L INSUFFICIENZA RESPIRATORIA ACUTA E CRONICA INSUFFICIENZA RESPIRATORIA IPOSSIA TISSUTALE INSUFFICIENZA RESPIRATORIA. IPOSSIA TISSUTALE Cause

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1 Università degli Studi di Pisa L ACUTA E CRONICA Pierluigi Paggiaro Dipartimento Cardio-Toracico, Università di Pisa Azienda Ospedaliera Pisana Definizione Diversi tipi (acuta vs cronica, ipossiemica vs ipercapnica) Meccanismi Eterogeneità Cause Conseguenze della insufficienza respiratoria Polmonari Sistemiche Principi di trattamento Corso teorico-pratico ALIR/AIPO Volterra, 8-10 giugno 2006 IPOSSIA TISSUTALE Si parla di insufficienza respiratoria (IR) quando il polmone non è in grado di procedere ad un adeguata ossigenazione del sangue arterioso (riduzione della PaO 2 ). La riduzione della PaO 2 determina l incapacità di fornire un adeguato apporto di ossigeno ai tessuti (ipossia tissutale) L Ipossia tissutale viene definita come una condizione in cui è presente un insufficiente apporto di ossigeno ai tessuti Nelle misurazioni in vitro su sospensioni di mitocondri epatici, il consumo di ossigeno continua a velocità costante fino a quando la PO 2 cade ad un livello di circa 3 mmhg. Pertanto, il motivo di una PaO 2 elevata consiste nella assicurare una adeguata pressione per la diffusione di ossigeno ai mitocondri IPOSSIA TISSUTALE Man mano che diffonde dai capillari tissutali, l ossigeno viene consumato e la PO 2 tissutale si abbassa. In A l equilibrio tra erogazione e consumo di ossigeno è adeguato; in B tale equilibrio è critico, poiché la Po 2 cade a 0. In C è presente una zona anossica in cui il metabolismo aerobio è impossibile. In queste condizioni il tessuto ricorre alla glicolisi anaerobica con la formazione di acido lattico. PO 2 mmhg Cap. Tessuto Cap. A. Adeguato B. Critico C. Inadeguato IPOSSIA TISSUTALE Cause 1. Ipossia ipossica: bassa PaO 2 causata, per esempio, da una malattia polmonare 2. Ipossia anemica: per ridotta capacità del sangue di trasportare ossigeno (anemia, avvelenamento da CO) 3. Ipossia circolatoria (o stagnante): per riduzione generalizzata del flusso di sangue arterioso tissutale (shock, ischemia acuta locale) 4. Ipossia istotossica; per la presenza di sostanze tossiche che interferiscono con la capacità dei tessuti di utilizzare l ossigeno disponibile (cianuro, ostacola l utilizzo dell ossigeno da parte della citocromo-ossidasi) Schema che mostra la caduta della PO 2 fra capillari adiacenti aperti. In A il rilascio di O 2 è adeguato, in B è critico e in C è inadeguato per il metabolismo aerobico 1

2 Insufficienza respiratoria: da alterato scambio vs ventilatoria Relazione po2-pco2: alterato scambio vs ipoventilazione alveolare Definizione Rapporto tra PaO 2 ed età 1. Ipossiemia lieve: PaO 2 > 60 mmhg ma inferiore al valore teorico per età del paziente 2. Ipossiemia moderata: PaO 2 < 60 mmhg ma > 45 mmhg PaO 2 (mmhg) Ipossiemia severa: PaO 2 < 45 mmhg Valore atteso per età Età (anni) Definizione e tipi Curva della saturazione ossiemoglobinica Per insufficienza respiratoria (IR) si intende una alterazione della capacità del sistema respiratorio di mantenere adeguati scambi dei gas arteriosi. Tale alterazione si caratterizza per una riduzione della pressione parziale dell ossigeno nel sangue arterioso (PaO 2 ) al di sotto di 60 mmhg. Il valore della PaO 2 è stato scelto perché è il punto critico sotto il quale la curva diventa più ripida e piccoli cambiamenti di PaO 2 sono associati a grandi variazioni nella saturazione dell Hb. 2

