bronchi, polmoni

7 NASO E FARINGE Naso Naso esterno Cavità nasali Funzioni Passaggio per l aria Pulisce l aria Umidifica e riscalda Odorato Insieme con i seni paranasali cassa di risonanza per il linguaggio Faringe Apertura comune per i sistemi digestivo e respiratorio Tre regioni Nasofaringe Orofaringe Laringofaringe

8 Laringe Funzioni Mantiene una via di passaggio per l aria Epiglottide previene il passaggio del bolo deglutito in laringe Corde Vocali fonte primaria del suono

9 Trachea Insert Fig 23.5 all but b Si divide a formare Bronchi Primari Riflesso della tosse

10 Albero Tracheobronchiale

11 ALBERO TRACHEOBRONCHIALE Zona di conduzione Non-Acinosa Trachea fino ai bronchioli terminali ciliata per rimozione di polveri Via di passaggio per l aria controllata dal muscolo liscio alla fine dei bronchioli terminali Cartilagine mantiene il tubo aperto (trachea e prime 3 generazioni di bronchi) ed il muscolo liscio ne controlla il diametro Zona Respiratoria Porzione Acinosa Bronchioli Respiratori (mantenuti pervi dal parenchima elastico che li circonda) fino agli alveoli Sito di scambio gassoso

12 ANATOMIA FUNZIONALE DEL POLMONE

13 LE VIE DI CONDUZIONE Riscaldano Umidificano e Depurano l aria Enorme aumento nell area della sezione trasversa 17 7 Zona respiratoria=ultime 7 ramificazioni dell albero bronchiale

14 LE VIE DI CONDUZIONE: DIFESA DELL ORGANISMO Vibrisse nasali intrappolano elementi con diametro >a 10 µm Il muco intrappola particelle con diametro > 2 µm Immunoglobuline inattivano i microorganismi inalati

15 EPITELIO CILIATO

16 PRODUZIONE MUCO Cellule a calice o globet cells (1 ogni 5) Ghiandole sottomucose Cellule Clara (bronchioli)

17 MOVIMENTO CILIARE E influenzato fortemente dalla presenza: di gas irritanti (fumo di sigarette) dello strato acquoso sottostante che è fondamentale per la risalita del muco FIBROSI CISTICA Malattia genetica ereditaria caratterizzata da proteine canale per il Cl - difettose (regolatore transmembrana della fibrosi cistica CFTR), non in grado di secernere gli ioni cloro, tappa essenziale nella secrezione salina

18 FIBROSI CISTICA 1 /2500 1/25 portatore sano

19

20 glicopt con 1480AA CFTR

21 CFTR

22 CFTR

23 FIBROSI CISTICA

24 FIBROSI CISTICA ORCC, canal chlorure différent de CFTR, ENaC, canal sodium, ROMK, canal potassium.

25 FIBROSI CISTICA

26 FIBROSI CISTICA 1. Assenza di proteina 2. Maturazione difettosa 3. Alterata regolazione 4. Alterata conduttanza al cloro 5. Difetto di trascrizione 6. Turnover accelerato

27 Organi colpiti Prelievo dei villi coriali (nelle famiglie a rischio è possibile la diagnosi prenatale in questo modo). Screening neonatali sul meconio. Esame del sudore secondo il metodo di Gibson e Cooke - si misura la concentrazione di Cloro in 100mg di sudore del neonato; se i valori sono superiori alla norma (60mEq/L) il test è sicuramente positivo. Sotto i 30mEq/L è sicuramente negativo. Tra i 30 e i 60 c'è necessità di ripetere il test. Analisi del DNA

28 I POLMONI NELL UOMO

29 GLI ALVEOLI POLMONARI Nell adulto milioni di alveoli 75 m 2 Pneumociti di I tipo (95%) Pneumociti di II tipo secernono il surfactant, proliferano e si differenziano in I tipo Pneumociti di III tipo associate a terminazioni nervose con funzione chemocettiva

