Sistema respiratorio

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1 Sistema respiratorio

2 Respirazione esterna ed interna RESPIRAZIONE ESTERNA 1) Scambio di aria tra atmosfera e polmoni (ventilazione: inspirazione ed espirazione) - Sistema respiratorio 2) Scambio O 2 e CO 2 tra aria nei polmoni e sangue Sistema respiratorio 3) Trasporto O 2 e CO 2 nel sangue Sistema circolatorio 4) Scambio O 2 e CO 2 tra sangue e cellule dei tessuti sangue Sistema circolatorio RESPIRAZIONE INTERNA O CELLULARE

3 Anatomia funzionale Porzione toracica Sistema di conduzione o vie aeree Alveoli associati ai capillari Ossa e muscoli del torace e dell addome

4 Zona di conduzione e zona respiratoria Area trasversale (cm 2 ) 2.5 >1 x 10 6

5 Epitelio della vie aeree Le cellule epiteliali che rivestono le vie aeree e le ghiandole sottomucose secernono soluzione salina e muco Nella fibrosi cistica l inadeguata secrezione ionica porta a ricorrenti infezioni polmonari (senza soluzione salina le ciglia restano intrappolate nel musco denso)

6 Epitelio della zona di conduzione e respiratoria Trachea Bronchioli e alveoli

7 Zona respiratoria e alveolare I bronchioli terminali sono il punto di passaggio tra le vie aeree e l epitelio di scambio polmonare Tipi di cellule alveolari 95% Ogni alveolo è costituito da un sottile strato di epitelio di scambio

8 Accoppiamento alveoli-capillari polmonari (a ASx) Sangue venoso (da VDx) (da VDx) Sangue arterioso (a ASx) Funzione degli alveoli: scambio di gas tra l aria che contengono e il sangue dei capillari Una rete di capillari circonda ogni alveolo (copertura 80-90% della superficie alveolare) O 2 CO 2 Lo scambio dei gas è rapidissimo Spessore epitelio di scambio 1.5 m

9 Parete toracica e sacco pleurico I polmoni sono contenuti nella cavità toracica, il cui pavimento è costituito dal muscolo diaframma che la separa dalla cavità addominale. PLEURA E formata da cellule epiteliali e tessuto connettivo I polmoni non sono legati alla parete toracica da strutture fisiche ma aderiscono ad essa grazie alla presenza di un sottile strato di liquido (liquido pleurico o intrapleurico) contenuto nello spazio pleurico tra la pleura viscerale (che ricopre la superficie esterna dei polmoni) e la pleura parietale (che riveste la superficie interna della parete toracica). Gabbia toracica: sterno, coste, vertebre toraciche, muscoli intercostali.

10 Liquido intrapleurico (circa ml) Il sottile velo di liquido (volume di pochi ml) contenuto nel sacco pleurico ha composizione simile al liquido interstiziale. Si forma per filtrazione dai capillari della pleura parietale e viene assorbito attraverso la pleura viscerale e il sistema linfatico della pleura parietale. In condizioni fisiologiche il volume è mantenuto costante (patologiche: versamento pleurico; es. processi infiammatori del polmone, ostruzioni linfatiche). Funzioni Mantiene polmoni e parete toracica a stretto contatto permettendo così ai polmoni, che non possiedono strutture di sostegno o muscolatura propria che ne permettano l espansione, di seguire i movimenti della parete toracica determinati dai muscoli respiratori. Crea una superficie umida e scivolosa per lo scorrimento dei due foglietti pleurici.

