Fondamenti di fisiologia respiratoria

La funzione principale (anche se non l'unica) dei polmoni è quella di garantire il normale scambio gassoso. La respirazione esterna è il processo di scambio gassoso tra l'aria atmosferica e il sangue nei capillari polmonari, che determina l'arterializzazione della composizione del sangue: la pressione dell'ossigeno aumenta e la pressione della CO₂ diminuisce. L'intensità dello scambio gassoso è determinata principalmente da tre meccanismi fisiopatologici (ventilazione polmonare, flusso ematico polmonare, diffusione dei gas attraverso la membrana alveolo-capillare), che sono forniti dal sistema respiratorio esterno.

Ventilazione polmonare

La ventilazione polmonare è determinata dai seguenti fattori (AP Zilber):

1. apparecchio di ventilazione meccanica, che dipende principalmente dall'attività dei muscoli respiratori, dalla loro regolazione nervosa e dalla mobilità delle pareti toraciche;
2. elasticità e distensibilità del tessuto polmonare e del torace;
3. pervietà delle vie aeree;
4. distribuzione intrapolmonare dell'aria e sua corrispondenza con il flusso sanguigno nelle diverse parti del polmone.

Quando uno o più dei fattori sopra menzionati vengono alterati, possono svilupparsi disturbi della ventilazione clinicamente significativi, che si manifestano con diversi tipi di insufficienza respiratoria ventilatoria.

Tra i muscoli respiratori, il ruolo più significativo spetta al diaframma. La sua contrazione attiva porta a una diminuzione della pressione intratoracica e intrapleurica, che diventa inferiore alla pressione atmosferica, determinando l'inspirazione.

L'inspirazione avviene attraverso la contrazione attiva dei muscoli respiratori (diaframma), mentre l'espirazione avviene principalmente grazie alla trazione elastica del polmone stesso e della parete toracica, creando un gradiente di pressione espiratoria che, in condizioni fisiologiche, è sufficiente a espellere l'aria attraverso le vie aeree.

Quando è necessario aumentare il volume di ventilazione, i muscoli intercostali esterni, scaleni e sternocleidomastoidei (muscoli inspiratori aggiuntivi) si contraggono, il che porta anche a un aumento del volume del torace e a una diminuzione della pressione intratoracica, facilitando l'inspirazione. I muscoli espiratori aggiuntivi sono considerati i muscoli della parete addominale anteriore (obliqui esterni e interni, retti e trasversi).

Elasticità del tessuto polmonare e della parete toracica

Elasticità dei polmoni. Il movimento del flusso d'aria durante l'inspirazione (nei polmoni) e l'espirazione (fuori dai polmoni) è determinato dal gradiente di pressione tra l'atmosfera e gli alveoli, la cosiddetta pressione transtoracica (P _tr / _t ):

Рtr/t = Рalv Рatm _dove Рalv _è la pressione alveolare e Рatm _è la pressione atmosferica.

Durante l'inspirazione, P _alv e P _tr/t diventano negativi, durante l'espirazione diventano positivi. Alla fine dell'inspirazione e alla fine dell'espirazione, quando l'aria non si muove lungo le vie aeree e la glottide è aperta, P _alv è uguale a P _atm.

Il livello di P _alv dipende a sua volta dal valore della pressione intrapleurica (P _pl ) e dalla cosiddetta pressione di ritorno elastico del polmone (P _el ):

La pressione di ritorno elastico è la pressione creata dal parenchima elastico del polmone e diretta all'interno del polmone. Maggiore è l'elasticità del tessuto polmonare, maggiore deve essere la diminuzione della pressione intrapleurica affinché il polmone si espanda durante l'inspirazione e, di conseguenza, maggiore deve essere il lavoro attivo dei muscoli respiratori inspiratori. Un'elevata elasticità favorisce un collasso più rapido del polmone durante l'espirazione.