30 GLI ALVEOLI POLMONARI Macrofagi: fagocitano batteri e materiale organico. Inglobano mat. Organico non degradabile (carbone amianto) che si rideposita in caso di morte silicosi e asbestosi. Agenti tossici come il fumo di sigaretta inibisce l azione dei macrofagi

31 Membrana Respiratoria (Barriera Aria-Sangue)

32 Presenza di fibre elastiche

33 Funzioni non-respiratorie del polmone Aspetti biochimici-metabolici Funzione di filtro del sangue refluo dalle vene cave

34 Gli scambi respiratori avvengono a livello degli alveoli

35 LO SCAMBIO DEI GAS RESPIRATORI F=AK(P 1 -P 2 )/x

36 FOGLIETTI PLEURICI

37 LIQUIDO PLEURICO Liquido pleurico= 0.2 ml/kg Spessore= µm Velocità di rinnovo= 0.2 ml/kg/h Si forma per filtrazione dai capillari parietali ed è riassorbito da stomi linfatici

38 PRESSIONE NEGATIVA INTRATORACICA

39 PRESSIONE NEGATIVA INTRATORACICA

40 FLUSSO DELL ARIA F= P/R Il flusso dell aria è determinato dal gradiente pressorio generato da una pompa

41 POMPA A: PRESSIONE SUZIONE

42 MUSCOLI RESPIRATORI

43 Inspirazione Processo attivo: contrazione del m. diaframma e degli intercostali esterni

44 MOVIMENTI GABBIA TORACICA

45 VENTILAZIONE POLMONARE

46 Cambiamenti di pressione alveolare

47 INSPIRAZIONE ED ESPIRAZIONE FORZATA

48 PRESSIONI COINVOLTE NELLA RESPIRAZIONE

49 Pressione intrapleurica ed alveolare durante un ciclo respiratorio

50 Ciclo Respiratorio Normale

51 Fattori che influenzano la ventilazione polmonare Distensibilità o compliance polmonare Resistenza al flusso

52 COMPLIANCE Distensibilità e ritorno elastico sono inversamente correlati

53 0.2 l/cm H 2 O Il soggetto inspira fino alla CPT poi espira lentamente ed il flusso viene periodicamente interrotto per le misure contemporanee di pressione intrapleurica (manometro) e di volume (spirometro) COMPLIANCE MAGGIORE= ENFISEMA COMPLIANCE MINORE=FIBROSI

54 COMPLIANCE POLMONARE Dipende da: CFR (capacità funzionale residua) Elasticità Presenza di fluidi negli alveoli

55 COMPLIANCE GABBIA TORACICA E in relazione con: Muscolatura Forma Peculiarità dell osso. E ridotta nella cifosi, scoliosi gravidanza e tumori addominali

56 FORZE ESPIRATORIE Forza di retroazione elastica polmonare Tensione superficiale

57 TENSIONE SUPERFICIALE

58 SURFACTANT POLMONARE Atelettassia= collasso degli alveoli

59 Curve P/V nel polmone isolato

60 SINDROME DA DIFFICOLTA RESPIRATORIA IRDS= Infant Respiratory Distress Syndrom bambini prematuri (50.000/anno in USA) ARDS= Adult Respiratory Distress Syndrom traumi toracici lesioni pelviche sepsiesposizione a gas tossici Riduzione della compliance - riduzione del surfactant atelettassia - reazione infiammatoria con infiltrazione di neutrofili nel circolo polmonare - edema polmonare - danno endoteliale per liberazione di radicali liberi leucotrieni- PAF - trombossani

61 R= P/F RESISTENZA DELLE VIE AEREE Maggiore nelle vie aeree di grande e medio calibro fino alla settima generazione Durante l inspirazione la R diminuisce R=8ηl/πr 4

62 R= P/F RESISTENZA DELLE VIE AEREE Il diametro delle vie dipende anche dal tono del muscolo liscio. PARASIMPATICO COLINERGICO: BRONCOCOSTRIZIONE ORTOSIMPATICO ADRENERGICO: BRONCODILATATORE (β2) ISTAMINA: BRONCOCOSTRITTORE

