Apparato respiratorio

La trachea è la prima parte delle vie aeree, si suddivide in due bronchi principali che a loro volta si ramificano in una serie di condotti sempre più numerosi e piccoli detti bronchioli, fino ad arrivare agli alveoli.

Le prime 16 generazioni di condotti sono dette vie di conduzione, che hanno la sola funzione di trasportare i gas e rappresentano lo “spazio morto”, in quanto il gas contenuto non può scambiarsi con il sangue venoso.

Dalla 16esima generazione in poi iniziano a comparire i primi alveoli, attaccati alle pareti dei bronchioli respiratori, e aumentano di numero fino ad arrivare ai sacchi alveolari della 23esima generazione.

Queste vie sono dette vie di transizione, in cui i gas sono in grado di interagire con il sangue, in quanto i singoli alveoli sono ricoperti da capillari.

L’unità funzionale del polmone è quindi l’unità alveolo-capillare, che permette un adeguato scambio di gas tra ambiente e sangue. Attorno all’alveolo si dispongono circa 1000 capillari: l’endotelio capillare è separato da quello alveolare solo dalla membrana basale, quindi la distanza tra aria e sangue è molto ridotta, favorendo la diffusione tra i due compartimenti ma comunque impedendo il passaggio della parte corpuscolata del sangue.

Volumi polmonari: al termine di un’espirazione normale il polmone contiene 3l di aria, ovvero la CFR, capacità funzionale residua.

Si compone di due parti: il volume di riserva espiratoria (1,5l) che può essere espulso con un’espirazione massimale forzata, e il volume residuo (1,5l) che non può essere espulso.

Tramite esame con lo spirometro è possibile valutare la CV, il volume d’aria espulsa in 0,5 sec (FEV0,5) e il volume d’aria espulsa in 1 sec (FEV1).

Nel soggetto sano, il FEV 0,5 corrisponde al 60% di CV; FEV1 corrisponde almeno all’80% di CV e l’espirazione forzata si completa in circa 2-2,5sec.

Lo “spazio morto” può contenere circa 150ml: sottraendolo alla CFR si ottiene il volume alveolare, ovvero la quantità d’aria che è soggetta agli scambi con il sangue.

La ventilazione polmonare è data dalla frequenza respiratoria per il volume corrente: sottraendo da questa la ventilazione dello spazio morto si ottiene quindi la ventilazione alveolare.
A riposo, la ventilazione polmonare= 6l/min, la ventilazione alveolare= 4l/min.

Meccanica respiratoria:
il passaggio dell’aria nelle vie aeree è un fenomeno ciclico che a riposo dura circa 4 sec, di cui 1,8 per l’inspirazione e 2,2 per l’espirazione. A ogni inspirazione il volume d’aria acquisito è circa 500ml, e quello restituito è un volume poco inferiore.
L’inspirazione è attiva, richiede dispendio energetico e contrazione muscolare, mentre l’espirazione (a riposo) è passiva, in quanto è una restituzione dell’energia elastica acquistata nella fase inspiratoria. Il ciclo della respirazione avviene grazie all’interazione di due strutture: la parete toracica e il polmone.

I muscoli inspiratori sono il diaframma (innervato dai nervi frenici), i muscoli intercostali esterni (che fanno aumentare il volume della gabbia toracica) e i muscoli accessori (che intervengono solo in casi di inspirazione forzata).
I muscoli espiratori non vengono attivati a riposo, in quanto l’espirazione avviene passivamente, ma intervengono nella fase espiratoria della CV, della tossa, dello starnuto, della fonazione e nell’esercizio fisico. Questi muscoli sono gli intercostali interni (che riducono il volume del torace) e i muscoli della parete addominale (che contraendosi spingono i visceri verso il diaframma, riducendone il volume).

