Principi Generali di Fisiologia Respiratoria Lo studio delle malattie polmonari ci mostra come alcune di esse prediligono specifiche zone del polmone.  Alcuni esempi sono rappresentati da:  infezioni tubercolari o silicosi: le regioni dorsali dei lobi superiori;  asbestosi: la periferia dei lobi inferiori. La domanda del "perchè" nasce spontanea in quanto il polmone appare omogeneo ad una osservazione superficiale.

Metodo Analitico Anatomico Il metodo analitico anatomico si fonda sull’assunto che vi sia corrispondenza diretta tra ciò che si può osservare in un campione di tessuto e ciò che vediamo alla radiografia: questo assunto non è sempre valido. Inoltre, l’approccio anatomico non è in grado di spiegare perché alcune malattie prediligono regioni del polmone differenti.

Azione della forza di gravità L’azione della forza di gravità crea un’enorme differenza fra le regioni polmonari sia in termini di flusso sanguigno che di ventilazione, flusso linfatico e clearance, ambiente chimico, pressioni e tensioni.

Posizione Eretta Le differenze gravitazionali nel polmone dipendono dalla postura. Modelli animali sono stati spesso usati per simulare le malattie dell’uomo.

Medlar, negli anni ’50 fece un interessante esperimento per studiare la distribuzione delle infezioni tubercolari (TBC) nel coniglio. I conigli furono divisi in due gruppi: uno venne infettato con micobatteri e lasciato nella posizione naturale a quattro zampe; un altro, venne infettato con micobatteri e mantenuto in posizione eretta. Il risultato fu che in entrambi i gruppi, la infezione TBC coinvolse in maniera più grave la regione non declive, cioè quella dorso-caudale nel gruppo di conigli tenuti in posizione a quattro zampe e quella craniale nei conigli mantenuti in posizione eretta.

Gli effetti della forza di gravità sono importanti anche in altre posture. Per esempio, nella posizione orizzontale esiste un gradiente gravitazionale tra la zona anteriore e posteriore del polmone.

Warrell e collaboratori osservarono che la distribuzione della silicosi nei polmoni dei tagliapietre nigeriani differiva dalla usuale distribuzione alle zone superiori che si osserva in altri lavoratori esposti. Infatti, su 49 tagliatori, 33 avevano una distribuzione uniforme della silicosi dall’apice alla base, 11 un interessamento basale e solo 5 di essi presentavano la malattia ai lobi superiori. La spiegazione di questa particolare distribuzione risiede nelle abitudini di questi lavoratori. I meccanismi fisiologici di clearance della polvere non sono diversi in questi pazienti e l’unica diversità risiede nelle differenze gravitazionali regionali all’interno del polmone.

Flusso Sanguigno Anche se la legge della gravità è stata formulata da Newton oltre 200 anni orsono, solo negli ultimi 30 anni i fisiologi ne hanno scoperto l’importanza ai fini della distribuzione del flusso ematico polmonare.   Il sangue nel polmone forma una colonna ininterrotta connessa con una pompa (cuore), situata circa nei due terzi inferiori. Il sangue ha un peso ed esiste un gradiente pressorio idrostatico dovuto alla gravità (1mmHg/cm), che aumenta dagli apici alle basi del polmone nel soggetto eretto. La differenza di flusso sanguigno causata dalla gravità è grande e di quasi 18 volte nel polmone in posizione eretta.

Di norma, il flusso sanguigno è determinato dalle differenze tra la pressione arteriosa in ingresso e la pressione venosa in uscita. Caratteristica unica del polmone è che nell’attraversamento del letto capillare si aggiunge la pressione alveolare,che ulteriormente influisce sul flusso sanguigno polmonare. West e coll, usando una preparazione di polmone isolato elaborarono un modello a 3 zone per la perfusione ematica polmonare in relazione ai rapporti tra le pressioni arteriosa, alveolare e venosa.

