Introduzione alla fisiologia dell'apparato respiratorio

Introduzione all'apparato respiratorio

L'apparato respiratorio è un sistema integrato la cui fisiologia non può limitarsi al funzionamento dei polmoni, ma deve tenere conto anche di molti altri organi e apparati. È possibile individuare tre grosse tematiche fondamentali per quanto riguarda la fisiologia respiratoria:

1. gli scambi gassosi
2. la meccanica respiratoria
3. la regolazione del respiro

Il sistema omeostatico integrato

POLMONE CIBO PiOs Più2 Gv = VA Bg ALVEOLAR GAS PAD; DLUNGS + GL = k DL CAPILLARIES Pão: INTESTINO> 1 CUORE 1 Go=Q Bb 2 CAPILLARIES PvOg OTISSUES - Gt = k Dt PICS MUSCLE Gm - 1 (Vm) Pmo FECI URINA Da Taylor e Weibel, Respir. Physiol. 44, TESSUTI RENE

Di queste tematiche, soprattutto nella prima e nella terza, vedremo una profonda integrazione con altri sistemi. Ad esempio, gli scambi gassosi sono collegati alla circolazione cardiovascolare per quanto riguarda il trasporto di ossigeno.

La simbologia

Simboli principali

C concentrazione D capacità di diffusione f frequenza aw delle vie aeree F frazione B barometrico G conduttanza c capillare D dello spazio morto P pressione E espirato Q volume di liquido H cardiaco (heart) inspirato flusso di liquido L polmonare (lung) R resistenza V venoso saturazione venoso misto volume di gas V flusso di gas (ventilazione) W lavoro

Simboli sussidiari

a arterioso A alveolare

Questi sono i classici simboli utilizzati quando si discute di fisiologia respiratoria. A sinistra (nell'immagine soprariportata) troviamo i simboli principali, mentre a destra i simboli sussidiari. Quelli principali riguardano i grossi capitoli:

• C: Concentrazione. Ad esempio, parleremo di concentrazione arteriosa e venosa di ossigeno, concentrazione arteriosa e venosa di anidride carbonica. Inoltre, associando a C dei simboli sussidiari, ne possiamo associare delle caratteristiche ben definite: Ca, ad esempio sarà la concentrazione arteriosa relativa ad un determinato gas.
• D: Diffusione. Parleremo della diffusione dei gas a livello della membrana capillare, relativa principalmente ad ossigeno ed anidride carbonica, ma anche di altri gas.
• F: Frazione. Ad esempio, in riferimento alle frazioni inspirate ed espirate di gas.
• P: Pressione. Ad esempio, Pa indica la pressione arteriosa; mentre PA alla pressione alveolare.

● W: Lavoro. Si può vedere che su alcune lettere è presente un pallino. Quando la lettera non ha il pallino ci si riferisce di solito a una quantità: ad esempio, se parliamo di 5 litri di ossigeno, utilizzeremo come simbolo la V senza il pallino. Mentre i simboli con il pallino stanno ad indicare il flusso, quindi un volume sul tempo. Quando si parla ad esempio di gittata cardiaca, non si parla di 5 litri di sangue, ma di 5 litri per minuto. Inoltre, si ricorda che tutte le volte che si parla di flusso deve subito venirci in mente la relazione P/R, ovvero la differenza di pressione sulla resistenza. Mentre tra i simboli sussidiari troviamo:

• a: arterioso
• A: alveolare
• B: barometrico
• c: capillare
• v: venoso; mentre v che presenta la bassa superiormente si riferisce a venoso, ovvero che proviene da tanti distretti corporei e unendosi in un sito unico.