63 FLUSSO NELLE VIE AEREE NR=rdv/η

64 FLUSSO NELLE VIE AEREE

65 SPIROMETRO

66 Volumi Polmonari Volume Corrente Volume di aria mobilizzata durante un normale atto respiratorio (500 ml) Volume di riserva inspiratorio Volume d aria inspirata forzatamente dopo una inspirazione normale ( ml) Volume di riserva espiratorio Volume d aria espirata forzatamente dopo un espirazione normale (1200 ml) Volume Residuo Volume di aria che rimane nei polmoni dopo una espirazione forzata (1200 ml)

67 Capacità Polmonari Capacità inspiratoria Volume corrente più volume di riserva inspiratoria (3600 ml) Capacità Funzionale Residua Volume di riserva espiratorio più volume residuo (2400 ml) Capacità Vitale Volume d aria mobilizzato con un atto forzato (somma di VRI + VC + VRE) (4800 ml) (fino a 7l in un atleta) Capacità Totale Somma di tutti i volumi Massimo volume d aria contenuto nel sistema respiratorio (6000 ml)

68 DETERMINAZIONE VOLUME RESIDUO E CFR C1xV1=C2x(V1+Vp) Diluizione dell elio tempo d inizio prova

69 Capacità Vitale Determinata da: Forza dei muscoli (poliomielite miastenia gravis) Resistenza al flusso (asma, bronchite) Elasticità polmonare (enfisema) Volume polmonare (tubercolosi) Capacità Vitale ridotta in: soggetti con asma o enfisema perchè le piccole vie aeree collassano durante l espirazione. soggetti con bronchite perchè l infiammazione riduce il diametro delle vie aeree.

70 VEMS1 Volume espiratorio massimale al primo sec. 0.8% Ridotto nelle malattie ostruttive (enfisema asma bronchite cr.)

71 LAVORO RESPIRATORIO L = PdV

72 SPAZIO MORTO ANATOMICO 150 ml

73 SPAZIO MORTO ANATOMICO Parte del sistema respiratorio dove non si verifica scambio gassoso Subacqueo con tubo

74 Ventilazione Volume Minuto: Totale d aria ventilata al minuto (500 ml x 14 = 7000 ml) Frequenza Respiratoria: Numero di atti al minuto (14 c/min). Ventilazione Alveolare: Volume d aria che entra nello spazio respiratorio al minuto (350 ml x 14 =4.900 ml Aumento della profondità del respiro piuttosto che della frequenza molto più efficace ai fini respiratori

75 Ventilazione Volume corrente frequenza Vminuto Valv 500 ml 12 6 l 4.2 l 150 ml 40 6 l ml 6 6 l 5.1 l Aumento della profondità del respiro piuttosto che della frequenza molto più efficace ai fini respiratori

76 Frequenza respiratoria a varie età Neonati 40 a 80 respiri al minuto Lattanti 30 respiri al minuto Età 5 25 respiri al minuto Adulti 12 a 18 respiri al minuto Frequenza incrementa con la vecchiaia

77 EUPNEA

78 MALATTIE POLMONARI: CLASSIFICAZIONE Patologie ostruttive: riduzione del flusso, aumento della resistenza, capacità vitale ridotta VEMS1 ridotto (enfisema, bronchite cronica asma) Patologie restrittive: distensibilità polmonare ridotta, capacità vitale ridotta (edema fibrosi)

79 Malattie Ostruttive Polmonari Croniche (COPD) Negli USA al V posto come causa di morte

80 Malattie Respiratorie: Malattie Croniche Ostruttive Polmonari (COPD) Caratteristiche di queste malattie Patienti quasi sempre fumatori o ex- Respiro forzato (dispnea) progressivamente più grave Tosse ed infezioni polmonari frequenti Ipercapnia, ipossia ed acidosi respiratoria Pneumotorace spontaneo per assottigliamento o rottura della parete polmonare

81 Mucosa delle basse vie respiratorie infiammata con aumento del muco prodotto Il muco ostacola la ventilazione e lo scambio dei gas Rischio di infezioni polmonari Polmonite Ipossia e cianosi Bronchite cronica