Resistenze respiratorie: a ogni inspirazione, specialmente durante ventilazioni elevate o sforzo fisico,  i muscoli respiratori devono vincere due resistenze principali: le resistenze elastiche e le resistenze al passaggio dell’aria nelle vie aeree.

Resistenze elastiche: sono le forze necessarie per mantenere un certo volume nel sistema toraco-polmonare con le strutture distese. Portando questo sistema a diversi volumi e misurandone la P con le vie aeree chiuse, è possibile determinare la relazione P/V in condizione di rilasciamento: questa relazione indica le caratteristiche elastiche del sistema e la sua pendenza, detta compliance (C), indica la sua facilità di distensione: C=∆V/∆P

Resistenze al passaggio dell’aria nelle vie aeree: mediamente, le resistenze nelle vie aeree sono distribuite per il 50% nelle cavità nasali, per il 30% nei bronchi di medie dimensioni e per il 20% nei condotti inferiori a 2mm di diametro. Le resistenze sono massime nei bronchi di dimensioni medie e minime nei bronchioli terminali: mentre i bronchi più grossi possiedono una struttura che impedisce variazioni di diametro, quelli più piccoli ne sono privi, e quindi le loro pareti sono sottoposte alla trazione esercitata dai setti alveolari e dalla loro pressione.

*dato che la muscolatura liscia delle vie aeree è controllata dal SNA, esso è in grado di modificare il calibro delle vie più piccole:

- il parasimpatico determina contrazione della muscolatura liscia e ipersecrezione bronchiale;
- il simpatico determina invece rilasciamento della muscolatura liscia e inibizione della secrezione bronchiale.

Leggi fisiche dei gas: i gas respiratori seguono l’equazione di stato dei gas:  PV = nRT  , che è la combinazione delle leggi di Boyle, GayLussac e Charles:

• la legge di Boyle dice che, a T costante: P=KV
• la legge di Charles dice che, a P costante: V=KT
• la legge di GayLussac dice che, a V costante: P=KT

Secondo la legge di Dalton, in una miscela di gas, ciascun componente esercita una P parziale proporzionale alla sua concentrazione, che si ricava moltiplicando la P tot della miscela per la concentrazione del singolo gas (F):  Pgas= Ptot ∙ F
La somma delle concentrazioni parziali di ciascun gas è quindi uguale alla Ptot della miscela.

Aria inspirata: l’aria atmosferica è formata da: 20% O2, 79% N2, 0,04% CO2. La Ptot esercitata da questa miscela di gas è la pressione atmosferica (=760mmHg, a 0°, a livello del mare e senza vapore acqueo).
L’aria che respiriamo però non ha, in genere, una T= 0°, può contenere vapore acqueo e anche la P atmosferica può avere valori diversi: quindi, dato che le concentrazioni dei gas rimangono uguali, si avranno P parziali diverse.

Aria alveolare: negli alveoli, T= 37°, P= P atmosferica e l’aria è satura di vapore acqueo (H20), quindi la Ptot dei gas da considerare  sarà data dalla P atmosferica meno la PH2O. Le concentrazioni di O2, N2 e CO2 sono diverse da quelle dell’aria atmosferica: il sangue nei capillari alveolari infatti, assorbe continuamente O2 e cede CO2, quindi a causa di questi scambi, negli alveoli O2= 14%, CO2= 6%, N2=80%. Anche la composizione dell’aria alveolare però non è costante, in quanto varia con il ciclo respiratorio: con l’inspirazione, l’aria introdotta si mescola a quella alveolare fornendo nuovo O2 e diluendo la CO2. Con l’espirazione poi, la percentuale di O2 diminuisce e quella di CO2 aumenta, fino alla successiva inspirazione.

Aria espirata: anche in questo caso, per conoscere la Ptot dei gas va sottratta la PH2O. Inoltre, le concentrazioni sono diverse sia dall’aria inspirata sia da quella alveolare.
Dato che, dei 500ml di aria espirata (VC), 350 provengono dagli alveoli e 150 dallo spazio morto,
l’aria espirata avrà una maggior concentrazione di O2 (16%) e una minore di CO2 (4%) , rispetto all’aria alveolare, mentre N rimane all’80%.

