Funzione respiratoria

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• La respirazione costituisce la principale funzione dell’apparato respiratorio e consiste nel trasporto dell’aria dall’atmosfera sino alla superficie degli alveoli polmonari dove avvengono gli scambi gassosi tra aria alveolare e sangue (Tabella 01).
• Lo scambio dei gas tra un mezzo gassoso e uno liquido può avvenire solo per diffusione e l’interfaccia gas/liquido deve essere la più sottile e la più ampia possibile per facilitare la diffusione dei gas dalla fase gassosa a quella liquida e viceversa.
• L’apparato respiratorio comprende le vie aeree, che consentono l’entrata e la fuoriuscita dei gas, e le unità respiratorie le quali presentano, nel loro sviluppo, una superficie di circa 100 m², rappresentando la più estesa superficie dell’organismo umano.
• La funzione respiratoria è costituita dalle seguenti fasi:
  • ventilazione: movimento della corrente aerea nelle vie aeree e sua distribuzione alle unità respiratorie. In un minuto entrano in circolo, attraverso 12-15 atti respiratori, circa 250 ml di 0₂ e sono eliminati circa 200 ml di C0₂;
  • diffusione: attraverso la membrana alveolo-capillare si determina uno scambio tra 0₂ e C0₂ nelle unità respiratorie;
  • perfusione: distribuzione del sangue venoso alle unità respiratorie e ritorno alla circolazione sistemica del sangue ossigenato (Tabella 02)
• La respirazione rappresenta il meccanismo di scambio di 0₂ e di CO₂ tra l’organismo e l’ambiente. A rigore la respirazione non è propria del polmone, ma sono i mitocondri cellulari a svolgere tale funzione. Il polmone può essere considerato l’organo di scambio dei gas respiratori tra l’ambiente esterno e l’organismo (Immagine 01).

Immagine 01

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Immagine 01. Respirazione.

Tabella 01

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Apparato respiratorio= 100 m2 Trasporto dell’aria • dalla➔ atmosfera • alla ➔ superficie degli alveoli

Tabella 01. Respirazione.

Tabella 02

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Ventilazione • Movimento della corrente aerea nelle vie aeree. • In un minuto entrano in circolo, attraverso 15 atti respiratori, 250 ml di 02 • Sono eliminati 200 ml di CO2 Diffusione • Trasporto di 02 e CO2 attraverso la membrana alveolo-capillare Perfusione • Distribuzione del sangue venoso alle unità respiratorie e ritorno del sangue arterioso alla circolazione sistemica

Tabella 02. Funzione respiratoria.

Cascata dell’ossigeno

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• Per poter comprendere l’esatta pressione parziale dell’ossigeno nell’aria inspirata dobbiamo prendere in considerazione i seguenti parametri:
  • la pressione atmosferica a livello del mare e alla temperatura corporea di 37 °C è uguale a 760 mmHg;
  • la pressione parziale dell’ossigeno è il 20,93% della pressione atmosferica totale;
  • il vapore acqueo nella pressione atmosferica, nelle medesime condizioni, risulta essere di 47 mmHg (Tabella 03).
• Per ottenere l’esatto valore della pressione parziale dell’ossigeno nell’aria inspirata deve essere sottratto alla pressione atmosferica il valore del vapore acqueo (760 mmHg – 47 mmHg = 713 mmHg) e successivamente calcolare il 20,93% del valore ottenuto (713 mmHg x 20,93:100 = 149 mmHg).
• Da tale calcolo risulta che la pressione parziale dell’ossigeno nell’aria inspirata è di 149 mmHg. L’aria inspirata, nel percorso tra l’ambiente esterno e l’organismo, vede però ridurre la pressione parziale dell’ossigeno: da 149 mmHg nell’aria inspirata si giunge a 2-3 mmHg nei mitocondri. Questo fenomeno viene denominato: cascata dell’ossigeno (Tabella 04).
• Negli alveoli la pressione parziale dell’ossigeno diminuisce a 100 mmHg in quanto non tutta l’aria inspirata partecipa agli scambi respiratori; una percentuale compresa tra il 25% e il 30% ristagna nelle vie aeree di conduzione (cavità nasale, orofaringe, laringe, trachea, grossi bronchi) e costituisce lo spazio morto anatomico (circa 150 ml). A livello tissutale la pressione parziale dell’ossigeno scende a 40 mmHg e nei mitocondri a 2-3 mmHg.

