Scambi gassosi. La diffusione dei gas attraverso la membrana alveolo-capillare

Transcript

1 Scambi gassosi La diffusione dei gas attraverso la membrana alveolo-capillare

2 Gradienti di P O2 e P CO 2 a livello alveolo-capillare 0,3

3 Pressione parziale dei singoli gas nelle miscele gassose Legge di Dalton In una miscela di gas diversi, con una data pressione, questa si ripartisce tra i singoli componenti in proporzione ai loro volumi La pressione esercitata da un dato gas in una miscela di più gas prende il nome di pressione parziale di quel gas

4 Legge di Henry Il volume di un gas (Vg) che si scioglie in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale del gas alla superficie del liquido (Pg) ed alla sua solubilità nel liquido stesso (α) Vg = α P g Vg= volume del gas disciolto per unità di volume di soluzione (o concentrazione molare del gas) P g = pressione parziale del gas alla superficie del liquido α = coefficiente di solubilità O 2 CO 2 [O 2 ]=5.2mmol/L [CO 2 ]=5.2mmol/L [O 2 ]=0.15mmol/L [CO 2 ]=3mmol/L

5

6 Modificazioni delle pressioni parziali di O 2 e CO 2 nell aria espirata via via che essa esce dall apparato respiratorio nel corso di un espirazione

7 Spazio morto anatomico e funzionale Ventilazione alveolare V M = (Vt VM) x frequenza respiratoria = ( ml/atto respiratorio) x 15 atti respiratori/min) =350 x 15 = 5250 ml/min Capillare Spazio morto funzionale Spazio morto anatomico + Spazio morto alveolare

8 Misura dello spazio morto anatomico e funzionale Spazio morto anatomico (Metodo di Fowler) Inspirazione test (500ml) O 2 100% si misura in maniera continua la concentrazione di N2 nell aria espirata Spazio morto funzionale (Metodo di Bohr) Vt x F ECO2 = V A x F ACO2 Vt = V A + V D funz V A = Vt V D funz Vt x F ECO2 = (Vt V D funz ) x F ACO2 V D funz /Vt = F ACO2 F ECO2 /F ACO2 V D funz = P aco2 - P ECO 2 V T P aco 2 Misura il volume delle vie aeree di conduzione fino al livello in cui avviene la diluizione rapida dell aria contenuta nello spazio morto con aria di provenienza alveolare e, pertanto riflette quella che è la morfologia del polmone Misura il volume effettivo di aria che non elimina CO 2 e che quindi non subisce scambi gassosi V A rappresenta il volume di aria espirata di provenienza alveolare

9 Velocità del ricambio dell'aria alveolare con aria atmosferica Ad ogni respiro, solo 1/7 dell aria alveolare viene sostituita da aria nuova

10 Fattori che determinano la composizione dei gas alveolari Composizione dell aria inspirata Ventilazione alveolare Metabolismo

11 Effetti della ventilazione alveolare e del consumo di ossigeno (metabolismo) sulle PO 2 e PCO 2 alveolari

12 Effetti della ventilazione alveolare e del consumo di ossigeno (metabolismo) sulle PO 2 e PCO 2 alveolari

13 Il volume di gas che diffonde attraverso una lamina di tessuto in un minuto (Vgas) è direttamente proporzionale all area di superficie (As), al coefficiente di diffusione del gas (D) ed alla differenza di pressione parziale (DP) tra i due lati, mentre è inversamente proporzionale allo spessore del tessuto (S). Equazione della diffusione (di Fick) Vgas = As x D x DP S D Lgas D α (solubilità) PM Nel polmone A = m 2 S = μ Versione semplificata dell equazione di Fick Vgas = D Lgas x DP

14 L equazione di Fick descrive la diffusione dei gas tra 2 compartimenti attraverso una barriera le cui proprietà siano uniformi sia a livello spaziale che temporale In realtà i diversi termini dell equazione variano nel tempo (durante il ciclo respiratorio) e anche nello spazio (nelle diverse regioni del polmone)

15 Inoltre, in ogni singolo istante lo spessore della parete alveolare non è uniforme ma varia da un punto all altro

16 Inoltre, vi sono differenze regionali di PAO2 e PACO2

17

18 La legge di Fick descrive quindi il flusso di gas tra aria e sangue per un singolo tratto di parete alveolare e parete capillare adiacente in un singolo momento durante il ciclo respiratorio La quantità totale di gas che fluisce sarà data dalla somma di tutti i singoli eventi di diffusione, per tutti i tratti di parete alveolare ed i tratti di parete capillare adiacenti, in tutti i momenti del ciclo respiratorio V gas complessivo = Tutti i tratti di parete alveolare Tutti gli istanti del ciclo respiratorio D Lgas (PAgas Pcgas)

19 Il coefficiente di diffusione D, che esprime la velocità con cui il gas si muove nel mezzo in cui è disciolto, è inversamente proporzionale alla radice quadrata del peso molecolare D α/ѵpm PM O 2 = 32 PM CO 2 = 44 D /D CO = (0.57/0.02) x Ѵ32/ Ѵ O2