Scambi gassosi alveolo-capillare: la membrana dell’unità alveolo-capillare è formata da:
- strato liquido che riveste l’alveolo e contiene il fattore surfattante;
- epitelio alveolare, formato da sottili cellule piatte;
- membrana basale dell’epitelio;
- spazio interstiziale molto piccolo tra la parete capillare e l’epitelio alveolare;
- membrana basale del capillare;
- endotelio capillare.

La membrana basale dell’alveolo e quella capillare si fondono sul lato sottile del capillare, dove  probabilmente avvengono gli scambi gassosi, mentre sul lato spesso avvengono scambi liquidi.
Gli scambi gassosi avvengono per diffusione, utilizzando solo l’energia cinetica propria delle molecole.
Se la P parziale di un gas è maggiore in una regione rispetto ad un’altra, tutte le sue molecole si sposteranno dai punti a concentrazione maggiore verso quelli  concentrazione minore, fino all’equilibrio. Il movimento dei gas attraverso la membrana dipende dal gradiente di P del gas, dalla sua solubilità, dal suo peso, dalle proprietà di membrana ed è regolato secondo la legge di Fick:   Vgas=  coeff.diffusione ∙ A/spessore ∙ ∆P parziale ai due lati della membrana.

Quindi, le quantità di O2 e CO2 trasferita dall’alveolo al sangue e viceversa sono influenzate da:
- gradiente delle P parziali;
- spessore della membrana alveolo-capillare;
- A della superficie di scambio;
- coefficiente di diffusione dei gas. 

Altri fattori importanti sono il tempo di contatto del sangue sulla superficie di scambio e il V di sangue esposto su questa superficie.
Trasporto dell’O2 nel sangue: viene trasportato in due forme: disciolto nel plasma o legato all’emoglobina.
La quantità di O2 disciolto nel plasma dipende dalla sua solubilità, dalla T e dalla sua P parziale nel sangue. Normalmente, nel sangue arterioso O2= 0,3ml/100ml di sangue, nel sangue venoso O2=0,15ml. Però, il trasporto di O2 nel sangue non dipende solo da quello disciolto nel plasma: i globuli rossi infatti contengono l’emoglobina, che consente al sangue di trasportare una quantità totale di O2  65 volte superiore a quella che trasporterebbe il solo plasma (19,8ml/100ml di sangue).
Trasporto della CO2 nel sangue: la CO2 è trasportata in tre forme: disciolta, sottoforma di ioni bicarbonato (HCO3) o legata a gruppi amminici liberi dell’emoglobina o altre proteine plasmatiche.
La quantità di CO2 prodotta dai tessuti ed eliminata dai polmoni è di circa 200ml/min a riposo, e in maggior quantità durante lavoro muscolare intenso. Nel sangue arterioso il totale di  CO2=48ml/100ml, nel sangue venoso CO2= 52ml/100ml .
- la quantità di CO2 disciolta nel plasma è di 2,5ml nell’arterioso e 2,9ml nel venoso;
- in maggior parte la CO2 è trasportata sottoforma di ioni bicarbonato e reagisce con H2O per formare acido carbonico (H2CO3);
- parte della CO2 che si trova negli eritrociti si lega ai composti amminici delle proteine, specialmente con l’Hb, formando composti carbaminici: poiché la deossiemoglobina forma composti carbaminici più prontamente, il sangue venoso può trasportare più CO2 rispetto al sangue arterioso.