Un altro indicatore importante, l'inverso dell'elasticità del tessuto polmonare - la compliance polmonare apatica - è una misura della compliance del polmone quando è in estensione. La compliance (e l'entità della pressione di ritorno elastico) del polmone è influenzata da molti fattori:

1. Volume polmonare: a basso volume (ad esempio all'inizio dell'inspirazione) il polmone è più flessibile. A volume elevato (ad esempio al culmine della massima inspirazione) la compliance polmonare diminuisce drasticamente e si annulla.
2. Contenuto di strutture elastiche (elastina e collagene) nel tessuto polmonare. L'enfisema polmonare, notoriamente caratterizzato da una diminuzione dell'elasticità del tessuto polmonare, è accompagnato da un aumento dell'estensibilità polmonare (una diminuzione della pressione di ritorno elastico).
3. L'ispessimento delle pareti alveolari dovuto al loro edema infiammatorio (polmonite) o emodinamico (ristagno di sangue nei polmoni), nonché la fibrosi del tessuto polmonare riducono significativamente l'estensibilità (compliance) del polmone.
4. Forze di tensione superficiale negli alveoli. Si generano all'interfaccia tra gas e liquido, che riveste gli alveoli dall'interno con una sottile pellicola, e tendono a ridurre l'area di questa superficie, creando una pressione positiva al loro interno. Pertanto, le forze di tensione superficiale, insieme alle strutture elastiche dei polmoni, assicurano un efficace collasso degli alveoli durante l'espirazione e allo stesso tempo impediscono il raddrizzamento (stiramento) del polmone durante l'inspirazione.

Il tensioattivo che riveste la superficie interna degli alveoli è una sostanza che riduce la tensione superficiale.

Maggiore è l'attività del tensioattivo, più è denso. Pertanto, durante l'inspirazione, quando la densità e, di conseguenza, l'attività del tensioattivo diminuiscono, le forze di tensione superficiale (ovvero le forze che tendono a ridurre la superficie degli alveoli) aumentano, contribuendo al successivo collasso del tessuto polmonare durante l'espirazione. Al termine dell'espirazione, la densità e l'attività del tensioattivo aumentano e le forze di tensione superficiale diminuiscono.

Pertanto, dopo la fine dell'espirazione, quando l'attività del tensioattivo è massima e le forze di tensione superficiale che impediscono il raddrizzamento degli alveoli sono minime, il successivo raddrizzamento degli alveoli durante l'inspirazione richiede un minore dispendio energetico.

Le funzioni fisiologiche più importanti del tensioattivo sono:

• aumento della compliance polmonare dovuto alla diminuzione delle forze di tensione superficiale;
• riducendo la probabilità di collasso degli alveoli durante l'espirazione, poiché a bassi volumi polmonari (alla fine dell'espirazione) la sua attività è massima e le forze di tensione superficiale sono minime;
• impedendo la ridistribuzione dell'aria dagli alveoli più piccoli a quelli più grandi (secondo la legge di Laplace).

Nelle malattie accompagnate da carenza di surfattante, aumenta la rigidità polmonare, gli alveoli collassano (si sviluppa atelettasia) e si verifica insufficienza respiratoria.

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Rientro plastico della parete toracica

Le proprietà elastiche della parete toracica, che hanno anche una grande influenza sulla natura della ventilazione polmonare, sono determinate dallo stato del sistema scheletrico, dei muscoli intercostali, dei tessuti molli e della pleura parietale.

Ai volumi minimi di torace e polmoni (durante l'espirazione massima) e all'inizio dell'inspirazione, il ritorno elastico della parete toracica è diretto verso l'esterno, creando una pressione negativa e favorendo l'espansione polmonare. All'aumentare del volume polmonare durante l'inspirazione, il ritorno elastico della parete toracica diminuisce. Quando il volume polmonare raggiunge circa il 60% del valore di CV, il ritorno elastico della parete toracica diminuisce fino a zero, ovvero al livello della pressione atmosferica. Con un ulteriore aumento del volume polmonare, il ritorno elastico della parete toracica è diretto verso l'interno, creando una pressione positiva e favorendo il collasso polmonare durante la successiva espirazione.

Alcune patologie sono accompagnate da una maggiore rigidità della parete toracica, che compromette la capacità del torace di allungarsi (in inspirazione) e di collassare (in espirazione). Tra queste patologie rientrano obesità, cifo-scoliosi, enfisema polmonare, aderenze massive, fibrotorace, ecc.

Pervietà delle vie aeree e clearance mucociliare

La pervietà delle vie aeree dipende in larga misura dal normale drenaggio delle secrezioni tracheobronchiali, che è garantito innanzitutto dal funzionamento del meccanismo di clearance mucociliare e da un normale riflesso della tosse.

