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Capitolo 2
Il sistema respiratorio
Gli apparati cardiovascolare e respiratorio condividono la responsabilità di rifornire l’organismo di ossigeno e di liberarlo dal biossido di carbonio. Infatti, per trasformare l'energia delle sostanze nutritive, come lo zucchero, in energia utilizzabile, la maggior parte delle cellule si serve di un processo biochimico chiamato respirazione cellulare. La produzione di energia per mezzo della respirazione cellulare richiede un rifornimento continuo di ossigeno e genera, come sostanza di rifiuto, biossido di carbonio. Il sistema respiratorio provvede allo svolgimento della respirazione cellulare prelevando l'ossigeno dall'ambiente ed eliminando il diossido di carbonio dall'organismo.
Gli organi dell’apparato respiratorio sovrintendono agli scambi gassosi che si svolgono tra il sangue e l’ambiente esterno. Il trasporto dei gas dai polmoni alle cellule dei tessuti è svolto dagli organi dell’apparato cardiovascolare, che utilizzano il sangue come mezzo di trasporto. Se uno dei due sistemi non funziona, le cellule dell’organismo vanno progressivamente incontro a morte per mancanza di ossigeno e accumulo di biossido di carbonio (01).
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2. 1 Anatomia del sistema respiratorio
Gli organi che costituiscono l’apparato respiratorio comprendono il naso, la faringe, la laringe, la trachea, i bronchi e le loro ramificazioni più piccole dentro i polmoni, dove si trovano gli alveoli che sono sacchetti pieni di aria situati alla terminazione delle vie respiratorie.
Figura 1. Sistema respiratorio
Ad essi vanno ad aggiungersi organi dell’apparato locomotore:
- la gabbia toracica, costituita da dodici paia di coste, dodici vertebre toraciche e sterno, che fornisce il supporto strutturale;
- i muscoli, in particolare il diaframma e i muscoli intercostali, che permettono l’allargamento della gabbia toracica e quindi l’espansione polmonare.
Dal momento che gli scambi gassosi con il sangue si svolgono solo negli alveoli, tutte le altre formazioni dell’apparato respiratorio costituiscono le vie di passaggio
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che consentono all’aria di raggiungere i polmoni. Queste vie respiratorie svolgono però anche un’altra funzione importante: purificano, umidificano e riscaldano l’aria che viene introdotta, in modo che quando questa arriva negli alveoli contenga solo piccole quantità di sostanze irritanti, quali pulviscoli e batteri, e sia più calda e umida rispetto all’aria esterna.
Il naso rappresenta la parte esterna visibile dell’apparato respiratorio. Durante la respirazione l’aria vi entra passando attraverso le narici e raggiungendo la cavità nasale divisa in due metà simmetriche del setto nasale. I recettori olfattivi per la percezione degli odori sono situati nella mucosa della parte più alta, a forma di fessura, della cavità nasale che si trova sotto l’etmoide. La mucosa che riveste la restante parte della cavità nasale è la mucosa respiratoria, che è ricca di venule a parete sottile che riscaldano l’aria inalata. L’epitelio consta di cellule ciliate e di cellule caliciformi mucipare, che secernono il muco destinato a intrappolare batteri in ingresso e pulviscolo atmosferico, e a inumidire l’aria. Le cellule ciliate hanno il compito di spostare il muco intriso di polvere ed eventuali batteri verso la faringe, dove viene deglutito e quindi digerito dai succhi gastrici. Le pareti laterali della cavità nasale sono alquanto irregolari, per la presenza di tre sporgenze ossee ricoperte da mucosa, denominate cornetti o turbinati, aventi la funzione di aumentare la superficie delle vie aeree esposta all’aria e di aumentare la turbolenza dell’aria inalata nella cavità nasale, permettendo di catturare le particelle inalate.
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Figura 2. Anatomia del naso
La faringe è un condotto muscolare lungo circa 13 cm. La sua forma rassomiglia a un imbuto con la base in alto, attaccata alla base cranica, e l’apice in basso che si continua nell’esofago. Costituisce una via per il passaggio sia dell’aria sia del cibo. Tramite la cavità nasale posta anteriormente, l’aria entra nella parte superiore della faringe (rinofaringe) e poi discende lungo la sua parte media (orofaringe) e inferiore (laringofaringe), dalla quale passa nella sottostante laringe.
