Gas Respiratori, Rapporto Tra Ventilazione E Perfusione

Lezione 37

TRASPORTO DEI GAS: La CO2 viene trasportata in tre forme: disciolta, legata alle proteine plasmatiche oppure all’emoglobina e come bicarbonato. La CO2 viene prodotta dal metabolismo cellulare. La CO2, prodotta dal metabolismo cellulare, passa nel plasma e, nel plasma, è presente sotto forma di CO2 disciolta cioè come gas libero in soluzione. La quantità di gas libero in soluzione, e questo vale sia per l’O2 che per la CO2, dipende dal coefficiente di solubilità del gas. La CO2 disciolta è anche responsabile della pressione parziale del gas. Quando diciamo che la P CO2 a livello arterioso è di 40mmHg questi sono legati solamente alla CO2 presente in forma disciolta. La CO2 presente in forma disciolta, a sua volta, riflette la quantità totale della CO 2 perché c’è equilibrio tra le tre forme di CO2 trasportate. Per diffusione la CO2 passa attraverso il globulo rosso; questa diffusione è molto semplice perché la CO2 è liposolubile e, quindi, attraversa facilmente le membrane compresa quella del globulo rosso. Quindi la CO2 passa nel globulo rosso e, anche qui, è presente nelle sue tre forme: liberamente disciolta, legata all’emoglobina ma, soprattutto, è presente sotto forma di bicarbonato. Allora vediamo come si forma questo legame. La CO2 viene idratata in presenza di anidrasi carbonica; è molto importante ricordare che l’anidrasi carbonica c’è soltanto all’interno del globulo rosso non nel plasma. L’H2CO3, quindi, si forma in grandissima parte, al 99%, nel globulo rosso. L’H2CO3, che si forma nel globulo rosso, si scinde in HCO 3‾ e H+. Questo H+ viene legato dall’emoglobina. L’emoglobina, quando è ossigenata, è un buon accettore di H+ . L’emoglobina ossigenata accetta l’H+ cedendo ossigeno. L’ossigeno ceduto è quello che poi viene liberato dal globulo rosso e va a finire nei tessuti. Nella sua forma ossigenata l’emoglobina funge da accettore di protoni H+ legandosi all’H+ e formando l’emoglobina ridotta. La presenza di CO2, in pratica, scalza l’ossigeno dall’emoglobina, perché la presenza di CO 2 a livello tessutale determina la formazione di HCO3‾ e, quindi, anche di questo H+. L’H+ si lega all’HbO2 cioè all’emoglobina ossigenata formando l’emoglobina ridotta e liberando O2. L’HCO3‾ si lega immediatamente al K. (il passaggio non è indicato in figura) L’HCO3‾ inizialmente è legato all’H+ sottoforma di H2CO3, ma, un anione non può rimanere come tale in una soluzione , così come un protone, deve essere sempre legato a qualcosa. Allora questo HCO3‾, una volta che si è liberato dell’H+, si lega ad uno ione positivo, che non sia l’H+ e che sia abbondante all’interno della cellula. Questo ione sarà per esempio il potassio (in tutte le cellule c’è una bassa concentrazione di sodio e un’alta concentrazione di potassio).

1

Questo HCO3‾ appena liberatosi dell’H+ si trova intorno un’elevata concentrazione di K+. E, quindi, si lega a K+ . In forma di K+HCO3‾ raggiunge il bordo della cellula, la membrana eritrocitaria, dove l’HCO3‾ si stacca dall’H+ e si scambia con Cl‾ nello scambio o shunt dei cloruri. Il Cl‾ che è entrato si andrà a legare al potassio che è stato liberato dall’HCO3‾. Mentre l’HCO3‾ che esce forma NaHCO3 cioè bicarbonato di sodio. In conclusione quello che succede è che entra CO2 nella cellula; l’ingresso di CO2 nella cellula determina: da una parte la liberazione dell’ossigeno da parte dell’emoglobina che si desatura da una parte la formazione di HCO3. Una parte dell’HCO3 rimarrà nel globulo rosso ma la maggior parte di quello che si forma nel globulo rosso viene buttato all’esterno grazie a questa pompa dei cloruri. Quindi, alla fine di questo giro, quello che succede è che il plasma si arricchisce di bicarbonati . Non è bicarbonato prodotto nel plasma, è bicarbonato prodotto nel globulo rosso e poi estromesso tramite lo shunt dei cloruri. Tutto il bicarbonato che troviamo nel sangue, sia quello presente nel plasma che quello presente nel globulo rosso, deriva da questa reazione di idratazione della CO2 che si verifica però all’interno del globulo rosso; anche nel plasma si forma una quantità di bicarbonato ma infinitesima perché nel plasma non c’è l’anidrasi carbonica. Nel globulo rosso c’è l’anidrasi carbonica e questo aumenta di molto la velocità dell’idratazione della CO2 facilitando quindi la formazione di HCO3‾. L’immagine mostra il contenuto di CO2 nel sangue; c’è differenza tra sangue arterioso, sangue venoso, plasma, sangue intero e globulo rosso. In tutti i compartimenti che esaminiamo, sia a livello arterioso che a livello venoso, ci sono tutte e tre le forme di trasporto: CO2 fisicamente disciolto, HCO3‾, e carbamino-composti. La CO2 fisicamente disciolta è molto poco nel plasma. Nel plasma il 57% è trasportato sotto forma di HCO3‾ quest’ultimo è derivato dalla formazione di HCO3‾ nel globulo rosso. Nel plasma ci sono anche carbamino-composti, ci sono circa 6-7g per 100 di proteine nel plasma, ma, in termini di percentuale una quantità minima di CO2 si lega alle proteine plasmatiche, inferiore all’1%.(per questo nell’immagine è indicato come praticamente nullo). Il 90% circa della CO2 che arriva nel plasma va direttamente nel globulo rosso grazie alla sua elevata diffusibilità nella membrana del globulo rosso. Nel globulo rosso rimane poca HCO3‾ nonostante il globulo rosso la formi; la maggior parte viene buttata fuori per andare nel plasma. Nel globulo rosso abbiamo un’elevata quantità di carbamino-composti. La somma delle varie forme di CO2 nel plasma più quelle nel globulo rosso costituisce il contenuto del sangue intero. Nel sangue arterioso ci sono 20ml di O2 per 100ml di sangue, mentre nel sangue venoso ci sono 15ml di O2 per 100ml di sangue. Il contenuto totale di CO2, invece, nel sangue arterioso è circa 4748 ml di CO2 per 100ml di sangue mentre è di circa 52ml di CO2 per 100ml di sangue nel sangue venoso.

