APPARATO RESPIRATORIO

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1 APPARATO RESPIRATORIO 21 VENTILAZIONE POLMOMARE Funzioni delle vie respiratorie. Inspirazione. Significato funzionale dei meccanismi diaframmatico e costale. Espirazione. Spazio morto. Ventilazione polmonare e ventilazione alveolare. Modificazioni della pressione alveolare e del flusso di aria durante un ciclo respiratorio. Pressione pleurica e sue variazioni durante un ciclo respiratorio. La funzione del sistema respiratorio è di garantire la corretta ossigenazione del sangue e l'eliminazione della CO 2 in eccesso. Poiché questi gas devono entrare nel circolo ematico o da questo devono essere espulsi le vie respiratorie necessariamente accoppiano ventilazione e perfusione. [nota bene: il processo meccanico definito comunemente respirazione prende il nome di ventilazione polmonare, mentre il termine respirazione indica l'intero processo che va dall'immissione di ossigeno alla sua utilizzazione per l'ossidazione dei substrati e la conseguente produzione di energia]. Le vie aeree hanno lo scopo di distribuire il flusso d'aria su una superficie di 70 m 2 circa per un uomo di 70kg. Si dividono in superiori e inferiori. Delle vie aeree superiori fanno parte: le cavità nasali, che hanno il compito di umidificare l'aria e portarla circa a una temperatura uguale a quella corporea. Forniscono circa il 50% della resistenza al flusso, inoltre si comportano come un filtro e bloccano le particelle di diametro superiore a 10micrometri. La faringe, che non è solo una via di passaggio ma grazie a numerosi aggregati linfocitari fornisce una protezione attiva contro gli agenti infettivi. La laringe che contiene l'organo della fonazione e la glottide(che può essere volontariamente occlusa le vie aeree inferiori originano sotto l'anello della cartilagine cricoide e si dividono in: trachea, un condotto cilindrico che è formato da una struttura membranosa tesa tra anelli cartilaginei di sostegno strutturale, non collassabile. Bronchi, che originano in numero di due, uno per lato, e costituiscono i condotti in cui termina la rachea. penetrati nel polmone si arborizzano diventando bronchi lobari, lobulari e dando ramificazioni sempre minori; la sezione delle 2 ramificazioni figli è pero complessivamente maggiore della sezione del bronco da cui originano. Per dieci ordini id ramificazione(che avvengono ad angolo acuto), fino al diametro di 1 micrometro, i bronchi conservano nella loro parete placche cartilaginee che conferiscono una certa rigidità strutturale. Al disotto di questo diametro i bronchi prendono il nome di bronchioli e divengono collassabili dalla pressione. Dopo sei ordini di ramificazioni(a T) nei bronchioli iniziano a comparire, lungo la parete sporadici alveoli. Le successive ramificazioni prendono il nome di bronchioli terminali(o respiratori). Questi ultimi continuano a dividersi fino a generare dotti alveolari, ovvero bronchioli la cui superficie è cosparsa di alveoli. Nel polmone sono individuabili unità morfofunzionali definite unità respiratorie formate da decine di bronchioli respiratori e di conseguenza alcune migliaia di alveoli. Queste sono individuabili in numero di circa per polmone. L'albero bronchiale è dotato di una propria innervazione attribuibile al sistema simpatico. È ricco di terminazioni sensitive che rispondono a stimoli quali agenti irritanti (l'ipersensibilizzazione causa l'asma). Inoltre è innervata la circolazione nutrizionale bronchiale e il sistema muscolare. Il sistema muscolare bronchiale risponde agli stimoli costringendosi e aumentando la resistenza al flusso(è ad esempio l'effettore dell'asma), a stimoli opposti in maniera opposta. La circolazione bronchiale deriva dalle arterie bronchiali dell'aorta toracica e costituisce l'apporto nutrizionale del sistema bronchiale. Esistono alcuni shunt anastomotici tra la circolazione polmonare e quella bronchiale ma nel soggetto normale non sono significativi. Alveoli sono deputati allo scambio di ossigeno tra aria e sangue. Lo scambio avviene per diffusione passiva, che è molto facilitata visto che la barriera aria sangue nei polmoni è spessa circa 0,15 micrometri. (ricordiamo che secondo la legge di fick la diffusione avviene in modo inversamente proporzionale alla distanza). La barriera aria sangue è composta dall'accollamento di cellule laminari dell'endotelio capillare e pneumociti (anch'essi con medesima struttura laminare e nucleo protrudente nel lume) e dalla membrana basale tra i due strati cellulari. Le concentrazioni di ossigeno e anidride carbonica sono all'equilibrio dopo 0,2 secondi. Il tempo di transito del sangue è di circa 0,8 secondi, (il sangue transita a ogni battito del vd) più che sufficente. In questo tempo transita la gittata sistolica di sangue, circa 70 ml(fino a 200 ml sotto sforzo: il limitato aumento di gittata fa si che le richieste metaboliche di O 2, che sotto sforzo aumentano anche di sei volte, vengano soddisfatte aumentando il prelievo dall'emoglobina, che funge anche da riserva), distribuita su una superficie capillare circa uguale a quella alveolare. Si ritiene che la grande estensione della superficie non sia funzionale all'ossigenazione del sangue quanto alla distribuzione della gittata cardiaca in vasi di piccole dimensioni, quelle di un eritrocito, perfettamente ossigenabili. La componente cellulare degli alveoli è formata da tre tipi di cellule: i

2 pneumociti di tipo uno sono cellule appiattite strutturali, i pneumociti di tipo II sono anche detti cellule di clara e secernono il muco, un tensioattivo di cui in seguito sarà analizzata nello specifico la funzione, le cellule intercalate hanno un orletto a spazzola e si pensa possano fungere da chemocettori. L'inspirazione è la fase attiva della respirazione. I centri troncoencefalici inviano impulsi motori al midollo, da li questi raggiungono attraverso i nervi frenici e gli intercostali il diaframma e i muscoli interfcostali. Si assiste all'espansione dalla gabbia toracica. Questa è determinata in primis dalla contrazione a quindi dall'abbassamento del muscolo diaframma, a forma di cupola posto tra il torace e l'addome che provoca un aumento in altezza del torace. In secundis i muscoli intercostali esterni muovono le coste(a parte le prime due, che risultano più rigide) verso l'alto e verso l'esterno (esemplificando: a manico di secchio): ciò provoca una aumento in sezione trasversa della cavità toracica. L'espansione cavitaria è seguita dall'espansione pleurica ad essa accollata. Tra la pleura parietale e quella viscerale c'è un sottile foglietto mucoso che riduce gli attriti e consente un agevole scorrimento dei polmoni. Conseguentemente la pressione nello spazio pleurico(attorno ai polmoni) si riduce e ciò determina un espansione dei polmoni, che sono distensbili.a coadiuvare l'inspirazione sono presenti muscoli detti inspiratori accessori; questi sono i muscoli scaleni e i muscoli sternocleidomastoidei che con l loro contrazione distendono ancor più la gabbia toracica. Normalmente non sono attivi. L'espirazione segue l'inspirazione. In genere è un processo passivo dovuto al rilasciamento dei muscoli inspiratori e quindi all'innalzamento del diaframma e al ritorno in situ delle coste. È coadiuvato dai muscoli intercostali interni, che sono disposti perpendicolarmente agli intercostali esterni e facilitano con la loro contrazione il ritorno delle coste alla posizione di riposo. Anche i muscoli addominali anteriori aumentando la pressione addominale facilitan il ritorno del diaframma. I muscoli accessori e i muscoli espiratori intervengono solo in caso di respirazioni forzate o durante l'esercizio fisico. In generale l'aria entra ed esce dai polmoni seguendo il gradiente pressorio. In inspirazione la pressione toracica negativa provoca l'espansione dei polmoni e quindi una pressione alveolare negativa, che richiama aria dall'esterno. In espirazione si verifica il meccanismo opposto. Mentre la perfusione è costante(quindi il prelievo d'ossigeno) gli atti respiratori sono ritmici e in numero di 12 al minuto. Il loro significato funzionale è quello di mantenere adeguate le concentrazioni alveolari di gas. Il volume di gas alveolare può essere considerato come un volume tampone: infatti la pressione parziale di ossigeno deve rimanere sufficientemente superiore rispetto a quella del sangue venoso da poter garantire la piena ossigenazione e quella di anidride carbonica sufficientemente bassi. Ora queste pressioni saranno in continuazione spinte all'equilibrio con quelle venose dal flusso di sangue e saranno riportate verso quelle atmosferiche dall'ingresso dell'aria fresca. Si sottolinea che è essenziale che il volume sia sufficientemente grande da non andare troppo velocemente all'equilibrio col sangue venoso. Si definisce ventilazione polmonare il volume che entra o esce dal naso(o dalla bocca) ad ogni singolo atto respiratorio (è anche detto volume corrente e di media corrisponde a 0,5 l). Si definisce invece ventilazione alveolare il volume che entra o esce dagli alveoli in un singolo atto respiratorio. Detto volume è il volume funzionalmente rilevante ed è diverso e inferiore rispetto al volume corrente. Parte del volume inspirato infatti non arriva agli alveoli ma si ferma a riempire le vie aeree che non effettuano scambi aria-sangue e viene espulsa senza poter essere utilizzata nella successiva espirazione. La differenza tra ventilazione polmonare e ventilazione alveolare è definita spazio morto anatomico e indica il volume delle vie non scambianti ossigeno col sangue. In genere corrisponde a 140 ml nell'uomo di 70 kg, circa 2ml*kg di peso corporeo. Poiche Va+Sm=Vp per aumentare l'aria respirata è più vantaggioso immettere nei polmoni volumi maggior facendo respiri più profondi che fare respiri più frequenti: lo spazio morto rimane costante; l'aumento di vp si riflette direttamente solo su va, l'aumento di frequenza aumenta invece sia la quota persa nello spazio morto che va. Lo spazio morto anatomico può essere misurato col metodo di Fowler. Negli alveoli le concentrazioni dei gas saranno simili a quelle atmosferiche; in particolare la concentrazione di azoto sarà del 80%. al soggetto viene fatto inspirare ossigeno puro. Nella successiva ispirazione parte dell'aria espirata sarà costituita da ossigeno puro( l'aria che non si è mischiato con quella alveolare); il volume di quest'aria ci darà lo spazio morto anatomico: ci basterà vedere per quale volume di aria espirata la concentrazione di azoto è nulla. Tuttavia nei gas avviene una certa diffusione quindi la distinzione tra i due volumi non sarà netta. Concentrazione di azoto Spazio morto Anatomico Oltra ello spazio morto anatomico può esistere uno spazio morto fisiologico che viene ventilato ma non perfuso. Questo comprende lo spazio morto anatomico e gli alveoli che non vengono perfusi e quindi non possono scambiare gas con il sangue. Se nello spazio morto fisiologico non si può scambiare gas con il sangue chiaramente assistiamo a una situazione in cui la concentrazioni di ossigeno e co2 nello spazio morto rimangono costanti. Sfruttando ciò il metodo di misura dello spazio morto fisiologico di bhor può essere applicato misurando la frazione di anidirde carbonica nel gas secco (o la percentuale o la concentrazione) nell'aria alveolare(per semplicità si assume che questa sia uguale alla concentrazione arteriosa di co2 di 40mmhg) e la nell'aria espirata mista. Sappiamo che il volume di co2 espirato (ovvero il volume di co2 complessivo, frazione del volume corrente)è uguale al volume di co2 nello spazio morto+ il volume di co2 nell'alveolo, quindi Va*FCO2a+Vm*FCO2m=Vc*FCO2e. Ignoriamo il contributo dello spzio morto poiche non avviene scambio e consideriamo =0; Va*FCO2a=Vc*FCO2e; Va=Vc-Vm, quindi Vc*FCO2a-Vm*FCO2a=Vc*FCO2e; Vc*FCO2a-Vc*FCO2e=Vm*FCO2a; Vc*(FCO2a-FCO2e)=Vm*FCO2a; ideale ventilazione alveolare