La funzione protettiva dell'apparato mucociliare è determinata dall'adeguata e coordinata funzionalità dell'epitelio ciliato e secretorio, grazie alla quale un sottile film di secrezione si muove lungo la superficie della mucosa bronchiale, rimuovendo le particelle estranee. Il movimento della secrezione bronchiale avviene grazie a rapidi impulsi delle ciglia in direzione craniale, con un ritorno più lento nella direzione opposta. La frequenza delle oscillazioni delle ciglia è di 1000-1200 al minuto, il che garantisce il movimento del muco bronchiale a una velocità di 0,3-1,0 cm/min nei bronchi e di 2-3 cm/min nella trachea.

Va inoltre ricordato che il muco bronchiale è costituito da due strati: lo strato liquido inferiore (sol) e il gel superiore, viscoso-elastico, che viene a contatto con le punte delle ciglia. La funzione dell'epitelio ciliato dipende in larga misura dal rapporto tra lo spessore dello strato mucoso e quello del gel: un aumento dello spessore del gel o una diminuzione dello spessore del sol comportano una riduzione dell'efficacia della clearance mucociliare.

A livello dei bronchioli respiratori e degli alveoli dell'apparato mucociliare, la pulizia avviene grazie al riflesso della tosse e all'attività fagocitaria delle cellule.

In caso di danno infiammatorio dei bronchi, soprattutto cronico, l'epitelio viene ricostruito morfologicamente e funzionalmente, il che può portare a insufficienza mucociliare (diminuzione delle funzioni protettive dell'apparato mucociliare) e all'accumulo di espettorato nel lume dei bronchi.

In condizioni patologiche la pervietà delle vie aeree dipende non solo dal funzionamento del meccanismo di clearance mucociliare, ma anche dalla presenza di broncospasmo, edema infiammatorio della mucosa e dal fenomeno di chiusura espiratoria precoce (collasso) dei piccoli bronchi.

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Regolazione del lume bronchiale

Il tono della muscolatura liscia dei bronchi è determinato da diversi meccanismi legati alla stimolazione di numerosi recettori specifici dei bronchi:

1. Gli effetti colinergici (parasimpatici) si verificano a seguito dell'interazione del neurotrasmettitore acetilcolina con specifici recettori muscarinici M-colinergici. A seguito di questa interazione, si sviluppa broncospasmo.
2. L'innervazione simpatica della muscolatura liscia dei bronchi nell'uomo è espressa in misura limitata, a differenza, ad esempio, della muscolatura liscia dei vasi e del muscolo cardiaco. Gli effetti simpatici sui bronchi si verificano principalmente grazie all'azione dell'adrenalina circolante sui beta2-adrenorecettori, che induce il rilassamento della muscolatura liscia.
3. Il tono della muscolatura liscia è influenzato anche dal cosiddetto sistema nervoso "non adrenergico, non colinergico" (NANC), le cui fibre corrono come parte del nervo vago e rilasciano diversi neurotrasmettitori specifici che interagiscono con i corrispondenti recettori della muscolatura liscia bronchiale. I più importanti sono:
   • polipeptide intestinale vasoattivo (VIP);
   • sostanza R.

La stimolazione dei recettori VIP porta a un rilassamento marcato, mentre quella dei recettori beta alla contrazione della muscolatura liscia bronchiale. Si ritiene che i neuroni del sistema NANH abbiano la maggiore influenza sulla regolazione del lume delle vie aeree (KK Murray).

Inoltre, i bronchi contengono un gran numero di recettori che interagiscono con varie sostanze biologicamente attive, tra cui mediatori infiammatori: istamina, bradichinina, leucotrieni, prostaglandine, fattore di attivazione piastrinica (PAF), serotonina, adenosina, ecc.

Il tono della muscolatura liscia dei bronchi è regolato da diversi meccanismi neuroumorali:

1. La dilatazione bronchiale si sviluppa con la stimolazione:
   • recettori beta2-adrenergici adrenalina;
   • Recettori VIP (sistema NANH) mediante polipeptide intestinale vasoattivo.
2. Il restringimento del lume bronchiale si verifica quando stimolato da:
   • Recettori M-colinergici acetilcolina;
   • recettori per la sostanza P (sistema NANH);
   • Recettori alfa-adrenergici (ad esempio, con blocco o diminuzione della sensibilità dei recettori beta2-adrenergici).