Esempi di combinazione

fH frequenza cardiaca (talora fc in italiano) FIO2 frazione inspirata di ossigeno PACO2 pressione parziale alveolare di anidride carbonica Pao2 pressione parziale arteriosa di ossigeno QT flusso totale di sangue (gettata cardiaca) Sao2 saturazione arteriosa per l'ossigeno VD volume dello spazio morto ventilazione espirata VO2 flusso o consumo di ossigeno

Ruolo di ossigeno e anidride carbonica

Le nostre cellule hanno bisogno di ossigeno. Il nostro corpo, infatti, consuma ossigeno, in particolare consuma 300 ml/minuto in condizioni basali, a riposo. Mentre durante esercizio questo valore cambia perché l'organismo richiede più ossigeno per produrre ATP, ovvero l'energia che il nostro corpo usa per i vari processi cellulari. Nel metabolismo basale, il mantenimento, ad esempio, solo degli equilibri di membrana richiede un dispendio energetico importante. Quando invece non ci sarà più il metabolismo basale, ma l'attività muscolare, è il muscolo che sostiene lo sforzo ed il muscolo richiede tantissime energie per funzionare. Il valore di 300ml/minuto si può decuplicare, arrivare fino a 3L/minuto. Ad esempio, i test di valutazione funzionale a cui sono sottoposti gli sportivi agonisti ci danno informazioni riguardo la nostra capacità ossidativa, ovvero quanto siamo in grado di utilizzare l'ossigeno quando facciamo un esercizio e quando utilizziamo i muscoli. In molti sport, la performance risulta essere strettamente correlata alla capacità di utilizzo dell'ossigeno. Più ossigeno si è in grado di utilizzare, migliore sarà la performance e prestazione. Questo è un concetto da tenere bene a mente e che ci accompagnerà lungo tutto il percorso. D'altra parte, c'è la produzione di anidride carbonica: l'organismo consuma ossigeno per produrre ATP e conseguentemente si produce come prodotto di scarto l'anidride carbonica che, in condizioni basali, risulta in una quantità di 250ml/ minuto. Come mai c'è questa differenza nei valori di ossigeno e anidride carbonica (300 vs 250)? L'energia può essere prodotta utilizzando diversi substrati, ovvero carboidrati, lipidi e proteine. La produzione di energia partendo da questi tre substrati richiede una determinata quantità di ossigeno e ne consegue una diversa produzione di anidride carbonica, diversa a seconda del substrato che utilizziamo. Settando il consumo di ossigeno a 1, se il substrato di partenza sono i carboidrati, il rapporto sarà 1:1 (consumo di 1 mole di O2 e produzione di 1 mole di CO2); per i lipidi il rapporto è 1: 0,7 (consumo 1 mole di O2 e produco 0,7 moli di CO2); per le proteine il rapporto è 1: 0,8 (un valore intermedio tra i primi 2). Questi concetti sono da tenere bene a mente perché sono alla base di una serie di formule e sono la base di una serie di attività fisiologiche del nostro apparato respiratorio legate alla regolazione dell'attività stessa: quindi, semplificando al massimo, se io produco tanta anidride carbonica, dovrò respirare di più per far sì che venga portata all'esterno. Se consumo molto ossigeno, avrò necessità che il polmone scambi con l'esterno delle grosse quantità di gas.