3 Vm/Vc=FCO2a/(FCO2a-FCO2e). In sintesi il rapporto tra lo spazio morto fisiologico e il volume corrente è uguale a 1- il rapporto tra la frazione di CO2 nel gas alveolare(arterioso) e quella del gas misto espirato. Questo metodo ci da la misura dello spazio morto fisiologico perché gli alveoli non perfusi non scambiano co2 al pari dello spazio morto anatomico. nel torace troviamo due componenti elastiche in serie: i polmoni tendono a collassare a causa del richiamo elastico delle loro componenti, mentre il torace tende ad espandersi, o meglio bilancia il richiamo elastico polmonare. All'equilibrio la forza esercitata dal torace è nulla e quindi a glottide aperta la pressione polmonare è uguale a quella atmosferica, la pressione pleurica è subatmosferica poiché le forze di richiamo elastico polmonari provocano una depressione intrapleurica. La pressione si trasferisce a tutti gli organi toracici ed è perciò misurabile attraverso un sensore esofageo a palloncino. La pressione pleurica all'equilibrio è di circa -4 cmh2o. La foratura del torace annulla la pressione intrapleurica negativa(entra aria) e provoca il collasso polmonare. L'aumento del volume toracico provoca una diminuzione della pressione pleurica che raggiunge a fine inspirazione i -8cmH2O e la conseguente espansione polmonare: la diminuzione della pressione pleurica infatti agisce come forza di richiamo sul polmone e lo porta ad espandersi (lo stesso effetto che si ha mettendo un palloncino comunicante con l'esterno in una scatola chiusa e diminuendo la pressione all'interno della scatola). L'espansione del polmone non genera negli alveoli una pressione negativa come quella pleurica poiché la depressione generata dall'espansione alveolare è bilanciata dall'ingresso di nuova aria. Nell'alveolo la depressione massima genera un picco di -1cmH2O a circa metà ispirazione, in seguito si riporta sempre più verso valori di equilibrio con la pressione atmosferica, con cui comunica). A metà ispirazione, assistendo ad un picco del gradiente pressorio, assistiamo anche ad un picco del flusso in entrata. A fine ispirazione invece il flusso sarà gradualmente ridotto a 0 e così anche la pressione, che sarà in equilibrio con quella atmosferica. Il ritorno del torace a posizioni di riposo provocherà invece un aumento graduale della pressione intrapleurica da -8 a -4 cmh2o. Ciò si ripercuoterà sulla pressione alveolare: infatti il gas negli alveoli ha raggiunto l'equilibrio per pressioni di -8; l'aumento della pressione pleurica provocherà una compressione toracica che comprimerà il polmone (in realtà questa spiegazione è semplicistica poiché è il ritorno elastico dello stesso polmone che comprime gli alveoli e inoltre diminuisce il volume toracico richiamando 'in posizione' coste e diaframma). La pressione alveolare (ora=0) sarà aumentata per la compressione del gas all'interno degli alveoli. Ciò provocherà un uscita netta di gas e una pressione che andrà all'equilibrio con quella atmosferica fine espirazione mostrando un picco di flusso e di pressione analogo (in intensità e opposto in direzione, ovviamente) a quello registrabile in ispirazione. Pressione pleurica CmH2O [curiosità? : pag 559 libro L'equazione della ventilazione polmonare stabilisce una relazione iperbolica tra la ventilazione atmosferica alveolare e la pressione alveolare di co2: V a = K P CO 2 tale relazione stabilisce che la ventilazione alveolare P CO2 alveolare è inversamente proporzionale alla pressione alveolare di co2. K è un fattore di correzione che tiene conto di pressione atmosferica e temperatura corporea. Quest'equazione ci da un utile raffronto sugli effetti provocati dall'ipoventilazione o dall'iperventilazione non commisurate a un aumento di flusso polmonare alla concentrazione di co2 alveolare o arteriosa.] -4-8 Inspirazione espirazione tempo Pressione alveolare Flusso CmH2O l/s ,5-0,5 Inspirazione espirazione tempo

4 22 SPIROMETRIA (Laboratorio) Spirometria diretta e indiretta. Misura dei volumi e delle capacità polmonari. Volume(L) 6 (3) (5a) (6) (7) 3,5 3 (1) (2) (5b) 1,2 (4) (4) tempo (1) è il volume corrente, in eupnea indica l'aria che entra o esce in un singolo atto respiratorio (2) corrisponde al massimo volume espirabile oltre la normale espirazione eupnoica: il volume espiratorio di riserva (3) corrisponde al massimo volume inspirabile oltre la normale ispirazione eupnoica:il volume inspiratorio di riserva (4) corrisponde al volume residuo, nonché al minimo volume che i polmoni possono raggiungere con le strutture integre (5) il volume totale del polmone corrisponde alla somma a-del massimo volume inspirabile dopo un espirazione normale, ovvero la capacità inspiratoria b-e del volume residuo a un'espirazione normale, ovvero la capacità funzionale residua (6) il volume totale del polmone corrisponde alla somma (6) della capacità vitale, ossia il massimo volume respirato tra un espirazione massima e un ispirazione massima (4) e del volume residuo (7) corrisponde al volume polmonare totale in massima inspirazione per registrare i volumi polmonari facciamo uso della spirometria. Fondamentalmente un tracciato spirometrico rappresenta la respirazione del paziente per valori normali, la massima inspirazione e la massima espirazione a lui possibili se richiesto dall'operatore che effettua la spirometria. Il tracciato spirometrico è ottenibile attraverso la spirometria diretta. Questa si basa sulla misurazione dei volumi che escono direttamente dalla bocca del paziente. Ovviamente misurando i volumi eietti lo spettro misurabile andrà dalla massima espirazione alla massima inspirazione, coprirà cioè la capacità vitale. Il volume residuo non potrà in alcun modo essere misurato attraverso la spirometria diretta poiché non esce dalle vie aeree per definizione. Uno spirometro normalmente può essere ottenuto immergendo in un fluido un cilindro cavo e pieno d'aria. Facendo respirare il soggetto nel cilindro il questo si innalzerà e abbasserà a seconda dell'aumento o diminuzione del volume di gas contenuto. Collegando al cilindro un ago in grado di scrivere su carta che scorre a velocità costante avremmo ottenuto il tracciato spirometrico. Rimane da misurare la capacità polmonare residua: per fare ciò sono stati sviluppati vari metodi di spirometria indiretta: questi misurano il volume totale del polmone basandosi sulle proprietà dei gas. La prima tecnica si basa sulla legge di boyle. Secondo boyle in un gas il prodotto di volume e concentrazione era costante. Possiamo esprimere questa legge eguagliando il prodotto tra concentrazione e volume iniziali e concentrazione e volume finali: C i V i =C f V f il volume iniziale può essere espresso come la concentrazione finale del gas(misurabile)*il volume finale (misurabile)/la concentrazione iniziale(nota). Per applicare questa formula esistono due metodi:

5 il primo è detto a circuito chiuso e utilizza l'elio come gas per effettuare la misurazione. Al soggetto si chiede di respirare in un boccaglio che dia su una camere di cui il contenuto d'elio sia noto: dopo un certo tempo le concentrazioni di elio nei polmoni e nella camera saranno all'equilibrio: l'elio, che prima era contenuto solo nel volume iniziale, adesso sarà contenuto nell'intero volume costituito dal volume iniziale (la camera) più il volume polmonare: V f =V i V polmonare V i V polmonare = V i C i C f ; V polmonare = V i C i C f V i ; V polmonare =V i 1 C i C f il secondo è detto a circuito aperto ed è utilizzato come gas l'azoto: a un soggetto viene chiesto di respirare ossigeno puro fino a quando l'azoto non è completamente lavato dall'aria alveolare. In realtà non è possibile lavare tutto l'azoto quindi si considera soddisfacente una concentrazione inferiore all'1% nel respiro. Conosciamo la concentrazione iniziale dell'azoto, il volume di aria necessario per lavare l'azoto dai polmoni e la concentrazione di azoto in quel volume (l'aria espirata viene immagazzinata nello spirometro di tissot); la concentrazione iniziale di azoto nei polmoni moltiplicata per il volume polmonare è uguale al volume espirato totale per la concentrazione d'azoto nel volume totale espirato moltiplicata per il volume espirato. V polmonare = [ N ] V 2 finale exptot [ N 2 ] iniziale il calcolo negli spirometri attuali di tissot è più complesso e tiene conto di altri fattori, mentre la prolungata esposizione all'ossigeno puro può avere effetti negativi su alcuni soggetti. Il secondo metodo di spirometria indiretta si basa sulla seconda legge di boyle: questa legge enuncia che il prodotto tra pressione e volume di un gas è costante. Quindi P i V i = P f V f. il metodo è detto pletismografia corporea. al soggetto viene chiesto di espirare contro un boccaglio chiuso che rileva le pressioni alla bocca in una camera ermetica. A inizio espirazione nei polmoni ci sarà un volume di gas alla pressione Pi nota, a fine espirazione rimarrà solo il volume residuo alla pressione Pf nota. Il volume residuo sarà uguale al volume totale polmonare iniziale meno la variazione di volume nella camera(misurata) ΔV. P i V polmonare =P f V residuo ; V residuo =V polmonare V Quindi P i V polmonare =P f V polmonare V ; P i V polmonare = P f V polmonare P f V P i V polmonare P f V polmonare = P f V ; V polmonare P i P f = P f V V polmonare = P f V ; V P i P f polmonare =P f V P f P i la pletismografa misura il volume totale del polmone, mentre il metodo di diluizione del gas solo il volume in cui il gas viene diluito: per malattie ostruttive che impediscono al gas di diffondere per il polmone la misura del volume polmonare sarà maggiore per la pletismografia. La spirometria ci da importanti indicazioni cliniche: la diminuzione della capacità vitale è attribuibile a un malfunzionamento della pompa; questo è a sua volta imputabile o a un aumento delle resistenze offerte dalle vie aeree(asma bronchite) o a una diminuzione della capacità muscolare(distrofia, poliomielite, malattie pleuriche e interstiziali). Indicatore clinico essenziale per la valutazione dello stato polmonare è il rapporto tra volume residuo e volume polmonare totale: questo rapporto è inferiore a 0.25 in un soggetto sano. Il rapporto aumenta o con la diminuzione della capacità polmonare totale, quindi in caso di malattie dette restrittive che comportano un mancato dispiegamento polmonare (la fibrosi cistica è un esempio poiché riduce l'elasticità del polmone; sono restrittive anche malattie pleuriche[ es. pneumotorace] e amlattie dell'apparato neuromuscolare e dalla gabbia toracica[cifoscoliosi]). Il rapporto aumenta con l'aumento del volume residuo, quindi in caso di malattie ostruttive, quando cioè aumenta la resistenza al flusso, ovvero con bronchi ipersecernenti, edematosi (asma o infiammazioni), o ristretti per la distruzione del parenchima polmonare. NB: Sia l'aumento di volume residuo che di capacità totale comportano la diminuzione della capacità vitale: capire cosa ha fatto diminuire la capacità vitale è utile a scopo diagnostico. L'aumento dell'indice VR/CPT è inscindibile comunque dalla diminuzione della capacità vitale. Con la spirometria sono stati elaborati vari test standard che forniscono utili indicazioni cliniche: - il test FVC, o della capacità vitale forzata, è valutato sia sulla base dei volumi che del flusso respiratorio. Si richiede di eseguire un ispirazione massima poi un espirazione massima per il massimo tempo possibile si traccia una curva volume-tempo e una curva flusso volume. Le curve subiscono variazioni significative e tipiche per le diverse malattie. Il flusso respiratorio massimo aiuta a valutare il grado e il tipo di malattia: la curva litri-tempo che quantifica la velocità del flusso risulta più ripida nelle malattie restrittive, meno declive in quelle ostruttive (rispetto alla normalità) [per il test fare riferimento alle slide e alla dispensa in inglese e vedere pefr fev e fef]