Tabella 03

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Tabella 03. Pressione parziale dell’ossigeno nell’aria inspirata.

Tabella 04

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Sede	mmHg
Aria atmosferica di cui spazio morto (25-30%)	149
Alveolo	100
Tessuti	40
Mitocondri	2-3

Tabella 04. Cascata dell’ossigeno.

Atti respiratori

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• Il volume corrente per ogni atto respiratorio è di 500 ml di cui 150 ml rimangono nello spazio morto (Tabella 05). Solamente 350 ml di aria giungono nelle unità respiratorie. Considerata una frequenza di 15 atti respiratori al minuto si avrà una ventilazione di 5250 ml al minuto (350 ml x 15 = 5250) (Tabella 06). Se consideriamo un flusso ematico (perfusione) di 5250 ml al minuto il rapporto ventilazione/perfusione, in condizioni di normalità, è uguale a 1 (Tabella 07). La distribuzione però del rapporto ventilazione/perfusione non è uniforme in tutta la gabbia toracica. Alla base il rapporto è inferiore a 1, perché prevale la perfusione; all’apice il rapporto è superiore a 1 perché prevale la ventilazione.

Tabella 05

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Tabella 05. Spazio morto.

Tabella 06

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Tabella 06. Ventilazione e perfusione/minuto.

Tabella 07

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Tabella 07. Rapporto ventilazione/perfusione (V/Q).

Gabbia toracica

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• La gabbia toracica presenta una struttura rigida, idonea a evitare il collasso, nell’eventualità si modifichino le pressioni all’interno della cavità toracica. La gabbia toracica comprende dodici coste di cui le prime sette articolate direttamente con lo sterno; le altre tre indirettamente con lo sterno, le ultime due fluttuanti.
• Nell’inspirazione la gabbia toracica si sposta ante­riormente, la porzione inferiore lateralmente e per la contrazione del diaframma si determina uno spostamento in senso cranio-caudale del contenuto addominale il quale, essendo incomprimibile, determina un aumento della pressione endo-addominale e uno spostamento in avanti della parete addominale anteriore.
• Nell’inspirazione si determina una riduzione del­la pressione endo-toracica e alveolare e si genera un flusso inspiratorio sino a quando la pressione endo-alveolare non è uguale a quella atmosferica.
• L’espirazione tranquilla è passiva grazie all’energia elastica immagazzinata nel parenchima polmonare che determina un flusso espiratorio non appena i muscoli inspiratori iniziano a rilassarsi. In tale fase è ancora presente l’attività dei muscoli inspiratori i quali, antagonizzando il ritorno elastico del siste­ma respiratorio, permettono di modulare la velocità dell’espirazione.
• Nell’inspirazione tranquilla il diaframma è il muscolo predominante, mentre i muscoli scaleni, gli sternocleidomastoidei, gli intercostali, gli addominali sono da considerarsi muscoli inspiratori accessori, inattivi nella respirazione tranquilla.

