Complianţa pulmonară

FIZIOLOGIA RESPIRATIEI II

Complianţa pulmonară

Complianţa se defineşte ca variaţia de volum pulmonar în raport cu variaţia presiunii transpulmonare egală cu unitatea (1 cm H₂O). Complianţa este inversul elastanţei.

Se pot utiliza mai multe metode de determinare, dintre care cea mai comodă pentru examinator şi pentru examinat constă în măsurarea presiunii la nivelul cavitatii bucale, cu glota deschisă în timp ce pacientul opreşte ventilaţia în faţa unui dispozitiv cu valvă care se închide periodic, la volume intrapulmonare variabile. Astfel se determina presiunea alveolara (egala cu suma dintre presiunea pleurala si cea de recul elastic pulmonar sau transpulmonara), care in apnee cu glota deschisa este egala cu presiunea de la nivelul cavitatii bucale.

Complianţa pulmonară statică

Distensibilitatea plămânilor se apreciază determinând complianţa pulmonară statică, adică făcând raportul dintre volumul pulmonar determinat la diferite grade de inflatie pulmonara si presiunea transpulmonară masurata în condiţii statice, adica atunci cind nu exista flux de aer in caile aeriene. Inregistrarea se numeste bucla volum/presiune statica.

Presiunea transpulmonară PT (egala cu presiunea de recul elastic pulmonar) este diferenţa dintre presiunea alveolară PA şi cea pleurală PP. În mod obişnuit, presiunea pleurală se echivalează cu presiunea măsurată în treime medie a esofagului, prin introducerea la acest nivel a unei sonde cu balonas.

Manevra se execută astfel: subiectul este instruit să inspire un volum de aer egal cu VRC (500mL), în trepte succesive de câte 100 ml aer. Înainte şi după fiecare treaptă inspiratorie (şi apoi expiratorie) se măsoară presiunea intraesofagiană (echivalenta cu presiunea pleurala) si presiunea de la nivelul cavitatii bucale (egala cu presiunea alveolara in apnee cu glota deschisa). La sfirsitul inspirului de repaos (CRF + VRC) si al expirului (CRF), presiunea alveolara este egala cu presiunea atmosferica (0cmH2O) si presiunea transpulmonara este egala cu presiunea pleurala. Diferenta dintre inspir si expir a compliantei defineste histereza pulmonara : pentru acelasi volum pulmonar, PT este mai mare in inspir fata de expir, datorita tensiunii superficiale de la interfata aer/lichid a alveolelor pulmonare. Presiunea necesara pentru deschiderea spatiilor aeriene (in inspir) este mai mare comparativ cu cea necesara mentinerii lor deschise (in expir).

Graficul complianţei statice

De notat următoarele aspecte ale buclei complianţei statice:

1. 
   La începutul inspirului complianţa este scăzută, pentru ca după primii 100 ml aer ea să crescă brusc
   
2. 
   Curba complianţei nu este identică în inspir faţă de expir. Diferenţa poartă numele de histeresis.
   

Valoarea complianţei statice este de 0,2 l/cm H₂O. Ea scade în disfuncţiile ventilatorii de tip restrictiv in care creste reculul elastic pulmonar(fibrozele pulmonare) şi in cazul leziunilor distructive ale parenchimului pulmonar (TBC, pneumonii, atelectazii) si creste in disfunctiile ventilatorii de tip obstructiv in care scade reculul elastic pulmonar (emfizemul pulmonar).

Complianţa dinamică

Atunci când complianţa se măsoară în cursul manevrei respiratorii complete (pe parcursul CV), se obtine complianţa dinamică. Valoarea complianţei dinamice se modifică în funcţie de volumul de aer existent în plămâni la începutul manevrei. Valoarea ei este mai mică la volume pulmonare mici (apropiate de VR), si la valori mari (apropiate de CPT, cind fibrele elastice sint destinse maximal).

Complianţa dinamică se măsoară pornind de la CRF, urmănd manevra de inspir maximal lent, urmată de expir maximal lent până la VR.

Valoarea complianţei dinamice este de 0,13 l/cm H₂O.

Se modifică în aceleaşi condiţii care modifică şi complianţa statică.

Utilitatea determinării complianţei. Determinarea compliantei pulmonare permite masurarea proprietăţilor elastice ale plaminilor, în scopul aprecierii severităţii afecţiunii obstructive sau restrictive prezente.

De asemenea, se poate determina neuniformitatea ventilaţiei prin aprecierea pantei complianţei. Astfel, în cazul unei ventilaţii uniforme, panta complianţei dinamice (AB0) coincide cu cea a complianţei statice. Distanţele IO şi EO prin care bucla se depărtează de diagonală se datoreaza histerezei pulmonare. Panta compliantei variaza invers proportional cu reculul elastic pulmonar. In cazul ventilatiei uniforme, bucla volum/presiune statica si cea dinamica se suprapun.

În cazul unei ventilaţii neuniforme, cele doua bucle nu se suprapun, complianta dinamica fiind mai mica fata de cea statica. Principala cauza a acestei diferente o constituie ingustarea cailor aerifere periferice, cu calibru mic, situatie in care ventilatia se distribuie preferential in teritoriile unde rezistenta la flux este mai mica. Aceste teritorii se supradestind, la nivelul lor variatia presiunii pleurale (∆P) este mai mare, asadar, complianta dinamica scade.

Graficul complianţei modificate: a) complianţă scăzută; b) complianţă crescută.

Rezistenţa la flux in caile aerifere (Raw)

Forţele de frecare între moleculele de gaz şi între moleculele de gaz şi pereţii conductelor aerifere generează rezistenţa la flux. Valoarea acesteia depinde de mai multi factori: tipul de curgere al aerului, laminar sau turbulent, proprietatile fizice ale amestecului gazos circulant (densitate, viscozitate) si geometria cailor aerifere (lungime, raza, unghi de bifurcatie a conductelor fiice).

Rezistenta totala a cailor aerifere se compune din 3 rezistente montate in serie: rezistenta cailor aerifere superioare, a celor inferioare centrale si a celor inferioare periferice. Primele doua reprezinta componenta majora a Raw si cea de a treia reprezinta componenta minora a acesteia.

În arborele traheo-bronşic, zona de rezistenţă maximă normală se află la nivelul căilor aerifere superioare. Pe măsură ce se înaintează de-a lungul arborelui traheo-bronşic, rezistenţa la flux scade.

Rezistenta nazala reprezinta aprox.50% din rezistenta totala opusa fluxului de aer, cind subiectul respira pe nas; gura si glota opun o rezistenta de 40 % din cea totala, cind se respira pe gura; caile aerifere incepind cu bronhiile primitive si terminind cu bronhiolele terminale sint responsabile de 50-60% din rezistenta totala.

În stările de hiperreactivitate bronşică si in bronhopneumopatia obstructuiva cronica (BPOC), rezistenţa la flux creşte semnificativ în teritoriile mici, astfel încât travaliul muşchilor respiratori creşte semnificativ şi eficienţa actului ventilator scade.

Pierderea de presiune de-a lungul cailor aerifere se masoara ca gradient de presiune intre cele 2 capete, alveolar (Palv) si bucal (Pbuc) ale sistemului. Presiunea de la nivelul cavitatii bucale este egala cu presiunea ambianta care este luata drept referinta, prin urmare valoarea ei se anuleaza. Relatia rezistenta Raw = ∆P/debit , unde ∆P este Palv – Pbuc, devine Raw = Palv/V’= cmH2O/L/sec.