6 23 PROPRIETA' MECCANICHE DELL'APPARATO RESPIRATORIO Curve pressione-volume del polmone, del torace e del sistema torace-polmone. Complianza. Contributo della tensione superficiale alla elasticità polmonare. Fattore surfattante e suo significato fisiologico. Flusso dell aria lungo le vie respiratorie. Resistenza delle vie respiratorie: sua misura e fattori che la determinano. Lavoro respiratorio. La curva di retrazione toracopolmonare, o curva pressione-volume del sistema respiratorio, da una stima delle forze(pressioni) necessarie per mantenere il sistema ad un certo volume e rappresenta il contributo delle forze di retrazione elastica del polmone e del torce. In particolare il torace si troverà normalmente compreso e genererà forze che tenderanno all'espansione del sistema, il polmone si troverà normalmente espanso e tenderà a collassare. Il polmone è legato al torace dalle pleure. [NB: le pressioni transmurali vengono di norma calcolate dall'interno all'esterno, cioè Pint-Pext]. La curva di retrazione toracopolmonare è data dalla pressione transsistemica (Psr) ovvero dalla differenza pressoria tra la pressione alveolare, PA, (intrapolmonare) e la pressione atmosferica: P sr =P A P atm. Può essere ottenuta facendo inspirare o espirare un dato volume al soggetto da uno spirometro e a fine operazione, raggiunto il volume desiderato, interrompendo il flusso allo spirometro e chiedendo rilasciare la muscolatura. In questa condizione il sistema tenderà a raggiungere una condizione di equilibrio tra la forza di richiamo elastico del polmone che tenderà a espellere l'aria contro lo spirometro chiuso e del torace. Nessuna delle due componenti elastiche è vincolata. La pressione alveolare non sarà sempre nulla perchè è impedito il flusso. Il torace contribuirà con le sue forze elastiche perchè la muscolatura è rilasciata. Il polmone perchè tenderà a rilasciarsi. La curva può essere anche ottenuta come risultante delle curve della pressione transpolmonare (Pp) e della pressione transtoracica(ptr). P sr =P p P tr =P A P pl P pl P atm = P A P atm La pressione attraverso il polmone corrisponde alla pressione alveolare la pressione pleurica (Ppl) P p =P a P pl ; la curva della pressione transpolmonare è ottenuta misurando la pressione pleurica in assenza di flusso (pa=0) e con la gabbia toracica rigida. Si noti che sperimentalmente ciò avviene ponendo il polmone isolato in una scatola indeformabile e calcolando i volumi polmonari al variare della pressione della scatola(che corrisponde alla pressione pleurica). I rapporti vengono presi sgonfiando il polmone dal suo volume massimo. Il polmone raggiungerà l'equilibrio tra le sue forze di retrazione elastica e la pressione pleurica. [NB: la pressione pleurica è corrispondente a quella che genera il flusso d'aria nella normale respirazione; con pressione pleurica=0 pneumotarace] La pressione attraverso il torace (Ptr) corrisponde alla differenza tra la pressione pleurica e la pressione atmosferica P tr = P pl P atm. La curva della pressione transtoracica È ottenuta misurando per diversi volumi polmonari la pressione pleurica a glottide chiusa e muscolatura rilasciata. Ciò rende la dimensione dei polmoni fissa mentre la gabbia toracica trova l'equilibrio tra le forze di espansione elastica e la pressione endopleurica [NB: la pressione endopleurica misurata in queste condizioni è la stessa che provoca l'espansione dei polmoni durante l'inspirazione ma ha apparentemente effetti opposti(pressioni negative corrispondono in grafico a volumi minori):il sistema toracopolmonare è costituito da due componenti elastiche in serie. La pressione pleurica che provoca l'inspirazione a espansione della gabbia toracica e che va da -4 a -8 cmh2o è dovuta all'espansione toracica che genera sul polmone una forza che si oppone al richiamo elastico in maniera maggiore per pressioni più negative. Nelle condizioni sperimentali di costruzione della curva invece il polmone non subisce modificazioni ed ha volume costante. Per un dato volume polmonare il torace raggiunge il suo equilibrio a muscolatura rilasciata quando le forze che ne causano l'espansione(di natura elastica) sono bilanciate dalla pressione generata dal volume polmonare. Il polmone completamente vuoto manterrà il torace ristretto poiché le forze di richiamo del polmone genereranno una pressione intrapleurica negativa che, non potendo modificare il volume polmonare e portarlo all'espansione, modificherà il volume toracico. Il polmone iperespanso genererà una

7 pressione maggiore di quella atmosferica che consentirà al torace di espandersi.]. È utile valutare alcuni punti delle curve: la curva della pressione transtoracica si trova all'equilibrio quando le forze generate dal polmone sulla parete toracica generano una pressione pleurica uguale a quella atmosferica, in queste condizioni il torace non sarà portato dalle forze elastiche ne a espandersi ne a contrarsi e sarà nullo il contributo dato dal torace alla pressione del sistema. Il torace è spinto a espandersi per volumi polmonari minori con forze commisurate alla pressione pluerica (negativa) generata, spinto a ritrarsi per pressioni pleuriche positive con una forza di ritorno elastico commisurata. Lo stato di riposo del torace all'equilibrio della curva si verifica in eupnea per pressioni pleuriche di -8 cmh2o a fine di una normale inspirazione. La curva della pressione polmonare si trova all'equilibrio al disotto del volume residuo in vivo: in pneumotorace. Quando la pressione pleurica è 0 il polmone si collassa secondo le sue forze elastiche. Da notare che ovviamente non espelle tutta l'aria. All'equilibrio della curva della pressione sistemica la pressione alveolare è nulla; le forze generate dal polmone e dal torace sono uguali e contrarie. Questo stato stazionario è normalmente quello raggiunto a cfr a fine espirazione in eupnea. Per pressioni minori il polmone spingerà il torace a ridurre di volume: la forza di retrazione elastica polmonare genererà una pressione intrapleurica negativa che spingerà il torace 'all'indentro'. Il torace al contempo spingerà il polmone a espandandersi con una frza di ritorno elastico maggiore di quella generata dal polmone sul torace. Ciò genererà pressioni trans-sistemiche negative poiché il sistema è spinto ad espandersie a far entrare aria. Per pressioni maggiori del punto di equilibrio ma a volumi minori di quelli a cui la curva della pressione transtoracica avrà raggiunto valori positivi il torace spingerà il polmone ad espandersi, mentre il polmone spingerà il torace a ridurre il proprio volume con una forza maggiore. Il sistema tenderà a espellere aria e a ridurre il proprio volume. Per pressioni maggiori del punto di equilibrio e a volumi maggiori di quelli a cui la curva della pressione transtoracica avrà raggiunto valori positivi il torace spingerà il polmone a ridurre il proprio volume e il polmone spingerà il Torace a ridurre il proprio volume generando una forza dello stesso verso e direzione e di maggiore intensità. Il sistema sarà fortemente spinto a espellere aria (più il respiro è profondo maggiore è la forza che si deve esercitare). Le curve della retrazione elastica ci danno anche un'altra importante indicazione: valutando la loro pendenza possiamo ottenere la compliance degli elementi. Per definizione la compliance corrisponde alla distensibilità degli elementi, ovvero alla facilità con cui vengono deformati. Quando la curva è verticale piccoli aumenti pressori provocano grandi aumenti di volume, mentre quando la curva è orizzontale grandi forze pressorie aumentano di poco il volume. La compliance, descrivendo la facilità con cui aumenti pressori causano aumenti aumenti volumetrici può essere espressa come rapporto tra la variazione di volume e la variazione di pressione ed è graficamente rappresentabile con la pendenza della retta che unisce due punti della curva(due volumi alle rispettive pressioni) C= V P. su diversi volumi, a pari distensibilità, la compliance causerà aumenti quantitativamente maggiori su volumi maggiori(se un aumento pressorio di 6 cmh2o raddoppia il volume, un volume di un litro un volume di mezzo litro esprimeranno valori di compliance differenti). Ci si riferisce alla compliance specifica se si vuole valutare la distendibilità indipendentemente dal volume della struttura: basterà esprimere la compliance come compliance per unità di volume e ciò avviene dividendo il valore ottenuto per il volume della struttura(ovvero correggendo per il volume polmonare). [ES: una aumento di pressione transpolmonare a cfr di 4cmH2O provoca nei due polmoni un aumento di volume del 10% =0,8l: la compliance a calcolata sarà 0,8l/4cmH20=0,2 l/cmh20; in un solo polmone la stessa pressione provocherà un aumento di volume di 0,4l e la compliance sarà = 0,1l/cmH2O. Rapportando questa compliance al volume polmonare alla capacità funzionale residua avremmo invece un dato univoco(il volume alla cfr FISICA: un materiale prefettamente elastico subisce deformazioni direttamente proporzionali all'entità della forza applicata: F=-Kx dove x è la variazione di lunghezza del materiale e k il coefficente elastico che indica la resistenza resistenza del materiale alla deformazione e descrive la pendenza della curva. P er carichi(forze) elevati gli aumenti di lunghezza si allontanano da x 0 (lunghezza di equilibrio del corpo) e nei materiali reali la relazione tra carico e deformazione non è lineare: a aumenti di forza deformante ampi corrispondono aumenti di lunghezza modici(la curva diventa più orizzontale e cambia K). inoltre la forza applicata è prossima al carico di rottura, ovvero al carico a cui il corpo subisce deformazioni irreversibli. Nei polmoni il comportamento si può considerare elastico ideale per deformazioni nello spettro fisiologico(35-65% capacità vitale) dove la curva del sistema è approssimabile a una retta. P er volumi maggiori la curva risente dell'opposizione dei polmoni alla distensione e diventa orizontale; per volumi minori risente della resistenza offerta dal torace alla compressione. Il coefficente elastico K è relazionabile all'elaztanza polmonare (differenza di pressione/differenza di volume). I due valori sono dimensionalmente uguali. Matematicamente: Il reciproco della compliance del sistema respiratorio può essere ottenuto sommando i reciproci delle compliance polmonare e toracica. (ricordiamo che il reciproco della compliance è l'elastanza). La compliance in un punto è rappresentata dalla pendenza della curva in quel punto e quindi si ottiene come derivata della curva nel punto δv/δp.