11 Meccanica respiratoria La ventilazione è un processo attivo che utilizza la contrazione muscolare. Entità ed efficienza della ventilazione dipendono dall azione dei muscoli respiratori oltre che dalle proprietà elastiche dei polmoni, dalla resistenza al flusso d aria lungo le vie aeree e dai meccanismi di controllo respiratorio. Il flusso d aria in entrata e in uscita dai polmoni assomiglia al flusso di sangue lungo il sistema circolatorio; entrambi sono flussi di volume regolati da un gradiente di pressione (P). Nella ventilazione il gradiente di pressione è tra gli alveoli e l aria atmosferica. Pompa muscolare crea gradienti di P Flusso di aria da regioni a più alta P a più bassa P Resistenza al flusso è influenzata principalmente dal diametro dei condotti L aria è meno viscosa del sangue

12 Muscoli respiratori Le variazioni di volume dei polmoni sono dovute a variazioni di volume della cavità toracica causate dall attività contrattile dei muscoli respiratori che sono muscoli scheletrici innervati da motoneuroni somatici. I muscoli respiratori si dividono in muscoli delle vie aeree superiori e muscoli della pompa respiratoria. Muscoli delle vie aeree superiori Muscoli scheletrici innervati da motoneuroni dei nuclei dei nervi cranici (trigemino, facciale, vago, glossofaringeo) che regolano il diametro delle vie aeree superiori. Si contraggono alcuni ms prima di quelli della pompa assicurando la pervietà delle vie aeree che sono sprovviste di sostegno osseo o cartilagineo. Questi muscoli sono responsabili dell allargamento delle narici e della faringe, dello spostamento della lingua durante l inspirazione, della dilatazione della laringe a livello della rima della glottide che è il punto più stretto delle vie aeree extratoraciche. Disfunzioni di questi muscoli possono impedire una corretta pervietà delle vie aeree superiori (es. russare durante il sonno).

13 Muscoli della pompa respiratoria

14 Respirazione a riposo Uomo tipo DIAFRAMMATICO Donna tipo DIAFRAMMATICO-COSTALE

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16 La ventilazione comprende una fase di inspirazione in cui l aria entra nei polmoni ed una di espirazione in cui l aria esce dai polmoni. L inspirazione (INSP) avviene quando la pressione atmosferica (Patm) è maggiore di quella alveolare (Palv) e l aria entra quindi a livello degli alveoli. L espirazione (ESP) si ha quando la pressione negli alveoli (Palv) è maggiore di quella atmosferica (Patm) e l aria esce dagli alveoli.

17 Leggi dei gas Legge di Boyle PV = k a T = k Legge dei gas ideali PV =nrt

18 Cambiamenti pressori

19 Pressione intrapleurica (Pip) Forze elastiche opposte esercitate dalla parete toracica e dai polmoni tendono a separare le due pleure ma le due strutture non sono libere di seguire le rispettive forze e di raggiungere il proprio volume di equilibrio, grazie all adesione assicurata dal liquido pleurico. -4 mmhg La trazione esercitata dalle due strutture sullo spazio pleurico interposto rende più negativa la pressione all interno dello spazio (Pressione intrapleurica, Pip). E la Pip negativa (cioè inferiore a quella atmosferica) in tutte le fasi della respirazione che assicura l accoppiamento meccanico tra polmone e parete toracica, mantenendo funzionalmente adese le due strutture senza che possano separarsi l una dall altra. I meccanismi di assorbimento del liquido pleurico generano un azione di aspirazione che contribuisce a ridurre la Pip.

20 Il sistema polmone + parete toracica è in equilibrio quando le forze elastiche delle due strutture si bilanciano esattamente. Questo avviene al normale volume di riposo dei polmoni (2-3 l) che è quello prima di una inspirazione e alla fine di una espirazione. A questo volume di riposo, la Pip è di circa -4mmHg. Pneumotorace Condizione in cui entra aria nello spazio pleurico a causa della rottura del sacco pleurico, con conseguente collasso polmonare. Pneumotorace spontaneo si ha quando uno stato patologico (polmonite, enfisema, cisti) danneggia la parete della pleura; pneumotorace da trauma si verifica quando si ha rottura accidentale del foglietto parietale (coltello, arma da fuoco, strumenti chirurgici). In entrambi i casi si ha ingresso di aria nello spazio pleurico con azzeramento della pressione intrapleurica con conseguente collasso del polmone (a causa delle forze elastiche) ed espansione della parete toracica.