La laringe è l’organo della fonazione e gioca un ruolo importante nel convogliare l’aria e il cibo nel loro proprio condotto. È situata al davanti e al di sotto della faringe ed è costituita da otto segmenti rigidi di cartilagine ialina e dall’epiglottide, una cartilagine elastica a forma di cucchiaio. Quattro pieghe della mucosa aggettano nella parte media della laringe. Le due pieghe superiori sono le corde vocali false, le due inferiori sono le corde vocali vere; queste ultime emettono i suoni che consentono la fonazione, quando vengono messe in vibrazione dall’aria espirata.
L’aria inspirata proveniente dalla laringe entra nella trachea e la percorre verso il basso per tutta la sua lunghezza (10-12 cm) fino a livello della quinta vertebra toracica, dove la trachea si divide nei due bronchi. Anche la trachea è rivestita da una mucosa dotata di un epitelio ciliato, le cui ciglia battono continuamente in
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direzione opposta a quella dell’aria che entra. La trachea è piuttosto rigida perché le sue pareti sono rinforzate da semianelli di cartilagine ialina a forma di C, che hanno una duplice funzione. La porzione aperta dell’anello confina con l’esofago, consentendogli di espandersi anteriormente durante la deglutizione di cibi solidi. La porzione rigida della trachea ne sostiene le pareti e la mantiene pervia nonostante i cambiamenti di pressione che si attuano durante la respirazione. I bronchi principali destro e sinistro originano dalla ramificazione della trachea. Ciascun bronco principale decorre obliquamente prima di immettersi nella depressione che si trova al centro della faccia mediale del polmone del proprio lato. Il bronco primario di destra, rispetto a quello di sinistra, è di calibro maggiore, più corto e ha un decorso più rettilineo. Le ulteriori suddivisioni dei bronchi primari all’interno dei polmoni terminano infine con gli alveoli.
I polmoni sono organi pari e laterali alquanto voluminosi. Occupano quasi per intero la cavità toracica tranne la parte centrale, il mediastino, nel quale sono situati il cuore, i grossi vasi sanguiferi, i bronchi, l’esofago e altri organi. La porzione superiore di ciascun polmone, l’apice, sporge dietro e sopra la clavicola. La porzione più slargata del polmone, la base, poggia sul diaframma. Ciascun polmone è diviso in lobi da scissure; il polmone sinistro ha due lobi, quello destro ne ha tre. La superficie di ciascun polmone è rivestita da una membrana sierosa, denominata pleura viscerale o polmonare, mentre la parete della cavità toracica è rivestita dalla pleura parietale. Le pleure producono il liquido pleurico, che permette ai polmoni di scivolare facilmente, senza attriti, sulla parete toracica durante i movimenti respiratori. I foglietti pleurici, viscerale e parietale, aderiscono intimamente tra di loro e, nel vivente, sono praticamente inseparabili perché nello spazio pleurico che li separa la pressione è negativa. Questa condizione di forte aderenza delle membrane pleuriche è assolutamente indispensabile per lo svolgimento degli atti respiratori. I bronchi primari, dopo essere penetrati nei polmoni, si suddividono in rami sempre più piccoli e alla fine terminano nei condotti aeriferi più piccoli, i bronchioli. I bronchioli terminali mettono capo al complesso di formazioni dove avvengono gli scambi respiratori, vale a dire agli acini polmonari. Questi comprendono i bronchioli respiratori, i
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dotti alveolari, i sacchi alveolari e gli alveoli, che rappresentano le sedi dove avvengono gli scambi gassosi.
Le barriere degli alveoli sono formate da un singolo strato di cellule epiteliali pavimentose. Alveoli adiacenti comunicano tramite pori alveolari, i quali assicurano il passaggio dell’aria anche agli alveoli eventualmente alimentati da bronchioli ostruiti dal muco o comunque intasati. La superficie sterna degli alveoli è rivestita da una fitta rete di capillari sanguiferi. La parete alveolare e quella dei capillari, fuse assieme alle loro membrane basali, costituiscono la membrana respiratoria (barriera aria-sangue), da un lato della quale transitano i gas (l’aria) e dall’altro il sangue. Gli scambi gassosi avvengono per diffusione semplice attraverso questa barriera: l’ossigeno passa dall’aria che riempie gli alveoli al sangue dei capillari polmonari e il biossido di carbonio lascia il sangue per entrare negli alveoli (01).
2. 2 Fisiologia della respirazione
La funzione principale dell’apparato circolatorio è di fornire ossigeno all’organismo e liberarlo dal biossido di carbonio. Per fare ciò devono attuarsi almeno quattro diversi processi, complessivamente denominati respirazione.