Determinarea rezistenţei la flux se poate face utilizind metoda pneumotachografică pentru determinare fluxului de aer si pletismografia corporeală pentru masurarea presiunii alveolare. Ea se face în condiţii dinamice. Valoarea retinuta este media a 5 inregistrari cu aspect asemanator.

Valorile normale ale R în cursul respiraţiei rapide şi superficiale sunt cuprinse între 0,6 şi 2,4 cm H₂O/l/sec.

Rezistenţa la flux variază în condiţii normale cu volumul de aer din plămâni. Ea scade la volume intrapulmonare mari de aer prin efectul tracţiunii elastice a ţesutului pulmonar asupra bronşiolelor. Tractiunea mecanica exercitata radial de alveole asupra cailor aerifere cu care se invecineaza este importanta, deoarece caile aerifere au complianta mai mica fata de alveole, avind peretii mai grosi. Este o ilustrare a principiului interdependentei.

Relatia inversa dintre rezistenta la flux a cailor aeriene si volumul pulmonar a fost demonstrata astfel: la copii (Raw mai mare si volum mai mic) fata de adulti, la adulti de talie mica fata de cei de talie mare si la acelasi individ cind respira la volume pulmonare diferite: Raw este mai mare cind subiectul respira la volum pumonar mic, apropiat de VR decit atunci cind respira la volume apropiate de CPT.

De asemenea, rezistenţa la flux este mai mare în expir faţă de inspir, datorita fenomenului de compresie dinamica a cailor aerifere. La persoane cu limitare cronică a fluxului de aer (bronşita cronică, astmul bronşic), rezistenţa la flux poate creşte de 10 – 15 ori.

În cazul maladiilor obstructive, modificarea rezistenţei la flux este mai precoce şi mult mai clar evidenţiabilă decât în cazul deteminării buclei flux-volum sau a VEMS.

Alti factori care influenteaza Raw. Calibrul cailor aeriene este modificat de o serie de factori: vagul elibereaza acetilcolina care actioneaza pe receptorii muscarinici M3 ai musculaturii netede bronsice si induce bronhoconstrictia. Atropina blocheaza acest efect, ea fiind un antagonist al receptorilor M3. Substantele iritante care induc bronhoconstrictia (fumul de tigara, fumul provenit din arderea diversilor combustibili, praful, dioxidul de sulf, anumiti constituenti ai smogului) actioneaza prin declansarea de reflexe parasimpatice, dar pot actiona si direct, prin inducerea de reactii locale inflamatorii cu eliberare de puternici agenti bronhoconstrictori: leucotrinele LTC4 si LTD4. In cursul reactiilor alergice (la polen, praf, etc) din mastocite sint eliberate substante bronhoconstrictoare: histamina si substanta lent reactiva a anafilaxiei, cu efect mai slab fata de leucotriene.

Terminatiile simpatice de la nivelul cailor aeriene elibereaza norepinefrina, care este un agonist slab al receptorilor beta2-adrenergici si induce dilatatia bronhiile si bronhiolele prin intermediul AMPc, dar scade secretia glandelor bronsice. Epinefrina circulanta eliberata de MSR este un agonist al receptorilor beta2-adrenergici mult mai puternic si un bronhodilatator mult mai eficient.

Aspectul buclei volum – presiune transpulmonara evidentiaza faptul ca ramura inspiratorie este situata la presiuni transpulmonare mai mari comparativ cu ramura expiratorie, pentru aceleasi valori ale volumului pulmonar. Acest comportament diferit al compliantei (distensibilitatii) pulmonare in timpul celor doua faze ale ciclului ventilator se numeste histereza, si se datoreaza faptului ca reculul elastic pulmonar este mai mare in inspir fata de expir. Un alt factor care determina histereza este tensiunea superficiala, care este mai mare in inspir fata de expir, fapt demonstrat de experimentele in care aerul din plamini a fost inlocuit cu ser fiziologic: suprafata elipsoida a buclei se micsoreaza; in timpul inflatiei si deflatiei pulmonare, valorile presiunii transpulmonare sint aproape identice la aceleasi valori ale volumului pulmonar.

Compoziţia gazului alveolar

	Aer atm (mm Hg)	Aer atmosferic	Aer umed (mm Hg)	Aer umed	Aer alveolar (mm Hg)	Aer alveolar	Aer expirat	Aer expirat
N2	597	78,62%	563,4	74,09%	569	74,9%	566	74,5%
O2	159	20,84%	149,3	19,67%	104	13,6%	120	15,7%
CO2	0,3	0,04%	0,3	0,04%	40	5,3%	27	3,6%
H2O	3,7	0,5%	47	6,20%	47	6,2%	47	6,2%
Total	760	100%	760	100%	760	100%	760	100%

Spaţiul mort anatomic

Cavitatea nazală, cea bucală, faringele, laringele, traheea, bronhiile şi bronşiolele reprezintă sistemul de conducere al aerului spre unităţile respiratorii.

Această zonă este denumită spaţiu mort anatomic deoarece nu poate participa la schimburile gazoase cu sângele venos. Spatiul mort anatomic este definit drept volumul de aer cu aceeasi compozitie ca a aerului inspirat, care ramine in caile aerifere la sfirsitul inspirului si este primul expirat in timpul expirului. Volumul curent este constituit din spatiul mort anatomic VD si volumul alveolar VA.

Valoarea spaţiului mort anatomic la persoanele tinere sănătoase este de 150 ml adică aproximativ 20% din VRC.

Pentru comparaţie, spaţiul mort fiziologic include pe lângă zonele enumerate şi teritoriile alveolare care sunt perfuzate slab sau de loc şi ca urmare nici la acest nivel nu au loc schimburi gazoase.

În cazul hipoperfuziei alveolare, aerul care părăseşte acest teritoriu are compoziţie asemănătoare cu cel din căile respiratorii superioare. În conditii fiziologice, presiunile parţiale ale O₂ şi CO₂ sunt puţin modificate în sângele arterial, deoarece nu exista zone lipsite de perfuzie la nivelul capilarelor alveolare.

Determinarea VD are ca principiu metoda diluţiilor. Se utilizeaza metoda dilutiei azotului cu oxigen prin metoda respiraţiei unice în circuit deschis.

Spaţiul mort anatomic conţine numai O₂ după un inspir unic în oxigen, manevra introducând în plămâni o cantitate de oxigen echivalentă cu CV. Tot azotul expirat în cursul manevrei de expir maxim provine din alveole. Calcularea cantitatii de azot expirata se face după formula:

V_N2 = CV x C_N2E

unde V_N2 este cantitatea de azot expirată şi C_N2E este concentraţia de azot din aerul expirat.