21 Pressioni associate alla ventilazione L ingresso e l uscita di aria dai polmoni avvengono grazie alle variazioni cicliche della Pressione alveolare (Palv) dovute all attività dei muscoli respiratori. P atmosferica (Patm) P alveolare (Palv) P intrapleurica (Pip) P transpolmonare (Palv-Pip) La pressione transpolmonare è la differenza di pressione tra interno ed esterno del polmone (Palv- Pip) ed è responsabile delle variazioni di volume del polmone.

22 1 cm H 2 O 0.75 mmhg 1kPa = 7.5 mmhg =10 cm H 2 O

23 Sintesi degli eventi dell inspirazione e dell espirazione L espirazione tranquilla è un processo passivo.

24 L inspirazione comincia con la stimolazione nervosa dei muscoli respiratori. L espirazione tranquilla non richiede la contrazione muscolare. L espirazione attiva o forzata coinvolge la contrazione dei muscoli intercostali interni e addominali.

25 Variazioni di pressione nella respirazione tranquilla La P alveolare è uguale alla P atm solo quando non c è flusso aereo nelle vie respiratorie (cioè alla fine della INSP e della ESP). INSP = i polmoni si espandono e gli alveoli si dilatano, la P alveolare diventa < della P atm e l aria è richiamata dentro i polmoni ESP = il volume polmonare si riduce e la P alveolare diventa > della P atm e l aria fuoriesce.

26 Il ciclo respiratorio Un singolo atto respiratorio è costituito da una fase di inspirazione seguita da una di espirazione. Durante la respirazione più profonda i volumi di aria scambiati e il flusso di aria nelle vie aeree aumentano: INS le variazioni di P ip e P alv sono maggiori aumenta il gradiente pressorio tra alveoli ed ambiente aumenta il volume d aria inspirata; ESP aumenta anche l aria espirata grazie alla forza aggiunta dalla contrazione dei muscoli espiratori Variazioni durante un atto respiratorio normale

27 Volumi e capacità polmonari La funzionalità respiratoria viene valutata misurando il volume d aria che un soggetto può inspirare ed espirare. Spirometria E una tecnica usata per valutare la funzionalità respiratoria. Spirogramma: registrazione degli atti respiratori in funzione del tempo SPIROMETRO Durante l INS la campana si sposta verso il basso, durante l ESP verso l alto. La penna collegata al contrappeso si muove in direzione opposta alla campana

28 Gli spirometri di oggi sono computerizzati PNEUMOTACOGRAFO Si registra un segnale proporzionale al flusso di aria in entrata e uscita dai polmoni che viene poi integrato con un circuito elettronico per ottenere il volume. Con la spirometria si possono misurare 3 dei 4 volumi polmonari che non si sovrappongono e che costituiscono insieme la capacità polmonare totale (CPT)

29 Volumi e capacità polmonari misurati con la spirometria VR: quantità di aria che non può essere mobilizzata e che resta nell albero tracheobronchiale dopo una ESP forzata. Aumenta se l efficienza polmonare si riduce (es. enfisema polmonare)

30 Con la spirometria si possono distinguere malattie polmonari ostruttive che determinano un aumento della resistenza delle vie respiratorie e restrittive che riguardano problemi di espansione polmonare. Le capacità sono la somma di due o più volumi CAPACITA FUNZIONALE RESIDUA (CFR): E il volume di riposo del sistema respiratorio. E la frazione di aria che rimane nell albero respiratorio anche nell intervallo tra successivi atti respiratori, permanendo in scambio gassoso con il sangue. La CFR si modifica con la posizione corporea ( > posizione seduta, < sdraiati) CAPACITA VITALE : E il massimo volume di aria che può essere mobilizzato dall apparato respiratorio. CV Forzata :ESP massimale+ INSP massimale VE Forzato in 1 sec: volume espirato nel primo sec dell ESP forzata (~80% della CV Forzata; se ridotto, aumento resistenza vie aeree, riduzione ritorno elastico del polmone, indebolimento muscoli espiratori).