3 CURVA DI DISSOCIAZIONE dell Hb per l O 2 RAPPORTO TRA po 2 e SatHb SATURAZIONE OSSIEMOGLOBINICA % Punto Venoso PO 2 = 40 Sat = 75 P50 Temp DPG PCO 2 ph Punto arterioso Sat = 97 O 2 disciolto PO 2 mmhg Contenuto di O2 ml/100 ml Il valore della PaO 2 è stato scelto perché è il punto critico sotto il quale la curva diventa più ripida e piccoli cambiamenti di PaO 2 sono associati a grandi variazioni nella satur. dell Hb. po 2 (mmhg) % sat. Hb 13, , ,7 94,5 96,5 97,5 Tipi La IR, definita come incapacità di mantenere un adeguata PaO 2 può essere associata, o meno, alla incapacità di eliminare la CO 2 (con aumento della PaCO 2 > 45 mmhg) TIPO 1: (non-ventilatoria o parziale o ipossiemica), caratterizzata dalla riduzione della PaO 2 associata alla presenza di valori di PaCO 2 normali o ridotti. In genere è dovuta a patologie del parenchima polmonare. Si distinguono, pertanto, 2 tipi di IR: TIPO 2: (ventilatoria o globale o ipossiemica-ipercapnica), caratterizzata dalla riduzione della PaO 2 associata ad ipercapnia (aumento della PaCO 2 > 45 mmhg). In genere dovuta ad alterazioni della capacità ventilatoria polmonare. Meccanismi Fisiopatologici I meccanismi fisiopatologici che stanno alla base dell ipossiemia sono rappresentati da: 1. Ipoventilazione 2. Alterazioni del rapporto Ventilazione/Perfusione (V/Q) 3. Riduzione della capacità di diffusione alveolo-capillare 4. Presenza di shunt artero-venoso 3

4 1) Ipoventilazione alveolare Il volume di aria inspirata che arriva agli alveoli nell unità di tempo (ventilazione alveolare) risulta diminuito. IPOVENTILAZIONE Provoca sempre un aumento della PaCO 2 : Equazione della ventilazione alveolare: PaCO 2 = VCO 2 K VA VCO 2 = CO 2 espirata K = costante VA = ventilazione alveolare Se si dimezza la ventilazione alveolare la PaCO 2 raddoppia. IPOVENTILAZIONE ALVEOLARE 1) Ipoventilazione alveolare Le cause principali di ipoventilazione alveolare sono rappresentate da: 2) Alterazioni del rapporto Ventilazione/Perfusione (V/Q) Ventilazione e perfusione non sono accoppiate in diverse regioni polmonari, con il risultato che la diffusione gassosa diventa inefficace Depressione o danno anatomico dei centri respiratori Limitazione dei movimenti toracici (deformazione gabbia toracica, fibrotorace, pneumotorace, traumi toracici, obesità) Ostruzione delle vie aeree (laringe, trachea) Alterazione della conduzione nervosa e della trasmissione neuromuscolare Riduzione dell attività dei muscoli respiratori ( fatica muscolare ) 2) Alterazioni del rapporto Ventilazione/Perfusione (V/Q) Questo meccanismo di ipossiemia è responsabile della maggior parte, se non di tutta, l ipossiemia che si determina nelle patologie croniche ostruttive, nelle malattie interstiziali del polmone e in turbe vascolari come l embolia polmonare. Tutti i polmoni presentano un certo squilibrio tra ventilazione e perfusione. Nel polmone normale, di un soggetto in posizione eretta, il rapporto ventilazione-perfusione decresce dall apice verso la base. Nel soggetto con patologia si osserva una ingravescente e progressiva disorganizzazione di tale profilo. 4

5 3) Riduzione della capacità di diffusione alveolo-capillare Alterazione della diffusione In condizioni normali a riposo la PaO 2 dei capillari polmonari raggiunge quasi quella alveolare dopo circa 1/3 del tempo totale di contatto (3/4 di secondo). In alcune patologie la membrana può essere ispessita e la diffusione ne risulta così rallentata, determinando l instaurarsi dell ipossiemia. Non si raggiunge l equilibrio tra la PaO 2 dei capillari polmonari ed il gas alveolare 3) Riduzione della capacità di diffusione alveolo-capillare La diffusione dei gas attraverso i tessuti è regolata dalla LEGGE di FICK. Questa afferma che la velocità di trasferimento di un gas attraverso una lamina di tessuto è direttamente proporzionale all area del tessuto ed alla differenza della pressione parziale del gas tra i 2 lati ed inversamente proporzionale allo spessore del tessuto. V gas œ A D (P1-P2) S D œ Sol P.M. V gas: quantità di gas trasferita A: superficie di scambio S: spessore da attraversare D: costante di diffusione P: pressione parziale del gas ai due lati della superficie 3) Riduzione della capacità di diffusione alveolo-capillare Per ispessimento della membrana alveolo capillare: interstiziopatie polmonari, pneumopatie alveolari diffuse; Per riduzione della superficie di scambio: atelettasia, fibrosi cicatriziale, tumori polmonari, PNX, innalzamenti del diaframma, pneumonectomia). 5