2

La CO2 presente nel sangue venoso è superiore alla CO2 presente nel sangue arterioso, e questo è ragionevole perché, ovviamente, la CO2 viene immessa nel sangue a livello tessutale, quindi ne troveremo di più a livello venoso che non a livello arterioso.

Così come abbiamo visto la curva di dissociazione del sangue per l’ossigeno ora vediamo la curva di dissociazione del sangue per la CO2. Nell’immagine in ordinata abbiamo il contenuto di CO2 nel sangue espresso in ml di CO2 ogni 100ml di sangue, in ascissa abbiamo la pressione parziale della CO2. La linea nera identifica la quantità di CO2 presente nel sangue all’aumentare della pressione parziale di CO2 sottoforma di gas disciolto. Le due curve rosse rappresentano la curva di dissociazione che si ottiene quando abbiamo due situazioni estreme. Quella più in basso si ottiene quando il sangue è ossigenato al 95% cioè è ottenuta con l’emoglobina praticamente completamente satura di ossigeno; è, quindi, il comportamento del sangue arterioso. La riga sopra rappresenta, invece, il comportamento della curva di dissociazione del sangue per la CO2 nel caso in cui il contenuto di ossigeno dell’emoglobina sia dello 0%, cioè nel caso in cui l’emoglobina sia completamente ridotta e desaturata . Questa è una condizione non presente fisiologicamente, perché abbiamo visto che anche a livello venoso l’emoglobina è satura di circa il 70%, a riposo in un soggetto normale. La saturazione dell’emoglobina per l’O2 può variare: può abbassarsi notevolmente e può arrivare fino al 20-30% ma non arriva mai allo 0%. Lo 0% è un limite fatto per ragionare. Cominciamo ad esaminare la curva che si ottiene con l’emoglobina completamente ossigenata, completamente satura, cioè quello che succede a livello arterioso. La forma della curva è diversa, mentre la forma della curva dell’O2 ha un po’ l’andamento a f italica questa continua sempre. Mentre la curva di dissociazione del sangue per l’ossigeno raggiunge un punto di saturazione, a un certo punto diventa parallela all’asse delle x e non aumenta più, invece, qui non c’è mai la saturazione. Questo perché la CO2 non è trasportata da un carrier, non c’è un carrier che trasporta la CO2: può essere trasportata in forma disciolta, può essere trasportata legata all’emoglobina, ma, la maggior parte è trasportata sotto forma di bicarbonato. Tanto maggiore è la pressione parziale della CO2 tanto più elevato sarà il contenuto di CO2. Il 60-65% del trasporto totale di CO2 è legato alla presenza di bicarbonati, il 30% è legato alla presenza delle proteine, soprattutto dell’emoglobina è quasi trascurabile la quota legata alle proteina citoplasmatiche, 6-7% è quello presente in forma disciolta. Si chiama riserva alcalina la quantità di bicarbonato presente in condizione di sangue arterioso e corrisponde circa a 24mmoli/litro.

