derivanti dal catabloismo. Il cuore agisce come una pompa intermittente che fornisce energia per il movimento del sangue nei vasi.

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1 Il sistema cardiocircolatorio

2 L apparato cardiovascolare è costituito dal cuore e da condotti elastici (vasi) attraverso i quali il sangue viene distribuito in tutto l organismo per rifornire i tessuti di ossigeno, sostanze nutritizie ed ormoni, e per rimuovere da essi materiali di rifiuto derivanti dal catabloismo. Il cuore agisce come una pompa intermittente che fornisce energia per il movimento del sangue nei vasi.

3 Il sangue

4 Composizione del sangue

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6 Ematocrito Ematocrito = 45% Ematocrito = volume della componente corpuscolata, g.r., (~45%) Plasma = componente liquida Volumi medi nell organismo: sangue ~5.5L, plasma ~3L, g.r. ~2.5L

7 Circolazione sistemica e polmonare Cuore sinistro circolazione sistemica (grande circolo) Cuore destro circolo polmonare (piccolo circolo)

8 LE SEZIONI DEL SISTEMA CIRCOLATORIO

9 LE DIVERSE SEZIONI DEL SISTEMA CIRCOLATORIO SVOLGONO RUOLI DIVERSI Arterie: trasportano il sangue ad alti regimi pressori verso i tessuti e funzionano da serbatoi di pressione. Hanno pareti robuste, ricche di tessuto elastico, muscolare liscio e connettivo Arteriole: funzionano da valvole di controllo attraverso le quali il sangue passa ai capillari pareti con componente muscolare che consente la variazione del calibro del vaso Capillari: permettono gli scambi tra plasma e LEC pareti sottili e permeabili Venule: raccolgono il sangue refluo dai capillari Vene: funzionano da serbatoi di volume pareti sottili ed elastiche con componente muscolare che consente la regolazione del calibro

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11 VOLUME DI SANGUE CONTENUTO NELLE DIVERSE SEZIONI: Vene + Venule 64% Arterie 13% Arteriole + Capillari 7% Cuore 7% Circolazione polmonare 9%

12 DISTENSIBILITÀ VASI SANGUIGNI La variazione di volume in un vaso dipendono dalla distensibilità della sua parete. Il grado di distensibilità di un sistema si valuta analizzando le variazioni di volume indotte da modificazioni della pressione che si esercita sulla parete. COMPLIANCE= V/ P Le vene hanno una compliance 20 volte maggiore delle arterie. Per questo motivo la P risulta > nelle arterie che nelle vene, anche se il volume di sangue contenuto nelle vene è > di quello delle arterie. Una leggera variazione di volume di un arteria determina un forte rialzo della P, mentre la stessa variazione di volume, in una vena, genera una variazione di pressione molto piccola.

13 arterie P Pressione V V P vene Volume

14 Le grandezze basilari per studiare il comportamento di un fluido in movimento sono: FLUSSO (F) PRESSIONE (P) RESISTENZA (R) Le relazione tra queste grandezze è espressa dall equazione del flusso: F = P / R

15 Per vincere questa resistenza è necessaria una differenza di pressione tra l inizio e la fine del condotto da attraversare. R determina quindi il P necessario per garantire un determinato flusso (F), definito come il volume che attraversa la sezione di un condotto nell unità di tempo. Pi Pressione in ingresso r Flusso P = Pi-Pu Sezione trasversa R Pu Pressione in uscita F = P/R

16 Pressione resistenza e flusso Il flusso dipende dal gradiente pressorio che consente di vincere le resistenze

17 Resistenza Resistenza = 8 x η x L (legge di Poiseuille) π x r 4 dove: η = viscosità ( eta dipende principalmente dall ematocrito). la viscosità rappresenta l attrito che si oppone allo scorrimento di strati adiacenti di liquido. Si misura in poise. L = lunghezza del vaso r = raggio del vaso conclusione: il raggio è il fattore più sensibile nella regolazione della resistenza al circolo. Dimezzando r 16x resistenza