82 ENFISEMA POLMONARE Condizione patologica spesso associata al fumo in cui le fibre di elastina sono distrutte, per effetto delle proteasi (macrofagi, gl bianchi) con riduzione di antitripsina. Polmoni iperdistesi a causa di tosse cronica e cronica congestione delle vie aeree Polmoni facilissimi da espandere, ma con scarsissimo ritorno elastico E necessario uno sforzo espiratorio Volume residuo superiore alla norma Gabbia toracica permanentemente espansa

83 ASMA CONTRAZIONI SPASMODICHE DELLA MUSCOLATURA DEI BRONCHIOLI Secrezione di muco

84 ASMA BRONCHIALE SINDROME DA IPERREATTIVITA' BRONCHIALE NEI CONFRONTI DI NUMEROSI E DIFFERENTI STIMOLI INSORGENTE DI SOLITO IN SOGGETTI COSTITUZIONALMENTE PREDISPOSTI CLINICA: Crisi ricorrenti di dispnea prevalentemente ESPIRATORIA FISIOPATOLOGIA: Stenosi bronchiolare, Edema, Ipersecrezione bronchiale,!!!!! IMMUNOFLOGOSI!!!!! EZIOLOGIA: fattori scatenanti, spesso allergici

85 ASMA

86 SCHEMA PATOGENETICO DELL'ASMA BRONCHIALE (ALLERGICO E NON) Stimoli vari Stimolo diretto Eos Plt MAST-CELLULA M.C. M Mcf N Mediatori CELLULE FLOGISTICHE Organi bersaglio ASMA BRONCHIALE Mediatori

87 NORMALE Stimoli Vari FASE IMMEDIATA RAPIDA SPASMOGENA M.C. FATTORI CHEMO TATTICI CELLULE FLOGISTICHE ISTAMINA LATE-PHASE, SOSTENUTA FASE SUBACUTA, PERSISTENTE INFIAMMATORIA

88 TRATTAMENTO ASMA

89 FIBROSI POLMONARE Condizione patologica associata ad eccessiva deposizione di collagene nel tessuto polmonare Compliance ridotta ed ispessimento della membrana alveolo-capillari Ipossiemia Fattori eziologici sconosciuti (infiammazione) Sopravvivenza 4-5 anni, una delle principali cause di morte nel Nord America

90 FIBROSI POLMONARE Infiammazione TGFβ Cellule endoteliali Cellule epiteliali Macrofagi Fattore chemotattico per fibroblasti e neutrofili Ingresso di leucociti Proliferazione fibroblastica Fibrosi Apoptosi delle cellule epiteliali

91 Patologie polmonari che influenzano la ventilazione e lo scambio dei gas

92 REGOLAZIONE DELL ATTIVITA RESPIRATORIA

93 INNERVAZIONE MUSCOLI RESPIRATORI C4-C8, T1-T7

94 respirazione a riposo e ventilazione attiva

95 CENTRI RESPIRATORI

96 Centri Respiratori Centro Respiratoro Bulbare Gruppo dorsale (n.tratto solitario): Inspiratorio Gruppo ventrale (n.ambiguo): Misto (pre- Botzinger)(inspirazione forzata ed espirazione attiva) Centro Respiratorio Pontino (pneumotassico) Implicato nell interruzione dell inspirazione, controlla frequenza e profondità della ventilazione

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98 Controllo della ventilazione Fase I=inspirazione Fase PI=espirazione passiva Fase E2= espirazione

99 Ventilazione Ritmica

100 ATTIVITA DEI NEURONI INSPIRATORI

101 Neuroni e circuiti respiratori

102 Ventilazione Ritmica La ritmicità deriva dall attività di una rete neuronale con potenziale di membrana instabile. Avvio dell inspirazione Neuroni del centro sono continuamente attivi Ricevono inputs dalla periferia o da centri superiori inplicati nei movimenti volontari o nell emozione L integrazione dei segnali comporta la nascita di una scarica di potenziali d azione che attivano i muscoli inspiratori Incremento dell inspirazione Più e più neuroni sono attivati Fine dell inspirazione Il centro è anche responsabile della fine dell inspirazione. Ricevono inputs dal gruppo pontino e da meccanorecettori polmonari sensibili allo stiramento. Vengono attivati neuroni inibitori che bloccano i centri inspiratori con conseguente rilasciamento dei muscoli ed espirazione.

