Abstract

La broncopneumopatia cronica ostruttiva, ovvero l’enfisema polmonare e la bronchite cronica, è una risposta infiammatoria cronica delle vie aeree a particelle nocive o gas, con conseguenti alterazioni patologiche e fisiopatologiche nel polmone. I principali aspetti fisiopatologici della malattia sono l’ostruzione del flusso aereo e l’iperinflazione. Le proprietà meccaniche del sistema respiratorio e delle sue parti componenti vengono studiate determinando le corrispondenti relazioni volume-pressione (P-V). Le conseguenze della risposta infiammatoria sulla struttura e la funzione polmonare sono rappresentate dalle relazioni volume-pressione.

1. Introduzione

La broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), una malattia comune prevenibile e curabile, è caratterizzata da una limitazione persistente del flusso aereo che di solito è progressiva e associata a una migliore risposta infiammatoria cronica delle vie aeree e del polmone alle particelle nocive o gas. La limitazione delle vie aeree è attribuita a tre diversi meccanismi: (1) blocco parziale del lume (p. Es., A causa di un’eccessiva produzione di muco che forma tappi semisolidi), (2) ispessimento della parete delle vie aeree, che si verifica a causa di edema o ipertrofia muscolare, e ( 3) anomalia del tessuto che circonda le vie aeree (distruzione del parenchima e restringimento delle vie aeree a causa della perdita di trazione radiale). Entrambe le entità della BPCO, vale a dire la bronchite cronica e l’enfisema, sono caratterizzate dai primi meccanismi. La bronchite cronica è caratterizzata da un blocco parziale del lume e dall’ispessimento della parete delle vie aeree, mentre l’enfisema da perdita di trazione radiale.

Il fattore di rischio più comune per la BPCO a livello globale è il fumo di sigaretta. I fumatori di sigarette mostrano una maggiore prevalenza di sintomi respiratori e anomalie della funzione polmonare rispetto ai non fumatori. Di conseguenza, il tasso annuale di declino del FEV1 è superiore al declino previsto del FEV1 con la diminuzione dell’età. Anche l’esposizione passiva al fumo è un aspetto importante della malattia. Dobbiamo prendere in considerazione le esposizioni professionali, comprese le polveri organiche e inorganiche, gli agenti chimici e i fumi, e ovviamente l’inquinamento interno dalla biomassa durante la cottura e il riscaldamento in case scarsamente ventilate.

2. Patologia della BPCO

Cambiamenti patologici si trovano nelle grandi e piccole vie aeree, nel parenchima e nel sistema vascolare polmonare, risultanti da lesioni e riparazioni ripetute. La risposta infiammatoria può essere determinata geneticamente o può essere causata da particelle nocive, come il fumo di sigaretta. Tuttavia, alcuni pazienti sviluppano la BPCO senza esposizione al fumo di sigaretta. Lo stress ossidativo e lo squilibrio tra proteasi e antiproteasi, che hanno un ruolo nella protezione del tessuto connettivo dalla degradazione, amplificano la risposta infiammatoria della malattia. La risposta infiammatoria è aggravata dalle cellule infiammatorie CD8 + linfociti Tc1 citotossici e dai mediatori infiammatori (fattori chemiotattici, citochine proinfiammatorie e fattori di crescita).

Uno scenario che è in fase di esplorazione sperimentale espone un modello attraente per l’inizio dell’infiammazione, che comprende il danno ossidativo al DNA dei LEBC e la risposta immunitaria dell’ospite. Secondo ciò, le particelle nocive inducono un danno ossidativo al DNA delle cellule di barriera epiteliale polmonare (LEBC) e le mutazioni acquisite sono espresse a livello di DNA microsatellite dei LEBC. I LEBC alterati sono riconosciuti dalle cellule dendritiche (DC) come DC “non sé” viaggiano con le nuove informazioni ai linfonodi, presentandole ai linfociti T naïve, dopodiché si verifica una proliferazione predominante dei linfociti T citotossici CD8 +. Il CD8 + T i linfociti rilasciano perforine e granzimi e attraggono i LEBC alterati, attivando le cascate di morte cellulare.