Vie aeree

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• Le vie aeree mettono in comunicazione l’atmosfera esterna con le unità respiratorie (Immagine 02). Le vie aeree sono suddivise in:
  • extra-toraciche (naso, bocca, rino-orofaringe, laringe, prima parte della trachea);
  • intra-toraciche (seconda parte della trachea, bronchi cartilaginei).
• Le vie aeree intratoraciche sono ulteriormente suddivise in extrapolmonari e intra-polmonari. Le vie aeree extrapolmonari sono costituite dalla seconda parte della trachea e dai bronchi principali. Le vie aeree intrapolmonari sono rappresentate dai bronchi cartilaginei, bronchioli lobulari, bronchioli terminali, bronchioli respiratori, dotti alveolari, sacchi alveolari, alveoli. Lo spazio morto anatomico comprende le vie aeree extra-toraciche, le vie aeree intra-toraciche extra-polmonari e i bronchi cartilaginei.
• Tali vie aeree di conduzione non contengono alveoli e non partecipano allo scambio dei gas: il loro volume è di circa 150 ml.
• La respirazione, in condizioni normali, a riposo, avviene attraverso le cavità nasali. Il naso ha la funzione di filtrare, umidificare, riscaldare l’aria inspirata.
• Il naso, per la sua particolare configurazione anatomica, caratterizzata da un modesto volume (circa 20 ml) e da una estesa superficie mucosa (circa 160 cm²) rivestita nei due terzi posteriori da epitelio ciliato e riccamente vascolarizzato, consente di riscaldare l’aria inalata sino a una temperatura di circa 32 °C e di umidificarla a circa il 98%.
• La trachea, condotto fibro-muscolare, presenta una lunghezza di circa 10-12 cm e un diametro compreso tra 14 e 22 mm, maggiore in senso trasversale che in senso antero-posteriore.
• La sua struttura, costituita da muscolatura liscia e da anelli cartilaginei a forma di C, posteriormente incompleti e uniti alle estremità da fasci trasversali di muscolatura liscia, permette di essere flessibile e mobile senza riportare cospicue variazioni di calibro.
• Dalla trachea si dipartono, per via dicotomica, i due bronchi principali e l’albero bronchiale presenterà sempre, verso la periferia, una suddivisione dicotomica .
• I bronchi lobari, segmentari, sotto-segmentari di vario ordine (dalla quarta alla dodicesima generazione) presentano uno scheletro cartilagineo mentre questo non è presente nei bronchioli.
• I bronchi lobari sono tre a destra, due a sinistra.
• I lobi polmonari sono costituiti da porzioni di parenchima polmonare, costituiti da unità anatomiche autonome e sono separati uno dall’altro dalla rifles­sione della pleura viscerale all’interno delle scissure.
• Le scissure sono incomplete, cioè non giungono sino all’ilo polmonare, nel 50% dei casi. Ogni lobo è costituito da 2 a 5 segmenti.
• A destra i segmenti sono 10 e a sinistra sono 8: a destra sono presenti 3 segmenti per il lobo superiore, 2 per il lobo medio, 5 per il lobo inferiore; a sinistra 4 per il lobo superiore, 4 per il lobo inferiore.
• I bronchioli, dopo altre 4-12 generazioni, danno origine ai bronchioli lobulari, bronchioli terminali, bronchioli respiratori, dotti alveolari, sacchi alveolari, alveoli.
• Il lobulo primario è costituito dalla porzione di polmone che corrisponde a un bronchiolo respiratorio e risulta formato da dotti alveolari, sacchi alveolari, alveoli, vasi e nervi corrispondenti.
• Dal punto di vista funzionale il lobulo primario può essere considerato come un’unità respiratoria terminale (Tabella 08) in quanto è costituito da un’area all’interno della quale la diffusione dei gas è talmente rapida che le pressioni parziali di 0₂ e di C0₂ risultano in pratica uniformi, in quanto si equilibrano in pochi millisecondi a ogni atto respiratorio.
• Ogni unità respiratoria terminale comprende 100 dotti alveolari e 2000 alveoli. Esistono circa 150.000 unità respiratorie terminali nel polmone per un volume globale di circa 3 litri e un numero totale di alveoli di circa 300 x 10⁶
• Il lobulo secondario è costituito da una porzione di parenchima delimitata da setti connettivali e ventilata da bronchioli terminali.
• Il sangue da ossigenare è condotto al lobulo secondario dalla arteriola centro-lobulare la quale decorre parallela al bronchiolo lobulare.
• Arteria e bronchiolo lobulare costituiscono ciò che Heitzman definisce il core lobulare. Il sangue ossigenato, refluo dai capillari, si raccoglie nelle venule che decorrono nei setti interlobulari.
• L’ alveolo “anatomico” è una struttura spaziale complessa, caratterizzata da pareti piatte, con angoli acuti; la maggior parte delle pareti alveolari (85-95%) è in diretto contatto coi capillari polmonari e la su­perficie alveolare è di circa 100 m^2.
• I capillari che decorrono nella parete degli alveoli formano una estesa rete costituita da segmenti vascolari ampiamente anastomizzati tra loro.
• Per ogni alveolo sono presenti da 1800 a 2000 seg­menti capillari cosicché in ogni polmone i segmenti capillari sono circa 540 miliardi. Questa così imponente ramificazione fa sì che il sangue abbia a disposizione come “letto capillare” una superficie di circa 70 m², di poco inferiore a quella alveolare (Immagine 03).
• La forma dell’alveolo è generalmente poligona­le e presenta un diametro di 250-300 µm. La parete dell’alveolo, sul versante respiratorio, è costituita da due tipi di cellule:
  • pneumociti di tipo I: di forma appiattita, costituiscono la maggior parte della parete alveolare (95%) e sono affrontati alle cellule endoteliali che delimitano i capillari;
  • pneumociti di tipo II: di aspetto granulare, in numero di 5-7 per alveolo, deputati alla produzione di surfattante.
• Sulla parete alveolare sono inoltre presenti macrofagi, deputati alla clearance dell’alveolo da parte di elementi esterni. Tra alveolo e alveolo esistono comunicazioni rappresentate da aperture, i cosiddetti pori di Kolin, i quali determinano una possibile via collaterale di ventilazione (Immagine 04).
• I capillari presentano un calibro estremamente ridotto (8 µm) che permette con precisione il passaggio degli eritrociti.

