Sistema Respiratorio: ottimizzare il lavoro respiratorio

feb 5th, 2010 | Di napoleon | Categoria: Appunti di Fisiologia per Scienze Motorie

Appunti condivisi dalla studentessa di Scienze Motorie Laura Marchetti. Grazie per il suo contributo e il suo altruismo

Ogni volta che respiriamo noi consumiamo energia, cioè non soltanto portiamo dentro ossigeno (che serve per le reazioni metaboliche), ma mettiamo in moto una grande quantità di muscoli e consumiamo energia. Vedremo che esistono dei meccanismi attraverso cui il sistema respiratorio ottimizza la sua performance; quando questi meccanismi non vengono ottimizzati c’è un dispendio enorme (esistono situazioni paradossali patologiche in cui uno consuma tanto quanto porta dentro unicamente per l’atto respiratorio).

A cosa serve il sistema respiratorio? E come funziona?

Serve non solo a portare dentro ossigeno ed eliminare CO2 perché ad es le piante si servono della fotosintesi, le rane di respirazione cutanea, i pesci di branchie… in realtà il sistema respiratorio come il nostro serve ad ottimizzare lo scambio di O2 e di CO2, cioè serve a rendere questo scambio così efficiente da poter permettere un livello di metabolismo tale come quello che caratterizza un organismo a sangue caldo, esattamente come l’emoglobina non è l’unico mezzo per trasportare dei gas nel sangue perché vi è gas anche disciolto nel sangue.

Differenza a livello metabolico tra un sistema che utilizza l’O2 e uno che non lo utilizza

Ad es un sistema metabolico che utilizza una molecola di ATP (come dalla scissione della creatina) è in grado di fornire energia per 10 contrazioni muscolari, mentre un sistema come la glicolisi anaerobia che fornisce 2 ATP per 50 contrazioni e ancora la fosforilazione ossidativa e in questo caso la resa per una molecola di glucosio è di 34 ATP e quindi enormemente superiore rispetto a prima e utilizza ossigeno. Quindi un sistema che utilizza O2 consente di modificare in modo enorme la produzione di energia e un sistema come questo dal pt di vista della performance fisica ha il vantaggio di non avere limiti, cioè riesce perfettamente a star dietro a qualsiasi numero di contrazioni muscolari che l’organismo voglia svolgere; mentre un sistema che non utilizza O2 ci son dei limiti legati al fatto che poi alla fine non ce né più di energia disponibile. Questo ovviamente in un sistema cn un metabolismo basale spinto com’è quello di un organismo a sangue caldo.

Siccome lo scopo del sistema respiratorio è quello di ottimizzare lo scambio O2/CO2 cerchiamo di capire quali sono i meccanismi che entrano in gioco.

Ramificazione delle vie aeree: partendo dalla trachea poi vi sono i 2 bronchi principali e poi via via gli ordini successivi, bronchioli (la differenza tra bronchioli respiratori e non respiratori) e alla fine dotti alveolari e alveoli.

Dal punto di vista della meccanica respiratoria, dato che lo scopo è quello di portar dentro tanto più O2 possibile e portar fuori quanta più CO2 possibile, Questo tipo di organizzazione ha un importanza perché il tipo di forze che vengono prodotte da un sistema organizzato in questa maniera è essenziale alla respirazione stessa in quanto la metà degli atti respiratori dipende dalla retrazione elastica del polmone; cioè il sistema non è un sistema che lavora sempre attraverso un apporto energetico alla gabbia toracica, infatti l’inspirazione è un fenomeno attivo mentre l’espirazione non solo è passiva ma è un fenomeno che restituisce energia attraverso la restituzione di quelle forze elastiche che erano state tirate durante l’atto inspiratorio. Questo tipo di tessuto polmonare fornisce un importante contributo alle forze elastiche che servono poi a retrarre il polmone durante l’espirazione. Se lo scopo del sistema è quello di ottimizzare al massimo lo scambio dei gas occorre che vi siano delle forze che fanno si che questi gas entrino all’interno dell’albero respiratorio; per portare un gas all’interno di un condotto ci possono essere 2 sistemi:

utilizzare un sistema a pressione positiva: spinge l’aria all’interno dell’albero respiratorio, cioè esiste una pompa che comprime l’aria, fa si che l’aria che arriva alla bocca abbia una pressione superiore a quella dell’albero respiratorio e di conseguenza siccome esiste una differenza di pressione si genera un flusso (essendo il flusso direttamente proporzionale alla differenza di pressione ed inversamente proporzionale alle resistenze dei condotti). Però questo sistema prima di tutto noi non l’abbiamo e poi comporta un dispendio enorme (es. apparecchio rianimazione).
utilizzare un sistema a pressione negativa, cioè anziché spingere l’aria all’interno del sistema, aspirare l’aria grazie ad una depressione creata all’interno dell’albero respiratorio da un sistema muscolare che espande la gabbia toracica.