18 LA VISCOSITA DEL SANGUE DIPENDE DALL EMATOCRITO Viscosità, ce entopoise Viscosità acqua a 20 C = 0.01 poise = 1 centipoise Viscosità plasma = centipoise Viscosità sangue = 3.5 centipoise Ematocrito Viscosità sangue normale Viscosità plasma Viscosità acqua La viscosità del sangue, η, aumenta all aumentare dell ematocrito (Ht, percentuale del volume di un campione di sangue occupato dai globuli rossi). La relazione non è lineare, infatti la η cresce rapidamente per valori di Ht > 45%. L aumento di η (per esempio nella policitemia) determina un aumento della resistenza al flusso, con conseguente aumento del lavoro cardiaco. Viceversa nelle anemie la η tende a ridursi

19 Pressione frontale FLUSSO Attrito viscoso Pressione a valle La risultante delle forze propulsive e viscose provoca la rotazione del globulo rosso che avviene in senso antiorario nella parte superiore del vaso e in senso orario nella parte inferiore. ACCUMULO ASSIALE DEI GLOBULI ROSSI v A v A > v B Forza che modifica il percorso del globulo rosso v B I globuli rossi, dispersi in un fluido che scorre con moto laminare a velocità sufficientemente elevata, vengono spinti verso l asse centrale del vaso, dove la velocità di scorrimento è maggiore (accumulo assiale). La velocità di migrazione del globulo rosso è direttamente proporzionale al gradiente di velocità V/ X. Poichè il gradiente di velocità è maggiore vicino alla parete del vaso, e si riduce dalla periferia verso il centro, i globuli rossi si accumulano al centro del vaso.

20 LA VISCOSITA DEL SANGUE DIPENDE DAL CALIBRO DEL VASO Capillari Arteriole µm Diametro vaso, µm La viscosità del sangue diminuisce con il calibro del condotto (Effetto Fahraeus- Lindqvist). Il fenomeno si osserva per calibri inferiori ai 300 µm. La η apparente tende nuovamente ad aumentare nei vasi con diametro vicino a quello dei globuli rossi (7-8 µm).

21 Le richieste metaboliche basali dell organismo impongono al sistema circolatorio la creazione di un FLUSSO (V/min) di 5l/min Questo è il FLUSSO di sangue che esce dal cuore = GITTATA CARDIACA e si distribuisce ai vari tessuti in percentuale diversa a seconda delle singole esigenze metaboliche. Questo è il FLUSSO di sangue che torna dalla periferia al cuore = RITORNO VENOSO Quindi, in condizioni basali, il flusso complessivo di sangue, in ogni sezione del sistema circolatorio, è 5l /min.

22 Perfusione verso organi e tessuti

23 Una prerogativa funzionale essenziale del sistema cardio-circolatorio è la possibilità di essere regolato per adattarsi alle diverse richieste dell organismo Quando il fabbisogno metabolico di alcuni tessuti aumenta, rispetto ad altri, la distribuzione del flusso ai tessuti cambia ed è mirata a rispondere alle esigenze del tessuto che sta lavorando di più. Quando l attività metabolica di tutto l organismo aumenta, come durante l esercizio fisico, il flusso complessivo aumenta, La GITTATA CARDIACA in questi casi può aumentare da a 4 a 7 volte il normale.