1. Ventilazione polmonare. L’aria deve entrare e uscire dai polmoni, di modo che vi sia un ricambio continuo dei gas all’interno degli alveoli. Questo processo della respirazione polmonare viene comunemente denominato respiro.
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2. Respirazione esterna. Corrisponde allo scambio dei gas (rifornimento di ossigeno ed eliminazione di biossido di carbonio) che avviene tra il sangue che scorre nei capillari polmonari e l’aria contenuta negli alveoli.
3. Trasporto dei gas. L’ossigeno e il biossido di carbonio vengono trasportati dal sangue rispettivamente dai polmoni alle cellule dei tessuti e viceversa. 4. Respirazione interna. Corrisponde agli scambi gassosi che avvengono tra il
sangue contenuto nei capillari e le cellule.
La respirazione, o ventilazione polmonare, è un processo interamente meccanico che dipende dai cambiamenti di volume che si susseguono nella cavità toracica. È importante tenere presente che i cambiamenti di volume comportano cambiamenti di pressione che, a loro volta, determinano flussi di gas per equilibrare la pressione. Un gas, al pari di un liquido, si adatta sempre alla forma del contenitore ma, al contrario di un liquido, riempie sempre tutto il volume del suo contenitore. Pertanto in un ampio volume le molecole di gas si disperdono e la pressione diminuisce. Se il volume si riduce la pressione aumenta. Questi fenomeni sono correlati alle due fasi della respirazione: l’inspirazione, con la quale l’aria entra nei polmoni, e l’espirazione, con cui l’aria esce dai polmoni. Analizziamo nel dettaglio le due fasi.
15 2.2.1 Fase di inspirazione
Quando i muscoli inspiratori, il diaframma e i muscoli intercostali, si contraggono, la dimensione della cavità toracica aumenta. Il diaframma è il muscolo più importante dell’inspirazione. Esso consiste in una sottile lamina muscolare a forma di cupola che è inserita nelle coste più basse. Quando si contrae, si abbassa e si appiattisce, per cui il diametro supero-inferiore della cavità toracica aumenta. Nel respiro normale corrente, il livello del diaframma si muove di circa 1 cm, ma nelle espirazioni forzate, si può avere un’escursione totale superiore a 10 cm. I muscoli intercostali esterni uniscono coste adiacenti e si dirigono verso il basso e in avanti. Quando si contraggono, viene elevata la gabbia toracica e lo sterno viene portato in avanti, il che comporta un aumento dei diametri antero-posteriore e traverso del torace. La paralisi isolata dei muscoli intercostali non disturba seriamente il respiro perché il diaframma è molto efficiente. I muscoli accessori dell’inspirazione includono i muscoli scaleni che elevano le prime due coste e gli sternocleidomastoidei che sollevano lo sterno. Durate il respiro tranquillo questi muscoli svolgono un’attività minima o nulla mentre, durante l’attività fisica, possono contrarsi vigorosamente. Dal momento che i polmoni aderiscono tenacemente alle pareti del torace, essi sono costretti a espandersi per adattarsi all’ampliamento dimensionale del torace. Come aumenta il volume intrapolmonare, i gas contenuti nei polmoni si disperdono per occuparne l’intero volume. Da questo ne consegue un abbassamento della pressione intrapolmonare (la pressione diventa inferiore a quella atmosferica) che risucchia l’aria all’interno dei polmoni. L’aria continua a fluire nei polmoni finché la pressione intrapolmonare non eguaglia quella atmosferica. Questa serie di eventi è denominata inspirazione. L’aria inspirata fluisce sino ai bronchioli terminali, come l’acqua attraverso un tubo. Oltre questo punto, l’area totale traversa delle
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vie aeree è talmente estesa, come conseguenza del gran numero di ramificazioni, che la velocità di avanzamento del gas diventa piccola. La diffusione del gas all’interno delle vie aeree assume pertanto il ruolo di meccanismo dominante della ventilazione nella zona respiratoria. La velocità di diffusione delle molecole di gas all’interno delle vie aeree è talmente rapida e la distanza da percorrere talmente breve che le differenze di concentrazione all’interno dell’acino vengono in sostanza abolite nello spazio di un secondo. Tuttavia, poiché la velocità del gas si riduce rapidamente nella regione dei bronchioli terminali, la polvere inalata frequentemente si deposita a questo livello (02).
