Fornire ossigeno (O 2 ) ai tessuti. Eliminare dall organismo l anidride carbonica (CO 2 ), che si forma nei tessuti in seguito al metabolismo

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1 RESPIRAZIONE

2 Funzione della respirazione: Fornire ossigeno (O 2 ) ai tessuti Eliminare dall organismo l anidride Eliminare dall organismo l anidride carbonica (CO 2 ), che si forma nei tessuti in seguito al metabolismo

3 EVENTI COINVOLTI NEL PROCESSO DI SCAMBIO GASSOSO Ventilazione polmonare movimento di aria dall'esterno all'interno del polmone e viceversa Diffusione alveoli - sangue di O 2 e CO 2 attraverso la membrana respiratoria Gli scambi avvengono in maniera ottimale se il rapporto Ventilazione-Perfusione polmonare è normale Trasporto di O 2 e CO 2 nel sangue Diffusione sangue-tessuti di O 2 e CO 2 Utilizzazione O 2 e produzione CO 2 nelle cellule

4 Bronchioli Arterie, vene e nervi bronchiali Branca vena polmonare Fibre elastiche Capillari Branca arteria polmonare Muscolo liscio Vasi linfatici Alveoli Fibre elastiche Pneumociti II tipo Pneumociti I tipo Capillari Macrofagi Cellule endotelio capillare Lo scambio di O 2 e CO 2 avviene a livello dell unità alveolocapillare. Gli alveoli (~ ) formano una superficie di scambio di circa 140 m 2 e sono formati da pneumociti di I tipo, per gli scambi gassosi, e pneumociti di II tipo, che sintetizzano il surfattante polmonare.

5 Il passaggio di O 2 dall alveolo al sangue e di CO 2 dal sangue all alveolo avviene per diffusione attraverso la membrana respiratoria formata da: Epitelio alveolare Membrana basale Endotelio capillare La diffusione è facilitata dal ridotto spessore della membrana respiratoria μm.

6 Faringe Corde vocali Esofago Polmone Ds Bronco Ds Cavità nasali Lingua Laringe Trachea Polmone Sn Bronco Sn Il ricambio di aria negli alveoli è un processo intermittente che dipende dal ciclo respiratorio (12-14 atti respiratori/min). In condizioni normali con l inspirazione entra un volume di aria: volume corrente = 500 ml che si diluisce in un volume già presente nel polmone: capacità funzionale residua = 2.3 l Diaframma

7 Bronco primario Sn Bronco secondario Laringe Trachea L aria entra nel polmone attraverso le vie aeree di conduzione: trachea e bronchi (dotati di anelli cartilaginei per evitare il collasso) Dai bronchi primari si formano 23 generazioni di bronchi secondari fino agli alveoli Bronchioli Alveoli

8 Le vie aeree fino alla 17 a generazione (vie di conduzione) non partecipano agli scambi gassosi (spazio morto anatomico). Gli scambi avvengono dopo la 17 a generazione dove sono localizzati gli alveoli. Il progressivo aumento della sezione trasversa totale delle vie aeree, disposte in parallelo, determina la progressiva riduzione della velocità dell aria.

9 Nelle vie aeree di conduzione l aria è riscaldata, umidificata (per contatto con il secreto che bagna la mucosa) e depurata (muco trattiene la polvere che viene eliminata attraverso il meccanismo di scala mobile mucociliare) Il numero delle goblet Cilia muovono muco verso la faringe Particelle polvere Strato muco Strato acquoso Cilia Cellule caliciformi Goblet cells Cellule colonnari cells diminuisce tra la 5 a e la 12 a divisione bronchiale. Nel tabagismo e in presenza di sostanze inquinanti aumenta il loro numero con riduzione del calibro delle vie aeree Membrana basale

10 Modificazione calibro delle vie aeree - Sistema nervoso parasimpatico (vago, Ach): Broncocostrizione (riflessi attivati da agenti irritanti, stimoli meccanici, CO 2 ) - Adrenalina circolante Broncodilatazione - Sistema nervoso simpatico (Noradrenalina) Broncocostrizione (effetto scarso) agisce prevalentemente su arterie bronchiali e ghiandole - Fattori locali rilasciati durante infiammazioni (Prostaglandine) o reazioni allergiche (Istamina dai mastociti) Broncocostrizione

11 Condizioni di Flusso: Laminare: bronchioli minori Turbolento: vie aeree più grandi (numero di Reynolds > 2000) Transizionale: a livello delle biforcazioni e quando aumenta la velocità.