3

Quindi su 48ml di CO2 che abbiamo a livello arterioso 24mmoli (non è la metà dato che le unità di misura sono diverse) sono da attribuire alla CO2. La curva sopra ricalca un po’ lo stesso andamento ma è ottenuta con l’emoglobina desaturata. Se l’emoglobina è completamente desaturata è legata alla CO2. Quindi l’emoglobina può legarsi o all’ossigeno o alla CO2. L’emoglobina satura è un miglior accettore di CO2 di quella desaturata, e questo si chiama effetto Haldane, è l’effetto per il quale il contenuto di CO 2 del sangue venoso, cioè del sangue desaturato, è più elevato del contenuto di CO2 del sangue arterioso. La condizione con lo 0% di emoglobina saturata è un caso estremo che viene raggiunto con esperimenti in laboratorio e non nella condizione normale fisiologica. La condizione fisiologica la troviamo sapendo che ad ogni valore di saturazione dell’emoglobina corrisponde una curva diversa. Tra le due curve che sono indicate nella figura, che sono gli estremi, ci sono infinite relazioni: una per ogni valore di saturazione dell’emoglobina. Via via che l’emoglobina si desatura le curve si spostano da quella sotto verso l’alto. Se facciamo la curva di dissociazione per la CO2 con l’emoglobina saturata del 70%, come avviene nel sangue venoso, siamo, quindi, in una curva che si troverà in mezzo: ed è quella che è rappresentata solo parzialmente nell’immagine. Come abbiamo visto per l’O2, per cui la curva di dissociazione per l’O2 è diversa nel sangue arterioso e in quello venoso, e passando dal sangue arterioso a quello venoso si sposta da una curva progressivamente sull’altra, qui facciamo la stessa cosa. Quando siamo a livello arterioso la saturazione dell’emoglobina è del 95% e la pressione parziale di CO2 è circa 40mm di Hg. Quindi per 40mm di Hg abbiamo un contenuto di CO2 che è all’incirca di 47-48ml di CO2 ogni 100ml di sangue. A livello venoso siamo in un’altra condizione, siamo su un’altra curva di dissociazione, quella che prevede un’emoglobina saturata al 70% e, in questo caso, avremo che la pressione parziale di CO 2 a livello venoso è salita a 46-47mm di Hg e, in questo caso, il contenuto di CO2 sarà intorno a 52ml di CO2 ogni 100ml di sangue. Sappiamo che abbiamo 20ml di O2 in 100ml di sangue a livello arterioso e 15 a livello venoso, quindi la differenza artero-venosa di O2 è di circa 5ml di O2 in 100ml di sangue. Abbiamo, invece, 47-48ml di CO2 per 100ml di sangue a livello arterioso e circa 52ml di CO2 per 100ml di sangue a livello venoso: la differenza è ancora circa 5ml di CO2 in 100ml di sangue. Ovviamente sarà maggiore nel sangue venoso che in quello arterioso. Il fatto che la differenza artero-venosa sia sempre di 5 non sorprende perché se il quoziente respiratorio è circa 1 vuol dire che se io cedo un volume di CO2 è perché ho utilizzato un volume di O2 e sono simili visto che il quoziente respiratorio è circa 1. E’ 1 soltanto se il volume di CO2 prodotto è uguale al volume di O2 consumato. È giusto che più o meno la differenza artero-venosa sia di O2 che di CO2 sia simile.

4

Questa immagine rappresenta un pezzettino delle curve di dissociazione dell’emoglobina. Il sangue arterioso ha una P CO2 di 40, un PH di 7,4 e la P O2 è 100. A livello venoso, invece, la P O2 è 40, la P CO2 è 46 e il PH è diminuito a 7,37. Il sangue venoso è più acido di quello arterioso. Il fatto che sia più acido dipende dal fatto che essendo stata immessa la CO2 si è formato H2CO3 che è un acido.

Quest’immagine riporta, insieme, le due curve di dissociazione: quella del sangue per l’O2, e quella del sangue per la CO2. In ordinata abbiamo le concentrazioni di O2 e CO2 espresse in ml ogni 100ml di sangue. In ascissa abbiamo la pressione parziale che potrà essere di O2 se ci riferiamo all’O2 o di CO2 se ci riferiamo alla CO2. Le due rette in basso identificano la quantità rispettivamente di O2 e di CO2 presente nel sangue sottoforma di gas disciolto. La concentrazione di un gas in un liquido, secondo la legge di henry, è espressa da α per la pressione parziale, dove α è la solubilità. Cgas= α gas · P parziale Questa è l’equazione di una retta che passa per l’origine dove la pendenza è il coefficiente di solubilità. Il coefficiente di solubilità della CO2 è più elevato di quello dell’O2. La curva di dissociazione dell’O2 è diversa come forma rispetto a quella della CO2 perché arriva a saturazione, oltre ad un livello che corrisponde circa a 20ml di O2 in 100ml di sangue non cresce. Se aumenta la pressione parziale di CO2, invece, il contenuto della CO2 continua ad aumentare linearmente. Il rettangolo in figura identifica in ordinata la quantità totale di O2 ceduto nel passare dal punto arterioso al punto venoso. Il rettangolo evidenzia bene la quantità totale di O2 ceduta viene ceduta grazie ad un gradiente di pressione molto alto. Per cedere la differenza artero-venosa di O2 abbiamo bisogno di un elevato gradiente di pressione di circa 60mm Hg. A livello arterioso la P CO2 è circa 40mm Hg e abbiamo una concentrazione di CO2 di circa 48ml di CO2 in 100ml di sangue. Se passiamo al livello venoso la P CO2 diventa 46-47circa e abbiamo una concentrazione che è un po’ superiore ai 50 circa 52.

