IL POLMONE NATURALE E L’OSSIGENAZIONE ARTIFICIALE NEL BYPASS CARDIOPOLMONARE

Struttura e funzione del polmone naturale

Il polmone è un’efficiente organo di scambio del gas, in parte a causa dell’ampia superficie delle sue diramazioni nella diffusione dell’aria e in parte dei condotti che conducono sangue. Le vie aeree, o bronchi, si suddividono sequenzialmente in bronchioli che a loro volta si diramano in dotti alveolari ed infine in singoli alveoli. Ogni alveolo polmonare ha la parete rivestita da un epitelio pavimentoso semplice con due tipi di cellule: le cellule alveolari o pneumoniti di I tipo e le grandi cellule alveolari o pneumoniti di II tipo. Le prime sono cellule molto appiattite con una parte centrale rilevata contenente il nucleo ed esili lamine citoplasmatiche che rivestono tratti estesi della superficie alveolare. Le grandi cellule alveolari, numerose di forma rotondeggiante e sporgenti dalla superficie alveolare, hanno i caratteri tipici degli elementi secernenti, con grosse vescicole citoplasmatiche che contengono lamelle disposte a vortice, i corpi multilamellari. Questi riversano all’interno dell’alveolo il loro secreto, una sostanza fosfolipidica tensioattiva (il surfactante) che impedisce l’eccessiva distensione dell’alveolo nell’inspirazione e il suo collasso nell’espirazione. Tra le cellule dell’epitelio alveolare si trovano i macrofagi, detti cellule della polvere, che fagocitano il pulviscolo atmosferico che arriva negli alveoli con l’aria inspirata e lo depositano nei setti interlobulari. Così, sia il surfactante che i macrofagi, difendono la superficie dell’interfaccia alveolare determinando, in condizioni fisiologiche, sempre un’ottima efficienza nello scambio dei gas. Il disegno sferico degli alveoli crea una larga superficie per lo scambio di gas. Il flusso di ventilazione nell’alveolo è regolato dalla muscolatura liscia dei bronchioli. Un modello simile di diramazione esiste nei vasi ematici polmonari, che si suddividono da arterie polmonari in arteriole ed infine in capillari che vascolarizzato gli alveoli. I capillari polmonari sono lunghi da 0,5 a 1,0 mm e di diametro tra 3 a 7 µm. Poiché almeno il 95% dell’ossigeno (O2) viene trasportato nel sangue come ossiemoglobina (HbO2), il piccolo diametro dei capillari polmonari assicura che le cellule rosse del sangue siano in costante contatto con la cellula della superficie endoteliale, e quindi possano partecipare nello scambio del gas (elevato rapporto tra area di superficie e volume). L’epitelio vascolare è sostenuto da una trama reticolare fibroelastica, nella quale è presente una fitta rete capillare derivante dall’arteria polmonare. La trama reticolare fibroelastica è responsabile delle proprietà elastiche del polmone, importanti sia durante l’inspirazione sia durante l’espirazione. L’endotelio vascolare impedisce, inoltre, il contatto ematico con le superfici subendoteliali, evitando l’attivazione dell’emostasi e dell’infiammazione. La regolazione della distribuzione del sangue nel sistema vascolare polmonare avviene principalmente al livello arteriolare. L’endotelio dei capillari e l’epitelio alveolare stabiliscono per tratti estesi, un intimo rapporto attraverso le rispettive membrane basali e costituiscono la barriera aria-sangue. La membrana alveolo-capillare consiste di diversi strati, che comprendono l’epitelio alveolare, la membrana basale alveolare, lo spazio interstiziale, la membrana basale capillare, e l’endotelio capillare. La membrana alveolocapillare, sottilissima parete di 0,2 -0,5 µm, rappresenta la barriera attraverso la quale avvengono gli scambi dei gas respiratori, dal sangue del capillare
polmonare all’aria alveolare e viceversa. La vasta area di superficie e la bassa resistenza alla diffusione del gas dell’interfaccia alveolo-capillare sono i due fattori principali responsabili dell’alta efficienza dello scambio del gas nel polmone. Questa barriera, per differente pressione parziale dell’O2 e della CO2 rispettivamente nell’aria e nel sangue, permette senza consumo di energia, gli scambi gassosi tramite i quali l’aria inspirata cede O2 al sangue, che da venoso diventa arterioso, mentre la CO2 fuoriesce dal sangue e passa nell’alveolo dal quale, con l’espirazione, viene eliminata nell’ambiente esterno.