8 diminuirà insieme al volume della struttura!) C s =C /V cfr nei due polmoni avremmo una cfr di 2 litri(approssimiamo), in un singolo plmone di un litro. La compliance sarà di 0,1/cmH2O per entrambe le strutture.] quando ci si riferisce alla compliance polmonare in genere ci si riferisce alla compliance intorno alla cfr(per alti e bassi volumi la compliance varia). Variazioni della compliance polmonare sono sintomi patologici: malattie che provocano la degenerazione delle strutture rigide del polmone come enfisema e invcchiamento aumentano la compliance polmonare; malattie che provocano rigidità delle strutture come la fibrosi cistica o l'edema la diminuiscono. La compliance toracica diminuisce in caso di cifoscoliosi o per malattie della parete toracica. La curva della risposta polmonare alla pressione rappresentata sopra è ottenuta gonfiando fino al limite il polmone e poi sgonfiandolo. Ripetendo l'esperimento gonfiando gradualmente i polmoni dal loro volume minimo otterremo una curva differente sigmoidale e spostata a destra (in distensione i polmoni hanno volume minore a parità di forze esercitate, ad esclusione degli estremi delle curve). Definiamo questo comportamento della curva isteresi polmonare; fisicamente si definisce isteresi la proprietà di un sistema che è portato a reagire alle forze in maniera dipendente dallo stato precedente alla loro applicazione. Fisiologicamente dobbiamo ricercare la causa di ciò partendo dalla considerazione sperimentale che i polmoni immersi in soluzione fisiologica, oltre a mostrarsi più distendibili, danno in inspirazione ed in espirazione che si sovrappongono(come dovrebbe essere normalmente senza gli effetti sui polmoni di fattori che modifichino la loro distensibilità a seconda dello stato funzionale del sistema). La causa dell'isteresi delle curve è da ricercare quindi in un fattore che sia annullato dall'insufflazione dei polmoni con soluzione fisiologica (solubile in acqua). Questo fattore è il surfattante polmonare. Il surfattante è una miscela di fosfatidilcolina (80%, di cui la metà coniugata come dipalmitoilfosfatidilcolina), fosfatidilglicina e fosfatidiletanolammina secreta dai pneumociti di tipo II. Le molecole si orientano nell'alveolo esponendo all'aria lo strato insolubile e alla matrice acquosa la parte polare. Il surfattante riduce la tensione Chimica: i tensioattivi riducono la tensione superficiale: una goccia d'acqua so un piano avrà forma semisferica perchè la superficie risentirà di forze tangenti di attrazione molecolare. Il tensioattivo riduce queste forze: aggiungendo all'acqua il sapone la goccia perderà la forma sferica e si superficiale. Da notare è che nel polmone si crea all'interno degli alveoli un interfaccia aria-acqua: le molecole di acqua si dispongono sulla parete alveolare e generano forze di tensione superficiale. Come ci insegna Laplace la tensione superficiale, ovvero la forza uguale e contraria alla pressione intramurale, cresce al diminuire del raggio. P=2 r Un piccolo raggio degli alveoli comporterà una pressione intraluminare elevata: per le leggi della fluidodinamica questo porterà gli alveoli piccoli a svuotarsi nei grandi. La maggior concentrazione di surfattante però negli alveoli piccoli(essendo distribuito su una parete minore) diminuirà la tensione superficiale di questi ultimi e quindi la loro pressione intraluminare maggiormente che negli alveoli più grandi. [si noti che la curva rossa e la blu coincidono per volume polmonare minimo: nella curva rossa il surfattante è così concentrato da annullare le forze di tensine) Ci sono preò anche altri due fattori che aiutano i piccoli alveoli a non collassare: essi rimangono previ grazie al sostegno fornito dalle circostanti strutture(si immagini la cella di un alveare che è indeformabile nonostante la fragilità delle sue pareti se isolata grazie al sostegno statico fornito dalle celle intorno): quando un alveolo tende a collassare viene sorretto dalla forza di retrazione elastica degli alveoli vicini. Essi inoltre ricevono una forza che si trasmette dalla pleuraviscerale ai setti e da questi ultimi agli alveoli. Il surfattante quindi limita la forza che spinge i piccoli alveoli a svuotarsi nei grandi. Il surfattante per seconda cosa provoca la diminuita tensione di tutti gli alveoli: riduce così il lavoro che sarebbe necessario per vincere le forze di retrazione elastiche del polmone sommate alla tensione della sola interfaccia aria acqua e agevola il lavoro polmonare. Di ciò è indice il fatto che un inadeguata presenza di surfattante rende i polmoni non perfettamente

9 espandibili e provoca atelettasia dei piccoli alveoli, ovvero li schiaccia(ciò accade nella fatale sindrome da distress respiratorio ai neonati prematuri: le cellule sono capaci di produrre surfattante solo dal settimo mese di gravidanza).le forze elastiche di retrazione del collagene e dell'elastina polmonari contribuiscono solo per un quarto al richiamo elastico del polmone(la curva ottenuta insufflando con soluzione fisiologica rende conto solo di queste forze non essendo presente l'interfaccia aria acqua). I 3/4 sono invece dovuti alle forze di retrazione generate dalla tensione, e questa forza sarebbe maggiore (curva a dx nella figura sopra) con tensioattivo non sufficiente. [si noti che il contributo alla retrazione polmonare della tensione è indifferente alla presenza di surfattante; il surfattante anzi è un espediente fisiologico che riduce l'opposizione data dalla tensione e rende il polmone distensibile. Alla domanda cosa genera la tensione superficiale non rispondere il surfattante, ma 'interfaccia aria-acqua] Il surfattante in sostanza riduce il lavoro del sistema respiratorio. Inoltre il tensioattivo genera l'isteresi tra le due curve: quando il polmone aumenta di volume lo strato mono-molecolare di surfattante viene stirato, le molecole si allontanano e lo strato si rompe; per poi ricomporsi e rirompersi etc. quindi l'azione del surfattante è meno efficace. Quando il polmone si sgonfia lo strato di molecole e diventa più coeso, l'effetto del surfattante è maggiore. [Ciò non è da confondere col fatto che il surfattante è meno efficace a volumi maggiori essendo meno concentrato sulla superficie alveolare.(da notare che a volumi maggiori la curva del polmone insufflato con aria e acqua divergono massimamente).] La massima divergenza tra la curva di insufflazione e desufflazione si nota per volumi medi; per volumi minimi e massimi le curve si avvicinano e coincidono poiché le grandi concentrazioni di surfattante per bassi volumi e le minime concentrazioni per alti volumi annullano gli effetti della posizione delle molecole. Il surfattante rende ragione dell'isteresi polmonare. Le curve disegnate sono prese in condizioni statiche; la curva p-v della respirazione reale (dinamica) si colloca all'interno di queste curve statiche: la compliance nella respirazione dinamica è minore di quella della respirazione statica in quanto la minima variazione di volume e il tempo di adattamento ridotto non consentono un adeguata ridistribuzione del surfattante sulle pareti alveolari le due curve si uniscono sempre in un loop respiratorio. La compliance dinamica è definita come pendenza della retta che unisce i punti di equilibrio a fine inspirazione e espirazione. Il significato fisiologico dello sbadiglio o del sospiro è quello di migliorare la ventilazione polmonare con un immissione d'aria più profonda e prolungata del solito che ridistribuisca il surfattante sulla superficie degli alveoli in maniera ottimale. Lo sbadiglio e il sospiro sono stimolati da una diminuzione della cfr. Il surfattante presenta inoltre un ampio turnover. Oltre al comportamento delle strutture del sistema respiratorio possiamo valutare il comportamento dell'aria che transita in esso. Il flusso di aria attraverso le vie respiratorie incontra una resistenza (trattandosi di un fluido reale). Questa resistenza è valutabile attraverso la formula di hagnan-poisseuille R= 8 l r 4 : la resistenza è direttamente proporzionale alla densità del fluido(costante) e alla lunghezza del condotto, inversamente proporzionale al raggio alla quarta potenza(un aumento del raggio di 2 volte diminuisce la resistenza di 16 volte); il raggio è il fattore che influenza in modo più significativo la resistenza offerta. La resistenza può essere anche valutata in termini di caduta di pressione tra le vie aeree superiori e gli alveoli:facendo respirare un soggetto in uno spirometro la pressione alla bocca sarà diversa da quella alveolare durante l'espirazione e l'inspirazione. Il gradiente pressorio è direttamente responsabile del flusso. Occludendo lo spirometro poi registriamo la pressione agli alveoli(bloccando il flusso Palveolare e pressione alla bocca vanno rapidamente all'equilibrio) la resistenza offerta dalle vie respiratorie è data dal rapporto tra caduta pressoria e flusso(se una specifica differenza pressoria muove un flusso minore la resistenza sarà maggiore!!!) R= P P bocca alveolare Q. questa resistenza in realtà è leggermente maggiore di quella calcolata con la formula di poisseuille poiché include una componente che normalmente è insignificante dovuta alla spesa energetica causata dal moto turbolento [cfr Reynold Rey= r v ] : nelle vie aeree superiori il moto è turbolento(le turbolenze sono udibili) perchè è alta la velocità del flusso; nelle inferiori la velocità diminuisce per l'aumentare della sezione totale. La resistenza dovuta alla turbolenza è proporzionale a 0,03 * Q 2, e per flussi alti(esercizio fisico intenso) diviene significativa. La resistenza totale è formata da una componente di resistenza laminare e dalla componente dovuta alla turbolenza. La resistenza può anche essere divisa in resistenza offerta dalle vie aeree superiori

10 e dalle vie aeree inferiori: le vie aeree superiori offrono l'80% della R totale sia perche generano moto turbolento sia perché le velocità sono maggiori essendo minore la sezione totale(cfr bernoulli). La pressione intrapleurica risente della necessità di spinte maggiori a causa della resistenza: se la spinta fosse puramente elastica la pressione varierebbe linearmente con il volume(curva nera); in realtà la pressione intrapleurica deve diminuire più rapiramente in inspirazione e aumentare più velocemente in espirazione: ciò perche parte della forza pressoria è dissipata dalle resistenze. Per in ogni dato momento la differenza pressoria che muove il flusso è maggiore di quella richiesta dalle sole forze elastiche. La resistenza fornita in espirazione è minore di quella fornita in inspirazione(anche se dal grafico non si nota): il volume delle vie aeree aumenta con l'aumentato volume respiratorio. La bronoccostrizione aumenta la resistenza. In particolare il nervo vago innerva i polmoni e con le sue fibre rilascianti acetilcolina Pressione pleurica CmH2O provoca broncocostrizione. Fumo e fattori irritanti provocano riflessi vagali broncocostrittori. I riflessi simpatici non sono così presenti ma l'iniezione locale di un adrenergico provoca broncodilarazione, il che dimostra che le cellule sono sensibili anche agli adrenergici. Bisogna inoltre considerare che la resistenza di cui sopra rimarrebbe costante se il condotto fosse rigido. I condotti del polmone sono però deformabili. Il punto in cui la pressione esterna sul condotto eguaglierà la pressione interna il condotto verrà compresso e si raggiungerà un equilibrio che limiterà il flusso d'aria. Questo effetto è chiamato compressione dinamica delle vie aeree. L'elevata pressione pleurica che genera un espirazione forzata comprime di norma le vie respiratorie. (nb: solo una pressione pleurica positiva può generare compressione delle vie respiratorie). In un test di capacità vitale forzata il flusso viene limitato in espirazione nei grossi condotti(bronchi) che non risultano molto comprimibili. Il flusso in inspirazione non è limitato dalla compressione. La forza muscolare rimane costante anche se non è ampia come quella generata dall'espirazione poiche il torace diventa meno distensibile. In espirazione invece i muscoli generano un picco di flusso che espelle buona parte dell'aria, poi il flusso diventa sforzo-indipendente e limitato dalla compressione dinamica delle vie aeree quindi decresce in modo lineare (a pressione pleurica costante che genera l'espirazione il volume polmonare si riduce e con esso la pressione alveolare e il gradiente pressorio, quindi il punto di egual pressione viene raggiunto vicino alle vie aeree deformabili e occludibili, senza cartilagine; inoltre la compressione è generata da una pressione transmurale maggiore e quindi è più limitante.) ovviamente a piccoli volumi l'espirazione non è flusso-limitataa causa delle pressioni pleuriche minori. Nelle malattie polmonari di tipo ostruttivo si verifica una caduta di pressione notevole causata dalla resistenza aumentata e quindi il punto di egual pressione viene raggiunto prima(picco in espirazione meno ampio) e si avvicina alle vie aeree inferiori, più deformabili. Dalla somma tra lavoro elastico e lavoro speso per vincere le resistenze si ricava il lavoro polmonare. La maggior parte del lavoro è di tipo elastico, calcolabile come forza *spostamento, o nel caso pressione * volume. Una parte invece è data dal lavoro resistivo. Nel loop respiratorio il lavoro elastico è dato dall'area sottesa dalla retta che unisce i punti stazionari di fine inspirazione e espirazione: -4-8 Inspirazione espirazione tempo volume% I Pressione pleurica CmH2O E Pp Inspirazione espirazione tempo

11 L e = t2 t 1 P V il lavoro resistivo è dato dall'area compresa tra la curva del lavoro elastico e la curva dell'inspirazione(o dell'espirazione), in verde, mentre il lavoro dovuto alle perdite non recuperate è dato dall'area in azzurro: la quota del lavoro totale [NB: il grafico a sx vale per l'intero ciclo respiratorio; per l'espirazione viene conservato metà del lavoro compiuto in ispirazione sotto forma di energia potenziale elastica. Il grafico a destra non si riferisce al lavoro ma solo alla pressione necessaria per vincere la resistenza elastica, in verde, e la resistenza al flusso, in azzurro]. Di norma durante l'espirazione il lavoro elastico richiesto è minore per la diminuita tensione superficiale. La quota in eccesso (area marrone) è utilizzata per impartire energia all'aria in uscita e riportare il torace alla configurazione di riposo oltre che per vincere le resistenze elastiche. Il surfattante causa l'isteresi, se non fosse presente ispirazione e espirazione richiederebbero lo stesso lavoro. Il lavoro varia al variare della velocità respiratoria: respiri più veloci e meno profondi diminuiscono il lavoro elastico ma aumentano la quota dovuta al lavoro resistivo poiché l'ossigeno entra più velocemente. Il lavoro è minimo nell'intervallo fisiologico. Il lavoro aumenta con l'aumentata rigidità polmonare per l'aumento della quota di lavoro elastico. In patologie ostruttive invece aumenta la quota spesa per vincere le resistenze del flusso. Si definisce rendimento della respirazione il rapporto tra il lavoro speso per respirare e costo della respirazione. La respirazione ha un basso rendimento, di circa il 10%; essa però consuma solo il 2% dell'ossigeno che assorbe. In patologie che ne diminuiscono la funzionalità rendendo il sistema meno distensibile il costo della respirazione è molto maggiore.