12 Ventilazione polmonare: volume di aria inspiratoespirato nell unità di tempo. Vp = Vc x Fr Vc = volume corrente = volume inspirato-espirato ad ogni atto respiratorio = 500 ml Fr = frequenza respiratoria 14 respiri/min Vp = 7 l/min Vp = V A (alveolare) + V D (spazio morto) V A = (V C - V D ) x Fr In condizioni normali V D = 150 ml V A = ( ) x 14 = 4.9 l/min

13 Il movimento di aria dall esterno all interno del polmone è determinato da un gradiente di pressione ( P) tra esterno (P atmosferica) e interno (P alveolare). In condizioni naturali l aria entra nel polmone perché durante l inspirazione la P alveolare diventa minore della P atmosferica (ventilazione a P negativa) Nella respirazione artificiale (respiratori) l aria viene spinta nel polmone aumentando la P alla bocca al di sopra del valore della P alveolare (ventilazione a P positiva) Nell analisi della funzionalità polmonare la P viene solitamente misurata in KPa o cmh 2 O, non in mmhg. 1KPa = 7.5 mmhg = 10.2 cmh 2 O

14 Per la Legge di Boyle P.V = K La P alveolare cambia se cambia il volume polmonare. Inspirazione (ingresso aria): Inspirazione (ingresso aria): volume polmone P alveolare Espirazione (uscita aria): volume polmone P alveolare

15 Polmone Ds Aorta Esofago Il polmone privo di Polmone Sn strutture di sostegno o muscolari è attaccato alla gabbia toracica tramite le pleure (parietale e viscerale). Il volume del polmone varia solo se varia il volume della gabbia toracica. Cavità pleurica Ds Pleure Cavità pericardica Cavità pleurica Sn La cavità pleurica contiene un velo di liquido che consente lo scivolamento dei foglietti pleurici. L adesione tra le pleure è mantenuta dalla continua aspirazione dei linfatici, che impediscono l accumulo di liquido nello spazio pleurico, evitando lo scollamento del polmone dalla parete toracica. Nella cavità pleurica esiste una P (Pressione endopleurica) con un valore subatmosferico (negativa) di circa -5 cmh 2 O

16 Condizione di equilibrio per polmone e gabbia toracica La P endopleurica negativa è espressione di queste due forze opposte, che tendono a dilatare lo spazio pleurico. Polmone in equilibrio Gabbia toracica in equilibrio Sistema toracopolmonare in equilibrio Polmone e gabbia toracica sono strutture elastiche che attaccate insieme non sono al loro equilibrio elastico. polmone soggetto a una forza di retrazione verso l interno. Se isolato dalla gabbia toracica collassa. gabbia toracica soggetta a una forza di retrazione verso l esterno. Se isolata dal polmone si espande. La tendenza del torace ad espandersi e quella del polmone a retrarsi producono forze opposte che determinano la pressione endopleurica negativa (sub-atmosferica).

17 Condizione di riposo A riposo (fine di una espirazione normale (capacità funzionale residua, CFR), la forza di retrazione elastica del polmone è perfettamente controbilanciata da quella della gabbia toracica. Le due forze sono uguali e contrarie ed il sistema torace-polmone è in equilibrio.

18 L esistenza di forze elastiche uguali e contrarie è dimostrata dal fatto che quando entra aria nello spazio pleurico (pneumotorace), il polmone collassa e la gabbia toracica si espande.

19 Pressioni alla CFR Pressione atmosferica 101 KPa = 760 mmhg = 1030 cmh 2 O considerata punto di riferimento 0 P intrapolmonare (alveolare) Pi = 0 P delle vie aeree = 0 Forze di retrazione elastca P endopleurica Pe = -5 cmh 2 O Alla fine di una espirazione normale (CFR, condizione di equilibrio) Pe =-5 cmh 2 O, Pi è 0, perché il polmone è in connessione con l esterno.

20 Condizione di riposo (CFR) Pleure Maggiore è la tendenza alla retrazione del polmone maggiore sarà la negatività endopleurica. Minore è la tendenza alla retrazione del polmone minore sarà la negatività endopleurica. Per aumentare il volume del polmone oltre la CFR (equilibrio del sistema torace-polmone) = inspirazione bisogna vincere le forze di retrazione del polmone con la contrazione dei muscoli inspiratori. L espirazione tranquilla è un processo passivo. - 5 cmh 2 OIl rilasciamento dei muscoli inspiratori fa sì che il sistema torni alla condizione di equilibrio (CFR) grazie alle forze di retrazione del polmone. Per ridurre il volume del polmone sotto la CFR = espirazione forzata bisogna vincere la forza di retrazione della gabbia toracica con la contrazione dei muscoli espiratori.