Înaintea manevrei, concentraţia de azot din plămâni era de 79%, deci:

Dacă scădem valoarea din CV, obţinem V_D:

VD = CV – (V_N2/0,79)

80

30

20

10

0

1 2 3 4 5 6

Concentraţia de N₂ (%)

Volum (l)

Capacitate vitală (CV)

VÎ

VR

30%CV

VÎ VR

CPT

Determinarea spaţiului mort anatomic prin metoda dilutiei azotului prin respiraţie unica în circuit deschis

Aceasta metoda este importanta si pentru evaluarea distributiei intrapulmonare a aerului inspirat. Subiectul inspira oxigen pur, pornind de la VR si ajungind la CPT, apoi expira lent pina la VR. In timpul expirului se masoara simultan si continuu variatia concentratiei de azot in aerul expirat si variatiile volumului pulmonar. Graficul prezinta 4 faze. In faza 1 a expiratiei nu se elimina azot, deoarece in aceasta faza se elimina numai oxigen pur din spatiul mort anatomic. In faza a 2-a, concentratia azotului creste rapid, deoarece la aerul din spatiul mort anatomic se adauga din ce in ce mai mult aer provenit din alveole care contine azot. In faza a 3-a se elimina numai aer alveolar si concentratia azotului creste treptat, iar in faza a 4-a, spre finele expirului, concentratia azotului creste brusc, deoarece se inchid caile aerifere mici de la bazele plaminilor si se golesc numai spatiile aeriene apicale cu continut ridicat de azot. Aceste spatii aeriene permeabile permanent primesc la inceputul inspirului maximal ce urmeaza unui expir maximal aerul alveolar ramas in spatiul mort anatomic la finele expirului, cu continut crescut de azot si abia apoi oxigen pur. Spatiile aeriene de la baza pulmonilor care se inchid la volume pulmonare mici (aproape de VR) se deschid mai tirziu si primesc oxigen pur in proportie mai mare, astfel incit aerul expirat de la nivelul lor contine mai putin azot.

Volumul de închidere – (closing volume) este o componentă a capacităţii vitale expiratorii prezentă în plămâni la începutul fazei IV a graficului. Se măsoară de la finalul fazei III (finalul platoului de concentraţie de azot). De obicei se calculează raportul dintre volumul de închidere şi CV. El reprezinta volumul pulmonar la care in cursul unui expir complet incep sa se inchida caile aerifere mici de la bazele plaminilor. La adultul normal sanatos, volumul de inchidere este aproape de VR, iar dupa 60 de ani se apropie de CRF, datorita scaderii cu virsta a reculului elastic pulmonar.Volumul de inchidere are aceeasi semnificatie ca debitele expiratorii instantanee maxime masurate pe bucla flux/volum la volume pulmonare mici: MEF₅₀, MEF₂₅.

Distributia ventilatiei in spatiile alveolare.

Distributia aerului inspirat in spatiile alveolare depinde de gradul de expansiune a alveolelor. Adaosul de aer la CRF mareste volumul de gaz din plamini: raportul dintre volumul de gaz la sfirsitul inspirului si cel de la inceputul inspirului se numeste raport de expansiune a plaminilor, care in conditii obisnuite, in timpul respiratiei linistite de repaos are valoarea de 1,2. Cresterea volumului pulmonar este rezultatul maririi de volum a tuturor spatiilor alveolare care comunica cu arborele traheo-bronsic. Expansiunea spatiilor alveolare depinde de complianta parenchimului pulmonar, de rezistenta la flux a cailor aeriene si de gradientul de presiune pleurala. Spatiile alveolare cu complianta mare au un raport de expansiune ridicat, prin urmare ele primesc proportional mai mult aer inspirat decit spatiile cu complianta mica, al caror raport de expansiune este mic. Astfel, diferentele de complianta determina o distributie neuniforma a ventilatiei in alveole. Cind variaza rezistenta la flux a cailor aeriene, distributia ventilatiei se face neuniform in timp: spatiile alveolare tributare unor conducte cu rezistenta mica se umplu primele in cursul inspirului, pe cind cele ale caror conducte sint ingustate au nevoie de un timp mai lung pentru a se umple si de aceea nu expansioneaza complet decit spre sfirsitul inspirului, sau daca timpul necesar umplerii lor cu aer este mai lung decit durata inspirului, expansiunea lor ramine incompleta. Raportul de expansiune al spatiilor alveolare tributare conductelor aeriene cu rezistenta mare este mai mic comparativ cu cele deservite de conducte cu rezistenta mica la flux.

Constanta mecanica de timp (Tau τ) este produsul dintre rezistenta la flux a unei unitati respiratorii (R) si complianta peretilor alveolari ai acesteia (C). Cresterea rezistentei (astm bronsic, bronsita cronica obstructiva) si cresterea compliantei (emfizemul pulmonar) cresc constanta mecanica de timp. Ambele tipuri de modificari determina prelungirea timpului necesar ca unitatea respiratorie afectata sa se umple in inspir si sa se goleasca in expir, de aceea, unitatile cu constanta de timp mare se expansioneaza mai putin (din lipsa de timp) decit cele cu un produs R X C normal. Consecintele inegalitatii constantelor mecanice de timp ale unitatilor functionale sint raporturile de expansiune inegale si aparitia “aerului pendulant”. “Aerul pendulant” se produce pentru ca unitatile cu R crescuta se golesc mai lent fata de cele cu R normala, astfel aerul continua sa fie expulzat din primele si dupa ce unitatile cu R normala au inceput sa inspire. Ca urmare, aerul expirat din unitatile cu R crescuta este inspirat de cele cu R joasa, aceasta “pendulare” a aerului fiind in detrimentul reimprospatarii amestecului gazos alveolar al unitatilor cu R normala, care primesc la inceputul inspirului aer saracit in O₂ si imbogatit in CO_2, astfel diminuind transferul gazos in aceste teritorii. In conditiile in care creste frecventa ventilatiei, in plaminii patologici cu inegalitati mari ale constantelor mecanice de timp are loc distributia preferentiala a aerului inspirat in unitatile cu constante de timp normale si diminuarea sau chiar suprimarea ventilatiei unitatilor cu constanta crescuta, fenomen cunoscut ca “dependenta compliantei de frecventa”. Denumirea provine de la observatia ca la acesti pacienti s-a constatat scaderea marcata a compliantei dinamice comparativ cu cea statica pe masura ce creste frecventa ventilatiei.

Un alt factor care contribuie la distributia inegala a ventilatiei alveolare este gradientul de presiune pleurala. Presiunea pleurala prezinta un gradient pe verticala, in ortostatism, datorat gravitatiei. Astfel, la virfurile plaminilor, depresiunea pleurala este mai mare cu 7 cm H₂O fata de baze, ceea ce face ca la virfuri, alveolele sa fie aproape complet expansionate. O inspiratie linistita de repaos, efectuata din pozitia expiratorie de repaos (de la nivelul CRF) determina o expansiune mai mare a spatiilor alveolare bazale fata de cele apicale.

In pozitia inspiratorie maxima, cind volumul pulmonar este CPT, toate teritoriile pulmonare sint dilatate maximal si aproape uniform, iar diferentele de presiune pleurala dintre apex si baza devin foarte mici.

La volum pulmonar mic, apropiat de volumul rezidual (VR), aerul este distribuit invers decit la CRF si anume teritoriile apicale primesc mai mult aer inspirat decit cele bazale, la nivelul acestora din urma caile aerene fiind colabate, deoarece la VR presiunea pleurala este supraatmosferica si depaseste presiunea din caile aeriene. In aceste conditii, o inspiratie cu volum mic pornita de la VR va fi distribuita spatiilor alveolare cu cai aeriene deschise, deci zonelor apicale.

Particularitatile circulatiei pulmonare. Plaminii au, ca si ficatul, 2 sisteme circulatorii care sint separate la origini dar au numeroase conexiuni.