5

Quindi l’ordinata, il lato verticale di questo rettangolino, è sempre uguale, è la differenza arterovenosa di CO2, però questa volta per cedere quel volume di CO2 dai tessuti al sangue c’è bisogno di un gradiente di pressione di soli 6mm Hg. Il rettangolo più grande indica qual è la possibile entità di questi trasporti, se, per esempio, stiamo praticando un’attività muscolare intensa l’O2 totale ceduto può raddoppiare e allora ci sarà bisogno di un gradiente più grande e l’emoglobina si desatura di più. A questa cessione di O2 corrisponderà una produzione più ampia di CO2 che anche avrà bisogno di un gradiente di pressione maggiore per essere ceduto.

RAPPORTO VENTILAZIONE PERFUSIONE Per rapporto ventilazione perfusione si intende il rapporto tra la ventilazione alveolare, indicata come Va (V è puntato quindi non è il volume alveolare ma è il flusso alveolare) e il volume di sangue che irrora il polmone nell’unità di tempo. La ventilazione è la ventilazione alveolare in l o ml al minuto e la perfusione è la perfusione di sangue polmonare, cioè il flusso di sangue che arriva al polmone. Sono due flussi: quello sopra è un flusso di aria che periodicamente entra ed esce, l’altro è il flusso di sangue che passa irrorando il polmone. Questo rapporto ventilazione/perfusione è estremamente importante. Il tutto si incentra su quello che succede a livello tessutale. A livello tessutale abbiamo la rete capillare e quello che succede è che bisogna cedere O2 per fornire di O2 i tessuti. Quindi dobbiamo far si che un’adeguata quota di O2 arrivi ai tessuti e che la CO2 che viene immessa nel sangue possa essere portata ai polmoni e liberata. Bisogna che ci sia un adeguato rapporto tra quello che il tessuto consuma e la CO 2 che viene ceduta e l’entità dell’irrorazione. Se io voglio che un muscolo lavori in maniera adeguata devo avere un flusso di sangue tale da far si che il muscolo possa trovare disponibile l’O2 che gli serve. Se il flusso al tessuto è troppo basso ad un certo punto il muscolo non avrà più il carburante cioè l’ossigeno. Se vogliamo rifornire un tessuto dell’adeguato O2 al tessuto deve arrivare l’adeguato flusso ematico e questo flusso ematico deve avere un adeguato contenuto di ossigeno. Se il contenuto di ossigeno nel sangue arterioso fosse uguale a quello venoso anche se arriva un flusso elevato non riusciamo ad ossigenare bene il tessuto e, quindi, a rifornire il tessuto di ossigeno. A livello polmonare dobbiamo far si che il sangue venoso si arterializzi: rilasciando il suo CO2 e beccandosi l’O2. A questo livello abbiamo il problema del rapporto ventilazione perfusione: perché se a livello polmonare passa un certo flusso di sangue che deva cedere CO2 e arricchirsi di O2 bisogna anche che la ventilazione sia tale da poter rifornire l’alveolo di quella quota di aria ambiente che consenta questi scambi.

6

Se io metto un tappo sull’alveolo anche se passa molto sangue gli scambi con l’aria ambiente non avvengono e quindi il sangue passa senza poter cedere la CO2 e senza potersi ossigenare. Quindi il rapporto ventilazione perfusione è un adeguamento della funzione respiratoria e della funzione circolatoria. La circolazione senza un’adeguata ventilazione non avrebbe senso, viceversa un sangue anche ricco di emoglobina se l’alveolo non è opportunamente ventilato non serve a niente. Vediamo ora un po’ di casi.

Possiamo avere varie condizioni. I due alveoli rappresentati sono messi uno all’apice e l’altro alla base del polmone. La distinzione tra apice e base vale anche se il soggetto è supino o prono. L’apice è sempre in una posizione più elevata rispetto alla base. La legge di Bernulli si applica a qualsiasi struttura che abbia una differenza di altezza, compreso il polmone. Avremo del sangue che irrora l’alveolo all’apice e del sangue che irrora l’alveolo alla base. Mentre in posizione eretta la differenza di altezza è di 30-40cm se ci mettiamo supini la differenza di altezza tra l’apice e la base si riduce, ma, comunque c’è. Sia l’alveolo all’apice che quello alla base ricevono un’irrorazione ematica. 7