24 Esercizio (modificazioni del flusso) Effetto: muscolo scheletrico, cute in base a necessità termoregolatorie cervello, cuore reni, GI, milza, fegato

25 L equazione del flusso: F = P / R è applicabile ad un singolo condotto così come ad un sistema di condotti. Nel circolo sistemico e polmonare il flusso è determinato da un P che si crea tra l ingresso, rispettivamente AORTA e ARTERIA POLMONARE, e l uscita del circolo, ATRIO DESTRO e ATRIO SINISTRO, grazie all azione del cuore che immette un certo volume di sangue nel sistema arterioso e lo sottrae dal sistema venoso. L entità del P dipende dalle resistenze offerte dal sistema Sito produzione energia P GC ALTA PRESSIONE PULSATORIA RV CUORE VERSANTE ARTERIOSO VERSANTE VENOSO VASI RESISTENZA VASI SCAMBIO Sito di massima dissipazione energia P Sito di scambio tra Lp e Li BASSA P NON PULSATORIA

26 Il flusso ematico attraverso il circolo polmonare è identico a quello sistemico (5l/min) Il gradiente di pressione tra i due circoli però è diverso, infatti nel circolo polmonare è minore

27 Come può passare nei 2 circuiti la stessa quantità di sangue? La risposta va ricercata nella seguente equazione: F = P / R Il circolo polmonare deve offrire una minore Il circolo polmonare deve offrire una minore R affinché un gradiente di pressione minore possa determinare lo stesso flusso

28 Le R al flusso nel sistema circolatorio dipendono dal calibro dei vasi, ma non solo.. Oltre al calibro è importante considerare l area della sezione trasversa interessata. Con il ramificarsi (disposizione in parallelo) dei vasi si accresce la sezione trasversa del letto vasale, e ciò tende a ridurre la R; si riduce però il diametro dei singoli vasi e ciò tende ad aumentare la R. L effettiva R di ciascun tratto vasale del circolo dipenderà perciò dal prevalere del primo o del secondo di questi fattori.

29 Aorta Arterie grosso calibro Arterie medio calibro Arteriole Capillari Venule Vene medio calibro Vene grosso calibro Vene cave Numero vasi In aumento In diminuzione 1. Diametro singoli vasi 2. Area sezione trasversa L area della sezione trasversa aumenta dall aorta verso i capillari dove raggiunge il massimo valore e si riduce poi dai capillari fino alle vene cave

30 Caduta di pressione maggiore

31 Misurando la caduta pressoria che si verifica nei vari distretti si ha un indice della R complessiva che il flusso di sangue incontra nel passare da un distretto all altro. Nel sistema circolatorio, la resistenza maggiore al flusso si incontra a livello delle arteriole, che hanno un calibro ridotto rispetto alle arterie, e l area della sezione trasversa aumentata limitatamente. I capillari pur avendo calibro inferiore a quello delle arteriole non offrono elevata Resistenza perché in numero molto elevato e disposti in parallelo (l area della sezione trasversa è molto grande).

32 Caduta P 58 mmhg Caduta P 20 mmhg Pressione, mmhg Normale Costrizione artteriolare Dilatazione artteriolare Arterie Arteriole Capillari Vene Atrio Ds La R totale è dovuta per circa: 25% all aorta e alle grandi arterie 40% alle arteriole 20% al letto capillare 15% al letto venoso

33 Le Resistenze al flusso nel sistema circolatorio dipendono anche dal tipo di scorrimento: Laminare Turbolento

34 Lo scorrimento del sangue: moto laminare e moto turbolento Flusso laminare: le particelle di liquido si muovono secondo lamine di scorrimento (cilindri di scorrimento), parallele una all altra. Le lamine, di spessore infinitesimo, scorrono con velocità diversa, poiché la lamina a contatto con la parete è stazionaria, quella a contatto con questa si muove lentamente, la terza più velocemente e così via fino alla lamina centrale che ha la massima velocità. Il flusso laminare ha quindi un fronte di avanzamento parabolico.

35 Flusso turbolento: le particelle di liquido si muovono con moto vorticoso che determina la comparsa di rumori. Quando il flusso è turbolento, la resistenza allo scorrimento aumenta notevolmente, per garantire lo stesso flusso serve un gradiente pressorio maggiore.