Circulatia bronsica detine un enorm potential de crestere comparativ cu circulatia pulmonara. deriva din cea sistemica, iriga bronhiile si bronhiolele, formeaza vasa vasorum ale aa. pulmonare si vasele nervilor din plamini. In sistemul vascular bronsic, presiunea arteriala este de 4-5 ori mai mare deict cea din sistemul functional pulmonar. Cele 2 sisteme circulatorii sint conectate la mai multe niveluri: exista comunicari libere intre capilare care pot drena singele fie in sistemul venos sistemic prin vena azygos, fie in AS prin vv.pulmonare. Singele venos bronsic ce ajunge in fluxul venos pulmonar reprezinta aprox. 1-2% din debitul cardiac. Comunicarile la nivel capilar dintre cele 2 circulatii reprezinta un sunt potential, care poate intra in functiune cind creste presiunea in AD sau AS, evitind astfel cresterea presiunii din capilarele pulmonare prin drenarea singelui de partea unde presiunea este mai scazuta. Volumul de singe suntat poate creste mult in conditii patologice: absenta congenitala a unei parti din arborele arterial pulmonar; consecutiv unor ocluzii arteriale severe in vasoconstrictia hipoxica a arteriolelor pulmonare; dupa distrugerea unei parti importante a patului vascular pulmonar (emfizemul pulmonar). In procese inflamatorii si proliferative cronice (bronsita cronica, bronsiectazii, carcinom bronsic), fluxul circulatiei bronsice, care primeste in conditii fiziologice aprox.2% din debitul cardiac, este mult intensificat, putind ajunge la valori de 10 ori mai mari. Tesutul cicatricial si tumorile cu diametru de peste 1mm sint vascularizate de ramificatii ale circuatiei bronsice. In cazul leziunilor parenchimului pulmonar, vasele de neoformatie provin tot din circulatia bronsica.

Circulatia pulmonara, conectata in serie cu cea sistemica este circulatia functionala a plaminilor. In afara rolului de a asigura hematoza, ea detine si alte functii: rezervor de singe (detine aprox.600mL de singe, din care 100 mL se afla in capilare si restul in vasele mari, in vv pulmonare in special). Aceste vase pot descarca o cantitate crescuta de singe in cordul sting, mentinind debitul acestuia nemodificat, chiar in conditii de bradicardie sau, din contra, isi pot mari capacitatea in dilatatia cordului sting. La nivelul circulatiei pulmonare pot fi oprite mici embolusuri, care altfel ar putea obtura vasele din circulatia sistemica a unor organe vitale. Ramificatiile aa. pulmonare le insotesc pe cele ale cailor aeriene pina la nivelul bronhiolelor terminale si al canalelor alveolare, unde se desfac intr-o retea de capilare care inconjoara alveolele pulmonare. Aceste capilare au raza de 5-7µ si lungimea de 350µ si realizeaza o retea extrem de densa. Circulatia pulmonara este singurul circuit sanguin de organ care primeste in intregime debitul cardiac; ea se desfasoara la un regim presional scazut, ce reprezinta la om aprox.1/7-1/8 din presiunea prezenta in circulatia sistemica si este de abia suficient a pentru a ridica in ortostatism singele pina la apexul plaminilor. Patul vascular se destinde cu mare usurinta, prin urmare opune o mica rezistenta la trecerea fluxului sanguin si ventriculul drept are un travaliu mult mai mic comparativ cu stingul. Teritoriul circulator pulmonar este strabatut de singe in repaos in aprox.0,7 secunde si in efort intens in aprox.0,3 secunde, timpul de tranzit fiind egal cu cel din circulatia sistemica, desi lungimea vaselor este mult mai mica in circuitul pulmonar, ca urmare a imensei suprafete a patului capilar pulmonar (normal aprox.60m² dar in eforturi mari putind depasi 100m²; circulatia pulmonara este controlata de gradientul presional dintre artera pulmonara (VD) si vv pulmonare (AS), precum si de variatiile fazice ale presiunii intratoracice, ritmate de ciclul ventilator. In circulatia pulmonara, musculatura neteda este prezenta la nivelul ramificatiilor arteriale si venoase, inclusiv la nivelul vaselor pre si post capilare, prin urmare oricare segment vascular poate interveni in reglarea locala prin mecanisme vasoactive a perfuziei pulmonare corelata cu ventilatia. In conditii patologice poate avea loc extinderea musculaturii netede vasculare in zona capilara. Capilarele pulmonare prezinta un strat continuu de celule endoteliale cu multiple functii metabolice: activarea la un singur pasaj pulmonar a angiotensinei I, inactivarea bradikininei, PGE1; indepartarea endotelinei si eliberarea de NO, cu efecte importante asupra vasomotricitatii locale; interventia celulelor endoteliale in reglarea tonusului vascular este demonstrata si de evidentierea in plaminul uman a contactelor mio-endoteliale: la nivelul arterelor si venelor de calibru mic, celulele endoteliale vin in contact direct cu celulele musculare netede din peretii acestora. O particularitate a endoteliului capilar venular pulmonar o constituie cresteri pasagere ale Ca in unele dintre aceste celule, crestere propagata la celule adiacente; astfel, aceste celule cu continut oscilant de Ca sint considerate “pacemakeri” care sesizeaza cresteri ale presiunii capilare si sint implicate in aparitia microleziunilor vasculare pulmonare induse de cresterile presiunii in circulatia pulmonara.

Presiuni si rezistente in circulatia pulmonara.

Presiunea datorata sistolei ventriculare drepte are valori mult mai mici comparativ cu circulatia sistemica: in artera pulmonara, presiunea medie variaza intre 10 si 15 mmHg; presiunea sitolica este de 20-25mmHg iar cea diastolica - de 6-12mmHg. Artera pulmonara este foarte distensibila si opune mica rezistenta fluxului de singe. In capilarele pulmonare presiunea este de 6-9mmHg si in AS este 5mmHg.

Presiunea transmurala este diferenta dintre presiunea intravasculara si cea care se exercita din afara asupra peretilor vasului. Capilarele din peretii alveolari sint inconjurare de aer si pot suferi mari variatii de calibru, ce pot merge pina la obstructie completa, atunci cind presiunea intraalveolara o depaseste pe cea intracapilara. Spre deosebire de capilarele alveolare, vasele mai mari, denumite vase extraalveolare, sufera modificari ale calibrului dependente de volumul pulmonar si nu de presiunea alveolara. In inspiratie aceste vase se dilata, iar in timpul expirului calibrul lor scade, in paralel cu gradul de tractiune radiara efectuata asupra lor de catre peretii alveolelor invecinate in timpul ciclului ventilator si datorita fibrelor elastice din structura acestor vase. Cresterea patului vascular pulmonar in inspir scade fluxul de singe spre AS, scade debitul sistolic al VS si astfel apare o usoara scadere a presiunii arteriale sistolice , in timp ce in expir fenomenele se petrec invers. Valorile presiunii arteriale sistolice incep sa scada la inceputul inspirului, scad cel mai mult la sfirsitul inspirului, apoi incep sa creasca, atingind valorile maxime la sfirsitul expirului.

Rezistenta vasculara pulmonara se deduce din formula generala a rezistentei la flux:

R = ∆P/Q,

unde ∆P este diferenta de presiune medie dintre artera pulmonara si vv. pulmonare (sau atriul sting) (mmHg) si Q este debitul sanguin pulmonar (mL/sec). Rezistenta vasculara pulmonara normala reprezinta aprox.1/10 din valoarea rezistentei vasculare din circulatia sistemica: debitul sanguin pulmonar normal este de 5L/min, iar diferenta arterio-venoasa este de numai 10mmHg.