20 Vgas = As x DP x D S *

21 Diffusione dell O 2 durante l esercizio fisico La richiesta di O 2 può aumentare fino a 20 volte Aumenta la GC e si riduce fino a un terzo il tempo di permanenza del sangue nei capillari polmonari La capacità di diffusione dell O 2 può aumentare di circa 3 volte (reclutamento capillare ed espansione alveolare)

22 Assunzione di O 2 nel sangue dei capillari polmonari c gradiente pressorio medio P co2 P co2 = 95mmHg (media integrata della P c O 2 rispetto alla distanza) Il flusso è guidato da un gradiente pressorio medio: P AO2 P co2 10 mmhg

23 Tempo di transito del sangue in un capillare polmonare: 0,75 sec dopo un tempo di 0.25sec si è raggiunto l equilibrio

24 Capacità di diffusione polmonare Vgas = D L P Dove P = P A P capillare media (media integrata della Pgas rispetto alla distanza) D L (Capacità di diffusione polmonare): volume di un dato gas che in 1 min diffonde attraverso la membrana alveolo-capillare per una differenza unitaria di pressione parziale (ml/minxmmhg) P co2 = 95mmHg (media integrata della PcO 2 rispetto alla distanza) Il flusso è guidato da un gradiente pressorio medio: P AO2 P co2 10 mmhg

25 Metodo per la stima del DLCO

26 Misura della capacità di diffusione del polmone per l O 2 D LCO = V CO /P ACO D O2 = 1,23 x D CO D LCO = 17 ml/minxmmhg D LO2 = 17 x 1,23 = 21 ml/minxmmhg (Capacità di diffusione del polmone per l O 2 )

27 Trasporto di O 2 dall aria alveolare all Hb L O 2 deve attraversare 12 minibarriere distinte ciascuna caratterizzata da una propria minicapacità di diffusione che contribuisce alla capacità di diffusione di membrana (D M ) complessiva 1 DM = D D2 D3 D4 D12 Il movimento dei gas tra alveolo e capillare non comporta solo la diffusione attraverso la barriera alveolo capillare, ma anche l interazione con l Hb

28 Il processo di captazione dell O 2 contenuto nell aria alveolare da parte dell emoglobina contenuta nei globuli rossi avviene in 2 stadi: 1) diffusione di O 2 attraverso la barriera sangue-gas capacità di diffusione dell O 2 nelle membrane alvelo capillare ed eritrocitaria, nel plasma e all interno dell eritrocita (D M ) 2) reazione dell O 2 con la molecola di Hb capacità di diffusione della velocità di legame tra O 2 ed Hb θ x Vc = capacità di diffusione della velocità di legame tra O 2 ed Hb del sangue capillare θ = volume di O 2 (ml) che nell unità di tempo (min) si combina con l Hb contenuta in 1 ml di sangue per gradiente unitario di pressione parziale (mmhg) Vc = volume di sangue nel distretto capillare polmonare DL, capacità di diffusione del polmone Il movimento dei gas tra alveolo e capillare non comporta solo la diffusione, ma anche l interazione con l Hb

29 E possibile quantificare l assunzione di O2 attraverso la membrana alveolo capillare anche utilizzando il principio di Fick Velocità di assunzione di O2 da parte dei polmoni Velocità di uscita di O2 dai polmoni Velocità di ingresso di O2 neipolmoni V O2 complessivo = Q x C ao2 Q x C vo2 V O2 complessivo = Q x (C ao2 C vo2 )

30 Limitazioni della diffusione e della perfusione sul trasporto dei gas All aumentare di DLCO aumenta la CaCO e quindi anche VCO complessivo Al diminuire della perfusione aumenta la CaCO, e VCO complessivo resta invariato Utilizziamo il principio di Fick per quantificare quanto CO è entrato nel sangue V CO complessivo = Q x (C aco ) Fine capillare polmonare

31 L assunzione di N 2 O sarà sempre la stessa al variare di DN 2 O L assunzione di N 2 O si ridurrà al ridursi della perfusione L assunzione di N 2 O è limitata dalla perfusione V N2O complessivo = Q x (C an2o )

32 Il trasferimento di O 2 è limitato dalla perfusione

33 Andamento della pressione parziale dell O 2 in funzione del tempo di permanenza nel capillare polmonare in diverse condizioni Capacità diffusionale anormale Capacità diffusionale fortemente anormale Deficit di equilibrazione differenza misurabile tra le PO 2 dell aria alveolare e del sangue al termine del capillare

34 Andamento della pressione parziale dell O 2 in diverse condizioni Deficit di equilibrazione Per meglio evidenziare un deficit di equilibrazione il soggetto respira una miscela d aria a basso contenuto di O 2. Si registra un deficit di equilibrazione: - Soggetto normale in corso di esercizio fisico - A riposo in condizioni moderatamente anormali -

35 Variazioni della P O2 nel sangue dei capillari polmonari, nel sangue arterioso e in quello dei capillari sistemici

36 Scambi capillari dei gas a livello tissutale

37 Assunzione di CO 2 da parte del sangue dei capillari tissutali

38 Effetto del flusso ematico e del consumo di O 2 sulla P O2 dei tessuti