36 Flusso Flusso laminare Flusso turbolento F P F P Velocità critica Velocità di scorrimento V = F/A In due condotti in cui scorre lo stesso liquido, in uno con moto laminare e nell altro con moto turbolento, per lo stesso incremento di P l aumento di flusso, F, è maggiore nel primo che nel secondo caso. Infatti nel moto laminare F P, mentre nel moto turbolento F P a causa dei vortici che dissipano una maggior quota di energia negli urti tra le molecole di liquido.

37 Il passaggio da moto laminare a turbolento dipende dal raggio (r) del vaso, dalla velocità di scorrimento (v) e dalla natura del liquido (viscosità, η e densità, ρ). L espressione che lega queste grandezze è rappresentata dal Numero di Reynolds (N R ): N R = r v ρ/η L aumento della velocità di scorrimento v, l aumento del raggio r o la diminuzioni della viscosità η, determinano aumenti di N R con conseguente formazione di turbolenza. Nel sistema circolatorio: Con N R < 1000 si ha moto laminare Con N R > 2000 si ha moto turbolento

38 Il sangue scorre nel sistema circolatorio con moto laminare. In condizioni fisiologiche si ha turbolenza solo a livello delle valvole cardiache. Si ha moto turbolento in un vaso stenotico, a valle della stenosi. Quando aumenta la gittata cardiaca (esercizio fisico), perché aumenta la velocità del sangue. Nell anemia, perchè diminuendo l Ht, diminuisce la viscosità. Il moto turbolento essendo rumoroso, può essere rilevato mediante auscultazione (toni cardiaci).

39 Fattori che influenzano le resistenze al flusso nel sistema circolatorio Calibro dei vasi Lunghezza dei vasi Disposizione in serie e in parallelo (area della sezione trasversa considerata) Tipo di scorrimento (laminare o turbolento) Viscosità del sangue

40 Il flusso di sangue nel sistema circolatorio è continuo, nonostante la pompa cardiaca abbia attività intermittente. La continuità di flusso è garantita dal fatto che le arterie funzionano come un serbatoio di pressione. Durante la sistole, il volume di sangue spinto dal cuore nelle arterie distende la parete arteriosa. L energia potenziale immagazzinata come energia elastica, viene restituita e trasformata in energia cinetica durante la diastole cardiaca, assicurando il movimento continuo del sangue.

41 Arterie

42 Gli eventi di immagazzinamento di sangue nelle arterie durante la sistole, di successivo svuotamento e propulsione del sangue, si ripetono in modo continuo lungo tutte le arterie dando origine all onda sfigmica. L onda sfigmica si trasmette lungo le pareti elastiche delle arterie ad una velocità dieci volte superiore a quella del sangue. L onda sfigmica può essere percepita come pulsazione a livello di arterie periferiche. In ogni luogo percorso dall onda sfigmica si possono osservare due fenomeni: Il polso di pressione (4-10 m/sec) Il polso di flusso (120 cm/sec, max)

43 La pressione arteriosa Le arterie si comportano come camere di compressione.

44 Pressione arteriosa media Pressione arteriosa media = P.D + 1 / 3 (P.S.+ P.D.)

45 Compliance delle arterie Avanzamento dell età ed ipertensione compliance (arteriosclerosi)

46 Misurazione della pressione arteriosa Pressione sistolica Pressione nel bracciale Pressione diastolica

47 Arteriole La distribuzione del sangue ai diversi organi del corpo è controllata soprattutto dalle arteriole, le cui pareti hanno muscolatura liscia. Il controllo da parte del sistema nervoso e ormonale (e da parte di altri fattori), dello stato di contrazione di questa muscolatura, porta a variazioni del calibro dei vasi, con conseguente variazione della R; ciò consente di regolare sia il flusso sia la pressione arteriosa.