3. Aspetti fisiopatologici nella BPCO

3.1. Ostruzione del flusso d’aria

Flusso d’aria durante l’espirazione è il risultato dell’equilibrio tra il rinculo elastico dei polmoni che favorisce il flusso e la resistenza delle vie aeree che ne limita il flusso. I fattori che portano all’ostruzione del lume e all’aumentata resistenza, con conseguenza della limitazione del flusso, sono la presenza di secrezioni, l’aumento del tono della muscolatura liscia bronchiale, l’ipertrofia delle ghiandole sottomucose e la protrusione verso la parte interna del lume della parte dorsale della trachea durante l’espirazione. Questi fattori sono coinvolti nel flusso d’aria o bstruzione dovuta alla grande differenza tra la pressione intraluminale e la pressione nell’ambiente. La perdita del rinculo elastico riguardante la parete delle piccole vie aeree, dovuta alla riduzione del tessuto elastico nel parenchima polmonare, è evidente soprattutto nell’enfisema. L’assenza di cartilagine nella parete delle piccole vie aeree periferiche contribuisce ulteriormente alla perdita del rinculo elastico.Si dice che i pazienti con BPCO abbiano un flusso limitato quando il flusso espiratorio che generano durante la respirazione corrente rappresenta il flusso massimo possibile che possono generare a quel volume. Nei pazienti con flusso limitato, il tempo disponibile per lo svuotamento polmonare (tempo espiratorio) durante la respirazione spontanea è spesso insufficiente per consentire al volume polmonare di fine espirazione (EELV) di diminuire al suo volume di rilassamento naturale. Questo porta all’iperinflazione polmonare.

3.2. Iperinflazione

La perdita del rinculo elastico, soprattutto in caso di enfisema, il fatto che il paziente con BPCO respiri “a un livello superiore” il che significa che i test funzionali mostrano una capacità residua funzionale (FRC) che supera quello previsto, al fine di mantenere aperte le vie aeree e l’intrappolamento d’aria durante la chiusura prematura sono tutti aspetti dell’iperinflazione polmonare.

Nei soggetti normali, il volume polmonare alla fine dell’espirazione si avvicina al volume di rilassamento del sistema respiratorio Tuttavia, nei pazienti con ostruzione al flusso d’aria, il volume polmonare di fine espirazione può superare il FRC previsto. Infatti, lo svuotamento polmonare viene rallentato e l’espirazione viene interrotta dallo sforzo inspiratorio successivo, prima che il paziente abbia raggiunto il volume di equilibrio statico. definita iperinflazione dinamica ed è influenzata da VT, tempo espiratorio, resistenza e compliance. È anche chiamata pressione intrinseca positiva di fine espirazione (auto-PEEP) ed è stata descritta per la prima volta da Bergman nel 1972 un d Johnson et al. nel 1975 e rappresenta la pressione intrapolmonare positiva alla fine dell’espirazione. La presenza di auto-PEEP significa che i muscoli inspiratori devono in primo luogo superare il rinculo verso l’interno combinato del polmone e della parete toracica prima che possa essere avviato il flusso inspiratorio. Pertanto, l’auto-PEEP agisce essenzialmente come un carico di soglia inspiratorio ed è stato misurato fino a 6-9 cm H2O durante la respirazione tranquilla a riposo in pazienti con BPCO clinicamente stabile ma iperinflazionata.

Durante gravi episodi di ostruzione del flusso d’aria, l’aumento degli sforzi espiratori aumenta semplicemente la pressione alveolare senza migliorare il flusso d’aria espiratorio. Quando il volume corrente (TV) è aumentato o il tempo espiratorio è breve a causa di una frequenza respiratoria elevata, il polmone non può sgonfiarsi al suo normale equilibrio di riposo tra i respiri. Questo aumento della pressione alveolare e del volume polmonare provoca diversi eventi che influenzano lo stato dinamico del polmone. La respirazione avviene vicino alla capacità polmonare totale. La respirazione mareale durante un’esacerbazione in un paziente con BPCO può essere spostata verso l’alto vicino alla capacità polmonare totale come conseguenza dell’iperinflazione dinamica.