Apnea

Ad esempio, per chi fa apnea, ci sono in gioco una serie di fattori, ovvero le scorte di ossigeno, il consumo di ossigeno, i fattori mentali (acquisiti con l'allenamento). Ma quanto si può trattenere il respiro? Facendo un calcolo: tenendo conto che si consumano 300 ml/minuto di 02 , che i polmoni contengono circa 6L-7L (5L per semplificare il calcolo) di aria e che la frazione di ossigeno in atmosfera è parti al 21%, moltiplicando 5L per 20%, nel polmone risulta presente 1L di ossigeno. Se io consumo 300ml/minuto di O2, ottengo 3 minuti. Se riesco ad abbassare il metabolismo basale, ad esempio, andando a diminuire il consumo di ossigeno a livello celebrale e controllando maggiormente i fattori mentali, avrò maggiore possibilità di prolungare l'apnea. Quindi questo corso farà capire perché è importante per un paziente, ad esempio, la necessità di ossigenare e ventilare, due concetti ben distinti: l'ossigenazione riguarda il processo di diffusione dell'ossigeno che passa dall'aria, ai polmoni, al sangue, ai tessuti, alla cellula e, infine, ai mitocondri; mentre la ventilazione riguarda il processo di rimozione dell'anidride carbonica che dal polmone deve uscire all'esterno. Posso teoricamente fare un'apnea e non preoccuparmi dell'ossigenazione? I record attualmente detenuti a livello mondiale di apnea sono: nel 2011, 12 minuti e 11 secondi in aria, detenuto da Branko Petrovic; se però invece che respirare una frazione di ossigeno del 21% ne respiro una al 100%, si arriva nel 2021 con 24 minuti e 33 secondi. Nel primo caso Petrovic ha mollato a causa della componente di ossigeno, e non dell'anidride carbonica come dimostra il secondo caso. Petrovic durante l'apnea rischia infatti una grave ipossiemia e una sincope da ipossiemia (in gergo blackout): in un certo momento, il livello di ossigeno sarà talmente basso che le cellule celebrali non saranno più in grado di mantenersi attive, perdendo così conoscenza. È però possibile perdere conoscenza, oltre che per ipossiemia, ma anche per ipercapnia. Nel secondo caso, infatti, il problema non è stata l'ossigenazione, ma l'accumulo di anidride carbonica a livello tessutale, soprattutto celebrale. L'apnea viene inoltre utilizzata in altre situazioni cliniche un po' particolari, ad esempio la morte cerebrale per analizzare i riflessi di tronco che si basano sull'attivazione involontaria di sistemi a feed-back legata a dei sensori che abbiamo all'interno del nostro organismo. Questi sensori ci dicono cosa fare indipendentemente dalla nostra volontà. Questo succede anche in soggetti che non respirano: ad un certo punto partono delle contrazioni diaframmatiche indipendentemente dalla loro volontà perché il nostro organismo avverte un aumento eccessivo dei livelli di CO2 e la necessità di respirare. Quindi parte in modo involontario la contrazione del nostro muscolo principale della respirazione che è il diaframma. Clinicamente, la presenza o l'assenza di questi riflessi è fondamentale per capire se il nostro cervello funziona o è morto. Ad esempio, il medico può dare al paziente l'ossigeno, non farlo desaturare, fargli accumulare l'anidride carbonica e verificare se il riflesso c'è o non c'è. Questo esempio, per dire che durante il corso si parlerà dei concetti prima elencati: il processo di internalizzazione dell'ossigeno a livello dei polmoni, dove per generare questo flusso è necessaria sempre una differenza di pressione tra l'ambiente interno ed esterno; il processo di diffusione polmonare, ovvero il passaggio dell'aria dal polmone al sangue; il trasporto, definito convezione circolatoria dei gas tramite il circolo e infine la diffusione tessutale. Perché non posso utilizzare in tutti i passaggi il processo di diffusione? Perché i gas diffondono con una velocità estremamente bassa ed occorrerebbero quindi giorni per avere un'ossigenazione cellulare partendo da molecole di ossigeno all'interno del polmone. Per cui la convezione ventilatoria e circolatoria sono fondamentali per garantire un rapido processo di spostamento di gas nelle diverse zone del corpo.

Pressioni parziali di ossigeno e anidride carbonica

A seguito il prof elenca una serie di valori da imparare e che si troveranno frequentemente per tutta la durata del corso:

• A livello sanguigno: pressione arteriosa di ossigeno è di 100 mmHg; pressione arteriosa di anidride carbonica è di 40 mmHg.
• A livello cellulare: pressione parziale di 02 è inferiore a 40 mmHg (a livello mitocondriale si giunge a 0 mmHg); la pressione parziale di CO2 è 46 mmHg, stesso valore presente a livello del polmone dove avviene lo scambio.