48 Regolazione del tono arteriolare 1. Iperemia attiva e reattiva (controllo locale mediato da sostanze paracrine) 2. autoregolazione 3. Innervazione simpatica, parasimpatica 4. ormoni (epinefrina, angiotensina II, ADH/vasopressina, NO)

49 Regolazione del tono arteriolare : iperemia attiva Il polmone costituisce un importante eccezione Metaboliti ( rilasciamento muscolatura liscia aumento del flusso sanguigno) diminuzione: O 2 aumento: CO 2, adenosina, K +, H + (da CO 2 & lattato), NO, altri fattori endoteliali (bradichinina, istamina, prostaciclina). Vasocostrittori: endotelina-1. importante nella regolazione del flusso coronarico & nel muscolo scheletrico Iperemia reattiva blocco del flusso, accumulo di metaboliti, vasodilatazione arteriolare aumento del flusso sanguigno, ritorno alle condizioni normali

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51 Regolazione del tono arteriolare : autoregolazione Mecanismo 1: accumulo di metaboliti Meccanismo 2: risposta miogena (autoregolazione) Particolarmente importante nel cervello e nel rene

52 Relazione pressione-flusso in vasi passivi e reattivi F Vaso di tipo passivo (polmonare) Vaso di tipo reattivo (renale) La relazione P/F è diversa nei vasi di tipo passivo e reattivo. Nei vasi di tipo passivo, (esempio, vasi polmonari) il flusso F aumenta all aumentare della P con l andamento tipico dei vasi elastici. Nei vasi di tipo reattivo (esempio, vasi renali) F dopo un iniziale aumento, provocato dall aumento di P, tende a rimanere costante. In questo caso infatti, il vaso reagisce costringendosi. La conseguente riduzione di diametro incrementa la resistenza, mantenendo il flusso costante. P

53 Regolazione del tono arteriolare : S.N.A Simpatico: generalmente vasocostrittore (α recettori); variazioni del tono delle arteriole possono indurre vasocostrizione o vasodilatazione Parasimpatico: non rilevante Coronarie, interviene nel tratto genitale (vasodilatatore attraverso NO), GI (indirettamente)

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55 Regolazione del tono arteriolare : ormoni Epinefrina (adrenalina): generalmente vasocostrittore (recettori α) vasodilatatore nel muscolo scheletrico, cuore e fegato (recettori β 2 )

56 Regolazione del tono arteriolare : ormoni Angiotensina II vasocostrittore Associato rilascio di aldosterone ADH (vasopressina) vasocostrittore Osido nitrico NO agisce come neurotrasmettitore ed ha effetto peracrino: vasodilatatore

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58 Capillari: anatomia

59 Capillari: permeabilità Permeabili a molte sostanze tranne che alle proteine plasmatiche

60 Scambio di sostanze attraverso la parete dei capillari Permeabilità dell endotelio: liberamente permeabile a molecole < ~ 5000 MWt (gas, ioni, glucosio, amino acidi, ormoni) relativamente impermeabile alle proteine (transcitosi) perciò, liquido interstiziale = plasma senza proteine & globuli rossi Trasporto di soluti: diffusione semplice, transcitosi, filtrazione

61 Struttura del microcircolo Sfinteri precapillari: il loro stato di constrizione è regolato da metaboliti

62 Controllo locale del microcircolo nel muscolo a riposo e durante attività intermittente

63 Con l aumentare della sezione trasversa, la velocità del sangue diminuisce. Essa pertanto sarà minima a livello dei capillari. Questo favorisce i processi di scambio. Gli scambi avvengono per diffusione, filtrazione e transcitosi.

64 DIFFUSIONE Le sostanze si spostano da un compartimento all altro spinte dai rispettivi gradienti. FILTRAZIONE E RIASSORBIMENTO Il passaggio di liquido e sostanze dal capillare all interstizio (filtrazione) e dall interstizio al capillare (riassorbimento) avviene grazie a della forze pressorie.