Relatia presiune-flux sanguin. Datele obtinute experimental pe preparate de pulmoni canini au demonstrat ca in conditiile cresterii presiunii arteriale cu mentinerea constanta a presiunii venoase pulmonare, a presiunii alveolare si a celei pleurale (adica la volum pulmonar invariabil), creste fluxul sanguin pulmonar (creste ∆P) si scade rezistenta vasculara pulmonara. Mecanismele prin care se produc aceste efecte sint cel de recrutare, prin care se deschid vase care erau inchise si cel de distensie, prin care se mareste diametrul vascular. Mecanismul de recrutare afecteaza atit arteriolele cit si capilarele, un rol important fiind detinut de reteaua densa a unor segmente capilare interconectate. Presiunea necesara pentru deschiderea acestora (presiunea critica) este mica (0,02cmH2O), mai ales in cazul capilarelor cu diametrul egal cu al eritrocitelor. Mecanismul de distensie a capilarelor se datoreaza cresterii presiunii transmurale in conditiile cresterii presiunii de perfuzie a acestora.

In conditiile cresterii presiunii venoase pulmonare cu mentinerea constanta a celorlalti parametri (presiunea arteriala pulmonara, presiunea alveolara si presiunea pleurala), scade fluxul sanguin pulmonar (scade ∆P), si scade rezistenta vasculara pulmonara; mecanismele implicate sint cele de distensie si recrutare. Aceste mecanisme asigura cresterea suprafetei de schimb a membranei alveolo-capilare si a timpului de tranzit al hematiilor in patul vascular capilar, care asigura conditii mai bune pentru hematoza.

Scaderea rezistentei vasculare pulmonare scade travaliul ventriculului drept in conditiile cresterii fluxului sanguin pulmonar, asa cum se intimpla in efortul fizic, cind cresc atit presiunea arteriala pulmonara cit si cea venoasa pulmonara. In aceste conditii, rezistenta vasculara scade sub valoarea din timpul repaosului, oricum redusa comparativ cu rezistenta din circulatia sistemica.

Relatia rezistenta vasculara pulmonara (RVP)– volum pulmonar. Variatiile volumului pulmonar au o mare importanta asupra rezistentei vasculare pulmonare. Cind volumul pulmonar creste de la valori foarte mici, initial rezistenta vasculare scade, apoi creste. In conditii fiziologice, plaminul “opereaza” la cele mai mici valori ale RVP, la nivelul CRF. Cresterea RVP la volume pulmonare mici se datoreaza scaderii calibrului vaselor extraalveolare care depinde de tractiunea radiala exercitata asupra lor de parenchimul pulmonar care le inconjoara. Aceste vase sint colabate in conditiile colabarii pulmonilor. Presiunea critica necesara deschiderii acesor vase ce contin fibre elastice si fibre musculare netede este de 7cmH2O. La volume pulmonare mici, RVP este extrem de sensibila la efectul substantelor vasoconstrictoare, cum este serotonina. O alta explicatie a RVP crescute la volume pulmonare mici ar putea fi distorsionarea retelelor capilare. La volume pulmonare mari, cresterea RVP se datoreaza micsorarii calibrului capilarelor alveolare cind creste presiunea alveolara, datorita scaderii presiunii transmurale. In aprecierea relatiei RVP/volum pulmonar trebuie facuta distinctia dintre presiunea negativa de inflatie si cea pozitiva. In primul caz, cresterea volumului pulmonar este realizata prin scaderea presiunii pleurale, relatia dintre presiunea arteriala pumonara si cea alveolara fiind constanta. In cel de al doilea caz, cresterea volumului pulmonar este realizata prin cresterea presiunii alveolare care o depaseste pe cea arteriala pulmonara, colabind capilarele alveolare (scade presiunea transmurala), astfel incit cresterea RVP este mai mare decit in cazul anterior. La subiectii normali, la sfirsitul inspirului maximal la CPT , desi presiunea alveolara este egala cu cea atmosferica (cu glota deschisa), presiunile arteriala si venoasa scad in paralel cu cea pleurala. Prin urmare, presiunea transmurala in capilarele pulmonare scade, ceea ce duce la cresterea RVP.

Alti factori implicati in reglarea RVP. Factorii cunoscuti cu efect de crestere a RVP prin stimularea vasoconstrictiei pulmonare sint serotonina, agonistii alfa-adrenergici, angiotensina II, TxA2, PGE2, PGF2alfa, agonistii receptorilor histaminci H1, hipoxia alveolara, cresterea presiunii CO2 in aerul alveolar, scaderea pH-ului sanguin si interstitial (prin cresterea PCO2); hipoxia alveolara creste efectul vasoconstrictor al scaderii pH-ului sanguin. Compusi cu efect de scadere a RVP prin efect vasodilatator sint: cresterea PAO2, scaderea PACO2, cresterea pH-ului sanguin si interstitial, agonistii receptorilor histaminici H2, PGI2, agonistii beta-adrenergici, bradikinina, teofilina, acetilcolina, NO.

Vasele din circulatia pulmonara sint relativ non-responsive la efectul hormonilor si al altor molecule semnalizatoare.

Modificarile de calibru vascular datorate modificarilor tonusului fibrelor musculare netede vasculare sint mult mai eficiente la volume pulmonare mici, cind vasele extra-alveolare sint ingustate, precum si in circulatia fetala unde exista un mult mai mare numar de fibre netede vasculare pulmonare comparativ cu adultul.

RVP creste in edemul pulmonar interstitial, probabil prin scaderea tractiunii radiale a vaselor extra-alveolare ca efect al prezentei de lichid in spatiile perivasculare din jurul acestora; pe de alta parte e posibil ca edemul prezent in interstitiul peretilor alveolari sa se extinda la nivelul capilarelor, ceea ce duce la cresterea rezistentei vasculare a acestora.

Efectul hipoxiei alveolare asupra calibrului vaselor din circulatia pulmonara. Cind concentratia oxigenului din aerul alveolar scade sub valoarea normala (in special cind scade sub 70% din valoarea normala – PO₂ sub 73mmHg), vasele adiacente se contracta, astfel incit rezistenta vasculara poate creste de peste 5 ori la niveluri extrem de scazute ale oxigenului. Vasoconstrictia indusa de hipoxia alveolara se produce mai ales la nivelul arteriolelor precapilare. In mult mai mica masura (20-30%) ea afecteaza si venulele pulmonare. Mecanismul molecular al vasoconstrictiei pulmonare hipoxice se datoreaza, se pare, blocarii canalelor de K voltaj-dependente din celulele musculare netede ale vaselor, cu mentinerea pe termen lumg a depolarizarii celulelor, a influxului de calciu si a contractiei musculare. Ca “senzori” ai hipoxiei sint luati in discutie mitocondriile si NADP-oxidazele, in timp ce speciile reactive de oxigen si kinazele AMP dependente sint posibili mediatori. Acest fenomen determina dirijarea fluxului sanguin catre zonele pulmonare mai bine ventilate si limitarea efectului de sunt care apare cind alveole hipoventilate sint perfuzate: la nivelul acestora, hematoza se realizeaza deficitar, astfel incit arterializarea singelui venos este deficitara si apare hipoxemia, adica scaderea continutului in oxigen a singelui arterial. Cind vasoconstrictia pulmonara este de lunga durata, se instaleaza hipertensiunea pulmonara ceea ce face ca sarcina VD sa creasca, in timp putindu-se instala insuficienta de pompa ventriculara dreapta.