12 24 SCAMBI GASSOSI NEI POLMONI Composizione dell aria alveolare. Diffusione dei gas attraverso la barriera alveolo-capillare. Capacità di diffusione polmonare. Circolazione polmonare. Distribuzione del flusso ematico polmonare. Rapporto ventilazione-perfusione. Shunts anatomici (bronchiali e coronarici) e fisiologici (alveolari). Il letto capillare polmonare contiene circa 75 ml di sangue, cifre uguale alla gittata cardiaca. Il circolo polmonare invece ne contiene circa 500 ml. L'eritrocita percorre il capillare in circa il tempo di un ciclo cardiaco, poiché i 75 ml nel letto capillare vengono idealmente sostituiti con i 75 ml sistolici. Questo tempo, 0,75 s, è pienamente sufficiente per lo scambio aria-sangue di ossigeno e co2. Ovviamente lo scambio on il sangue porta le concentrazioni di o2 e co2 dell'aria alveolare verso l'equilibrio con le concentrazioni ematiche. Contemporaneamente però avviene la respirazione, ogni circa 3 sistoli in eupnea, che sostituisce parte dell'aria alveolare e porta le sue concentrazioni vero l'equilibrio con quelle atmosferiche. Circa 1/7 dell'aria alveolare viene rimpiazzata ad ogni respiro. Questi due eventi (la circolazione e la respirazione) sono discontinui e producono oscillazioni delle concentrazioni alveolari ma per semplicità consideriamo questi eventi continui e le concentrazioni alveolari costanti. Nell'aria atmosferica normalmente la pressione è di 760 mmhg l'ossigeno è presente al 20%, l'azoto al 78% il resto è composto da anidride carbonica elio etc. nelle prime vie aeree l'aria è completamente umidificata e portata alla temperatura di 37 C. La pressione parziale del vapor acqueo a tale temperatura è di 47mmHg, quella del gas secco di 713 mmhg. L'ossigeno, con una frazione di concentrazione nell'aria secca di 0,2093 ha una pressione parziale di 150 mmhg mentre l'anidride carbonica è presente in minima parte (frazione nel gas secco= 0,02) ed ha una bassa pressione parziale (15 mmhg). Quando l'aria inspirata raggiunge lo spazio alveolare la concentrazione dell'ossigeno scende di circa 1/3, quindi la sua pressione parziale sarà di 100mmHg (98,7% di saturazione dell'emoglobina, nota bene). NB: questo non avviene perchè lo spazio moto consuma in qualche modo l'ossigeno ma perchè l'aria alveolare povera d'ossigeno lava la concentrazione del gas. Nell'aria alveolare la pressione parziale dell'anidride carbonica è di circa 40mmHg mentre nello spazio morto è circa nulla. (Le due concentrazioni, di O2 e CO2, sono in equilibrio con quelle arteriose) La concentrazione di O2 e CO2 alveolare varia in funzione della ventilazione: sostituendo una quota maggiore o minore di aria alveolare (respirazione più o meno profonda) o sostituendo l'aria con maggior frequenza le concentrazioni saranno maggiormente lavate dall'aumentato afflusso di aria atmosferica. La barriera aria/sangue è composta dai pneumociti che formano il rivestimento alveolare, dalla membrana basale su cui poggiano e dalle cellule endoteliari dei capillari che ricoprono quasi totalmente la superficie alveolare. Lo scambio avviene per diffusione passiva, che è molto facilitata visto che la barriera aria sangue nei polmoni è spessa circa 0,15 micrometri. Consideriamo ossigeno e CO2 perfettamente diffusibili e gi comportiamo come se stessero diffondendo in un fluido omogeneo. Ricordiamo che secondo la legge di fick J = D P x la diffusione avviene in modo inversamente proporzionale alla distanza e direttamente proporzionale alla differenza di concentrazione( o di pressione parziale) moltiplicata per un coefficente D. Il volume diffondente nell'unità di tempo è calcolabile moltiplicando la diffusibilità per l'area della superficie attraverso cui avviene la diffusione /suo spessore. A P D V =. Il coefficente D è x 2 ottenibile come rapporto tra la solubilità della sostanza che diffonde e la radice quadrata del suo peso molecolare(per molecole sferiche e non troppo grandi, ottima approssimazione per ossigeno e CO2) D= solubilità PM. L'anidride carbonica diffonde meglio dell'ossigeno sebbene il suo peso molecolare sia tre volte maggiore poiche è più solubile. Le concentrazioni di ossigeno e anidride carbonica sono all'equilibrio dopo 0,2 secondi. Il tempo di transito del sangue è di circa 0,8 secondi, (il sangue transita a ogni battito del vd) più che sufficiente. In questo tempo transita la gittata sistolica di sangue, circa 70 ml, distribuita su una superficie capillare circa uguale a quella alveolare (70m 2 ). La captazione di ossigeno è inoltre coadiuvata dall'emoglobina, che ne aumenta la quantità trasportabile dal sangue. Sperimentalmente immaginiamo ora che negli alveoli sia presente un gas come il protossido d'azoto: questo diffonderà al sangue ma non verrà captato dall'emoglobina quindi la sua pressione parziale sarà rapidamente all'equilibrio con quella del sangue, da questo momento il N2O non diffonderà più. La sua diffusione sarà limitata dal flusso: un aumento del flusso produrrà una maggior captazione di N2O poiche ci sarà piu liquido nel quale diffondere. Immettendo CO al posto di N2O notiamo invece che il monossido di carbonio diffonde rapidamente e inoltre non raggiunge la concentrazione limite: infatti appena entra in soluzione nel sangue viene captato dall'emoglobina con alta affinità e la pressione parziale nel sangue rimane pressochè immutata. La sua diffusione è limitata dalla solubilità poiche diffonde a velocità costante senza raggiungere un limite. L'ossigeno ha un affinità elevata per l'emoglobina ma 200 volte minore di quella del CO, quindi il suo comportamento è intermedio: viene captato dall'emoglobina fino a quando questa non risulti satura per la pressione parziale (98% saturazione, rivedi curva emoglobina). Per studiare la capacità di diffusione polmonare si può aumentare l'affinità dell'emoglobina per

13 l'ossigeno spostandosi nella porzione verticale della curva di dissociazione dell'emoglobina, a p50, e quindi diminuendo la concentrazione alveolare di ossigeno, o usare il CO. La capacità di diffusione di un polmone è quantificata dalla costante DL data dalla costante D * l'area polmonare fratto lo spessore della D L = A D barriera alveolo-capillare al quadrato: x 2. Non essendo possibile misurare in un paziente lo spessore e l'area possiamo ricavare DL dalla legge di Fick: V =D L P. La diffusione polmonare di un gas corrisponde al volume che nell'unità di tempo viene assorbito ad una data differenza di pressioni parziali. Se utilizziamo il CO sappiamo che la sua pressione nel sangue è trascurabile, quindi D L = V CO. Fino ad ora abbiamo considerato come unica resistenza alla diffusione lo spessore P alveolare attraverso cui l'ossigeno diffonde; nella realtà la distanza tra aria e globulo rosso è leggermente maggiore dello spessore della barriera alveolo-capillare (considerabile attraverso DM);DL tiene conto sia dello spessore della barriera che dell'impedimento che trova l'ossigeno a legars con l'hb entrando nell'eritrocita: la cinetica di reazione (e quindi di ossigenazione) dell'emoglobina con l'ossigeno non è immediata: l'ossigenazione dell'hb impiega circa 0,2 secondi. Questo tempo per quanto breve è significativo e quindi occorre considerare la velocità di ossigenazione dell'hb come una resistenza al flusso: consideriamo il coefficiente D L = V P eritrocita O O 2, P 2 alveolare O P 2 eritrocita = V ; possiamo D L O P 2 alveolare calcolare il coefficiente DM con le pressioni parziali di plasma e aria, considerando il plasma a diretto contatto con la barriera e l'aria allo stesso modo D M = V O P 2 alveolare P plasmatica O 2, O P 2 O alveolare P 2 plasmatica = V ; una volta che l'ossigeno è sciolto nel plasma incontra l'ostacolo dato dalla D M sua cinetica reazionale con l'hb. Esprimiamo la velocità di reazione dell'ossigeno con l'hb per mezzo di una variabile Q che corrisponde al volume che diffonde nell'unità di tempo in un ml di sangue. Moltiplicando Q per l'effettivo volume di sangue contenuto nel letto capillare polmonare Vc otteniamo il coefficente di captazione dell'ossigeno attraveso l'eritrocita Q V c = O P 2 O plasmatica P 2 eritrocita = V Q V c V O P 2 plasmatica P eritrocita O 2,. complessivamente la differenza di pressione parziale tra alveolo e eritrocita sarà uguale alla somma delle differenze pressorie tra eritrocita e plasma e tra plasma e alveolo: O P 2 alveolare O 2 P eritrocita semplificando per V O 2 = P alveolare O 2 P plasmatica 1 = 1 1 D L D M Q V c O P 2 plasmatica O 2 P eritrocita, sostituendo V = V V, D L D M Q V c da questa formula con gli opportuni dati possiamo ricavare ogni paramtero che ci interessi. Ovviamentese negli alveolo fossero presenti due gas come CO e O2 che competano per il legame con Hb il valore Q per ciascuno dei gas sarebbe minore del normale valore. Un antagonista rallenta la cinetica enzimatica! Per quel che riguarda l'anidride carbonica non è il legame con l'hb come per ossigeno e CO l'unico effetto che modifica la sua diffusione ( mentre ricordiamo che N2O fornisce un esempio di composto non influenzato dal nessun fattore): avviene l'idratazione di CO2 nel complesso tampone ematco H + /HCO - 3, lo scambio di cloruri e la formazione di carbammati. [L'effetto Haldane è responsabile del rilascio di CO2 oltre al semplice gradiente pressorio: L'effetto Haldane prevede che il legame dell'ossigeno all'emoglobina renda questa più acida, e quindi facilita lo spostamento dell'anidride carbonica dal sangue agli alveoli con due meccanismi principali. L'emoglobina resa più acida rende più difficile il legame con l'anidride carbonica (carbaminoemoglobina), liberando maggiormente CO2, inoltre l'aumento di acidità dell'emoglobina fa si che Pressione parziale ematica N2O O2 venga rilasciato un maggior numero di ioni idrogeno. Questi combinandosi con ioni bicarbonato formano dapprima acido carbonico, e successivamente H2O e CO2, nel sangue, favorendone così il rilascio a livello alveolare. Non confondere con l'effetto bohr che prevede il rilascio di ossigeno a ph più alto] In sostanza entrata nel capillare alveolare la CO2 diffonde verso l'esterno, raggiunge la pressione di equilibrio a 1/3 del capillare, dopo 0,2 s, un tempo del tutto simile all'ossigeno. A sua pressione parziale venosa è di 46 mmhg, arteriosa di CO2 40 CO 0,25 tempo (s)