21 Cranio Trasverso P A Caudale Ms. Inspiratori volume gabbia toracica Diaframma C-C + T Intercostali esterni A-P + T Sternocleidomastoidei A-P + T Scaleni C-C Ms. Espiratori volume gabbia toracica (espirazione forzata: esercizio fisico, fonazione, canto, fase espiratoria starnuto e tosse) Intercostali interni, Addominali, Accessori (Grande dorsale, Dentato posterioreinferiore, Quadrato dei lombi)

22 Durante l atto respiratorio: il volume del polmone aumenta perché aumenta il volume della gabbia toracica, grazie alla contrazione dei muscoli inspiratori, che compiono un lavoro per vincere le forze di retrazione elastica del polmone. Contrazione muscoli inspiratori Volume cavità toracica Volume polmoni Negatività P e P i Si crea flusso di aria. Aria entra nei polmoni. Alla fine dell inspirazione P i = P atm P e è più negativa

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24 Spazio pleurico Diaframma Diaframma: principale muscolo inspiratorio, innervato dai nervi frenici (motoneuroni a livello di C3-C5). Contrazione diametro cranio-caudale e trasverso della gabbia toracica volume (inspirazione tranquilla: ml, inspirazione forzata: 2-4l). L efficienza del diaframma diminuisce nella donna durante la gravidanza, negli obesi e per compressione della parete addominale.

25 Rilasciamento ritorno gabbia toracica al volume di partenza (espirazione tranquilla). La muscolatura espiratoria deve contrarsi solo nell espirazione forzata o in condizioni patologiche.

26 Vertebre Costola Vertebre Costola Sterno Muscoli intercostali esterni (nervi intercostali, T1-T11), attaccati alle costole e disposti obliquamente dall alto in basso e in avanti. La loro contrazione determina innalzamento delle costole ed aumento del diametro anteroposteriore della gabbia toracica. Le costole superiori vengono contemporaneamente sollevate dai muscoli scaleni.

27 Spirometria Permette la misura diretta dei volumi respiratori. Il soggetto inspira aria dallo spirometro o espira aria nello stesso, la diminuzione o l aumento del volume di aria nello spirometro determinano abbassamenti o innalzamenti della campana, che vengono registrati su carta come spirogramma e corrisopondono ad aumenti o diminuzioni del volume del polmone.

28 Volumi polmonari Volume corrente (500 ml) volume inspirato ed espirato in un atto respiratorio normale Volume di riserva inspiratoria (3000 ml) massimo volume inspirabile oltre il volume corrente Volume di riserva espiratoria (1100 ml) massimo volume espirabile oltre il volume corrente Volume residuo (1200 ml) volume che rimane nei polmoni alla fine di una espirazione massimale

29 Capacità polmonari Capacità funzionale residua: volume di fine espirazione tranquilla (VRE+VR = 2300 ml) Capacità inspiratoria: massimo volume inspirabile a partire dalla CFR (VC+VRI = 3500 ml) Capacità vitale: massimo volume espirabile partendo dalla massima inspirazione (VC+VRI+VRE = 4600 ml) Capacità polmonare totale: volume dei polmoni alla fine di un inspirazione massimale (VC+CV = 5800 ml)

30 Variazioni con l età

31 Parte del volume di aria inspirato non raggiunge gli alveoli ma rimane nelle vie aeree di conduzione ed è definito SPAZIO MORTO ANATOMICO ( 150 ml nell adulto). Lo spazio morto anatomico + lo spazio determinato da alveoli che, per problemi di perfusione, non partecipano agli scambi è detto SPAZIO MORTO FISIOLOGICO. In un soggetto sano gli alveoli che non partecipano agli scambi sono in numero ridotto, quindi lo spazio morto fisiologico corrisponde allo spazio morto anatomico.

32 Ventilazione polmonare: V P = V. c Fr Vc (volume corrente) = 500 ml Fr (frequenza respiratoria) = 12 respiri/min V P = 6 l/min Ventilazione alveolare: V A = (V C - V D ). Fr V A = ( ). 12 = 4.2 l/min Una ventilazione adeguata dipende dalla capacità dei polmoni di espandersi (compliance). La maggior parte del lavoro respiratorio viene utilizzato per vincere le resistenze del polmone all espansione.

33 Maggiore pendenza: Maggiore compliance Minore pendenza: Minore compliance Normale La compliance è descritta dalla relazione volumepressione ( V/ P). La compliance diminuisce nelle patologie in cui il polmone diventa più rigido (patologie restrittive, fibrosi ecc.) ed aumenta in quelle in cui il polmone è meno rigido (enfisema). In un polmone che si espande facilmente le forze di retrazione elastica si riducono con conseguente difficoltà allo svuotamento (espirazione).