Distributia perfuziei pulmonare. Ca urmare a efectului gravitatiei, in ortostatism exista mari diferente la nivel pulmonar in ceea ce priveste fluxul sanguin in diferitele zone, de la apex la baza pulmonilor. Asa cum se cunoaste din fizica, presiunea hidrostatica a unei coloane de lichid este mai mare la baza fata de virf, datorita greutatii sale. La un adult sanatos in ortostatism, baza plaminilor se afla la 30cm distanta fata de apex. In ortostatism, exista tendinta de dilatare a vaselor de la baza plaminului si de colabare a celor de la apex, fluxul de singe scazind aproape liniar de la baze catre apex, unde se ajunge la cea mai scazuta valoare. In decubit dorsal, creste fluxul apical, cel bazal nu se modifica si astfel se reduce gradientul apex-virf. In zonele declive, fluxul este mai mare fata de cele situate mai sus. Modificarile posturale (capul in jos, picioarele in sus) sint urmate de inversarile conditiilor de irigatie pulmonara iar in efortul fizic, prin cresterea debitului sistolic se atenueaza gradientul de perfuzie apex-baza. Cercetarile de hemodinamica intrapulmonara au dus la diferentierea citorva zone pulmonare, denumite zonele West pulmonare. Primele trei zone West iau in considerare modul in care sint afectate vasele alveolare de catre valorile celor trei presiuni diferite: presiunea alveolara PA, presiunea din arteriolele pulmonare Pa si cea din venulele pulmonare Pv. In cea de a 4-a zona, se ia in considerare modul in care sint afectate vasele extra-alveolare de catre presiunea pleurala.

Zona I, constituita din apexurile pulmonare este caracterizata prin absenta fluxului de singe in toate fazele ciclului cardiac, deoarece presiunea capilara pulmonara din aceasta zona nu depaseste presiunea aerului alveolar in cursul nici unei etape a ciclului cardiac. Presiunea alveolara este la rindul ei mai mare decit presiunea venoasa: Pa < PA > Pv. In aceasta zona, fluxul lipseste, deoarece capilarele alveolare sint colabate, presiunea transmurala fiind negativa. In realitate, in conditii normale nu se intimpla asa, deoarece presiunea arteriala pulmonara este suficienta pentru a impinge o anumite cantitate de singe pina la apexul pulmonar (20cm deasupra cordului). Zona I apare in conditii patologice: fie cind scade presiunea arteriala pulmonara (hemoragii grave), fie cind creste prea mult presiunea alveolara, asa cum se intimpla cind o persoana in ortostatism respira impotriva unei presiuni pozitive astfel incit presiunea alveolara creste cu peste 10mmHg fata de normal in timp ce presiunea arteriala pulmonara ramine normala.

Zona II, situata sub precedenta, care se intinde de la apex pina in zona medie pulmonara, se caracterizeaza prin flux sanguin variabil, mai mare in sistola, cind presiunea arteriala pulmonara atinge valoarea maxima, deoarece presiunea arteriala sistolica este mai mare decit presiunea alveolara, si mai mic in diastola. Presiunea alveolara este mai mare decit cea venoasa: Pa>PA>Pv, ceea ce face ca in capilarele venoase presiunea transmurala sa fie negativa si capilarele venoase – ingustate, ceeea ce duce la cresterea rezistentei vasculare si la scaderea fluxului sanguin. In aceasta zona, fluxul sanguin depinde de diferenta dintre presiunea arteriala si cea alveolara. Presiunile hidrostatice din arteriole, capilare si venule cresc progresiv in sens cranio-caudal, cu 1cmH20 pentru fiecare cm in sens descendent, in timp ce presiunea alveolara este constanta. Asadar, in sens cranio-caudal, va creste fenomenul de recrutare de noi capilare, datorita cresterii gradientul presional arterio-alveolar.

Zona III, situata la bazele plaminilor, este cu flux sanguin continuu, deoarece presiunea din capilarele pulmonare se mentine superioara presiunii alveolare, pe toata durata ciclului cardiac. La acest nivel , presiunea arteriala este mai mare decit cea alveolara, iar aceasta este mai mica fata de presiunea venoasa: Pa>Pv>PA. Fluxul sanguin depinde de gradientul presional arterio-venos, ca in orice alt teritoriu vascular. Aceasta zona se intinde din zona medie a plaminului spre baze. La acest nivel, presiunea transmurala este pozitiva pe toata lungimea capilarului alveolar. Pe masura ce presiunea hidrostatica creste in sens cranio-caudal, iar PA nu variaza cu inaltimea plaminilor, presiunea transmurala creste tot mai mult, ceea ce duce la cresterea diametrului vaselor, fenomenul fiind cel de distensie. Acesta induce o scadere progresiva a rezistentei vasculare pulmonare inspre bazele plaminilor. Aranjamentul de acest tip in care presiunea transmurala variabila, crescatoare, controleaza fluxul sanguin, gradientul presional arterio-venos fiind constant (Pa-Pv) este denumit rezistor Starling.

Zona IV , situata la bazele plaminilor se caracterizeaza prin acelasi tip de relatii presionale din zona III, capilarele alveolare destinzindu-se tot mai mult datorita cresterii presiunii transmurale. La acest nivel insa, vasele extra-alveolare (arteriole pulmonare si venule pulmonare) au un comportament diferit, deoarece presiunea pleurala este mai putin negativa si le destinde mai putin, astfel incit la nivelul lor rezistenta creste si fluxul sanguin prin capilarele alveolare cu care aceste vase comunica scade.

In mod normal, plaminii prezinta zone II, III si IV. In zonele apicale exista zona II, cu flux variabil, mai mare in timpul sistolei. Presiunea arteriala sistolica apicala este de 10 mmHg (fata de 25mmHg, la nivelul inimii), suficienta pentru a asigura fluxul de singe la acest nivel. In diastola, insa, scaderea valorilor presiunii arteriale pulmonara face ca fluxul sa fie mai mic. In plaminul normal, zona II incepe la 10 cm deasupra cordului si continua spre virfurile plaminilor. In restul plaminilor, de la aprox.10cm deasupra inimii si pina la bazele pulmonilor se regasesc zonele III si IV cu flux continuu. Aceste zone sint fiziologice, nu anatomice, prin urmare granitele lor nu sint fixe. Aceste granite se pot deplasa in sens caudal (extensia zonei I) cind creste presiunea alveolara (ventilatia cu presiune pozitiva) sau in sens cranial (extensia zonelor II si III) in timpul efortului fizic, cind cresc presiunile arteriala si venoasa pulmonare.