14 mmhg nel circolo sistemico. La diffusione è controllata dalla distanza complessiva e dalla cinetica di azione dei meccanismi ematici. La curva di dissociazione è ripida. Il considerato processo di ventilazione polmonare e la diffusione dei gas sono funzionali solo se accoppiati ad una corretta perfusione: in un ipotetico territorio in cui il sangue non circoli ovviamente gli scambi di O2 e CO2 non potrebbero avvenire. I polmoni ricevono l'irrorazione dalle arterie polmonari del circolo polmonare, a partenza dal ventricolo destro come tronco unico che poi si dicotomizza e fornisce l'irrorazione a entrambi i polmoni. Il sangue è trasportato de-ossigenato. Questo tipo di irrorazione è detta funzionale poiché è quella che permette lo svolgimento dell'ossigenazione del sangue. L'albero bronchiale e il parenchima polmonare ricevono l'irrorazione invece dalle arterie bronchiali che seguono le diramazioni delle vie aeree a partenza dall'aorta toracica. Queste trasportano ossigeno e nutrienti e l'irrorazione è detta di tipo nutritizio. I vasi bronchiali sono gi unici ad avere capacità angiogenica(i tumori ricevono sempre dal circolo bronchiale. Lesioni polmonari vengono riparata e irrorate dall'albero bronchiale)le vene bronchiali trasportano sangue de-ossigenato, mentre le vene polmonari sangue ossigenato al vs. Circa metà del sangue refluo della circolazione bronchiale si immette attraverso piccoli tratti anastomotici nelle vene polmonari, la restante parte ritorna attraversole vene bronchiali, poi la vena azigos e emiaziogos al atrio dx. Il volume ematico polmonare è di circa 500ml, di cui 75 sono contenuti nei capillari perialveolari. Il restante è contenuto nei grandi vasi che fungono anche come sebatoio di riserva: in inspirazione la pressione pleurica è più subatmosferica e il vd riceve più sangue dalle vene extratoraciche per l'aumentato gradiente pressorio. Il vs riceve lo stesso sangue poiche le vene d'afflusso sono intratoraciche. Durante l'espirazione la situazione si inverte. La gittata maggiore del vd in inspirazione è in parte compensata dalla distensione dei vasi polmonari. La resistenza polmonare è molto bassa: in arteria polmonare si ha una pressione di 19 cmh2o, mentre nel vs di circa 11cmH2O. La caduta di pressione è modesta. I vasi intrapolmonari a cui si distribuisce la gittata del vd sono divisibili in vasi intra e extraalveolari. I primi sono soggetti alla pressione alveolare mentre i secondi sono soggetti alla pressione pleurica. Durante la ventilazione forzata è aumentata molto la pressione intra-alveolare. La compressione si esercita sui capillari intra-alveolari e ciò riduce il flusso uniformemente. Quando la pressione pleurica aumenta in espirazione ha effetto compressivo sui vasi extraalveolari e il flusso di fatto si riduce per un aumento della resistenza. La compressione si esercita sui vasi all'uscita dell'alveolo. Inoltre sulla distribuzione del flusso ha effetto anche la gravità: la pressione arteriosa aumenta di 1 cmh2o per ogni cm di altezza sotto al livello del cuore. Inoltre con essa diminuisce la pressione transmurale distendente: in un soggetto eretto i polmoni misurano 30 cm in altezza a capacità totale e l'ilo è situato 10 cm sotto gli apici in linea con il cuore. Alla base abbiamo una pressione aumentata di 20 cmh2o ce distende i vasi di deflusso e diminuisce la resistenza. [NB:la pressione di spinta del sangue è uguale poichè 'equilibrata' dalla dilatazione dei vasi arteriosi e venosi. La perfusione è però diversa poiche il flusso è aumentato dalla distensione dei vasi]. Agli apici abbiamo una pressione diminuita di 10 cm che comprime i vasi di deflusso e aumenta la resistenza al flusso ematico. Possiamo considerare tre zone idealmente: una in cui una la pressione transmurale superi quella arteriosa, comprima le arterie prima dell'ingresso negli alveoli e arresti il flusso, una dove la pressione arteriosa sia maggiore della pressione transmurale ma questa sia maggiore di quella venosa: la compressione si eserciterà solo sulle vene e ciò ridurrà il flusso aumentando la resistenza. Un'ultima in cui sia la pressione venosa che quella arteriosa sono maggiori della pressione transmurale e in cui il flusso sarà massimo. In genere la pressione nell'arteria polmonare (19 cmh2o) è così elevata che la prima zona non è riscontrabile in un soggetto sano, la seconda è limitata agli apici polmonari. La pressione di spinta, differenza tra quella arteriosa e venosa, è di 8 cmh2o a causa della poca resistenza. Un aumento di resistenza che provochi una caduta di pressione modesta come 3cmH2O è significativa nella circolazione polmonare. Durante un esercizio fisico(regolazione passiva del flusso ematico polmonare) sottomassimale e prolungato non assistiamo all'aumento della pressione polmonare: il recutamento di piccoli vasi consente un aumento del flusso di 3 volte e un aumento delle possibilità di ossigenazione. Inoltre il circolo polmonare è regolato da vari fattori: riduzione di P o2, aumento di P CO2, (si noti che per ossigeno e anidide carbonica si ha l'effetto opposto che in ogni distretto sistemico: ciò avviene poiche il polmone tende a non spercare la perfusione in zone non ventilate), trombossano A2, catecolammine alfa adrenergiche, istamina, angiotensina, prostalgandine, leucotrieni, serotonina ed endotelina costringono il muscolo liscio vasale Alta P O2, catecolammine beta adrenergiche, NO, acetilcolina (parasimpatico), bradichinina e dopammina hanno effetti dilatatori. Poiche non tutte le zone irrorate vengono ventilate adeguatamente e non tutte le zone vengono perfuse allo stesso modo per valutare l'efficenza polmonare ci si può basare sul rapporto ventilazioneperfusione. Poiché la perfusione polmonare è di 5 l/min e la ventilazione di 4/5 l/min il rapporto tra i due è normalmente compreso tra 0,8 e 1. Considerando gli estremi in un polmone non perfuso il rapporto tenderà a infinito, in un polmone non ventilato sarà 0. tuttavia una valutazione puramente numerica non è da sola sufficiente per avere un quadro della funzionalità polmonare poiche si può incappare nel paradosso di Comroe: ponendo infatti che un polmone sia perfettamente perfuso e non ventilato e l'altro polmone riceva l'adeguata ventilazione ma non sia perfuso avremmo comunque un rapporto ottimale tra ventilazione e perfusione. Ovviamente tale situazione porterebbe rapidamente alla morte.

15 Il rapporto è valido anche per sezioni di polmone. Nel polmone Ventilazione/perfusione di un individuo in posizione eretta la zona apicale, come descritto, incontrerà una resistenza al flusso per quanto riguarda la perfusione. Il rapporto sarà più alto. In posizione 3 di clinostatismo le differenze del flusso si annullano; le zone declivi del polmone ricevono una maggior ventilazione poiché presentano maggior compliance, il rapporto sarà più alto alla 2 base. Al termine di una espirazione forzata l'aria rimane negli alveoli dell'apice, quindi il rapporto decresce verso la base con Clinostatismo posizione eretta andamento iperbolico. A livello dell'ilo, terza costa, il rapporto 1 è costantemente uguale a 1. con l'occlusione di una branca fine espirazione dell'arteria polmonare si assiste a un distretto che viene irrorato ma non ventilato. 0 La ventilazione si distribuisce nel polmone dall'alto verso il costa basso in posizione eretta. Per valutare la sua distribuzione facciamo riferimento alla costante di tempo = compliance * resistenza delle vie aeree. Ogni settore polmonare è sospeso al settore sovrastante: la forza peso che agisce sui settori all'apice è maggiore e questi risultano più ventilati. I settori alla base invece presentano una maggiore distensibilità. Come detto a espirazione forzata sono i quasi completamente svuotati. Inoltre in posizione supina la pressione addominale positiva riduce la cfr. La costante di tempo aumenta con l'aumentare dalla resistenza e della compliance e ha il significato di tempo necessario per una corretta ventilazione. Per vari motivi possiamo assistere a zone del polmone ventilate e non perfuse e a zone perfuse ma non ventilate. Parliamo di shunts quando la concentrazione di ossigeno arterioso è inferiore al valore che ci aspettiamo data al ventilazione. Distinguiamo gli shunts di origine anatomica e quelli di origine fisiologica. Gli shunts anatomici sono dovuti alla conformazione dell'apparato cardiocircolatorio. A causa di questi shunts la pressione dell'ossigeno nel sangue non è la media aritmetica di quella del sangue refluo delle zone meglio ventilate apicali dove il sangue scorre più lentamente ed è meglio ossigenato (140 mmhg pressione O2) e di quelle basali peggio ventilate dove il flusso è maggiore e il sangue è meno ossigenato (85 mmhg pressione O2) ma la PO2 arteriosa si aggira intorno ai 97 mmhg: da una parte circa metà del sangue venoso refluo del circolo bronchiale si riversa nelle vene polmonari; dall'altra il sangue refluo del o coronarico si riversa nel atrio Sx e nl ventricolo sx seguendo le vene minime di tebesio. L'emoglobina deossigenata di questo sangue capta rapidamente l'ossigeno in soluzione e ne abbassa la pressione parziale di 10 mmhg circa. Patologicamente in alcuni gravi casi di insufficienza valvolare aortica il sangue può passare attraverso il foro di botallo dall'atrio dx all'atrio sx e crear uno shunt anatomico patologico. Gli shunt fisiologici sono di carattere funzionale. Assistiamo a due situazioni limite: in caso di ventilazione sprecata il polmone viene ventilato completamente, ma una parte di questo non viene perfusa: la non perfusa avrà un rapporto ventilazione perfusione infinito, la parte perfusa riceverà tutto il sangue destinato all'intero polmone e una ventilazione normale. Il rapporto sarà minore del valore normale. Il sangue in transito avrà meno tempo di ossigenarsi e scenderà la quota di O2 trasportato. Nella commistione venosa (detta shunt destro-sinistro) una parte del polmone non è ventilata: il rapporto V/P di questa parte sarà uguale a 0; la restante riceverà tutta la vetilazione polmonare e il rapporto V/P sarà maggiore del normale. Dato però che l'hb è nella porzione piatta della curva il sangue iperventilato non potrà aumentare l'ossigeno trasportato tanto da sopperire alla mancata ventilazione della parte non ventilata. Il sangue misto trasporterà meno ossigeno. In genere nelle malatie polmonari si verificano zone ipoventilate o zone ipoperfuse. In clinica il rapporto V/P si valuta con la differenza alveolo-arteriosa di pressione parziale di O2. Gli shunts fisiologici vengono compensati sia a livello cantrale che locale: in caso di ventilazione sprecata (mancata perfusione) la zona non perfusa a) produce meno surfattante e ciò diminuisce la cfr e devia la ventilazione; b) diminuisce la PCO2 che costringe il muscolo liscio delle vie aeree aumentando la sua concentrazione idrogenionica. In caso di commistura venosa la diminuzione della PO2 delle zone non ventilate costringe la muscolatura liscia vasale. I meccanismi di adattamento sono molto lenti (giorni).