31 Ventilazione polmonare E il volume di aria che entra ed esce dai polmoni in un minuto. Ventilazione polmonare totale = Frequenza ventilatoria x Volume corrente = 12 atti/min x 500 ml/atto = 6000 ml/min DURANTE ESERCIZIO frequenza respiratoria e volume corrente

32 Non tutta l aria inspirata raggiunge gli alveoli dove avvengono gli scambi gassosi, ma una parte rimane nelle vie aeree di conduzione (spazio morto anatomico di circa 150 ml).

33 Effetti dello spazio morto anatomico sulla ventilazione Nell INS, l aria vecchia dello spazio morto anatomico (150 ml) torna agli alveoli, seguita da 350 ml di nuova aria ambiente. Durante l ESP, prima viene espirata l aria dello spazio morto (150 ml) che non ha partecipato agli scambi alveolari e poi l aria (350 ml) proveniente dagli alveoli.

34 SPAZIO MORTO ANATOMICO Volume di aria intrappolata nelle vie aeree di conduzione 500 ml 150 ml = 350 ml di aria fresca raggiungono gli alveoli ad ogni INSP. A fine ESP, nello spazio morto sono contenuti 150 ml del VC espulsi dallo spazio alveolare ( la composizione dell aria dello spazio morto è = a quella alveolare). SPAZIO MORTO FISIOLOGICO Volume di aria che non partecipa allo scambio gassoso SOGGETTO SANO è = allo spazio morto anatomico. SOGGETTO AFFETTO DA PATOLOGIA RESPIRATORIA lo spazio morto fisiologico diviene maggiore dello spazio morto anatomico, poiché esistono aree polmonari dove non avviene scambio gassoso tra aria alveolare e sangue. Esistono differenze di ventilazione nelle diverse zone del polmone, ovvero il volume di aria che entra nei polmoni durante l INS non si distribuisce in modo uniforme. In posizione eretta, l aria si dirige principalmente verso le regioni inferiori a causa dell effetto della gravità sul tessuto polmonare.

35 Ventilazione polmonare ed alveolare FREQUENZA RESPIRATORIA circa 15 atti respiratori / min VENTILAZIONE POLMONARE o VENTILAZIONE MINUTO quantità di aria che entra ed esce nell apparato respiratorio in un minuto VC x atti resp / min = 500 ml x 15 atti resp/min = 7500 ml /min VENTILAZIONE ALVEOLARE quantità di aria alveolare che viene sostituita con aria atmosferica in un minuto (VC VM) x atti resp / min = ( ) ml x 15 atti resp/min = 5250 ml /min Per aumentare la ventilazione alveolare al minuto è più efficace aumentare Vc che la frequenza respiratoria.

36 Proprietà elastiche del polmone e resistenza delle vie aeree Un adeguata ventilazione dipende dalla capacità dei polmoni di espandersi normalmente. La maggior parte del lavoro ventilatorio è utilizzato per vincere le resistenze all espansione dei polmoni ma è influenzato anche dalla resistenza al flusso d aria lungo le vie aeree. Complianza (o compliance): è una misura della capacità dei polmoni di espandersi. (diminuzione: patologie polmonari restrittive; fibrosi polmonare) Elastanza: inverso della compliance, indica la capacità del polmone espanso di ritornare al proprio volume. Surfactante: riduce la tensione superficiale degli alveoli, aumentando la complianza polmonare e diminuendo così il lavoro respiratorio. Il diametro delle vie respiratorie determina invece la resistenza al flusso d aria.