Distributia raportului ventilatie/perfuzie. Unitatile alveolare sint ventilate de acelasi aer inspirat si sint perfuzate de acelasi singe venos amestecat. Pentru indeplinirea adecvata a functiei de hematoza, este indispensabil ca proportia in care cele doua fluide ajung la nivelul suprafetei de schimb gazos, raportul ventilatie/perfuzie (V/Q), sa fie optima si identica pentru fiecare dintre alveolele pulmonare, ca si pentru plaminul intreg. Schimbul gazos se desfasoara in conditii optime cind valoarea raportului dintre ventilatia alveolara si debitul sanguin capilar pulmonar este aproape unitar. Adultul normal ventileaza in repaus 6L de aer pe minut, din care 2L “spala” caile aeriene ce nu participa la hematoza, iar ceilalti 4L ajung in spatiile alveolare. Ventriculul drept trimite spre plamini 5L de singe. Raportul V/Q este deci 4/5= 0,8. Aceasta valoare reprezinta conditia optima pentru transferul de gaze respiratorii, astfel incit sa nu existe alveole ventilate in exces fata de perfuzie, iar capilarele sa nu fie perfuzate cu mai mult singe decit poate arterializa ventilatia. Valoarea de 0,8 a acestui raport reprezinta valoarea medie pentru plaminii considerati ca un intreg. In mod odeal, ar trebui ca aceasta valoare sa existe in toate unitatile de schimb gazos, in realitate, insa, nici la subiectul normal nu sint toate alveolele ventilate si perfuzate in proportie ideala. La un adult sanatos in pozitie ortostatica, raportul V/Q este mare la virfuri, unde masoara 3,3 si scade catre baze, unde ajunge sa fie numai 0,63. Aceste inegalitati se datoreaza efectului gravitatiei asupra plaminilor, avind drept consecinta distributia preferentiala a aerului inspirat si a singelui in teritoriile declive, efectul asupra perfuziei fiind mai accentuat fata de cel asupra ventilatiei, datorita densitatii mai mari a singelui fata de aer. S-a calculat ca pentru o unitate de tesut pulmonar, ventilatia bazelor este de 3 ori mai mare decit a virfurilor, in timp ce perfuzia este de 10ori mai mare la baze fata de virfuri. Rezultatul este ca in plaminii subiectului normal se gaseste o gama foarte diversa a valorilor raportului V/Q: la virfuri ambele sint diminuate, dar intrucit perfuzia scade mai mult, raportul V/Q devine supraunitar, in timp ce la baze cresterea mai accentuata a perfuziei comparativ cu ventilatia face ca valoarea raportului sa fie sub valoarea normala. Datorita neuniformitatii distributiei ventilatiei si perfuziei pulmonare, raporturile V/Q ale unitatilor pulmonare variazain limite extrem de largi, de la 0 la infinit. Una dintre situatiile extreme o reprezinta alveolele ventilate, ale caror capilare nu sint perfuzate, asadar raportul V/Q este infinit. In aceste unitati nu se produce hematoza, intrucit aerul si singele nu vin in contact; ventilatia este irosita, nu serveste functiei pulmonare de baza si zona respectiva se comporta exact ca spatiul mort. Aceste zone sint denumite spatiu mort alveolar; la nivelul lor, compozitia amestecului gazos alveolar este asemanatoare cu cea a aerului inspirat- concentratii si presiuni partiale mari pentru O₂ si mici pentru CO₂. In cealalta situatie extrema, alveolele nu sint ventilate dar pastreaza, macar partial, perfuzia capilara, conditie in care raportul V/Q este zero si schimburole gazoase sint abolite. In aceste situatii, rezultatul este mai defavorabil fata de situatia precedenta, deoarece singele care perfuzeaza unitatile neventilate le paraseste tot ca singe venos amestecat, cu aceleasi valori ale presiunilor partiale ale O₂ si CO₂ cu care a intrat in capilarele respective. Asadar, acest singe nearterializat, prin amestec cu restul fluxului de singe care a irigat plaminii, va altera presiunile partiale ale gazelor respiratorii din circulatia sistemica. Aceasta situatie este denumita amestec venos, contaminare venoasa sau efect de sunt. Alveolele neventilate dar perfuzate contin aer cu concentratii si presiuni partiale mici de O₂ si mari de CO₂, asemanatoare cu cele din singele venos. Alveolele cu raport V/Q scazut (alveole hipoventilate) constituie in conditii patologice o cauza frecventa de hipoxemie. La subiectul normal, unitatile cu valori ale raportului aberante fata de normal reprezinta o fractiune extrem de redusa, prin urmare, efectul lor asupra hematozei este minim. Acest fapt se datoreaza mecanismelor locale de corectare a acestor dezechilibre: reducerea perfuziei intr-un teritoriu pulmonar normal ventilat are drept consecinta scaderea concentratiei CO₂ (hipocapnie) in aerul din alveole si caile aeriene aferente, iar hipocapnia induce constrictia musculaturii netede a bronhiolei respiratorii si ductului alveolar, diminuind ventilatia si restabilind raportul V/Q. Hipoventilatia unui teritoriu induce hipoxia alveolara are provoaca vasoconstrictia arteriolara, deci reducerea perfuziei teritoriului respectiv.Aceste mecanisme explica de ce la individul sanatos ventilatia spatiului mort alveolar si fenomenul de sunt reprezinta fractiuni mici din ventilatia alveolara (2-3%) si respectiv debitul cardiac (5%), desi distributia ventilatiei si a perfuziei este departe de a fi uniforma.

Difuziunea gazelor respiratorii prin membrana alveolo-capilara.

Volumul de gaz care strabate membrana alveolo-capilara in unitatea de timp depinde de citiva factori:

-proprietatile fizico-chimice ale gazului;

-caracteristicile membranei;

-marimea gradientului de presiune de la nivelul membranei.

Dintre proprietatile fizico-chimice ale gazelor care difuzeaza prin membrana alveolo-capilara, solubilitatea detine rolul dominant, moleculele de gaz trecind din faza gazoasa in cea lichida si invers. Moleculele de O₂ din aerul alveolar se dizolva in mediul apos celulelor din epiteliul alveolar, dupa ce au strabatut pelicula de surfactant, apoi trec in singe, in timp ce CO₂ urmeaza calea inversa, iesind din solutie si amestecindu-se in aerul alveolar. Rata de transfer depinde de coeficientul de solubilitate al gazului. La 37ºC si presiunea de 1 atmosfera, CO₂ are o rata de difuziune de peste 20 de ori mai mare comparativ cu O₂. Greutatea moleculara (GM) a gazului joaca un rol minor. Rata de difuziune este invers proportionala cu radicalul GM:

Rata de difuziune = coeficient de solubilitate/

Desi are o GM mai mare decit O₂, CO₂ difuzeaza mai repede fata de acesta, datorita solubilitatii sale mai mare. Din acest motiv, in conditii patologice, difuziunea O₂ este afectata mai precoce fata de cea a CO₂.

Grosimea membranei, de care depinde lungimea caii de strabatut de catre molecula de gaz este alcatuita din urmatoarele elemente: pelicula de surfactant, celulele epiteliului alveolar si membrana lor bazala, spatiul interstitial ingust dintre epiteliul alveolar si membrana capilara, membrana bazala capilara, care fuzioneaza pe alocuri cu cea a epiteliului alveolar, celulele endoteliale capilare, stratul de plasma intracapilar, membrana hematiei si citoplasma acesteia, pina la molecula de Hb. Aceasta grosime variaza in conditii obisnuite intre 0,2-0,4µ, putind ajunge pe alocuri la 1µ. Cind distanta se mareste, in conditii patologice (proliferare celulara, acumulare de lichid interstitial), scade rata difuziunii, care variaza invers proportional cu distanta de strabatut de catre moleculele de gaz. Rata de difuziune variaza direct proportional cu suprafata membranei disponibila pentru transfer. Aceasta depinde de marimea plaminilor si de distributia ventilatiei si a perfuziei pulmonare. Viscozitatea lichidului prin care are loc difuziunea influenteaza in relatie invers proportionala rata de difuziune.