16 25 REGOLAZIONE NERVOSA E CHIMICA DELLA RESPIRAZIONE Centri respiratori bulbo-pontini. Riflessi respiratori. Risposte ventilatorie a variazioni della concentrazione idrogenionica e della pressione parziale dell'ossigeno e della anidride carbonica nel sangue arterioso. Chemocettori periferici e centrali e loro funzione nella regolazione della ventilazione polmonare. Effetti dell interazione tra gli stimoli chimici sulla ventilazione polmonare I processi automatici della respirazione traggono origine da centri situati nel tronco dell'encefalo ma possono essere scavalcati da efferenze corticali nel caso in cui si inneschi volontariamente il processo della respirazione. Nel bulbo e nel ponte sono situati gruppi di neutroni con specifiche funzioni che regolano la periodicità dell'atto respiratorio. Esistono tre gruppi di neuroni: il centro respiratorio bulbare è situato nella formazione reticolare del bulbo: si divide in gruppo respiratorio ventrale o gruppo espiratorio e gruppo respiratorio dorsale o gruppo inspiratorio. Si ritiene che i neuroni del gruppo dorsale abbiano la proprietà intrinseca di scaricare periodicamente, di conseguenza possono essere considerate come i responsabili del gruppo respiratorio basale. La loro attività è caratterizzata da: un periodo di latenza di 2-3 secondi, seguito da PDA sempre più frequenti detti a rampa che si interrompono bruscamente all'inizio di un nuovo periodo di latenza. La scarica a rampa stimola i motoneuroni dei muscoli respiratori in maniera crescente e consente respirazioni non spasmodiche. Il gruppo ventrale è silente in eupnea poiché l'espirazione si compie grazie al ritorno elastico. Il centro respiratorio bulbare riceve afferenze dal nucleo del tratto solitario situato adiacente e attraverso questo dai nervi vago e glosso faringeo e dal centro pneumotassico. Il centro pneumotassico si trova nelle regioni superiore del ponte e nel nucleo parabranchiale. Questo centro inibisce l'ispirazione. Può inoltre mandare segnali inibitori che accorciano la durata delle rampe respiratori e e ne accorciano la frequenza. Il centro apneustico si trova nella zona caudale del ponte. Negli animali sezionando il cervello al di sopra di questo centro si provocano lunghe inspirazione seguite da periodi di apnea. Non è certo che questo centro sia attivo nell'uomo. Quando si respira volontariamente gli impulsi corticali prendono il sopravvento sulle strutture respiratorie bulbo-contine. Inoltre afferenze dal sistema talamico e limbo possono modificare il respiro. L'innervazione motoria di tutti i muscoli respiratori è fornita da motoneuroni nel corno moto anteriore del midollo spinale. In particolare il diaframma è innervato dai nervi frenici destro e sinistro e i muscoli intercostali dai nervi intercostali da T1 a T7. Il ritmo respiratorio non dipende dai motoneuroni poiché questi scaricano solo se attivati. All'interno della muscolatura liscia delle vie aeree si trovano i recettori polmonari di stiramento che scaricano in funzione della distensione del polmone e arrivano all' snc attraverso le fibre viscero sensitive del vago. Esistono: recettori da stiramento a lento adattamento che sono terminazioni di fibre mieliniche da grande diametro e sono eccitate da aumento volumetrico dei polmoni. Inibiscono un ulteriore aumento. Recettori a rapido adattamento eccitati dalla desufflazione dei polmoni localizzati nel tessuto extra bronchiale recettori a rapido adattamento situate sotto le cellule epiteliali della trachea e dei grossi bronchi. Sensibili a stimoli irritativi e responsabili del riflesso della tosse. Sono anche responsabili del paradosso dei Head, ovvero della comparsa di attività inspiratoria seguente alla insufflazione di eccessivi volumi recettori j dell'epitelio alveolare, espansioni di fibre vagali di piccolo diametro. La loro attivazione determina un respiro frequente e superficiale ed è collegata a stati patologici polmonari. I recettori da stiramento sono responsabili del riflesso di Hering e Breuer: l'insufflazione dei polmoni tende a inibire l'attività dei muscoli inspiratori mentre la desufflazione promuove l'inspirazione. Questo riflesso non sono indispensabili per la respirazione ma ne modulano solo l'attività. Inoltre nell'uomo è particolarmente debole. I propriocettori dei muscoli tendini possono influenzare i riflessi dell'attività respiratoria agendo a livello degli alfa motoneuroni respiratori del midollo. La stimolazione dei barocettori aortici è in grado di influenzare la respirazione anzhe se ciò non si verifica in condizioni fisiologiche. Un improvviso aumento pressorio determina ipoventilazione per inibizione del centro respiratorio bulbare. Nei neonati si postulano nocicettori responsabili di rapide e improvvise inspirazioni (si sculacciano per farli respirare). I recettori orofaringei inibiscono l'attività respiratori durante la deglutizione. Recettori connessi alle fibre trigeminali e alle terminazioni olfattive sono responsabili del riflesso dello starnuto. Olree che dal riflesso a partenza da ricettori meccanici e da nocicettori, la respirazione è controllata d ariflessi a partenza da chemocettori centrali e periferici. Questi modificano il ritmo respiratorio in base alla variazione di parametri fisiologici come ph, pco2 e po2. Si comportano da chemocettori periferici il glomi aortici e carotidei. Questi sono ammassi di cellule epitelioidi circondate da una ricca rete di capillari sinusoidali. Le cellule epitelioidi di primo tipo contengono vescicole sinaptiche di dopammina. Delle cellule di secondo tipo si ignora la funzione. Questi sono stimolati da diminuzione di po2, aumento di pco2, aumento di ph (anche da aumento di temperatura, riduzione del flusso, diminuzione della

17 pressione arteriosa, azione del sistema simpatico, nicotina, lobelina e cianuro). I chemocettori centrali sono raccolti in prossimità della superficie ventrale del bulbo e lateralmente alle piramidi bulbari e medialmente all'emergenza dei nervi cranici dal settimo al nono. Sono attivati dall'abbassamento del ph del liquido cefalorachidiano e dall'alta cpo2. Entrambi i recettori presentano una scarica basale per valori normali. Un aumento della loro attività si riflette su un aumento dell'attività dei neuroni respiratori bulbari. Una condizione ipossemica provoca iperventilazione per azione dei soli chemocettori periferici. A pressioni di anidride carbonica costante, la ventilazione rimane eupnoica finchè a pressione parziale dell'ossigeno non scende al di sotto di 60 mmhg. Sotto questa soglia si ha un aumento esponenziale della ventilazione. Una condizioni ipercapnica provoca una risposta ventilatoria dovuta per l'80% ai chemocettori centrali, per il restante 20% quelli periferici. La pco2 è la principale variabile controllata. Si può costruire una curva pco2-ventilazione che rende conto dell'adattamento provocato dall'aumento della pressione parziale di co2. Normalmente l'aumento è di 2,5 l/min/mg.la curva è spostata a destra durante il sonno, ciò significa che la pressione parziale di co2 tollerata nel sonno è maggiore. La curva p spostata a sinistra nell'acidosi e a destra nell'alcalosi. L'ipercapnia aumenta la risposta ventilatoria all'ipossia e l'ipossia aumenta la risposta ventilatoria all'ipercapnia [per le curve pag 609] La risposta allo stimolo ipercapnico è maggiore con pressioni di ossigeno minori. La sensibilità alla pressione di anidride carbonica è talmente elevata che un aumento di 5 mmhg aumenta di 2-3 volte la ventilazione. Il flusso ematico celebrale può condizionare al risposta dei recettori centrali all'ipercapnia. La risposta a stimoli chimici è mediata principalmente da anidride carbonica e ph. L'alcalosi metabolica provoca ipoventilazione mentre l'acidosi iperventilazione. Dopo il pasto si ha alcalosi che causa ipoventilazione durante la secrezione gastrica e successivamente iperventilazione causata dalla cilosi frutto delle secrezione pancreatica biliare. Nell'iperventilazione volontaria si verifica una situazione di apnea causata dall'eliminazione di una notevole quantità di CO2. La ripresa del respiro deriva dall'azione stimolante della bassa po2 causata dall'apnea sui chemocettori periferici. Tale ripresa del respiro determina l'eliminazione dell'andride carbonica che provoca un nuovo arresto del respiro. Questo fenomeno, detto respiro periodico da iperventilazione volontaria, si ripete per alcuni minuti. Come detto gli stimoli chimici interagiscono nella regolazione della ventilazione. Nel cervello l'ipossia deprime il tono arterioso e aumeta il flusso, ciò lava l co2 prodotta dal cervello e riduce la risposta centrale all'ipercapnia. Aumenta la risposta periferica. L'ipercapnia aumenta la risposta all'ipossia. Il SNC può modificare le risposte all'ipossia attraverso fibre simpatiche vagali destinate ai chemocettori: ad esempio nell'ipossiemia cronica, come per individui che vivono ad alta quota, i chemocettori non rispondono a basse po2. OMEOSTASI CORPOREA

18 26 REGOLAZIONE DELL EQUILIBRIO ACIDO-BASE Concentrazione degli ioni idrogeno nel sangue e sistemi tampone ematici. Secrezione tubulare degli ioni idrogeno. Assorbimento tubulare degli ioni bicarbonato. Formazione e ruolo degli ioni ammonio. Alterazioni dell equilibrio acido-base: acidosi e alcalosi respiratorie e metaboliche. Meccanismi di compenso. La concentrazione idorogenionica extracellulare viene mantenuta dall'organismo entro un ristretto range: il sangue venoso ha un ph di 7,35(+- 0,02) corrispondente a 44nmoli/L e il sangue arterioso di 7,45 (+-0,02) corrispondente a 46 nmoli/litro. Un ph inferiore a 6,8 o superiore a 7,8 è incompatibile con la vita. Poiché la concentrazione degli ioni idrogeno è molto bassa si tende ad esprimerla come ph, ovvero come co-logaritmo della concentrazione. ph = log[ H + ]. Gli H + ematici sono costantemente prodotti: In condizioni basali dal metabolismo di lipidi e glucidi si formano mmoli di anidride carbonica al giorno: queste vengono idratate dall'acqua poiche in soluzione sono in costante equilibrio con l'acido carbonico CO 2 H 2 O H 2 CO 3. Questo è un acido debole e in soluzione è in equilibrio con la sua forma dissociata costante di dissociazione Ka= [ H + ] [HCO 3 - ] [ H 2 CO 3 ]. [ H 2 CO 3 ] [ H + ] [ HCO 3 - ] secondo una Il metabolismo degli acidi nucleici, di alcune lipoproteine ricche di gruppi fosforici crea acido fosforico, che si comporta come un acido monoprotico forte, un acido diprotico e triprotico debole. L'acido fosforico rende ragione di mmoli di idrogenioni al giorno. Il metabolismo degli amminoacidi contenenti gruppi solforici e di alcune lipoproteine ricche di zolfo genera acido solforico, un acido diprotico che dissocia in H + e HSO 4 -. Rende ragione della produzione di mmoli di idrogeno al giorno Una causa non basale della produzione di idrogeni è l'esercizio muscolare intenso: durante la glicolisi anaerobica viene contratto un debito d'ossigeno pagato con la produzione di acido lattico, in realtà parte del debito è contratto in maniera non lattacida attraverso il consumo della riserve di atp e di creatinfosfato cellulari. Dopo lesercizio muscolare si assiste a una fase, detta di pagamento del debito, in cui il soggetto rimane in iperventilazione e assorbe O 2 in misura maggiore rispetto alle esigenze metaboliche contingenti. Nella fase postrandiale si assiste inizialmente a un alcalosi ematica dovuta alla liberazione di acido da parte dello stomaco, poi ad un acidosi dovuta alla liberazione della bile e dei succhi pancreatici, di natura alcalina. Diete vegetariane possono favorire invece una certa alcalosi con la liberazione di ossalati, tartati e altri sali patologicamente i diabetici sono spesso affetti da chetoacidosi: il loro fegato non stimolato da insulina produce un'enorme quantità di corpi chetonici, tale da poter essere percepita attraverso il respiro(i corpi chetonici sono molto volatili) L'assunzione di alcuni farmaci può produrre sostanza come HCl in circolo. Traiamo due conclusioni: in primis la produzione di protoni è incostante e quindi l'equilibrio ematico è frutto di una costante regolazione, in secundis la produzione giornaliera di idrogenioni non sarebbe compatibile con la vita se non ci fossero dei meccanismi di compenso. Gli idrogenioni vengono compensati in due modi: in maniera chimico- fisica e attraverso meccanismi fisiologici. Nel sangue sono presenti in soluzione acidi deboli e basi coniugate. Chimicamente queste combinazioni costruiscono quello che viene detto un sistema tampone, ovvero un sistema che è capace di tamponare l'effetto dell'aggiunta di idrogenioni in soluzione: prendiamo un litro di tampone di acido acetico 1 M, aggiungendo una mole di HCl in soluzione l'acido si formerà una mole di H + che tenderà a portare il ph a 1. L'acido acetico che prima era dissociato però, appena il ph scenderà sotto il valore di equilibrio per l'acido acetico, dato da