Tabella 08

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Tabella 08. Unità respiratorie terminali.

Immagine 02

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Immagine 02. Vie aeree.

Immagine 03

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Immagine 03. Acino polmonare. Ricostruzione schematica della composizione generale di un acino polmonare secondo le indicazioni di Benninghoff: appare un bronchiolo terminale con la sua arteriola e tre ordini (l, ll, lll) di bronchioli alveolari ciascuno dei quali si divide in due canali alveolari come dimostrato nello schema in alto: il sangue dell’arteriola terminale circola nella parete degli alveoli e si raccoglie poi nelle vene che decorrono lateralmente all’acino per raccogliersi nelle vene interlobulari: a destra due canali alveolari sono aperti e sezionati per dimostrare forma, rapporti e imbocchi degli alveoli.

Immagine 04

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Immagine 04. Alveolo. Disegno di un alveolo. In rosa capillari sanguigni (1) con globuli rossi all’interno (2); 3) monociti nell’interstizio (in azzurro); 4) in giallo pneumociti di I tipo; 5) in blu pneumociti di Il tipo; 6) in azzurro l’interstizio; 7) in verde/grigio macrofago alveolare.

Circolazione polmonare

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• Il polmone presenta una duplice circolazione: una polmonare con origine dal cuore destro, una sistemica a partenza dall’aorta, tramite le arterie bronchiali le quali apportano al polmone circa il 2% della portata cardiaca (Tabella 09).
• L’arteria polmonare, dopo la suddivisione in ramo destro e ramo sinistro, penetra nel polmone determinando rami lobari.
• I vasi arteriosi decorrono in stretta vicinanza con e vie aeree, seguendo il loro decorso e la loro suddivisione; si dividono in modo dicotomico (ogni vaso si divide in due rami di calibro pressoché uguale, formando un angolo per lo più acuto).
• La pressione dell’arteria polmonare, all’ilo, è di circa 20 cm H₂O; considerando che il polmone presenta una altezza di circa 24 cm, la pressione nei vasi arteriosi polmonari varierà di 24 cm in senso cranio-caudale nel soggetto in posizione ortostatica o seduta. Viene posta come riferimento di sede l’arteria polmonare in sede ilare, circa a 2/3 dell’altezza del polmone, cioè a 8 cm dall’apice polmonare. In tale sede la pressione in arteria polmonare risulta essere di 20 cm H₂O.
• Pertanto all’apice la pressione in arteria polmonare sarà di 12 cm H₂O (20 – 8 cm H₂O) e alla base di 36 cm H₂O (20 + 16 cm H₂O) (Tabella 10).
• La notevole estensione della rete capillare polmonare permette, a livello alveolare, un lungo tempo di transito per le singole emazie (0,75 s), onde consentire un completo scambio gassoso con l’aria alveolare.
• Le vene polmonari, in numero di quattro, due per lato, sono costituite da rami lobari e segmentari che decorrono lungo i setti inter-lobulari e sub-lobulari, cioè perifericamente rispetto ai rami arteriosi polmonari e alle vie aeree. Le vene confluiscono secondo un ordine monopodico (in un collettore maggiore confluiscono ad angolo più o meno acuto rami di calibro minore).
• Le vene polmonari confluiscono nell’atrio sinistro.

Tabella 09

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Polmonare	-> arterie polmonari
Sistemica	-> arterie bronchiali
	(2% della portata cardiaca)

Tabella 09. Circolazione polmonare.

Tabella 10

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Tabella 10. Variazioni della pressione in arteria polmonare.