Gli scambi gassosi avvengono per diffusione, il movimento del gas attraverso la membrana è descritto dalla legge di Fick sulla diffusione passiva, espressa dalla formula seguente:

Vgas = dgas A/t (PA – PB)

dove:

Vgas = volume di gas che diffonde nell’unità di tempo
dgas = coefficiente di diffusione di quel gas
t = spessore della membrana
A = area della superficie attraversata
PA, PB = pressioni parziali dei gas ai due lati della membrana (il segno è stato trascurato, ma si ricordi che il flusso avviene sempre dai punti a pressione maggiore verso i punti a pressione minore)

Basandoci sull’equazione di Fick, si può dedurre che lo scambio di un dato gas (Vgas) può essere aumentato aumentando la superficie disponibile allo scambio del gas, diminuendo lo spessore dell’interfaccia, aumentando il coefficiente di diffusione, oppure aumentando il gradiente di pressione. In condizioni normali, lo spessore dell’interfaccia (T) ed il coefficiente di diffusione (D) sono costanti e quindi non contribuiscono in maniera significativa alla capacità di scambio del gas. Per quanto riguarda il caso specifico degli scambi gassosi a livello polmonare, il coefficiente di diffusione è dipendente dalla solubilità del gas, temperatura e dalla permeabilità dell’interfaccia. Le differenze del coefficiente di diffusione, del gradiente di pressione e del meccanismo di trasporto nel sangue fra O2 e CO2 saranno i meccanismi che scambieranno i gas nell’interfaccia della membrana alveolo-capillare. Un’ulteriore variabile di cui tenere conto è rappresentata dal fatto che i gas presenti nell’ambiente del capillare polmonare sono in continuo movimento essendo trasportati dal sangue. Pertanto, le quantità di O2 e CO2 trasferite nell’unità di tempo, rispettivamente dall’alveolo al sangue e dal sangue all’alveolo, sono influenzate da numerosi fattori, di seguito elencati.

· Gradiente di pressione parziale dei gas
· Permeabilità della membrana limitante.
· Area della superficie di diffusione dei gas.

Tempo di contatto o permanenza del sangue sulla superficie di scambio.
· Volume di sangue esposto sulla superficie di scambio.
· Velocità di reazione dei gas con il sangue.

Gradiente di pressione parziale

E’ dato dalla differenza, per ciascuno dei due gas respiratori O2 e CO2, tra le pressioni parziali nell’area alveolare e nel sangue venoso in arrivo tramite i capillari polmonari. I gradienti dell’O2 e della CO2 possono essere modificati dalle alterazioni del ritmo del metabolismo dell’individuo così come dalla composizione del gas inspirato (O2) e dal ritmo della ventilazione (CO2).
Permeabilità della membrana limitante alveolo-capillare

Dipende:

1. spessore della membrana stessa (0,2-0,5 micron);
2. diffusibilità del gas: essa dipende dalla solubilità del gas e dal peso molecolare del gas medesimo (legge di Graham).
Area di superficie di scambio
Si intende l’area degli alveoli pervi e ventilati, a contatto con i capillari perfusi. Sono stati stimati circa 300 milioni di alveoli nei polmoni; la superficie alveolare è stata valutata circa 70 m2; la superficie del letto capillare polmonare è di 100 m2 circa con variazioni soprattutto durante l’esercizio muscolare. Comunque, l’area della superficie di scambio del gas può essere rapidamente espansa tramite alterazioni nella distribuzione del flusso di gas e del flusso ematico nel polmone. Quindi, il polmone naturale ha la capacità di regolare lo scambio del gas regolando la superficie dell’area disponibile allo scambio.

Tempo di contatto

Il tempo di contatto, cioè il tempo di permanenza di un eritrocita nel capillare polmonare, è di 0.75 sec in condizioni di riposo, ma scende fino a 0.35 sec in condizioni di intenso lavoro muscolare. Occorre tenere presente il tempo d’equilibrio, cioè il tempo comunque necessario, in condizioni fisiologiche perché si raggiunga l’equilibrio tra le pressioni parziali dei gas ai due lati della membrana alveolo-capillare, è di 0.3 sec. Esiste quindi un fattore di sicurezza che permette il completo equilibrio tra le pressioni parziali ai due lati della barriera alveolocapillare, prima che il sangue abbandoni la zona di scambio

Volume di sangue esposto

Il volume di sangue accolto nei capillari polmonari in un certo istante è di 60100 ml in condizioni di riposo, mentre in condizioni di esercizio fisico tale volume può arrivare anche a 1000 ml.

Velocità di reazione dei gas con il sangue

Il trasferimento di O2 dall’alveolo al sangue venoso è assicurato mediante un processo di diffusione attraverso tre compartimenti: l’alveolo, il plasma ed il globulo rosso. Dapprima l’O2 diffonde dall’alveolo al plasma dove si discioglie fisicamente (vedi legge di Henry). Appena l’O2 si è disciolto nel plasma, essendo in grado di esercitare pressione parziale, crea un gradiente pressorio con l’interno del globulo rosso e si sposta dentro questo ultimo. Qui l’O2 si lega chimicamente all’Hb; dal momento che il gas legato chimicamente non esercita pressione parziale,il raggiungimento dell’equilibrio pressorio viene ritardato e l’O2 continua ad entrare nei globuli rossi fino a che l’Hb non sia tutta saturata di O2.
Riassumendo brevemente il significato essenziale dei punti descritti sopra, si può dire che, in condizioni di riposo, 60 ml di sangue venoso sono circondati da 3 litri di aria alveolare con una superficie di contatto di 70 m2, ossia una situazione più che favorevole perché venga introdotto il fabbisogno di O2 (250ml/min) e venga eliminata la quota in eccesso di CO2 (200ml/min).

"INTRODUZIONE AL POLMONE ARTIFICIALE":

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A CURA DELLA DR.SSA IN TFCPC ALESSANDRA IAIZA