2.2.2 Fase di espirazione
In un soggetto sano, l’espirazione è per lo più un processo passivo che dipende per la maggior parte dall’elasticità intrinseca dei polmoni piuttosto che dalla contrazione muscolare. Quando i muscoli inspiratori si rilassano, e riacquistano la loro lunghezza originale, la gabbia toracica si abbassa e i polmoni si retraggono. Così diminuisce sia il volume toracico sia quello intrapolmonare. Come diminuisce il volume intrapolmonare, aumenta la pressione fino a raggiungere un valore maggiore di quello della pressione atmosferica. Ciò determina la fuoriuscita dell’aria per eguagliare le pressioni all’interno e all’esterno dei polmoni. In condizioni normali l’espirazione si svolge senza sforzo, ma se le vie respiratorie sono ristrette da spasmi dei bronchioli (come nell’asma) o sono ostruite da muco o da liquidi (come nella bronchite cronica o polmonite), l’espirazione diventa un processo attivo. In questi casi di espirazione forzata si contraggono i muscoli intercostali interni, per concorrere all’abbassamento della gabbia toracica, e i muscoli addominali che, comprimendo gli organi addominali contro il diaframma, agevolano l’espulsione dell’aria dai polmoni. In condizioni normali la pressione presente all’interno dello spazio pleurico è sempre negativa e
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rappresenta il principale fattore che impedisce ai polmoni di collassare. Se per una ragione qualsiasi la pressione intrapleurica diviene uguale a quella atmosferica, immediatamente i polmoni si retraggono completamente e collassano.
Figura 4. Fasi della respirazione
La capacità respiratoria è influenzata da molti fattori, per esempio la taglia del soggetto, il sesso, l’età, le condizioni fisiche. Nella respirazione tranquilla si spostano circa 500 ml d’aria fuori e dentro i polmoni a ogni atto respiratorio. Il volume dell’aria respirata in queste condizioni è definito volume corrente (VC). Di norma una persona può inspirare molta più aria di quella che viene inspirata durante la respirazione tranquilla. L’aria che può essere inspirata forzatamente, oltre al volume corrente, è il volume di riserva inspiratoria (VRI). Normalmente il volume di riserva inspiratoria varia tra 2100 e 3200 ml. Analogamente dopo un’espirazione normale, può essere espirata una ulteriore quantità d’aria. La quantità d’aria che può essere espirata in modo forzato, dopo l’espirazione a volume corrente, corrisponde al volume di riserva espiratoria (VRE) ed è di circa 1200 ml. Anche dopo la più forzata delle espirazioni nei polmoni rimangono
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ancora 1200 mL circa di aria (volume residuo), che non possono essere emessi volontariamente. L’aria del volume residuo è importante perché consente che gli scambi gassosi continuino ad attuarsi anche tra un respiro e l’altro, e concorre a mantenere aperti e gonfi gli alveoli. La capacità vitale (CV) è la somma dei volumi corrente, di riserva inspiratoria e di riserva espiratoria. Il suo valore è intorno ai 4800 ml in un soggetto sano maschile. Il volume di gas che rimane nel polmone dopo una espirazione normale è la capacità funzionale residua.
Figura 5. Volumi polmonari (03)
La capacità respiratoria viene misurata con uno spirometro. Mentre una persona respira, il volume d’aria espirato può essere letto su un indicatore, che mostra le variazioni dei volumi d’aria all’interno dell’apparato respiratorio. Il test spirometrico è utile per valutare la perdita di funzionalità respiratoria e nel monitoraggio di alcune patologie respiratorie (01). Con un semplice spirometro non si possono misurare né la capacità funzionale residua né il volume residuo.
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Per ottenere questi valori si utilizza una tecnica basata sulla diluizione dei gas. Un’altra tecnica per misurare la capacità funzionale residua (CFR) è rappresentata da un pletismografo corporeo. Si tratta di una grande cabina a tenuta d’aria, simile a una cabina telefonica, nella quale il soggetto siede. Al termine di un’espirazione normale, un otturatore chiude il boccaglio e al soggetto viene chiesto di compiere sforzi respiratori. Mentre tenta di inspirare, il soggetto espande il gas contenuto nei suoi polmoni, il volume polmonare aumenta e la pressione nella cabina aumenta poiché il suo volume di gas diminuisce. Dalla legge di Boyle è possibile in questo modo ottenere la variazione di volume della cabina (o del polmone). Successivamente la legge di Boyle viene applicata al gas contenuto nel polmone, considerando le pressioni a livello della bocca prima e dopo lo sforzo inspiratorio. Viene così individuato il CFR (02).