19 Ka, la costate di dissociazione, vedrà il suo equilibrio spostarsi verso la forma non dissociata e quindi 'assorbirà' l'aumento di idrogenioni. Tutti gli acidi deboli costituiscono sistemi tampone ma la loro efficacia è massima quando la concentrazione dell'acido e della base coniugata sono uguali, ed il ph è uguale a pka. Il potere tampone è evidenziabile nell'intervallo di ph + e 1 rispetto a questo valore ottimale. Nella titolazione infatti potranno assorbire ottimamente sia l'aumento di idrogenioni che di OH - poiche sarà massima la quota disponibile per tale assorbimento [per dettagli ulteriori sulle curve di titolazione rivedere chimica]. Per calcolare il ph a cui un acido debole sarà in equilibrio in soluzione possiamo usare la formula di Henderson- Hasselbak ph = pka log [ A- ] [ AH ] Ka= [ A- ] [ H + ] log Ka=log [ A- ] [H + ] [ AH ] [ AH ] log [ H + ]= log Ka log [ A- ] [ AH ] Nel sangue sono presenti principalmente tre sistemi tampone:. log Ka=log [ A- ] [ AH ] log [ H + ] ph = pka log [ A- ] [ AH ] il sistema tampone fosfato H 2 PO HPO - 4 H + è piuttosto vantaggioso poiché ha pka=6,8. Il suo effetto è limitato dalle basse concentrazioni di fosfato nel LEC, che è quinid disponibile per tamponare solo modiche quantità di H + ; questo sistema tampone è invece importante nell'acidificazione dell'urina. Il sistema osseo cede fsfato per tamponare acidosi croniche, come nel caso di insufficienze respiratorie croniche. Questo spiega perchè a malattie respiratorie croniche è accompagnata estesa osteoporosi il sistema tampone bicarbonato acido carbonico H 2 CO 3 H + - HCO 3 Questo ci fa pensare che non sia un buon sistema tampone. Anche l'anidride carbonica è in equilibrio con l'acido carbonico CO 2 H 2 O H 2 CO 3 con una pk di 2,3. CO 2 H 2 O H 2 CO 3 H + - HCO 3 : CO 2 H 2 O H + - HCO 3 reazioni è dato da k CO2 * Ka: Keq= [ H + ] [ HCO - 3 ] [ H 2 CO 3 ] = [H + ] [ HCO 3 [ H 2 CO 3 ] CO 2 CO 2 ha un pka di 3,8. L'equilibrio delle due - ] =6,1 (NB: K CO2 * Ka=pKa+pK CO2). Nel sangue ci aspettiamo quindi solo poco acido carbonico poiché la sua concentrazione è circa 600 volte minore di quella dell'anidride carbonica disciolta. - ] Dove alfa è la costante di herry (con la pressione parziale in mmhg ph = pk eq log [HCO 3 P CO 2 la concentrazione dell'anidride carbonica disciolta =alla sua pressione parziale * alfa. Alfa =0,03 a 37 ) 24meq /l 24 meq/l ph =6,1 log =6,1 log 40 mmhg 0,03mM / mmhg 1,2 mm =7,4 il fatto che pk sia diverso dal 7.4 è significativamente vantaggioso poiché ha il significato di concentrazioni di bicarbonato e anidirde carbonica possono essere regolate separatamente e non sono interdipendenti. Infine possiamo chiederci come mai a fronte di un basso quantitativo di acido carbonico ematico la concentrazione di bicarbonato sia così alta: il bicarbonato in circolo si forma separatamente dalla dissociazione delle emazie: la CO2 nell'eritrocita è convertita ad acido carbonico che dissocia; i gruppi imidazolici dell'amoglobina tamponano immediatamente il protone scambiandolo con un potassio a cui sono normalmente legati. Il potassio non esce dall'eritrocita mentre il bicarbonato entra nel plasma. Questo entra scambiato con un cloro-ione quindi non c'è squilibrio elettrico. Le proteine in soluzione al ph fisiologico si comportano come acidi deboli e quindi costituiscono un efficace sistema tampone. Non si può dare un valore di pk poiché questo è ampiamente variabile. L'emoglobina tampona normalmente 24meq/l di protoni. Il tampone proteico è attivo nel tamponare acidosi e alcalosi respiratorie(agisce da tampone sul tampone bicarbonato) mantre il sistema bicarbonato tampona le variazioni metaboliche. L'emoglobina titola 0,5 mmoli di protoni per un aumento di ph di 0,1. si comporta diversamente se ossigenata o deossigenata: è un tampone versatile, se legata a meno O2 la quantità di idrogenioni chè può tamponare è maggiore: nelle vene il ph è più alcalino! I meccanismi di compenso del ph ematico di natura fisiologica passano attraverso i polmoni e attraverso i reni. I polmoni possono agire sulla pressione parziale della CO2 aumentando o diminuendo frequenza e profondità del respiro. La CO2 andrà in equilibrio con il bicarbonato.

20 Il rene agisce invece sulla concentrazione di bicarbonato e protoni: in particolare cura l'espulsione di idorgenioni e il riassorbimento del bicarbonato. Il bicarbonato viene filtrato a livello della capsula di bowman, circa 3mmol/min, ed entra nel liquido tubulare. Nel tubulo prossimale viene riassorbito circa il 90% del bicarbonato filtrato mentre nel nefrone distale viene riassorbito il restante 10%. Il bicarbonato viene anche prodotto per tamponare le 100 mmoli prodotte giornalmente dal metabolismo creante acidi forti. L'anidride carbonica dei capillari peritubulari e del lume entra nella cellula facilmente e si trova in equilibrio con quella intracellulare; entrata nella cellula reagisce con l'acqua per formare acido carbonico, in una reazione catalizzata dall'anidrasi carbonica. L'acido carbonico si dissocia poi in ione idrogeno e bicarbonato. L'idrogenione viene escreto nel lume tubulare grazie a un trasporto attivo nel nefrone distale e grazie a un simporto col sodio e a un antiporto col potassio nel tubulo prossimale mentre il bicarbonato torna nell'interstizio grazie a uno specifico carrier(nel tubulo prossimale esce nell'interstizio con un simporto 3bicarbonati-1Cl nel tubulo distale è scambiato con il cloro). Nel tubulo l'h + reagisce con il bicabonato e forma acido carbonico, dissociato in acqua e CO2 dall'anidrasi carbonica presente sulle membrane apicali cellulari. L'anidride carbonica può essere usata per formare altro bicarbonato. L'acqua resta nel lume ma il suo apporto al volume di escrezione è minimo. Nota che il bicarbonato riassorbito non è lo stesso filtrato, ma è neogenerato dal rene. Il risultato netto però è di un bicarbonato neogenerato per ogni bicarbonato escreto, e quindi un riassorbimento netto di tutto il bicarbonato. Nel dotto collettore esistono poi cellule dette intercalate in grado di riassorbire protoni e espellere bicarbonato. Queste sono attive soprattutto in risposta ad alcalosi croniche. Il bicarbonato formato dall'anidrasi carbonica dalla CO2 viene espulso nel lume scambiato con il cloro, che esce dalla membrana basale, mentre il protone esce dalla membrana basale tramite trasporto attivo. La secrezione di idrogenioni è concomitante con il riassorbimento di bicarbonato, come abbiamo visto. In realtà giornalmente viene escreta una quota suppletiva di protoni derivanti dagli acidi forti prodotti dal metabolismo: ogni giorno vengono riassorbiti 4300 mmoli di bicarbonato per mantenere l'equilibrio e una suppletiva quota per espellere le 100mmol/die di protoni che si formano dagli acidi metabolici. (il bicarbonato in eccesso va all'equilibrio con la co2 ed è espulso col respiro?) la quota di idrogeno escreto non può rendere però l'ambiente troppo acido poiché ciò sarebbe incompatibile con la vita. Il ph dal tubulo prossimale deve essere intorno a 6,9 mentre nel dotto collettore deve essere di 4,5. Al ph di 4,5, quello minimo dell'urina, la concetrazione di H è di 0,03 mm, il che significa che per espellere le 100 mmol di H giornalmente in eccesso sarebbero necessari 1000 litri di urina. Gli idrogenioni devono quindi essere tamponati per poter essere espulsi in maniera sufficente. Il sistema tampone fosfato-bi-acido di sodio/fosfato-mono-acido-di-di-sodio costituisce un eccellente tampone ma la sua escrezione è costante e quindi non consente adattamenti di sorta. L'ammoniaca invece è prodotta nei reni dal metabolismo proteico, specie della glutammina(usata per trasportare l'ammonio ai reni), e in minor parte dagli altri amminoacidi tra cui ricordiamo glicina e alanina. Ha un pk di 9,3 quindi in circolo è completamente protonata. L'ammoniaca ha anche il vantaggio di essere liposolubile, può diffondere ovunque ed è spinta a diffondere nel lume tubulare dove reagisce con lo ione idrogeno per dare lo ione ammonio. Lo ione ammonio non è liposolubile e non può retrodiffondere, anche se in realtà in piccola parte compete con K nello scambio Na/K-2Cl nello scambio a livello del tratto spesso ascendente dell'ansa. L'ammonio si accumula nell'interstizio e va in equilibrio con NH3. Nel dotto collettore rimane intrappolata dallo stesso processo di diffusione: l'ammoniaca dell'interstizio diffonde, diviene ione ammonio nel dotto, resta intrappolata; intanto nell'interstizio l'equilibrio spostato produce nuova ammoniaca dallo ione ammonio. Inoltre la neo genesi dell'ammoniaca è regolata dall'acidità: maggiore sarà l'acidita maggiore la sintesi del tampone. Eliminare l'ìammoniaca è importante anche perchè in circolo questa titolerebbe il bicarbonato. Tornando all'equazione di H-H possiamo facilmente capire che uno stato di acidosi o di alcalosi può indipendentemente dipendere dalla modificata concentrazione di bicarbonato che dalla pressione parziale di CO2. Gli scompensi dell'equilibrio acido base si distinguono in scompensi di natura respiratoria se sono causati dalla pressione parziale di co2 e in scompensi di natura metabolica se derivanti dalla concentrazione plasmatica di bicarbonato. Poiché CO2 e bicarbonato modificano insieme il ph per valutare il reale stato di alcalosi o acidosi possiamo costruire un diagramma detto di davenport: vengono costruite curve di titolazione del bicarbonato a diverse pressioni di CO2 creando molte isobare di pco2 vien poi costruita una linea tampone che definisce la variazione del ph al variare dalla pco2 e definisce Concentrazione HCO3-1 HCO3-=23-26 Pco2=60Pco2=40Pco2=20 pco2 = ,4 ph la capacità di tamponamento del sangue(soprattutto dell'emoglobina con i suoi 38 gruppi imidazolici). L'intersezione tra le isobare e la linea tampone darà il valore di pco2 (leggibile sopra l'isobara), ad un dato valore di HCO3- e ph. Modificando la riserva alcalina(intesa come riserva di bicarbonato) possiamo costruire varie linee tampone del sangue. È scontato che la concentrazione di hco3 in parte è spostata dalla pressione parziale di co2 e la pressione in parte riscente della concentrazione di hco3. Il punto indicato dall'intersezione delle linee tratteggiate è detto punto arterioso normale. L'esagono blu indica l'intervallo fisiologico 24 PH = 7,33 7,47

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