L’iperinflazione ha effetti dannosi sulla funzione del diaframma che aumentano il lavoro di respirazione. Innanzitutto, il diaframma viene spostato in una posizione appiattita che si traduce nella diminuzione della zona di apposizione tra il diaframma e la parete addominale. In secondo luogo, le fibre muscolari del diaframma appiattito sono più corte e sono meno in grado di generare pressioni inspiratorie che supereranno la pressione transpolmonare. La pressione positiva all’interno del polmone iperinflazionato aumenta la pressione intratoracica media e fa sì che i muscoli inspiratori operino a un volume polmonare superiore a quello a riposo. La lunghezza del sarcomero del diaframma nei pazienti con BPCO è più breve e indirettamente proporzionale alla TLC e al VD. Questa regolazione migliora la capacità del diaframma di generare forza in “volumi polmonari più elevati”. La lunghezza ideale dei muscoli inspiratori durante il rilassamento è considerata vicina al livello del volume residuo (RV). Nei pazienti con BPCO, invece, a causa dell’iperinflazione, la lunghezza delle fibre muscolari è ancora più corta. Inoltre, un aumento della proporzione relativa delle fibre di tipo I che sono a contrazione lenta e resistenti alla fatica e un aumento della concentrazione mitocondriale e dell’efficienza della catena di trasporto degli elettroni che migliora la capacità ossidativa sono altri adattamenti strutturali al carico meccanico intrinseco cronico. Di conseguenza, la forza di sviluppo prodotta dai muscoli è ancora più ridotto a scapito di un notevole svantaggio meccanico che compromette ulteriormente la funzione dei muscoli respiratori rendendo così il diaframma più debole.

I muscoli ventilatori si adattano parzialmente all’iperinflazione cronica per preservare la loro capacità di generazione di forza durante la respirazione a riposo Durante le riacutizzazioni della BPCO, questi adattamenti possono essere sopraffatti i muscoli inspiratori rafforzati diventano soggetti a un maggiore carico elastico, il che significa che richiedono uno sforzo maggiore per un dato cambiamento di volume. L’iperinflazione dinamica acuta accorcia ulteriormente i muscoli inspiratori, in particolare il diaframma, e causa debolezza muscolare funzionale. L’esposizione a stress ossidativo e l’attivazione locale delle proteasi può anche provocare lesioni diaframmatiche durante periodi di aumento del carico inspiratorio e provocare disfunzione dei muscoli inspiratori.L’effetto netto di questo aumento del carico e della debolezza funzionale dei muscoli inspiratori è che lo sforzo richiesto per l’inspirazione corrente rappresenta una frazione relativamente alta dello sforzo massimo possibile che il paziente può sviluppare a quel volume polmonare.

4 . Conformità polmonare

L’apparato respiratorio possiede la sua proprietà elastica alla funzione dei muscoli respiratori, che forniscono all’intero sistema la necessaria differenza di pressione affinché l’aria si muova nelle vie aeree. Le proprietà meccaniche statiche del sistema respiratorio e delle sue parti componenti vengono studiate determinando le corrispondenti relazioni pressione-volume (P-V). Le curve P-V che si ottengono quando il volume viene modificato in passaggi progressivi dal volume residuo (RV) alla capacità polmonare totale (TLC) e viceversa sono loop. Le proprietà elastiche del polmone e della parete toracica, nonché i cambiamenti nelle unità polmonari tra gonfiaggio e sgonfiaggio, sono responsabili della presenza di queste anse. L’elasticità polmonare è rappresentata dalla curva volume-pressione statica. Il fatto che la curva P-V non sia lineare significa praticamente che all’aumentare del volume polmonare, gli elementi elastici si avvicinano ai loro limiti di distensibilità.

Nella BPCO, a causa dell’iperinflazione a riposo e dinamica che è uguale a un ulteriore aumento del volume polmonare di fine espirazione (EELV), il volume corrente dell’esercizio (VT) invade l’estremo alineare superiore del curva PV del sistema respiratorio dove c’è un aumento del carico elastico. Nella BPCO, la capacità di espandere ulteriormente la VT è ridotta, quindi il volume di riserva inspiratoria (IRV) è ridotto. In contrasto con la salute, la pressione di contraccolpo combinata dei polmoni e della parete toracica nei pazienti iperinflazionati con BPCO è diretta verso l’interno sia durante il riposo che durante l’esercizio. Ciò si traduce in un carico di soglia inspiratorio sui muscoli respiratori (Figura 1). Le pressioni intrapolmonari non tornano a zero, rappresentando in questo modo l’auto-PEEP che impone un carico extra ai muscoli inspiratori. Durante il successivo ciclo respiratorio, l’auto-PEEP deve essere superata per generare il flusso inspiratorio.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figura 1