A entrambi gli alveoli polmonari arriva sangue con l’arteria polmonare che porta sangue venoso misto (per questo nell’immagine è rappresentato con un colore più scuro, è più violaceo perché l’emoglobina è desaturata). La pressione parziale di CO2 sarà 46-47mm Hg la PO2 è di 40mm Hg. Nell’ambiente la PO2 è circa 150mm Hg mentre la PCO2 è 0. Via via che si scende nello spazio morto anatomico le pressioni parziali scendono perché scende la concentrazione dell’O2 mentre aumenta quella della CO2. Avremo quindi che all’apice c’e una PA O2 di 102 e una PA CO2 di circa 40. Lo stesso è nell’alveolo alla base. Il sangue che arriva si ripartisce tra i due alveoli, si scambiano O 2 e CO2, il sangue che esce dai due alveoli è sangue arterializzato che ha ceduto la CO2 e si è preso l’O2 e che, quindi, ha una pressione parziale rispettivamente di O2 e di CO2 uguale a quella che c’è nell’alveolo. Ci aspettiamo che all’apice e alla base succeda la stessa cosa, ma in realtà non è così. Questi alveoli sono entrambi sia ventilati che perfusi. Si possono avere due condizioni diverse. Possiamo avere il caso in cui l’alveolo è ventilato ma non è perfuso, e questo è il caso dello shunt, oppure il caso in cui l’alveolo è perfuso ma non è ventilato. Consideriamo il caso dello shunt nell’immagine precedente; una parte del sangue invece di dirigersi verso l’alveolo, alla base o all’apice, devia; il sangue arriva al polmone, perfonde il polmone, ma non perfonde l’alveolo, cioè è sangue che passa da zone del polmone dove non si verificano gli scambi di O2. Una piccola quota di shunt è fisiologica, per esempio il sangue del circolo bronchiale non passa nel polmone, si immette direttamente a livello dell’atrio sinistro senza passare nel polmone. Quindi questo sangue del circolo bronchiale è sangue che compone uno shunt fisiologico, anche le vene di tebesio compongono uno shunt fisiologico. Ci possono essere anche degli shunt non fisiologici e sono dei casi patologici. Ovviamente non passando dall’alveolo questo sangue rimane sangue venoso, non si arterializza, perché non scambia con gli alveoli. Questo sangue si immette nelle vene polmonari così come è, quindi, nelle vene polmonari si mescola sangue proveniente dagli alveoli, che è sangue arterioso, e sangue che ha la stessa PO2 e la stessa PCO2 del sangue venoso, è sangue venoso misto. Quindi, mentre il sangue che esce dai due alveoli è esattamente uguale a quello di prima, quello che si trova nelle vene polmonari ha una PO 2 più bassa e una PCO2 più alta, perché il sangue arterioso è rimescolato al sangue che proviene dallo shunt. Un altro caso è quello dell’alveolo che è normalmente perfuso, però non è ventilato, per esempio se c’è un’ostruzione o un collassamento dell’alveolo (aterectasia = zona di collassamento alveolare). Il sangue venoso nell’alveolo sotto viene scambiato con l’alveolo ma in quello sopra no. L’alveolo sopra è occluso, l’alveolo alla base risulta meglio ventilato, perché il flusso alveolare, invece di essere ripartito su entrambi gli alveoli all’apice e alla base, è convogliato soltanto verso uno dei due alveoli (per esempio quello alla base in figura). La PA O2 e la PA CO2 sono diverse perché, essendo l’alveolo iperventilato avrà una PA CO2 più bassa, tipicamente l’iperventilazione serve a sciacquare l’alveolo, avremo quindi che nell’alveolo alla base, che è quello non ostruito, la PA CO2 è più bassa per esempio nella figura è 20, e la PA O 2 aumenta, si avvicina a quella dell’ambiente invece di essere 102 è ad esempio di 125. Il sangue venoso che passa dall’alveolo non ventilato non potrà scambiare, quindi ritornerà verso le vene polmonari con lo stesso valore di PA O2 e di PA CO2 che aveva all’ingresso perché non è stato ventilato l’alveolo. La pressione parziale del sangue refluo dall’alveolo ventilato, invece, è più elevata, è uguale a quella che c’è nell’ambiente. Nelle vene polmonari avremo una rimescolanza del sangue proveniente dai vari alveoli e per esempio in questo caso avremo che la PA O2 globale è 40 e la PA CO2 globale è 30. 8

La PA CO2 è molto bassa perché è stato risciacquato bene l’alveolo e anche la PA O2 è bassa perché, pur essendo stato l’alveolo risciacquato bene e pur essendo questa componente di sangue arterioso molto ricco di ossigeno e con una PA O2 elevata, siccome si rimescola con un sangue che ha un bassissimo contenuto di O2 in realtà il sangue refluo, che è una mescolanza dei due, ha un basso contenuto sia di O2 che di CO2.

L’immagine rappresenta in “a” l’alveolo normale: normalmente ventilato e perfuso. In esso Va/Q che è il rapporto ventilazione /perfusione (sono entrambi puntati) è definito normale. La ventilazione alveolare è uguale a: Ve – Vd Va =