6 4) Presenza di shunt artero-venoso Una certa quota di sangue raggiunge il circolo arterioso dopo aver attraversato regioni alveolari non ventilate 4) Presenza di shunt artero-venoso La presenza di uno shunt artero-venoso (anatomico, a livello cardiaco dx-sn o a livello polmonare: fistola a-v, bronchiectasie, settori polmonari completamente non ventilati per la presenza di atelettasia, essudazione/trasudazione endoalveolare) causa ipossiemia e normo o ipocapnia Meccanismi patogenetici che portano ipossiemia e ipercapnia IPERCAPNIA Meccanismi Fisiopatologici Difetto funzionale Ipoventilazione PaO 2 PaCO 2 Differenza (A-a)pO 2 Aria ambiente O 2 100% N N I meccanismi fisiopatologici che stanno alla base dell ipercapnia sono rappresentati dalla ipoventilazione alveolare, a sua volta causata da: Alterata diffusione Alterato rapporto V A /Q Shunt destro-sinistro N a riposo sotto sforzo N N N N a riposo sotto sforzo N N 1. Alterazioni del centro respiratorio 2. Grave alterazioni del rapporto Ventilazione/Perfusione (V/Q) 3. Ridotta espansione della gabbia toracica 4. Ridotta attività dei muscoli respiratori ( fatica muscolare ) CENTRAL DRIVE V& ( ΔV E) + ( V & R) = ΔP (LOAD) N-M COMPETENCE ( ) AIRWAY RESISTANCE (R) Balance between energy supplies and demands for respiratory muscle endurance ΔV ΔV LUNG AND CHEST WALL ELASTANCE (E) NEURO- MUSCULAR TRANSMISSION Pab Ppl DIAPHRAGM 6

7 SEGNI E SINTOMI DI CONSEGUENZE DELLA Cianosi Tachicardia (per aumento della portata cardiaca) Dispnea con tachipnea Turbe neurologiche (attenzione, umore, incoordinazione motoria, agitazione psicomotoria, insonnia) Alterazioni cardiache (di tipo ischemico e aritmiche) Aumento P polmonare Poliglobulia (nell ipossiemia cronica) Cuore polmonare cronico (nell ipossiemia cronica) Alterazioni a carico del sistema cardiovascolare Sofferenza miocardica Aritmie Deficit neurologici focali o diffusi Ipertensione polmonare Sofferenza dei parenchimi Danno renale Danno epatico Alterazioni del metabolismo muscolare scheletrico SEGNI E SINTOMI ID IPERCAPNIA Encefalopatia ipercapnica: quadro neurologico che si instaura in corso di IR, causato dalla sofferenza dell encefalo a causa dell ipossia, ma soprattutto dell ipercapnia. Consiste in: Turbe della coscienza (attenzione, orientamento, comprensione, percezione, vigilanza) Turbe motorie (tremori, asterixis, mioclono multifocale) Stupor Papilledema Coma Alterazioni circolatorie Effetto di vasodilatazione CONSEGUENZE DELLA IPERCAPNIA Alterazioni a carico del sistema nervoso centrale Encefalopatia ipercapnica Potenziamento degli effetti negativi dell ipossiemia Sul miocardio Sul circolo polmonare Potenziamento dell effetto vasocostrittore ipossico da parte dell acidosi respiratoria Ridotta risposta renale ai diuretici ph Tachipnea Progressione clinica dell IR 7.30 Respiro superficiale >30 Sintomi respiratori Rallentamento mentale, cefalea Fatica muscoli respiratori (respiro paradosso, o alternante) Sintomi neurologici Encefalopatia ipercapnica (turbe di coscienza) Encefalopatia ipercapnica (turbe di coscienza e motorie) Bradipnea 7.10 Stupor, coma CLASSIFICAZIONE DELL IR Sulla base dei tempi di insorgenza IR ACUTA: si instaura in tempi molto brevi, generalmente in assenza di cause preesistenti di ipossiemia. Può essere di I tipo o di II tipo; in questo caso, l aumento della PaCO 2 si associa alla riduzione del ph (acidosi respiratoria) IR CRONICA: si instaura lentamente (meglio tollerato) e, in genere, progressivamente. Può essere di I tipo o II tipo; in questo caso, l aumento della PaCO 2 ha determinato l attivazione dei meccanismi di compenso renali che hanno determinato l aumento dei livelli sierici di bicarbonati con normalizzazione del ph (acidosi respiratoria compensata) IR CRONICA RIACUTIZZATA: Se in un paziente con IR cronica, interviene un aumento rapido della PaCO 2, si ha riduzione del ph e compare il quadro dell IR cronica riacutizzata 7