Distribuzione dell'aria intrapolmonare e sua corrispondenza con il flusso sanguigno

L'irregolarità della ventilazione polmonare, che si riscontra normalmente, è determinata, innanzitutto, dall'eterogeneità delle proprietà meccaniche del tessuto polmonare. Le parti basali dei polmoni sono ventilate in modo più attivo e, in misura minore, le parti superiori. Un'alterazione delle proprietà elastiche degli alveoli (in particolare, nell'enfisema polmonare) o una violazione della pervietà bronchiale aggravano significativamente l'irregolarità della ventilazione, aumentano lo spazio morto fisiologico e riducono l'efficacia della ventilazione.

Diffusione dei gas

Il processo di diffusione del gas attraverso la membrana alveolo-capillare dipende

1. dal gradiente di pressione parziale dei gas su entrambi i lati della membrana (nell'aria alveolare e nei capillari polmonari);
2. dallo spessore della membrana alveolo-capillare;
3. dalla superficie totale della zona di diffusione nel polmone.

In una persona sana, la pressione parziale dell'ossigeno (PO₂) nell'aria alveolare è normalmente di 100 mm Hg, mentre nel sangue venoso è di 40 mm Hg. La pressione parziale della CO₂ (PCO₂) nel sangue venoso è di 46 mm Hg, mentre nell'aria alveolare è di 40 mm Hg. Pertanto, il gradiente di pressione per l'ossigeno è di 60 mm Hg e per l'anidride carbonica di soli 6 mm Hg. Tuttavia, la velocità di diffusione della CO₂ attraverso la membrana alveolo-capillare è circa 20 volte maggiore di quella dell'O₂. Pertanto, lo scambio di CO₂ nei polmoni avviene in modo piuttosto completo, nonostante il gradiente di pressione relativamente basso tra alveoli e capillari.

La membrana alveolo-capillare è costituita da uno strato di tensioattivo che riveste la superficie interna dell'alveolo, la membrana alveolare, lo spazio interstiziale, la membrana capillare polmonare, il plasma sanguigno e la membrana eritrocitaria. Il danno a ciascuno di questi componenti della membrana alveolo-capillare può causare significative difficoltà nella diffusione dei gas. Di conseguenza, in caso di patologie, i valori sopra indicati delle pressioni parziali di O₂ e CO₂ nell'aria alveolare e nei capillari possono variare significativamente.

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Flusso sanguigno polmonare

Nei polmoni sono presenti due sistemi circolatori: il flusso sanguigno bronchiale, che fa parte della circolazione sistemica, e il flusso sanguigno polmonare vero e proprio, o la cosiddetta circolazione polmonare. Tra i due si formano anastomosi sia in condizioni fisiologiche che patologiche.

Il flusso ematico polmonare è funzionalmente localizzato tra l'emisfero destro e quello sinistro del cuore. La forza motrice del flusso ematico polmonare è il gradiente di pressione tra il ventricolo destro e l'atrio sinistro (normalmente circa 8 mm Hg). Il sangue venoso povero di ossigeno e saturo di anidride carbonica entra nei capillari polmonari attraverso le arterie. A seguito della diffusione dei gas negli alveoli, il sangue viene saturo di ossigeno e depurato dall'anidride carbonica, con conseguente flusso di sangue arterioso dai polmoni all'atrio sinistro attraverso le vene. In pratica, questi valori possono variare significativamente. Ciò è particolarmente vero per il livello di PaO2 nel sangue arterioso, che solitamente è di circa 95 mm Hg.

Il livello di scambio gassoso nei polmoni con normale funzionamento dei muscoli respiratori, buona pervietà delle vie aeree e scarsa variazione dell'elasticità del tessuto polmonare è determinato dalla velocità di perfusione sanguigna attraverso i polmoni e dallo stato della membrana alveolo-capillare, attraverso la quale avviene la diffusione dei gas sotto l'influenza del gradiente di pressione parziale di ossigeno e anidride carbonica.

Relazione ventilazione-perfusione

Il livello di scambio gassoso nei polmoni, oltre all'intensità della ventilazione polmonare e della diffusione dei gas, è determinato anche dal rapporto ventilazione-perfusione (V/Q). Normalmente, con una concentrazione di ossigeno nell'aria inspirata del 21% e una pressione atmosferica normale, il rapporto V/Q è pari a 0,8.

A parità di altre condizioni, una diminuzione dell'ossigenazione del sangue arterioso può essere causata da due motivi:

• una diminuzione della ventilazione polmonare mantenendo lo stesso livello di flusso sanguigno, quando V/Q < 0,8-1,0;
• flusso sanguigno ridotto con ventilazione alveolare preservata (V/Q > 1,0).