______________

= 500ml – 150ml

t quindi Va sarà 350ml ma noi abbiamo bisogno del flusso non del volume V˙a = Va·fr = 350ml · 15/min = 5250ml/min fr = frequenza respiratoria 15/min = 15 atti al minuto Q˙ = 5000ml/min Q˙ = gettata cardiaca V˙a /Q˙= 5250ml/min : 5000ml/min = 1,05 circa (varia può essere tra 0,8 e1,1). Se l’alveolo è occluso, ma c’è una perfusione normale, V˙a tende a 0 mentre Q ha il suo valore normale il rapporto ventilazione perfusione tende a diminuire. Se proprio non c’è ventilazione il rapporto è 0 perché 0 su un valore normale è 0. Non è necessario che l’alveolo sia occluso come un tappo perché il rapporto ventilazione perfusione diminuisca, nel polmone normale ci sono delle differenze di Va/Q semplicemente legate all’altezza alla quale ci troviamo nel polmone. Se diminuisce la ventilazione, e si può arrivare all’estremo con l’occlusione patologica, rispetto alla perfusione il Va/Q diminuisce; se, invece, la ventilazione aumenta rispetto alla perfusione allora abbiamo un aumento del Va/Q; può essere il caso di uno shunt cioè il fatto che l’alveolo non venga irrorato dal sangue, quindi il sangue non può perfondere regolarmente l’alveolo, e questa è una condizione patologica, oppure, in qualche caso, fisiologica. Un aumento del rapporto ventilazione perfusione può essere legato semplicemente al fatto che la ventilazione aumenta di più di quanto non aumenti la perfusione. Anche questa può essere una condizione fisiologica. Esiste un ambito di errori fisiologici se si oltrepassano questi ambiti, sia in un senso che nell’altro, allora il rapporto Va/Q è un indice di patologia. Questo è un argomento di prassi in anestesia. 9

Consideriamo ora il rapporto ventilazione/perfusione nell’ambito di una condizione fisiologica.

La figura mostra come varia la perfusione e come varia la ventilazione in rapporto all’altezza del polmone, cioè in rapporto alla posizione dell’alveolo. Se il soggetto è posto in verticale l’apice del polmone è all’altezza della prima costa ,mentre la base è a livello della quinta-sesta costa. Immaginiamo di dividere il polmone in tante fette e di misurare la ventilazione e la perfusione passando dall’apice e andando sempre più giù. Sia la perfusione che la ventilazione sono più elevate alla base di quanto non lo siano all’apice. Come mai perfusione e ventilazione sono più elevate alla base che all’apice? La curva grigiolina indica come varia il rapporto ventilazione perfusione passando dalla base all’apice. È vero che ventilazione e perfusione sono superiori alla base che all’apice però non cambiano andando dalla base all’apice nello stesso modo. La perfusione cala molto più velocemente rispetto alla ventilazione alveolare. La ventilazione cala poco andando dalla base all’apice, la perfusione cala molto di più. Se facciamo per ogni fettina del polmone il rapporto tra la ventilazione e la perfusione troviamo la riga grigiolina che ha l’ordinata riportata a destra. Alla base la perfusione è maggiore della ventilazione, quindi il rapporto Va/Q è inferiore a 1. Successivamente aumenta leggermente perché diminuisce la perfusione e diminuisce la ventilazione ma la perfusione diminuisce di più di quanto non faccia la ventilazione alveolare. Questo rapporto Va/Q rimane sempre più o meno un po’ meno di 1, varia più o meno tra 0,5 e 0.9. Più o meno all’altezza della terza costa abbiamo un punto in cui la ventilazione e la perfusione hanno lo stesso valore quindi il rapporto ventilazione perfusione a questo livello è 1. Poi via via che andiamo ancora più in alto la perfusione diminuisce sempre di più la ventilazione diminuisce anche lei ma di meno, quindi il rapporto si inverte, la ventilazione rimane maggiore della perfusione e, quindi, il rapporto Va/Q sale. All’apice del polmone il rapporto Va/Q è circa 3 o anche di più. Questo vale non soltanto nel polmone del soggetto eretto ma anche se ci mettiamo proni o supini però siccome l’altezzza totale del polmone si riduce queste differenze sono più contenute.

10

Quest’immagine mostra come, proprio in base alla legge di Bernulli, c’è una differenza di perfusione andando dall’apice alla base. Nella zona 3 tutti i capillari sono reclutati e perfusi, la pressione arteriosa è maggiore di quella venosa ed è maggiore di quella che c’è nell’alveolo, quindi abbiamo un flusso di sangue elevato. Salendo la pressione nel capillare, sia dal lato arterioso che da quello venoso, diminuisce progressivamente e causa, più o meno intorno al cuore, la presenza della così detta zona 2 e dell’effetto “waterfull” in alto, invece, la pressione nei capillari è così bassa che addirittura la pressione alveolare può superare il valore che c’è a livello arterioso e il capillare è occluso. Il gradiente di pressione nei capillari è di 1cm d’H 2O per cm, quindi il gradiente è molto elevato e fa cambiare di molto la perfusione andando dalla base all’apice. È più difficile capire perché la ventilazione alveolare scende.