8 Senza ipercapnia IR acuta - ARDS/ Acute lung injury - polmonite grave -COPD - asma acuto -embolia polmonare - Shunt intrapolmonare -V A /Q mismatch Insufficienza respiratoria (IR) Con ipercapnia -COPD - asma acuto - deformità toraciche -disordini neuromuscolari - intossicazione da farmaci -V A /Q mismatch - Ipoventilazione Senza ipercapnia -COPD -malattie interstiziali polmonari IR cronica Con ipercapnia - COPD - bronchiectasie -deformità toraciche -malattie neuromuscolari -V A /Q mismatch - Ipoventilazione L ACUTA E CRONICA DA BPCO (I) Contributo di Alterazione del rapporto V/Q Grave ipossiemia, moderata ipercapnia Riduzione della ventilazione alveolare Moderata ipossiemia, grave ipercapnia Ruolo della compromissione dei muscoli respiratori Aumentato lavoro muscolare Cambiamento del pattern respiratorio ridotta V A Aumento dell insufflazione dinamica Minor efficienza muscolare Lavoro muscolare inefficace (PEEPi) Mechanisms of acute-on-chronic respiratory failure 8

9 L ACUTA E CRONICA DA BPCO (II) Contributo delle comorbilità Dovute agli stessi fattori di rischio Malattie cardiovascolari Concomitanti Anemia, diabete, osteoartropatie Effetto sistemico dell infiammazione bronchiale Danno endoteliale diffuso Attivazione dei sistemi della coagulazione Effetti dell ipossiemia Muscolatura scheletrica MORTALITA PER ALTRE CAUSE NELLA BPCO stretta associazione tra BPCO e mortalità CV simili fattori di rischio vs interessamento sistemico? in BPCO di grado lieve-moderato, ogni 10% di riduzione del FEV1 associato a aumento di mortalità CV del 28% aumento di eventi coronarici non fatali del 20% (Anthonisen et al, AJRCCM 2002) BPCO + CVD: > rischio di infarto miocardico (Sin et al, Circulation 2003) associazione tra riduzione del FEV1 e tumore polmonare anche per lievi riduzioni, specie nelle donne (Wasswa-Kintu et al, Thorax 2005) What do COPD Patients Die From? Normal Restricted GOLD 2 GOLD 3/4 0% 20% 40% 60% 80% 100% COPD ASCVD Lung Cancer Other Mannino D.M., et al. Respiratory Medicine 2006; 100:115 Tillie-Leblond et al, Ann Int Med 2006 SYSTEMIC INFLAMMATION IN AE-COPD increase in non specific inflammatory markers serum C-RP (Gompertz et al, ERJ 2001) plasma fibrinogen and IL-6 (Seemungal et al, AJRCCM 2001) in parallel with sputum/ba increase in markers of oxidative stress in sputum and breath condensate in plasma TEAC and lipid peroxidation products (Rahman et al, Thorax 1997) serum MDA and vit C (Calikoglu et al, CCLM) in urine (isoprostane F2alpha-III) (Pratico et al, AJRCCM 1998) effects on endurance of scheletric muscles (?) effect on respiratory muscles? Rahman et al, AJRCCM

10 SYSTEMIC INFLAMMATION IN COPD increased plasma levels of proinflammatory cytokines IL-6, IL-8 TNFalfa, stnfr-55, stnfr-75 increased plasma levels of acute phase markers CRP, fibrinogen, neutrophils related to poor cardiovascular outcomes mechanisms tobacco smoke source lung or circulating cells? marker of genetic predisposition (?) modified by inhaled corticosteroids (?) Tavanti et al (unpublished data) Gan et al, Thorax 2004 Gan et al, Thorax 2004 Gan et al, Thorax 2004 Gan et al, Thorax

11 Cardiovascular morbidity in COPD Cardiac infarction injury score P=0,001 High CRP Severe obstruction High CRP and severe obstruction Sin et al, AJRCCM 2004 Sin and Man, Circulation 2003 The TORCH (TOwards a Revolution in COPD Health) survival study protocol Salmeterol/Fluticasone 50/500bd Fluticasone 500bd Placebo Salmeterol 50 bd Duration = 3 years Results by 2007 Total patients followed up for 3 years 1,500 1,500 1,500 1,500 6,000 patients SCHEMI DI TRATTAMENTO Trattare le cause della IR Ostruzione delle vie aeree vs danno parenchimale vs danno vascolare Mantenere una adeguata ossigenazione tissutale PaO2 vs indicatori di ipossia tissutale Mantenere una adeguata ventilazione alveolare Supporto ventilatorio Prevenire e trattare le complicanze Mobilizzazione Ingombro bronchiale Trattare le comorbilità Vestbo et al. Eur Respir J 2004; 24:206 11