Relazioni pressione-volume (PV) del sistema respiratorio totale in (a) normale e (b) broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). Vengono mostrate le curve P-V della marea durante il riposo e durante l’esercizio. Negli individui con BPCO, c’è un ripristino del volume di rilassamento del sistema respiratorio a un livello più alto rispetto agli individui sani. L’iperinflazione nella BPCO porta ad un aumento di EELV, RV e una corrispondente riduzione di IRV, rispetto alla condizione normale. Contrariamente al polmone normale, la pressione di contraccolpo combinata dei polmoni e della parete toracica in iperinflazione è diretta verso l’interno durante il riposo e durante l’esercizio. Ciò si traduce in un carico di soglia inspiratorio sui muscoli inspiratori con conseguente diminuzione della zona di apposizione (mostrata nella curva P-V (b) durante il riposo e l’esercizio). EELV: volume polmonare di fine espirazione, RV: volume residuo, IRV: volume di riserva inspiratorio, TLC: capacità polmonare totale. Da O’Donnell e Laveneziana.

La compliance statica (C) del polmone è la variazione del volume polmonare per unità di variazione della pressione transpolmonare; cioè, la differenza di pressione tra l’interno degli alveoli e la superficie pleurica dei polmoni necessaria per influenzare un dato cambiamento nel volume d’aria nei polmoni: dov’è la compliance, è la variazione del volume polmonare, ed è la variazione nella pressione transpolmonare.

A rigor di termini, la pressione transpolmonare è uguale alla pressione in trachea meno la pressione intrapleurica. Quindi, è la differenza di pressione in tutto il polmone. Tuttavia, la pressione negli alveoli è uguale alla pressione nelle vie aeree (compresa la trachea) all’inizio o alla fine di ogni normale respiro. Cioè, la pressione alveolare di fine espirazione o di fine inspirazione è 0 cm H2O. Pertanto, all’inizio o alla fine di ogni gonfiaggio polmonare, la pressione di distensione alveolare può essere indicata come pressione transpolmonare.

Il volume che corrisponde a pressione zero (0 cm H2O) è il volume a riposo di il sistema respiratorio, dove la pressione a livello della bocca è di 0 cm H2O. Questo è il livello di capacità residua funzionale (FRC) dove non c’è flusso d’aria nelle vie aeree e la pressione a livello della bocca quando si eseguono studi spirometrici è uguale alle vie aeree e alla pressione alveolare (0 cm H2O). Nella curva P-V, la distanza orizzontale dal punto 0 rappresenta la pressione elastica dell’intero sistema respiratorio () che è negativa al di sotto dell’FRC e positiva al di sopra del livello FRC (Figura 2).La differenza di pressione tra la pressione a livello della bocca e la pressione atmosferica rappresenta la pressione necessaria per espandere il sistema respiratorio durante il ciclo respiratorio.

Figura 2

Curva PV quasiistatica del sistema respiratorio, con uno spirogramma che mostra le suddivisioni del volume polmonare . ERV: volume della riserva espiratoria, IC: capacità inspiratoria, VC: capacità vitale. Adattato da Agostini e Hyatt.

La curva PV in loop significa praticamente che all’aumentare del volume polmonare, gli elementi elastici si avvicinano ai loro limiti di distensibilità e una data variazione della pressione transpolmonare produce aumenti sempre più piccoli in volume polmonare. Di conseguenza, la compliance del polmone è minima ad alti volumi polmonari e maggiore quando ci si avvicina al volume residuo (RV). Un polmone di alta compliance si espande in misura maggiore di uno di minore compliance quando entrambi sono esposti allo stesso aumento della pressione transpolmonare. L’iperinflazione e la respirazione mareale verso la capacità polmonare totale costringono il sistema respiratorio a operare sulla parte più piatta della curva di compliance dove aumenti progressivi della pressione generano variazioni di volume incrementali minori.

La compliance polmonare è normalmente misurata come statica, quando i polmoni sono fermi. La distensibilità stimata durante la normale respirazione di marea dalle misurazioni del volume polmonare e della pressione esofagea effettuate alla fine dell’inspirazione e dell’espirazione quando i polmoni sono apparentemente fermi ha come risultato un indice, che è chiamato compliance dinamica. In soggetti con polmoni sani, le due misurazioni producono risultati simili.

Poiché la curva pressione-volume del polmone richiede la stima delle pressioni nelle vie aeree e intorno al polmone, questa può essere ottenuta misurando la pressione esofagea. Un piccolo palloncino all’estremità del catetere viene fatto passare attraverso il naso o la bocca e la differenza tra la pressione della bocca e quella esofagea viene registrata mentre il paziente espira a incrementi di 1 litro dalla capacità polmonare totale (TLC) a RV.