Questa è la curva volume pressione del polmone, la curva di rilasciamento del polmone. In ascissa c’è la pressione transpolmonare o pressione alveolare (se applico una variazione di pressione transpolmonare di 3cm d’H2O aumento il volume). 11

La pressione intrapleurica non è uguale dappertutto. La pressione intrapleurica è –5cm H2O all’altezza del cuore sopra è circa –8 e sotto –1. Il polmone ha un peso e, quindi, il peso gravita sulla base del polmone e, per questo, le parti più basali del polmone hanno un recoil elastico più basso, perché pesano di più. Se il recoil elastico diminuisce la pressione diminuisce. La differenza più grande tra il sistema respiratorio sperimentale e quello reale è che nel primo c’è aria intorno al palloncino mentre qui c’è acqua. Se c’è l’acqua è come se ci fosse un tubo pieno d’acqua che è soggetto ad un gradiente di pressione, andando dall’alto verso il basso, di 1cm H2O per ogni cm d’altezza. In realtà ci sono i linfatici che drenano via questo liquido e modificano un po’ questo gradiente che non è 1 ma è 0,7cm H2O per cm. Andando verso l’alto la pressione del liquido pleurico si negativizza di 0,7cm H2O per ogni cm di altezza. La pressione transpolmonare è la pressione che distende l’alveolo, è la pressione che c’è dentro – la pressione che c’è fuori. La pressione non è uguale in tutto il cavo pleurico (anzi i valori indicati in figura sono solo sulla superficie costale, se vi allontanate la pressione è ancora più bassa per meccanismi complicati). Prendiamo due alveoli, uno alla base e uno all’apice, e vediamo la loro pressione transpolmonare. (ad esempio a fine espirazione) P tp all’apice = Palv – Ppl = 0 – (-8) = +8cm H2O P tp alla base = 0 – (-1) = +1cm H2O I due alveoli alla base e all’apice, quindi, non sono uguali, perché quello all’apice ha una pressione transpolmonare grande e sarà bello disteso, mentre quello alla base ha una pressione transpolmonare piccola e sarà piccolino. La molla nella figura precedente rappresenta il polmone e dice che se voi prendete una molla qualsiasi in condizioni gravitazionali, appesa verticalmente ad un supporto, essa è tirata dal suo stesso peso. Il polmone alla base è un po’ più compresso che all’apice come la molla. Allora l’alveolo all’apice è molto disteso e via via che si passa alla base l’alveolo è sempre meno disteso. Siccome l’alveolo all’apice e l’alveolo alla base differiscono in relazione alla pressione transpolmonare l’alveolo all’apice, che ha una pressione transpolmonare elevata, si trova sul tratto della curva volume/pressione dove la pressione transpolmonare è elevata; l’alveolino alla base, invece, ha una pressione transpolmonare bassa. Quando inspiro si allarga la gabbia toracica, la pressione intrapleurica scende e la diminuzione della pressione intrapleurica fa aumentare la pressione transpolmonare e l’alveolo si distende. Facciamo finta che durante la inspirazione cali dello stesso valore la pressione intrapleurica alla base e all’apice. In realtà non è uguale. Per la stessa variazione di pressione l’alveolo all’apice varia il suo volume di molto meno.

12

L’alveolo all’apice era bello grande ed espanso ma viene poco ventilato durante la inspirazione perché più grande di un tanto non diventa la variazione di volume nel grafico è piccola. Invece nell’alveolino alla base la variazione di pressione indotta dall’inspirazione causa un’ampia variazione di volume, perché l’alveolo si trova sulla parte più compliante cioè sulla parte a maggior distensibilità della curva volume/pressione del polmone. Quindi gli alveoli alla base sono piccoli di dimensione a fine espirazione ma sono molto ben ventilati. Gli alveoli all’apice sono più espansi, ma, sono meno ventilati. Ecco perché la ventilazione alveolare diminuisce andando dalla base verso l’apice. Perché gli alveoli alla base sono più ventilati che gli alveoli all’apice. Quindi gli alveoli posti alla base sono gli alveoli più ventilati e più perfusi. Nonostante gli alveoli alla base siano più ventilati e più perfusi rispetto all’apice l’andamento del rapporto ventilazione/perfusione è tale per cui è più elevato per gli alveoli all’apice che per quelli alla base. In relazione al rapporto Va/Q possiamo capire se l’alveolo è più perfuso o più ventilato. Se l’alveolo è più perfuso che ventilato il Va/Q è inferiore a 1. Se l’alveolo riceve la stessa perfusione e la stessa ventilazione il Va/Q è 1. Se l’alveolo è più ventilato che perfuso il suo Va/Q sarà maggiore di 1. Alla base gli alveoli sono meglio ventilati e meglio perfusi che all’apice e il Va/Q è inferiore a 1. La perfusione in queste zone è migliore della ventilazione. Gli alveoli all’apice, invece, sono meno ventilati e meno perfusi rispetto a quelli alla base e hanno un Va/Q maggiore di 1; vuol dire che il sangue che arriva dagli alveoli posti all’apice è meglio ventilato rispetto a quelli che troviamo alla base. Che peso ha il Va/Q sulle caratteristiche di trasporto dell’O2 e della CO2 nel sangue? Il sangue arterioso che proviene da un alveolo posto alla base sarà uguale al sangue arterioso che proviene da un alveolo posto all’apice? Il grafico ha in ordinata il valore della pressione parziale di CO2 espresso in mm Hg in ascissa c’è la pressione parziale di O2. E’ il grafico PCO2 Vs PO2. Il punto arterioso è caratterizzato dall’avere la pressione parziale di O 2 di 100mm Hg e quella di CO2 a 40mm Hg . Il sangue venoso è a P O2 60 e P CO2 46. Va ―~1 Q