Le persone che hanno paralisi dei muscoli respiratori come le persone che hanno una forma avanzata di SLA (sclerosi laterale amiotrofica), che è una malattia del SN motorio, vengono messe nel cosiddetto polmone artificiale cioè all’interno di una scatola chiusa fino al collo dentro cui si crea una depressione che allarga la gabbia toracica perché sottoporre ad un sistema a pressione positiva produce danni irreparabili all’albero respiratorio per es fibrosi, perdita di elasticità, enfisema…perché per fare in modo che le terminazioni più fini dell’albero respiratorio ricevano un ricambio d’aria noi dobbiamo spingere dentro quel polmone con una pressione molto superiore di quella che usiamo con un sistema a pressione negativa.

COMPLIANZA è la distensibilità di un sistema, se noi vogliamo gonfiare un sistema come un palloncino questo è ugualmente compliante in tutta la sua struttura, ma il nostro organismo non è fatto cm un palloncino, esistono delle strutture rigide che contengono l’apparato polmonare; un sistema a pressione positiva avrebbe grossi problemi ad espandersi tutto perché sarebbe come voler gonfiare un palloncino all’interno di una scatola rigida ma un palloncino che parzialmente aderisce al guscio esterno; invece nel sistema polmonare reale il vantaggio di avere le pleure che scivolano l’una sull’altra fa si che tutte le volte che si genera depressione all’interno dell’albero bronchiale il polmone si adatti perfettamente a riempire la cavità della gabbia toracica.

Cioè dal punto di vista di ottimizzazione del sistema la pressione negativa funziona più efficacemente di un sistema a pressione positiva.

Si era parlato di pressione come urti delle molecole contro il recipiente; vediamo ora la LEGGE DI BOYLE che dice: se io ho un gas contenuto in un contenitore che ha una certa pressione e un certo volume, nel momento in cui io dimezzo il volume raddoppio la pressione:

P1V1=P2V2

Di conseguenza, qualsiasi modificazione di pressione io voglia indurre in un gas si deve accompagnare ad una modificazione di volume; in altri termini, quello che il sistema respiratorio fa per generare il flusso di aria che entra all’interno dei polmoni durante l’inspirazione è quello di aumentare il volume del sistema, siccome non c’è una valvola che chiude durante la respirazione, si crea una differenza di pressione tra interno/esterno, dovuta proprio a questo aumento di volume, e l’aria entra; viceversa durante l’espirazione il flusso d’aria si inverte perché all’interno del sistema respiratorio si ha una pressione maggiore di quella dell’aria atmosferica prodotto dalla retrazione elastica del sistema stesso, cioè vengono richiamate quelle forze che erano entrate in gioco durante l’espansione.

L’altra regola da ricordare è la LEGGE DI GAY-LUSSAC (la pressione totale di un gas esercitata sulle pareti di un recipiente è dovuta alla somma dei gas che formano la miscela) che ci dice che questa pressione generata da tutte queste molecole di gas all’interno del contenitore, dovuta agli urti delle molecole contro le pareti, se queste molecole appartengono tutte ad un unico gas questa pressione sarà dovuta al contenuto unico di quel gas, se invece si tratta di una miscela di più gas la pressione totale esercitata sulle pareti del contenitore sarà dovuta al contenuto individuale dei gas contenuti all’interno, ma siccome la pressione altro non è che l’energia meccanica prodotta dall’urto delle molecole contro la parete, la pressione totale di una miscela di gas è dovuta alla somma delle pressioni generate individualmente dai singoli gas e quindi se c’è un gas più diluito degli altri allora le sue molecole urteranno contro le pareti meno frequentemente. Di conseguenza, quello che ci dice questa regola non è solo che la pressione totale è dovuta alla somma delle pressioni parziali dei singoli gas, ma anche che se poniamo al 100% la pressione totale i valori che compongono questa percentuale altro non sono che le percentuali dei singoli gas che formano la miscela.

