Fisiologia dell’apparato respiratorio

Perché un apparato respiratorio interno? Il metabolismo aerobio delle cellule animali dipende dal costante rifornimento di O2 e nutrienti dall’ambiente, accompagnato dalla rimozione di CO2 e prodotti di scarto. Negli organismi acquatici semplici queste necessità vengono soddisfatte per semplice diffusione. Per ovvi motivi questa soluzione non sarebbe efficiente negli organismi superiori. Questi organismi si trovano a dover risolvere due problemi fondamentali: 1 - necessità di grandi quantità di O2 2 - evitare la disidratazione (in seguito all’esposizione all’aria) La soluzione adottata è stata quella di un sistema respiratorio internalizzato (polmoni) che associa un’ampissima superficie di scambio con la protezione dall’ambiente esterno. Questa soluzione ha però generato un altro problema: Come attuare lo scambio di aria tra atmosfera e superficie di scambio polmonare? Soluzione: adozione di una struttura muscoloscheletrica che funziona da pompa in grado di portare aria all’interno dei polmoni (superificie di scambio.

Funzioni dell’apparato respiratorio Scambio gas tra atmosfera e sangue Regolazione omeostatica del pH corporeo Protezione da patogeni e sostanze irritanti Vocalizzazione Compensazioni omeostatiche per perdita di acqua e calore

Respirazione esterna ed interna

La respirazione esterna si divide in quattro fasi principali: Schema della respirazione esterna e cellulare. La respirazione esterna si divide in quattro fasi principali: aria 1 - ventilazione a - inspirazione b - espirazione 2 - scambio gassoso polmonare (tra polmoni e sangue) 3 - trasporto gassoso sanguigno 4 - scambio gassoso cellulare (tra sangue e tessuti)

Muscoli usati per la ventilazione (pompa) Fase inspiratoria: a - diaframma b - intercostali esterni c - sternocleidomastoideo d - scaleni Fase espiratoria: a - intercostali interni b - addominali La fase inspiratoria è sempre attiva mentre la fase espiratoria può anche essere passiva (es.: a riposo)

Il sistema respiratorio È costituito da: 1 - vie aeree superiori a – cavità orale b - cavità nasale c - faringe d - laringe 2 - vie aeree inferiori a - trachea b - bronchi c - polmoni I bronchi vanno incontro a circa 25 divisioni prima di diventare bronchioli terminali.

I polmoni sono costituiti da un tessuto leggero, spongioso e molto elastico: se non fossero mantenuti espansi dalla cassa toracica collasserebbero su se stessi. Entrambi sono avvolti nelle membrane pleuriche, che svolgono la funzione di mantenerli aderenti alla parete toracica (e quindi espansi).

Le pleure sono costituite da diversi strati di tessuto connettivo elastico e numerosi capillari. Esse contengono il liquido pleurico e hanno due funzioni fondamentali: 1 - creare una superficie di scorrimento 2 - mantenere i polmoni a stretto contatto con la parete toracica

Vie aeree e lobulo polmonare

Tessuti polmonari

Struttura alveolare Le pareti degli alveoli sono costituite da cellule di tipo I, molto sottili e deputate allo scambio gassoso, e cellule di tipo II, più piccole ma più spesse e che sintetizzano il surfactante. Tra gli alveoli sono inseriti i capillari.

L’inspirazione è dovuta all’espansione della gabbia toracica causata dal movimento del diaframma verso il basso e delle coste verso l’alto. L’aumento del volume toracico porta ad un abbassamento della pressione intrapolmonare ed al conseguente ingresso di aria attraverso le vie aeree. A riposo il 60-75% della modificazione del volume toracico è dovuta all’abbassamento del diaframma (respiraz. diaframmatica); il resto al movimento verso l’alto della cassa toracica.

L’espirazione è dovuta al rilassamento dei muscoli intervenuti durante l’inspirazione. Nell’espirazione forzata intervengono anche altri muscoli. La diminuzione del volume toracico porta ad un innalzamento della pressione intrapolmonare e alla conseguente uscita di aria attraverso le vie aeree.