37 Compliance polmonare La compliance del polmone (CP) è data dal rapporto tra le variazioni di volume polmonare ( V) e le variazioni di pressione transpolmonare ( P) dove P = Palv- Pip CP = V / P La CP dipende dall elasticità dei polmoni (forza elastica sviluppata dalle fibre di elastina e collagene del tessuto polmonare che si oppongono all espansione polmonare ma che ne garantiscono il corretto ritorno alla posizione iniziale) e dalla tensione superficiale del liquido che ricopre gli alveoli. Quando il tessuto polmonare si espande anche lo strato di liquido che riveste gli alveoli si estende. Il lavoro muscolare richiesto per l espansione non serve quindi solo per stirare la componente elastica del tessuto polmonare ma anche per aumentare la superficie del sottile strato di liquido che ricopre gli alveoli ovvero per vincere la tensione superficiale. La tensione superficiale diminuisce la CP rendendo i polmoni meno estensibili; inoltre tende a fare collassare gli alveoli.

38 Compliance polmonare Relazione pressione-volume del polmone isolato CP = V / P Simula l azione dei muscoli inspiratori (riduce Pip) Polmone espanso con aria A volumi minori il polmone si espande con più difficoltà (bassa C); nel secondo tratto la pendenza è maggiore; nel tratto finale il tessuto polmonare si oppone ad ulteriori distensioni. Isteresi polmonare: ad ogni valore di pressione corrisponde un volume maggiore durante lo svuotamento

39 Diagramma pressione/volume del polmone nella respirazione normale e in quella forzata

40 Relazione volume-pressione in vivo La CP diminuisce rispetto al normale se il tessuto polmonare si ispessisce e aumenta rispetto al normale se il tessuto polmonare è danneggiato Se la CP è elevata il polmone si espande facilmente ma ha una minore forza di ritorno elastico e si svuota più lentamente. CP = V / P normale Se la CP è bassa i muscoli inspiratori devono compiere un lavoro maggiore per l espansione, ma l espirazione è più veloce. Enfisema (patologia degenerativa in cui il tessuto polmonare è danneggiato da fumo, infezioni respiratorie croniche, irritanti ambientali) compliance Invecchiamento, fibrosi (maggiore ispessimento del tessuto polmonare), tubercolosi (presenza di tessuto cicatriziale) compliance

41 Tensione superficiale La tensione superficiale è una forza che agisce quando è presente un interfaccia arialiquido. Le forze di attrazione tra le molecole di liquido sono più forti di quelle tra le stesse molecole e le molecole dell aria sovrastante. Le molecole interne sono in equilibrio tra loro. Sulla superficie (interfaccia aria-liquido) si ha invece una compressione verso l interno. La superficie di un liquido si comporta quindi come una membrana elastica.

42 Tensione superficiale alveolare A livello del liquido che ricopre gli alveoli la tensione superficiale abbassa la compliance polmonare rendendo i polmoni meno estensibili e tende a fare collassare gli alveoli. Polmone espanso soluzione fisiologica Polmone espanso con aria In condizioni normali la tensione superficiale che ostacola l espansione del polmone è minore grazie alla presenza del tensioattivo polmonare.

43 Surfattante polmonare o surfactante SURFace ACTive AgeNT Complesso tensioattivo secreto dagli pneumociti di tipo II, composto da una miscela di fosfolipidi, 85% DPPC (dipalmitoilfosfatidilcolina), e in misura minore da proteine, che riduce la tensione superficiale degli alveoli. Si forma negli ultimi mesi di gestazione difficoltà respiratorie nei neonati prematuri (<24 settimana) Il surfactante riduce il lavoro respiratorio perché riducendo la tensione superficiale, la compliance polmonare aumenta. Inoltre il surfactante stabilizza gli alveoli più piccoli evitando il loro collasso in quelli più grandi.

44 Legge di Laplace Capire il concetto