Esperimento della colonnina di mercurio (barometro di Torricelli del ‘600) per valutare pressione atmosferica: perché più è alta la pressione atmosferica e più il mercurio dentro la colonnina sale? Perché la pressione atmosferica spinge sul mercurio esercitando una pressione che pesa circa 1kg per cm2

I 760mmHg dipendono dalla pressione atmosferica ma non solo, se anziché usare il mercurio si usa acqua è necessaria una colonnina 13 volte più alta perché il mercurio pesa 13 volte più dell’acqua in modo da generare la stessa pressione, con l’alcol 25 volte più alta.

Quindi, mmHg è l’unità di misura della pressione atmosferica perché a livello del mare, in condizioni di tempo normale (quando c’è bel tempo c’è alta pressione, col brutto tempo bassa pressione), perché è più comodo, però quando si parla di pressioni polmonari, come la pressione intrapleurica o endoalveolare, si usano i cm di H2O perché le differenze sono molto piccole e il mercurio sarebbe troppo pesante, con l’acqua è più sensibile.

PRINCIPALI PRESSIONI CHE VIGONO ALL’INTERNO DEL SISTEMA RESPIRATORIO.

Per caratterizzare l’andamento della funzione respiratoria abbiamo bisogno di 2 valori:

la pressione che esiste all’interno degli alveoli, che è la pressione all’origine del flusso, cioè se non esistesse una pressione alveolare costante sempre uguale a 0 nel tempo, non avremmo alcun flusso di aria negli alveoli;
la pressione intrapleurica, è quella che si misura in quello spazio virtuale tra la pleura viscerale e la pleura parietale; i polmoni sono fasciati dalla pleura viscerale, la gabbia toracica è rivestita internamente dalla pleura parietale, tra i due esiste il liquido pleurico e durante gli atti respiratori il foglietto viscerale scivola su quello parietale consentendo un adattamento perfetto del volume polmonare all’interno della gabbia toracica.

Queste sono le 2 pressioni che dobbiamo considerare; se io chiudo la glottide, cioè non permetto l’ingresso di aria, ed espando il torace genero una pressione intrapleurica molto negativa perché tiro giù il polmone senza permettere all’aria di entrare, in quel caso non ho flusso di aria ma ho una riduzione della pressione intrapleurica e intralveolare (espando il volume senza permettere all’aria di entrare). Viceversa se inspiro, chiudo la glottide e comprimo (manovra di Valsalva, ha un effetto di stimolazione vagale) io ho una pressione intrapleurica che diventa addirittura positiva perché la gabbia toracica sta schiacciando contro i polmoni ma i polmoni non si possono comprimere perché ho chiuso la glottide, e la pressione alveolare aumenta.

In condizioni normali la pressione intralveolare e intrapleurica non si comportano sempre allo stesso modo: all’inizio dell’atto inspiratorio si ha una prima riduzione della pressione alveolare che si accompagna all’aumento della negatività della pressione intrapleurica perché è come dire io sto a glottide chiusa e inizio a dilatare il torace, la nascita di questa pressione negativa nell’alveolo giustifica la modificazione di volume nel tempo (flusso di aria) che si verifica. Dopodichè la pressione alveolare raggiunge un minimo dopo il quale ritorna a zero mentre la pressione intrapleurica continua a ridursi fino ad un plateau.

Nella prima parte la velocità è elevata sia nella modificazione di pressione alveolare sia intrapleurica vuol dire che qui il flusso è molto rapido, è il momento in cui si inizia ad aspirare aria; successivamente la variazione di velocità di pressione intrapleurica segue la variazione di velocità del flusso di aria nei polmoni mentre la pressione alveolare torna a zero. Cosa crea questa differenza? La presenza di forze elastiche, cioè questa differenza di pressione a livello delle pleure dovuta alla gabbia toracica che si espande e quindi tira il foglietto viscerale genera una depressione all’interno dell’alveolo ma questi alveoli vengono distesi non soltanto per permettere il flusso di aria in ingresso, ma anche contro delle forze elastiche che tirano dall’altra parte. In altri termini, questa energia che viene spesa per mantenere costante, negativa, la pressione intrapleurica, serve in parte a produrre il flusso, dopodichè il polmone con la sua elasticità si aggiusta e serve a vincere le resistenze elastiche del tessuto polmonare. Anche se non esistessero le forze elastiche ci sarebbe una perfetta corrispondenza tra la curva della pressione alveolare e quella della pressione intrapleurica perché sarebbe cm espandere un sacchetto di carta tirandolo dall’esterno.