Diferenta dintre presiunile partiale ale gazului in aerul alveolar si capilarele pulmonare influenteaza direct proportional rata de difuziune. Pentru oxigen, aceasta diferenta este de 60mmHg : Presiunea partiala a O₂ in aerul alveolar (PAO₂) in timpul respiratiei normale, de repaus la presiunea barometrica de la nivelul marii este de 100mmHg, iar presiunea partiala a O₂ in singele venos amestecat (PVO₂) este 40mmHg. Pentru CO₂, diferenta de presiune partiala este de sens invers: in singele venos amestecat, PVCO₂ este 47mmHg, iar in aerul alveolar, PACO₂ este 40mmHg, asadar gradientul presional este de 7mmHg. Diferenta de presiune este mentinuta prin actiunea convergenta a trei factori: ventilatia alveolara, care impiedica scaderea PAO₂ si cresterea PACO₂, perfuzia capilarelor pulmonare ce asigura mentinerea presiunilor partiale ale O₂ si CO₂ in singele venos amestecat la valori mai mici, respectiv mai mare fata de presiunile partiale alveolare ale acestora si reactia chimica ce intervine intre O₂ si Hb, care fixeaza moleculele de gaz pe masura ce patrund in eritrocit. Sistemele tampon din singe sint o sursa continua de CO₂, astfel mentinindu-se gradientul presiunii partiale intre singe si alveola al acestuia.

Conform principiului FicK:

V = Cs x T x A x ∆P/ x L x η ,

Unde V este rata de difuziune (in volume pe unitatea de timp), Cs este coeficientul de solubilitate al gazului, T este temperatura absoluta, A este suprafata membranei alveolo-capilara, ∆P este gradientul de presiune partiala a gazului, GM este greutatea moleculara a gazului si η este viscozitatea lichidului prin care difuzeaza gazul. Transferul de gaze prin membrana alveolo-capilara se face foarte rapid. In cazul unui gaz inert (ce nu se combina cu Hb) care trece din alveola in singe, presiunea lui partiala in plasma atinge valoarea alveolara in 20msec. In cazul O₂, presiunea lui partiala in singe nu egalizeaza rapid presiunea alveolara, ci urca progresiv, dar in primele 10 msec se ajunge la un echilibru intre cantitatea de gaz care trece pe unitatea de timp din alveola in singe si cantitatea de gaz care se combina cu Hb in unitatea de timp. Pentru oxigen, presiunea partiala in plasma depinde de capacitatea de difuziune a membranei si de viteza de reactie cu Hb. La adultul sanatos in repaus, un eritrocit strabate capilarul pulmonar in 0,75sec, ceea ce reprezinta de trei ori timpul necesar ca presiunea partiala a oxigenului din singe sa ajunga la nivelul celei alveolare (0,25sec). Cind timpul de contact dintre singe si aerul alveolar scade, presiunile partiale ale oxigenului in cele 2 medii nu mai ating echilibrul.

Capacitatea de difuziune a membranei respiratorii este volumul de gaz care difuzeaza prin membrana respiratorie intr-un minut la un gradient presional de presiune partiala de 1mmHg. Pentru oxigen, aceasta are valoarea de 25 mL/min/mmHg. Intr-un minut, in repaus, prin membrana alevolo-capilara difuzeaza 230mL de oxigen, ceea ce reprezinta rata de consum al oxigenului in repaus. In conditii de efort, aceasta capacitate poate creste pina la de trei ori, adica pina la 65mL/min/mmHg.

Masurarea capacitatii de difuziune a O2 este dificil de realizat. In practica medicala se determina capacitatea de difuziune a CO, apoi se calculeaza valoarea pentru oxigen, tinind cont de diferentele de solubilitate si GM dintre oxigen si CO. Valoarea normal a DLCO este 30mL/min/mmHg.

Pentru CO2, capacitatea de difuziune nu se poate masura, datorita valori mari a coeficientului de solubilitate, are face ca difuziunea sa sa se produca extrem de rapid. Cunoscind valoarea CS al CO2, de 20 de ori mai mare comparativ cu al O2, capacitatea de difuziune a CO2 ar trebui sa fie aprox. 400-500mL/min/mmHg in repaus si aprox.1200-1300mL/min/mmHg in timpul efortului. Timpul necesar pentru echilibrarea presiunilor partiale ale CO2 din singe si aerul alveolar este egal cu cel al oxigenului: 0,25sec.

Capacitatea de difuziune a plaminilor (DL sau D) se mai numeste si factor de transfer – Tlco, ca urmare a utilizarii CO. Valoarea acestuia scade in conditii patologice: cind se reduce suprafata de schimb gazos (emfizem, rezectii pulmonare, ocluzia regionala a cailor aeriene-BPOC, spatii alveolare ventilate dar neperfuzate, sau perfuzate dar neventilate ); cind se alungeste traseul de difuziune (ingrosarea membranei alveolo-capilare in fibroze, edem intraalveolar sau interstitial, cresterea distantei de difuziune intracapilara cind scade concentratia de Hb – anemii). In formula de mai jos, VCO este voluml de CO transferat pe unitatea de timp, PACO este presiunea partiala a CO in aerul alveolar, iar PCCO este presiunea partial a CO in single capilar.

DLCO = VCO/PACO – PCCO,

Corelatia raport V/Q – presiuni partiale alveolare ale O2 si CO2. In alveolele hiperventilate fata de perfuzie, situale la apex, (raport V/Q mare, spatiu mort alveolar), schimbul gazos se caracterizeaza prin extragerea mai mare a CO2 din singe, datorita scaderii PACO2 si cresterii gradientului de presiune partiala a CO2 dintre singe si aerul alveolar; hiperventilatia determina cresterea PAO2, dar perfuzia scazuta limiteaza aportul de O2 in singe prin saturarea Hb. Compozitia aerului alveolar este asemanatoare celei a aerului inspirat, iar raportul dintre eliminarea de CO2 si aportul de O2 este supraunitar. In zona mijlocie a plaminului, unde raportul V/Q este aproape unitar, raportul dintre eliminarea CO2 si aportul de O2 este aproape unitar (0,85). La nivelul bazelor, unde alveolele sint hipoventilate fata de perfuzie (raport V/Q subunitar), PACO2 se apropie de valoarea din singele venos amestecat (47mmHg), iar PAO2 diminua foarte mult, ceea ce constituie efectul de sunt. Compozitia aerului alveolar se aseamana cu cea a singelui venos amestecat. Eliminarea de CO2 scade mai mult decit prelevarea de O2, iar raportul lor scade si mai mult fata de zona mijlocie a plaminilor (0,65). Exista asadar un gradient vertical al raportului dintre eliminarea CO2 si aportul de O2 si al presiunilor alveolare ale CO2 si O2, generate de gradientul vertical al presiunii pleurale si de gravitatie, factori care determina si distributia neuniforma a raporturilor V/Q.

Efectul acestor fenomene este reprezentat de spatiul mort fiziologic (suma dintre spatiul mort anatomic si spatiul mort alveolar) si de gradientul alveolo-arterial al O2 P(A – a)O2. PaO2 este intotdeauna inferioara PAO2, desi la capatul venos al capilarului pulmonar PO2 este egala cu PAO2. Diferenta este mica: 5 mmHg la 20 de ani si 20 mmHg la 75 de ani. Acest fapt se datoreaza suntului anatomic, prin care o mica parte din debitul cardiac trece direct din vv bronsice in vv pulmonare si apoi in VS, sau pri vv Thebesius direct in ventricul. Alaturi de acesta contribuie si suntul fiziologic, din zonele cu raport V/Q mic.