103 Sindrome della morte improvvisa del neonato Apparentemente neonati sani cessano di respirare e muoiono nel sonno Alcuni casi sono dovuti a problemi del generatore del pattern centrale neurale Altri ad anormalità nel ritmo cardiaco

104 Modificazioni della Ventilazione Sistema corticale e limbico Respirazione può essere controllata volontariamente e modificata dalle emozioni. Controllo chimico Anidride carbonica Variazioni del ph Ossigeno quando vi è una riduzione almeno del 50% del normale

105 INFLUENZE SUI CENTRI RESPIRATORI

106 Modificazioni della Ventilazione

107 REGOLAZIONE CHIMICA DEL RESPIRO

108 RIFLESSI CHIMICI

109 GLOMI AORTICI E CAROTIDEI

110 CO 2

111 ph

112 O 2

113

114

115 FUNZIONAMENTO CHEMOCETTORI PERIFERICI

116 FUNZIONAMENTO CHEMOCETTORI PERIFERICI CO 2 e ph agirebbero tramite aumento della [H + ] che chiude i canali

117 CHEMORECETTORI CENTRALI

118 Central H+ receptors

119 DIFFERENTE SOGLIA

120 CONTROLLO MECCANICO DELLA RESPIRAZIONE

121 Riflesso di Hering-Breuer Origina da propriocettori sensibili allo stiramento presenti sulle pareti muscolari delle vie aeree. Afferenze vagali Limita l entità dell inspirazione e previene la sovradistensione polmonare Bambini Regola il ritmo di base Adulti Riflesso importante solo quando il volume corrente aumenta durante un esercizio fisico intenso

122 Riflessi protettivi Originano da recettori sensibili ad agenti irritanti (ammoniaca anidride solforosa particelle pollini) presenti sulla mucosa ma anche da propriocettori stimolati meccanicamente Afferenze vagali Inibiscono l attività inspiratoria. Provocano: broncocostrizione- tosse secrezione di muco

123 Ventilazione nell esercizio Ventilazione incrementa bruscamente All inizio dell esercizio Forte influenza dal movimento delle gambe Componente appresa Ventilazione incrementa gradualmente Dopo l incremento immediato, si verifica un incremento graduale (4-6 minuti)

124 ESERCIZIO E VENTILAZIONE

125 ESERCIZIO E VENTILAZIONE

126 L ESERCIZIO FISICO RECLUTA I CAPILLARI E RIDUCE IL TEMPO DI TRANSITO

127 RAPPORTO VENTILAZIONE- PERFUSIONE

128 La ventilazione alveolare è accoppiata al flusso sanguigno alveolare. Il diametro dei bronchioli è controllato dalla P CO2 : una diminuzione della P CO2 determina broncocostrizione. La broncocostrizione determina abbassamento della P O2 che induce vasocostrizione. Il flusso sanguigno si sposta verso regioni polmonari maggiormente ventilate. Se la P O2 aumenta l alveolo l in questione è sovraventilato e quindi le arteriole devono dilatarsi per aumentare lo scambio sanguigno.

129 Effetti dell invecchiamento Elasticità dei polmoni ridotta Capacità vitale e ventilazione minuto ridotta (ridotta abilità a riempire i polmoni) Volume residuo e spazio morto incrementato Scambio dei gas attraverso la membrana alveoli-capillari ridotto Livelli di ossigeno nel sangue ridotti Effetti stimulanti della CO 2 ridotti (apnea nel sonno) Capacità di rimuovere il muco dalle vie aeree decrementata e quindi maggior rischio di infezioni respiratorie