Quando andiamo a guardare l’espirazione troviamo una situazione speculare, vi è sempre il flusso di aria che ha una velocità maggiore all’inizio (però è un fenomeno meno marcato di prima); la pressione all’interno degli alveoli è positiva, maggiore di quella atmosferica, senza la quale non si avrebbe uscita di aria; la pressione intrapleurica ritorna al valore di riposo (-5 cmH2O) corrisponde alla restituzione, attraverso quell’elastico che era stato tirato durante l’inspirazione, della stessa energia che era stata spesa per vincere le forze elastiche. Di conseguenza durante il ritorno dell’elastico abbiamo un massimo di velocità di variazione di pressione all’interno degli alveoli e poi ripartiamo da zero.

Riassumendo, la differenza tra le due curve è dovuta all’esistenza di forze elastiche che differenziano il sistema alveolare rispetto al sistema della pleura. Come mai le due curve sono diverse? Perché non vediamo un massimo di velocità in corrispondenza del massimo di differenziale di pressione che esiste tra l’aria atmosferica e l’interno del polmone? Perché il flusso, cioè la velocità di variazione di volume nel tempo dipende da due fattori:

la differenza di pressione;
le resistenze.

Lo sviluppo nel tempo del flusso alla bocca non dipende soltanto dalla nascita di una differenza di pressione all’interno del polmone ma anche da come si comportano le resistenze all’ingresso o all’uscita dell’aria, e queste resistenze non sono soltanto di tipo elastico (dovute al fatto che il polmone si deve espandere) ma ci sono anche resistenze al flusso rappresentate dai condotti stessi attraverso cui passa l’aria. E’ come se la pressione alveolare creasse una specie di riserva di energia che richiama dentro l’aria contro le resistenze o che spinge fuori l’aria durante l’espirazione.

Fattori importanti che consentono l’ingresso di aria nei polmoni e altri che si oppongono: mentre le resistenze elastiche che vengono vinte durante l’inspirazione restituiscono energia durante l’espirazione, altrettanto non si può dire delle resistenze dei condotti, quelle ci sono sempre.

Perché ci sia flusso sono necessari: una differenza di pressione e che le resistenze siano sufficientemente piccole da permettere il passaggio del fluido.

Le resistenze in gioco nel sistema respiratorio sono di due tipi: la resistenza elastica opposta dal polmone alla sua espansione e anche dalla gabbia toracica perché anche la gabbia toracica ha una sua resistenza all’espansione, e poi le resistenze dei condotti che tanto più sono piccoli tanto più resistenza oppongono; queste due resistenze oppongono il massimo della loro resistenza in tempi diversi:

la resistenza opposta dai condotti al passaggio dell’aria è massima durante le prime fasi della respirazione, quando la velocità dell’aria è massima, anche perché quando la velocità è elevata il flusso da laminare diventa turbolento molto spesso soprattutto quando si incontrano delle biforcazioni, e il flusso turbolento a sua volta aumenta la resistenza. Quindi, nel momento in cui iniziamo a respirare, e si ha la massima velocità di flusso, qui ci sono le massime resistenze dei condotti al passaggio dell’aria; invece le resistenze elastiche sono massime alla fine dell’atto inspiratorio (un elastico diventa tanto più resistente quanto più lo allunghiamo). Se non ci fossero le resistenze elastiche l’andamento sarebbe dritto, in realtà l’andamento diventa negativo durante l’espirazione perché la forza elastica viene restituita durante l’espirazione dalla gabbia toracica e polmoni, infatti hanno grosso modo la stessa forma nel grafico.

Se riempissimo il polmone di acqua si vedrebbe che la pressione alveolare segue esattamente l’andamento della pressione pleurica, l’acqua essendo un fluido è incomprimibile; noi abbiamo l’ingresso dell’aria all’interno dell’albero respiratorio che tende ad annullare il gradiente di pressione creato dentro gli alveoli.

SPIROMETRIA

Lo spirometro è composto da due recipienti l’uno dentro l’altro con intercapedine tra i due piena d’acqua che serve per creare un isolamento perfetto al passaggio di aria senza che ci sia resistenza al movimento di un altro contenitore, capovolto, che si infila perfettamente nell’intercapedine e che si muove perché al suo interno esiste una pressione superiore della pressione atmosferica.

Questo cilindro superiore deve pesare 0, basta attaccare un contrappeso uguale al peso del cilindro; essendo un sistema cilindrico è poi possibile calibrarlo.