2.3 Controllo della respirazione
Il controllo dei nostri atti respiratori è piuttosto complesso. L’attività dei muscoli inspiratori, diaframma e muscoli intercostali esterni, è regolata da impulsi nervosi che provengono dal tronco cerebrale e viaggiano lungo i nervi frenici e intercostali.
I centri nervosi che controllano il ritmo e la profondità del respiro sono localizzati nel bulbo e nel ponte. Il bulbo contiene un centro inspiratorio che, al pari degli altri centri respiratori, si auto-eccita e stabilisce il ritmo basale della respirazione. I centri pontini modulano rendendo scorrevole il ritmo basale dell’inspirazione e dell’espirazione determinato dal bulbo. Gli impulsi che intercorrono tra i centri pontini e quelli bulbari mantengono una frequenza di 12-15 atti respiratori al
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minuto, definita eupnea. I bronchioli e gli alveoli possiedono inoltre recettori di tensione che rispondono all’eccessiva espansione, che potrebbe danneggiare i polmoni. Se ciò accade, i recettori di tensione inviano impulsi al bulbo tramite i nervi vaghi, e immediatamente viene interrotta l’inspirazione e avviata l’espirazione.
Durante l’esercizio fisico si respira molto più profondamente e frequentemente perché i centri nervosi inviano impulsi ai muscoli respiratori a velocità maggiore. Dopo un’estenuante attività muscolare, l’espirazione diviene attiva e per coadiuvarla entrano in gioco i muscoli addominali e tutti quelli in grado di abbassare le coste. Se l’attività dei centri respiratori bulbari viene soppressa (come nel sovradosaggio di farmaci ipnotici, morfina o alcol), la respirazione si arresta completamente e sopraggiunge la morte.
Ci sono vari fattori che possono influenzare la profondità e la frequenza del respiro:
- Fattori fisici: parlare, tossire, l’attività muscolare. Un aumento di temperatura corporea ad esempio accelera il ritmo del respiro.
- Controllo cosciente: la capacità di controllare volontariamente la respirazione è molto importante durante il canto o la deglutizione. In ogni caso il controllo volontario del respiro è limitato nel tempo, perché quando il contenuto di ossigeno nel sangue è troppo basso o il pH diminuisce, i centri respiratori ignorano i messaggi provenienti dalla corteccia.
- Fattori emotivi: sono fenomeni che dipendono da riflessi innescati da stimoli emozionali che agiscono tramite centri localizzati nell’ipotalamo. - Fattori chimici: sono i principali fattori che possono modificare il ritmo e
la profondità del respiro. L’aumento del livello di biossido di carbonio nel sangue e il conseguente abbassamento del pH ematico rappresentano gli stimoli più importanti che provocano l’aumento della frequenza respiratoria. Se invece il sangue tende a essere leggermente alcalino, o basico, il respiro rallenta e diviene meno profondo; questo consente al biossido di carbonio di accumularsi nel sangue e ciò riporta il pH ai valori fisiologici. Le variazioni di concentrazione di biossido di carbonio nel
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sangue agiscono direttamente sui centri respiratori bulbari. Le variazioni della concentrazione di ossigeno nel sangue sono avvertite dai chemocettori aortici (glomo aortico) e carotidei (glomo carotideo), i quali inviano impulsi ai centri respiratori bulbari quando i livelli di ossigeno nel sangue diminuiscono. Sebbene tutte le cellule dell’organismo debbano assumere ossigeno per vivere, lo stimolo più importante che induce un soggetto sano a respirare è la necessità di liberare l’organismo dal biossido di carbonio, piuttosto che di assumere ossigeno. I livelli di ossigeno diventano uno stimolo importante soltanto quando sono pericolosamente bassi. Comunque nei pazienti con ritenzione di biossido di carbonio affetti da malattie croniche polmonari l’aumento dei livelli di biossido di carbonio non è più riconosciuto come stimolo dai centri respiratori encefalici che, in questi casi, vengono prioritariamente attivati dalla diminuzione dei livelli di ossigeno. Questo è un fatto interessante perché spiega il motivo per cui tali pazienti presentano sempre bassi livelli di ossigeno; se li avessero alti, cesserebbero di respirare perché verrebbe meno lo stimolo alla respirazione (01).