Se Va → 0 Se Q → 0

Va/Q = 0 Va/Q = ∞

13

Cerchiamo di identificare sulla curva i possibili estremi. Va/Q tende a diminuire quando Va tende a 0 rispetto a Q. Se Q fosse infinitesimamente più grande di Va avremmo Va/Q = 0. Quindi se la perfusione è molto più elevata del Va/Q questo tende a 0. Il caso limite è lo shunt in cui Va non c’è proprio perché lo shunt non passa dall’alveolo. Nello shunt il Va/Q e uguale a 0 . Quindi via via che il Va/Q diminuisce ci spostiamo verso una condizione nella quale la pressione parziale di ossigeno scende mentre la pressione parziale di CO2 tende ad aumentare . Nel punto del sangue venoso misto ci si può aspettare che il Va/Q sia al valore minimo perché meno del sangue venoso misto non si arriva. Se siamo in una condizione di intensa attività fisica diminuisce ulteriormente la P O2 arteriosa e aumenta un po’ la CO2, quindi ci si potrebbe spostare ancora più a sinistra. Quindi dire che Va/Q diminuisce come per esempio nello shunt vuol dire trovarsi in una condizione in cui diminuisce la pressione parziale di ossigeno e aumenta la pressione parziale di CO2. Ci avviciniamo alla condizione del sangue venoso misto. Se invece il Va/Q tende ad aumentare è perché la ventilazione aumenta di più della perfusione o meglio la ventilazione aumenta sovrastando di gran lunga la perfusione. Questo è quello che succede negli alveoli posti all’apice. Via via che ci si sposta verso l’alto il Va/Q tende ad aumentare. Gli alveoli posti all’apice hanno un Va/Q di più di 3; questi alveoli saranno meglio ventilati che perfusi. La pressione parziale di O2 nel sangue arterioso refluo dagli alveoli posti all’apice sarà molto alta. Idealmente se Va/Q fosse infinito il valore massimo di P O 2 che si può ottenere dagli alveoli posti all’apice è di 150mm Hg cioè la stessa pressione parziale di O 2 nell’aria dell’ambiente. E ovviamente CO2 sarebbe 0; questo sarebbe l’ideale se il Va/Q fosse infinito cioè se Va fosse elevato a fronte di un Q perfusione = 0. Se la perfusione è uguale a 0 la CO2 non può essere immessa nell’alveolo e quindi ecco perché la pressione parziale alveolare di CO2 diventerebbe uguale a 0. È una condizione che non si raggiunge mai, è un caso limite; il caso che si raggiunge è quello di uno spostamento del Va/Q verso valori più elevati del normale intorno a 3 che derivano dagli alveoli posti all’apice. Quindi anche nel polmone fisiologico c’è questa differenziazione del rapporto ventilazione perfusione tra le varie zone del polmone, quindi il sangue refluo dalle varie zone del polmone ha un contenuto diverso e una pressione parziale diversa di O2 e di CO2.

14

l’immagine rappresenta dei valori che sono stati misurati per l’alveolo posto all’apice oppure posto alla base. (il secondo quadratino in basso non è 82 è 0,82) la PO2 del sangue che arriva dall’alto è 132mm Hg mentre in basso è 89. La PCO2 è 28 in alto e 42 in basso. Cambierà anche il contenuto di O2 e CO2. Anche il PH cambia siccome in basso è più elevato il contenuto di CO 2, perché è meno ventilato, se è elevata la P CO2 è elevata anche l’acidità del sangue, che è più acido, 7e39 rispetto al 7e51. Questo sangue si mescola poi nelle vene polmonari. L’immagine rappresenta la distribuzione del Va/Q in un soggetto singolo. Una curva si riferisce al flusso sanguigno (quella nera) l’altra si riferisce alla ventilazione. In tutto il polmone la distribuzione del Va/Q non è omogenea, la maggior parte delle zone del polmone hanno un Va/Q circa uguale a 1. Però ci sono anche delle zone limitrofe, che saranno rispettivamente quelle alla base e quelle all’apice, dove invece abbiamo delle zone di Va/Q molto basso e di Va/Q molto alto. Le zone polmonari non sono tutte uguali la prima colonna (immagine precedente) vi dà il volume percentuale, vuol dire che questa fetta che abbiamo fatto all’apice occupa soltanto il 7% del volume totale del polmone mentre questa occupa il 13%, per la forma del polmone . Il sangue refluo dal basso sarà di più del sangue refluo dall’alto. Quindi il peso che le zone apicali hanno nel modificare le pressioni parziali di O2 e di CO2 non è uguale al peso che hanno le zone in basso. Le zone in basso pesano di più. Per questo pur essendoci una spiccata ossigenazione nelle zone in alto la gran parte del polmone risiede in questa zona circa uguale a 1 proprio per la struttura del polmone. Se il polmone fosse fatto come un parallelepipedo tutte le aree peserebbero nello stesso modo.

15