34 Il comportamento elastico del polmone dipende da: Componenti elastiche del tessuto polmonare formato da fibre di elastina (facilmente distensibili) e collagene (meno distensibili). Tensione superficiale, che si genera nell alveolo per l esistenza dell interfaccia aria-liquido.

35 Tensione superficiale alveolare Aria Acqua La struttura polare dell acqua genera forze di attrazione. Le molecole in superficie, a differenza di quelle interne al liquido, sono soggette solo a forze che agiscono dal basso e lateralmente, ma non dall alto. Le forze non si equilibriano e generano all interfaccia aria-acqua una forza risultante diretta verso l interno del fluido (Forza di Tensione superficiale). La Tensione superficiale ha un duplice effetto: Tende a ridurre al minimo il volume dell alveolo. Si oppone alla forza esercitata per aumentare il volume dell alveolo. Quindi, contrastando l espansione dell alveolo, contribuisce ad aumentare la forza di retrazione elastica del polmone riducendone la complance.

36 La tensione superficiale (T) in una bolla genera pressione (P). La relazione tra T e P è stabilita dalla Legge di Laplace Legge di Laplace P = 2T/r P = pressione T = Tensione superficiale r = raggio

37 P P Unico alveolo A parità di T superficiale, la P è maggiore negli alveoli piccoli rispetto a quelli grandi, con conseguente tendenza degli alveoli piccoli a svuotarsi in quelli grandi. Questo porterebbe a riduzione del numero degli alveoli e quindi della superficie di scambio.

38 La T superficiale è ridotta dal tensioattivo polmonare (surfattante). L effetto del surfattante dipende dall estensione della superficie alveolare, per cui la T è contrastata maggiormente negli alveoli piccoli rispetto a quelli grandi. Questo comportamento dipende dalla maggiore concentrazione del surfattante negli alveoli piccoli rispetto a quelli grandi.

39 Gas Liquido Gas Liquido Palmitato Glicerolo Fosfato Colina Il surfattante è un fosfolipide: Dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) prodotto dai pneumociti di II tipo. Si dispone sulla superficie alveolare con la parte polare, idrofila, immersa nella fase liquida e la parte non polare, idrofoba, rivolta verso la fase gassosa. Le molecole di tensioattivo sono compresse durante la espirazione ed espanse durante l inspirazione ll ricambio delle molecole di surfattante è favorito dall espansione polmonare.

40 Il surfattante riduce la T superficiale quindi: Aumenta la compliance polmonare Mantiene la stabilità alveolare Impedisce il collasso degli alveoli (atelettasia) a bassi volumi Il surfattante si forma tra il IV-VII mese di gravidanza (completo all 34 settimana), la sua mancanza è causa della sindrome da distress respiratorio del neonato. La mancanza di surfattante nell adulto causa la sindrome da distress respiratorio dell adulto (polmone da shock).

41 Resistenza delle vie aeree

42 4 La Resistenza delle vie aeree diminuisce durante l inspirazione V polmonare calibro vie aeree R: Condotti distesi perchè P e diventa più negativa retrazione elastica degli alveoli che esercita una maggiore trazione meccanica sulle pareti delle vie aeree Resistenza vie aeree (cmh 2 0/l/sec) resistenza vie aeree per blocco sistema parasimpatico Volume polmonare (litri)

43 Le Resistenze delle vie aeree aumentano durante l espirazione forzata Nell espirazione forzata la P e diventa positiva, le vie aeree più piccole collassano A bassi volumi diminuisce la forza di retrazione alveolare e quindi la trazione meccanica sulle vie aeree Nelle patologie come l enfisema polmonare, la distruzione del tessuto elastico e la ridotta capacità di retrazione del polmone, riducono la trazione applicata sulle vie aeree. La resistenza è elevata sia durante l inspirazione che durante l espirazione.

44 CPT Un test per valutare la funzionalità polmonare e la resistenza delle vie aeree è rappresentato dalla misura, mediante uno spirometro, della capacità vitale forzata (FVC) cioè il volume di aria espirato forzatamente partendo dalla CPT. Si valuta il FEV 1 (volume di aria espirato nel primo secondo) e si esprime come FEV 1 /FVC %.

45 Soggetto normale: FEV 1 /FVC% = 80% (80% del volume espirato è espulso nel primo secondo) Patologie ostruttive (maggiore resistenza delle vie aeree): FEV 1 /FVC% < 80% Patologie restrittive (difficoltà del sistema toraco-polmonare ad espandersi): FEV1/FVC% > 80% (volumi polmonari ridotti)