Movimenti durante la respirazione

Pressione nella cavità pleurica All’interno delle pleure è costantemente presente una pressione negativa di –4 mmHg dovuta a forze di direzione opposta. Due forze tendono a far collassare il polmone: 1- la tensione delle fibre elastiche retrattili 2- la tensione superficiale del liquido fisiologico che bagna l’alveolo (natura dipolare dell’H2O) A queste forze si oppongono le forze elastiche della cassa toracica dirette verso l’esterno (analogia siringa-stantuffo)

Pintrapleurica e Palveolare durante l’inspirazione Pleure Palv -1 mmHg Pip -7 mmHg inspirazione 0 mmHg Pip -4 mmHg polmone a riposo pleure piene d’aria Pip 0 mmHg Pintrapleurica e Palveolare durante l’inspirazione Come si cura lo pneumotorace? La pressione intrapleurica negativa di –4 mmHg che nasce dall’equilibrio di queste tre forze diventa –7 mmHg durante l’inspirazione

Variazioni durante le fasi inspiratoria ed espiratoria di: 1 - Pressione intrapolmonare 2 - Pressione intrapleurica 3 - Volume intrapolmonare

Compliance e elasticità polmonare La maggior parte del lavoro respiratorio viene utilizzato per vincere le resistenze dell’elasticità polmonare. Clinicamente la capacità del polmone di espandersi viene definita compliance. Un polmone con elevata compliance si dilata facilmente, mentre un polmone con bassa compliance richiede un maggior lavoro da parte dei muscoli inspiratori. La compliance è diversa dall’elasticità: un polmone che si espande facilmente (elevata compliance) non riassume necessariamente il volume a riposo con facilità. Le condizioni patologiche che diminuiscono la compliance sono definite patologie polmonari restrittive (per esempio la fibrosi polmonare). L’enfisema è una patologia polmonare in cui le fibre di elastina vengono distrutte: il polmone in questa patologia presenta elevata compliance ma bassa elasticità. Elastina e fibre elastiche non sono le fonti principali di resistenza allo stiramento del polmone: i 2/3 dell’elasticità polmonare sono dovuti alla tensione superficiale determinata dal piccolo strato di liquido che ricopre la superficie di scambio tra alveoli e aria.

Instabilità degli alveoli e ruolo del surfactante Instabilità degli alveoli e ruolo del surfactante. All’interfaccia aria-liquido negli alveoli la superficie del liquido ha una tensione superficiale che genera una pressione diretta verso l’interno. La pressione a cui gli alveoli sono sottoposti è determinata dalla legge di Laplace (P=2T/r). L’alveolo più piccolo sarà soggetto a pressioni maggiori: questo genera il fenomeno dell’instabilità degli alveoli. Il surfactante (miscela contenente lipoproteine come la dipalmitoilfosfatidilcolina) è la sostanza che riduce la tensione superficiale e impedisce il collasso degli alveoli stessi (Sindrome da stress respiratorio del neonato).

Oltre alla compliance è importante la resistenza dell’apparato respiratorio dovuta principalmente al diametro delle vie aeree: - il 90% della resistenza può essere dovuto a trachea e bronchi (strutture rigide sostenute da cartilagine e ossa il cui diametro non varia); attenzione all’accumulo di muco per allergeni o infezioni; - i bronchioli di solito non causano resistenza per la loro ampia superficie totale (2000 volte maggiore della trachea); i bronchioli possono essere compressi causando broncocostrizione (allergie-istamina), mentre di dilatano causando broncodilatazione (a seguito di aumento di CO2). Nelle malattie polmonari ostruttive il soggetto fa fatica ad espirare l’aria inalata emettendo un suono sibilante udibile

Volumi e capacità polmonari

Spirometria: i volumi polmonari possono essere misurati dallo spirometro. Oltre ai volumi lo spirometro viene utilizzato per misurare la velocità del movimento dell’aria attraverso le vie aeree. Molti test di funzionalità respiratoria utilizzano lo spirometro: questi tests hanno solitamente un notevole valore diagnostico.

Funzioni delle vie aeree apporto di aria fresca rimozione aria alveolare funzioni di supporto: - filtrazione (epitelio cigliato, muco) - riscaldamento (sinusoidi nasali, vascolarizzazione, mescolamento aria) - umidificazione - fonazione - olfatto

Funzioni della zona di conduzione Riscaldamento e umidificazione Distribuzione di aria alle zone profonde Difesa dell’organismo con trasporto mucociliare

Trasporto mucociliare Muco prodotto da cellule secernenti e costituito da acqua, sali, glicoproteine