Grazie allo spirometro è possibile misurare i volumi respiratori, normalmente ha un filtro di cloruro di calcio che assorbe la CO2 perché siccome il soggetto respira lì dentro l’atmosfera del sistema diventa sempre più ricca di CO2 e di conseguenza la frequenza respiratoria e il volume corrente sono influenzati dalla pressione parziale di CO2 nel plasma, se aumenta la CO2 aumenta la frequenza respiratoria e aumenta il volume corrente perché l’organismo vuole buttar via CO2 quindi si falserebbero i risultati per la CO2 che rimane in circolo. Che parametri misuro?

Il soggetto viene invitato a respirare normalmente; il volume che c’è da picco a picco è il volume corrente (VT) che è circa mezzo litro; poi si dice al soggetto, al termine dell’espirazione normale di inspirare al massimo e poi più velocemente possibile butta fuori tutta l’aria, in Questo modo si misurano altri volumi importanti:

VOLUME DI RISERVA INSPIRATORIA (VRI), è il volume che, oltre il volume corrente, è il volume di riserva inspiratoria, cioè di quanta aria noi possiamo mettere dentro ai polmoni in più rispetto al volume corrente;
VOLUME DI RISERVA ESPIRATORIA (VRE), vuol dire tutta l’aria che possiamo buttare fuori dai polmoni oltre al volume corrente.

L’insieme di tutti questi volumi (VT, VRI, VRE) definisce la CAPACITA’ VITALE FUNZIONALE o FISIOLOGICA, cioè è tutta la massa di aria che noi riusciamo al massimo a buttare fuori e dentro dai polmoni.

Se noi dentro lo spirometro vi mettiamo un gas in piccola percentuale, mettiamo che lo spirometro abbia 3 litri di aria, in questi 3 litri ci mettiamo dentro 10ml di elio (perché non viene assorbito e lo possiamo misurare); quando il soggetto inizia a respirare questo gas gli entra nei polmoni e si ripartisce tra il volume del polmone e il volume dello spirometro; se dopo che il soggetto ha respirato più volte lì dentro noi andiamo a misurare la concentrazione di elio nello spirometro vedremo che l’elio è meno di quanto era prima perché parte dell’elio è passato nei polmoni del soggetto. Attraverso il confronto di queste 2 concentrazioni noi possiamo misurare il volume polmonare totale, tanto maggiore è il volume del polmone tanto minore sarà la concentrazione all’interno dello spirometro una volta raggiunto l’equilibrio. Questo è importante perché se noi facciamo questo lavoro per misurare il volume polmonare totale vedremo che c’è una differenza tra capacità polmonare totale (circa 6litri) capacità vitale (massimo volume di aria che riusciamo a mobilizzare coi nostri atti respiratori, dalla massima inspirazione alla massima espirazione, è di circa 4,5-5litri). Come mai? Perché esiste il VOLUME RESIDUO, dovuto al fatto che quando espiriamo non riusciamo a buttare fuori tutta l’aria contenuta negli alveoli, questo volume residuo non è irrilevante, costituisce una sorta di riserva funzionale in quanto è aria, costituisce un volume di scambio.

Un parametro importante misurato durante l’esame spirometrico è la VELOCITA’ ESPIRATORIA MASSIMA AL SECONDO (VEMS) che è la misura della velocità alla quale il soggetto fa questo passaggio dalla inspirazione alla espirazione più velocemente possibile; questo parametro è importante perché la velocità massima di espirazione volontaria dipende dalle resistenze al flusso che sono fondamentalmente resistenze di condotto. E sarà possibile diagnosticare problemi di ostruzione come asma grazie al VEMS; inoltre, la posizione nel tempo in cui si verifica l’alterazione della VEMS è un indice del calibro dei bronchi che sono ostruiti, in altre parole si può capire se è un’ostruzione che interessa soltanto i piccoli bronchi o i bronchi di maggiori dimensioni. Se noi traduciamo nel tempo quanto visto con la spirometria misurando il parametro detto PRESSIONE TRANSPOLMONARE (pressione che esiste nel polmone rispetto all’esterno) possiamo vedere che durante l’inspirazione si ha un aumento della pressione transpolmonare, durante l’espirazione si ha un ritorno all’indietro; si tratta di una curva pressione/volume, il volume è espresso in % della capacità polmonare totale.

Appunti di Laura Marchetti