Ventilazione Il grado di distensione del polmone è, come il flusso sanguigno, distribuito in maniera non uniforme.   Tuttavia, la differenza di ventilazione fra apice e base del polmone in posizione eretta è solamente di tre volte, che è molto meno rispetto alla differenza di perfusione sanguigna. Qual’ è la causa di questa disuniformità?

Il polmone è sorretto dalla gabbia toracica e dal diaframma, essendo collegato a queste strutture tramite lo spazio pleurico.   A causa del peso del polmone, vi è un gradiente di pressione pleurica dall’apice alla base per cui la pressione alla base è superiore a quella dell’apice.

L’importanza di un gradiente di pressione intrapleurica ai fini della ventilazione polmonare può essere apprezzata esaminando la curva pressione-volume del polmone.

Rapporto Ventilazione-Perfusione La funzione primaria del polmone è lo scambio gassoso; cioè, il sangue scarsamente ossigenato deve essere portato a contatto dell’ossigeno.   A causa delle esistenti differenze regionali sia nella ventilazione che nella perfusione, l’efficacia dello scambio gassoso dipende dal grado di contatto fra aria e sangue. Sebbene, nella posizione eretta, sia la ventilazione che la perfusione aumentino procedendo verso la parte bassa del polmone, ciò avviene in maniera differente.

In conseguenza di ciò, anche il rapporto ventilazione-perfusione (V/Q) cambia procedendo verso il basso.   Dato che il flusso sanguigno aumenta più rapidamente della ventilazione, il rapporto ventilazione-perfusione sarà, nella posizione eretta, aumentato all’apice e diminuito alla base del polmone. Questo rapporto è importante, non solo nel determinare l’efficacia dello scambio gassoso, ma anche nel determinare la concentrazione intralveolare finale del gas inalato.

Negli individui in posizione eretta la concentrazione di gas all’apice del polmone sarà quasi uguale a quella del gas inspirato, mentre alle basi sarà diminuita rispetto alla concentrazione inspiratoria.

Flusso Linfatico I linfatici assolvono a 2 funzioni:   rimozione delle sostanze particolate; mantenimento del bilancio idrico. La linfa si forma secondo l’equazione di Starling cioè il bilanciamento delle pressioni idrostatiche intravascolare e interstiziale e delle pressioni oncotiche intravascolari ed interstiziali.

Nel polmone esistono anche differenza regionali per quanto riguarda la funzione del sistema linfatico. Mentre le pressioni oncotiche sono le stesse nelle varie regioni del polmone, la pressione arteriosa polmonare varia in funzione della forza di gravità.   In conseguenza di ciò, la pressione che spinge alla formazione della linfa sarà, nella posizione eretta, minore all’apice che alla base del polmone. La formazione della linfa non è stata direttamente studiata nell’uomo a causa dell’inaccessibilità dei linfatici polmonari, ma è stata studiata nella pecora, nel cui polmone il flusso linfatico è quattro volte maggiore nella parte inferiore rispetto alla parte superiore.

La clearance linfatica è agevolata, nei linfatici periferici, da fattori esterni, quali la contrazione dei muscoli circostanti durante le escursioni respiratorie, più ampi nelle regioni della base e della periferia del polmone che in quelle centrali e dell’apice.   Differenze regionali nella clearance linfatica influiscono sulla distribuzione dei processi patologici. In particolare, le malattie granulomatose, le pneumoconiosi e le alveoliti allergiche croniche costituiscono le tre principali categorie di malattie la cui distribuzione è condizionata dalle differenze regionali della clearance linfatica.

Effetti Metabolici Le concentrazioni di O2 e CO2 sono diverse regionalmente a causa delle differenze nel rapporto V/Q.   Nelle regioni superiori del polmone la concentrazione di CO2 è più bassa; il conseguente eccesso di basi rende queste regioni relativamente alcalosiche.

Anche le differenze di concentrazione regionale di O2 e pH possono influenzare la distribuzione regionale delle malattie.