Relazione ventilazione-perfusione: la massima efficienza degli scambi gassosi si ha quando ventilazione e flusso sanguigno si distribuiscono uniformemente in tutte le regioni del polmone.
Ciò si realizzerebbe se tutta l’aria inspirata venisse distribuita uniformemente ad alveoli di ugual volume, con uguale flusso ematico e se i gas contenuti nei capillari alveolari fossero in equilibrio pressorio con i gas contenuti negli alveoli.
Nella realtà però, sono presenti anastomosi artero-venose (shunt anatomici) che contribuiscono a far diminuire la PO2 del sangue un po’ al di sotto di quella alveolare. Inoltre esistono differenze di ventilazione e flusso sanguigno in diverse regioni polmonari: l’indice che tiene conto della ventilazione alveolare e dell’irrorazione polmonare è detto rapporto ventilazione/perfusione, espresso dalla formula V/Q.
La ventilazione è la quantità d’aria che arriva agli alevoli in un min, la perfusione è il flusso ematico che attraversa il circolo polmonare in un min e corrisponde alla gittata cardiaca.
In condizioni di riposo, ventilazione= 4l/min e la perfusione= 5l/min , quindi il rapporto è 0,8.
Quando V e Q sono normali si dice che il rapporto V/Q è normale; quando V= 0 il rapporto è uguale a zero; quando Q=0 il rapporto è uguale a infinito.
-V/Q normale: gli scambi gassosi sono normali, la PO2 alveolare = 100mmHg, la PCO2 =40mmHg;
-V/Q= 0: significa che non c’è ventilazione, PO2 e PCO2 alveolari sono uguali a quelle del sangue;
-V/Q= infinito: in caso di costrizione dei vasi, si ha perfusione ridotta e le PO2 e PCO2 alveolari sono uguali  a quelle dell’aria inspirata.
Nel polmone normale, la ventilazione è maggiore alla base rispetto all’apice, e la perfusione diminuisce andando verso l’apice: la ventilazione però, aumenta lentamente verso la base, la perfusione invece cresce rapidamente, facendo in modo che il rapporto V/Q aumenti progressivamente dalla base verso l’apice.
La presenza di squilibri tra ventilazione e perfusione nelle varie zone polmonari riduce leggermente l’efficienza del polmone per quanto riguarda gli scambi gassosi, e fa sì che il sangue arterioso abbia una PO2 inferiore rispetto all’aria alveolare e una PCO2 maggiore rispetto ai valori del sangue proveniente da un solo capillare alveolare.

Circolazione polmonare: ha lo scopo di preparare il sangue per la sua funzione respiratoria a livello dei tessuti. Nella circolazione polmonare non ci sono vasi di resistenza (come le arteriole nella circolazione sistemica), quindi la P non cade bruscamente all’ingresso dei capillari. Inoltre, tutto il sistema vascolare polmonare è dotato di elevata compliance, quindi se la P polmonare tende ad
aumentare, la sezione trasversa totale del circuito aumenta, facendo cadere la resistenza e limitando l’aumento di P e di velocità del sangue.
Per il buon funzionamento degli scambi gassosi è necessario che tutto il sangue venoso venga a contatto con l’aria alveolare (con rapporto V/Q il più possibile vicino a 1).
In casi di ipossia, la muscolatura liscia dei vasi aumenta la sua attività contrattile, facendo aumentare la resistenza vascolare nelle zone del polmone poco ventilate: è sufficiente solo una lieve vasocostrizione per ridurre di molto il flusso sanguigno, ottimizzando così il rapporto V/Q.
A eccezione dei capillari, tutti i vasi polmonari sono innervati dal SNA, anche se l’influenza nervosa sulla regolazione delle resistenze vascolari polmonari è scarsa. Più evidenti sono invece gli effetti sulla compliance: infatti, per effetto del simpatico, parte dei 600ml di sangue presenti nel piccolo circolo può essere mobilizzata e trasferita velocemente alla circolazione sistemica, durante l’esercizio fisico. In condizioni di riposo invece, l’azione del simpatico servirebbe ad aumentare questa riserva funzionale di sangue.