65 Forze che spingono il liquido ad uscire dal vaso (filtrazione): Pressione idraulica capillare (Pc) Pressione colloido-osmotica del liquido interstiziale (πi), dipende dalla concentrazione di proteine nell interstizio Forze che spingono il liquido ad entrare nel vaso (riassorbimento): P idraulica del liquido interstiziale (Pi) Pressione colloido-osmotica del plasma (pressione oncotica, πc), dipende dalla concentrazione plasmatica delle proteine.

66 L equazione che mette a confronto queste forze è: Equazione di Starling Il liquido viene filtrato o riassorbito in base al prevalere delle une o delle altre. Pres.netta = (Pc + πi) (Pi + πc) Somma delle forze a favore della filtrazione Somma delle forze a favore del riassorbimento

67 Estremità arteriolare del capillare: Forze a favore della filtrazione: Pc = 30 mmhg, πi = 8 mmhg Forze a favore del riassorbimento: Pi = -3 mmhg, πc = 28 mmhg Peff = (30 + 8) - ( ) = 13 mmhg filtrazione Estremità venulare del capillare: Forze a favore della filtrazione: Pc = 10 mmhg, πi = 8 mmhg Forze a favore del riassorbimento: Pi = -3 mmhg, πc = 28 mmhg P = (10 + 8) - ( ) = - 7 mmhg riassorbimento Pc + πi > Pi + πc Filtrazione netta Pc+πi = Pi+πc Pc + πi < Pi + πc Riassorbimento netto La filtrazione supera il riassorbimento

68 Nella porzione arteriolare dei capillari viene filtrato circa lo 0.5% del volume plasmatico in transito (14 ml/min, 20 l/dì). Il 90% del liquido filtrato (18 l/dì) viene riassorbito nella porzione venulare del capillare. Il restante 10% (circa 2 l/dì) viene recuperato dai vasi linfatici (prevenendo edema e caduta di pressione arteriosa). Quando può formarsi edema?

69 Formazione di edema interstiziale In tutte le condizioni in cui la filtrazione supera il riassorbimento, determinando accumulo di liquido nell interstizio, si parla di edema interstiziale. Si può avere edema se: Aumenta la pressione capillare in seguito a: Aumento della P arteriosa (edema ortostatico, lipotimia ortostatica) Dilatazione delle arteriole a monte dei capillari Costrizione delle venule postcapillari Aumenti della P venosa centrale (insufficienza cardiaca) Diminuisce la pressione colloido-osmotica del plasma: Carenza proteica (malnutrizione), escrezione renale di proteine, deficit della sintesi proteica (insufficienza epatica) Aumenta la permeabilità della parete capillare Infiammazioni, reazioni allergiche, ustioni E ridotto il drenaggio linfatico

70 Vene Funzione: elevata compliance contengono ~60% del sangue regolano il ritorno venoso al cuore Struttura: parete sottile, estensibile valvole (unidirezionalità) largo diametro, bassa resistenza

71 Resistenze venose Dal capillare Pvp = 7 mmhg RV Pvc = 0-2 mmhg Deposito venoso periferico 10 cuore RV, l/min Curva del RV Pressione sistemica media (di riempimento) Pvc, mmhg

72 Regolazione del ritorno venoso 1. Attività del sistema simpatico SNS vein compression VR 2. Pompa muscolare (lipotimia ortostatica) muscle activity vein compression VR 3. ventilazione inspiration atrial pressure VR 4. Volume di sangue blood volume VR 5. Ruolo delle valvole nel mantenere l unidirezonalità vesro il cuore

73 Il sistema linfatico

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75 Le immagini tratte fanno principalmente riferimento ai seguenti volumi: William J. Germann, Cindy L. Stanfield, Fisiologia, ed. EdiSES. Widmaier [et. al.], Vander s Human Physiology. McGraw-Hill, (10th ed.), Silverthorn D.U., Fisiologia, Copyright 2005, 2000 Casa Editrice Ambrosiana. AAVV, Fisiologia dell uomo, ed. edi-ermes, 2007 (rist.).