Alcuni fattori che influenzano la compliance polmonare statica (incluso l’enfisema) sono elencati nella Tabella 1.

5. Curva P-V ed enfisema

La maggior parte dei primi studi che descrivevano la relazione P-V nella BPCO sono stati condotti per diagnosticare e stabilire la gravità dell’enfisema. Tuttavia, la TC era più conveniente come metodo. La maggior parte dei primi studi sono stati condotti su soggetti con BPCO che respiravano spontaneamente.

Gibson et al. ha scoperto che il fattore era aumentato nei pazienti con BPCO. Il fattore descrive la concavità dell’adattamento esponenziale ed è indipendente dal volume polmonare. Pertanto, un aumento di significa che la curva ha una concavità verso l’asse di pressione, indipendentemente dalla sua posizione. Ciò è stato confermato dallo studio di Greaves e Colebatch che studia polmoni normali ed enfisematosi. Hanno scoperto che quando era presente l’enfisema, era aumentato di più di due deviazioni standard al di sopra del valore medio previsto per l’età. Hanno anche trovato una relazione diretta tra e la dimensione alveolare media. Osborne et al. ha studiato la relazione tra e la dimensione alveolare media nell’enfisematoso sottoposto a resezione polmonare. Hanno scoperto che si correla con la gravità della BPCO fino a quando il contributo di ampi spazi aerei alla forma della curva è andato perso a causa della chiusura delle vie aeree.

La compliance è aumentata nelle malattie polmonari ostruttive come l’enfisema polmonare, meno nell’asma e in misura minore nella bronchite cronica.Nell’enfisema, il rinculo elastico è diminuito e la curva P-V è spostata verso l’alto e verso sinistra. Ciò è dovuto alla perdita di tessuto elastico a seguito della distruzione della parete alveolare. Nella bronchite cronica senza enfisema, tuttavia, la curva P-V può essere normale poiché il parenchima è minimamente influenzato.

In pratica la misurazione della compliance e del suo risultato ha un valore clinico limitato. Come accennato in precedenza, la curva risultante è non lineare e il valore di compliance viene misurato in base alla variazione di pressione. La misurazione al di sopra del livello di FRC, avvicinandosi alla TLC, mostra valori inferiori di compliance e maggiore rigidità polmonare a causa delle fibre di collagene nel parenchima polmonare, che influenzano la distensione polmonare in volumi elevati. Pertanto, la misurazione della compliance dovrebbe essere eseguita vicino al livello di FRC, altrimenti, vicino ai livelli di TLC e RV, i risultati hanno un valore clinico limitato.

La storia naturale dello sviluppo dell’iperinflazione polmonare in I pazienti con BPCO secondo l’esperienza clinica indica che si tratta di un processo insidioso che si verifica per decenni. Sembrerebbe che RV sia il primo componente di volume ad aumentare, riflettendo una maggiore chiusura delle vie aeree. L’EELV aumenta in seguito, riflettendo gli effetti dell’EFL e delle alterazioni della meccanica polmonare, e alla fine la TLC aumenta con l’aumentare della compliance polmonare. Tuttavia, è probabile che l’andamento nel tempo del cambiamento nei vari compartimenti del volume sia molto variabile tra i pazienti.

La curva P-V mostra una configurazione diversa durante il ciclo respiratorio, cioè durante l’inspirazione e l’espirazione. Questo fenomeno è chiamato isteresi ed è una proprietà delle strutture elastiche. La differenza di configurazione si verifica a causa del fatto che vicino al RV (piccoli volumi polmonari) è necessaria ulteriore pressione durante l’inspirazione per aprire le piccole vie aeree distali. In volumi polmonari maggiori, il fenomeno dell’isteresi è probabilmente attribuito alla resistenza delle fibre elastiche nel parenchima.

6. Conclusione

Gli studi statici e dinamici del polmone nella broncopneumopatia cronica ostruttiva differiscono a seconda degli aspetti patologici della malattia. La perdita del rinculo elastico del polmone influisce sulla differenza di pressione tra l’interno degli alveoli e la superficie pleurica dei polmoni, cioè la pressione transpolmonare. Di conseguenza, un polmone di alta compliance, come il polmone enfisematoso, si espande in misura maggiore di quello di bassa compliance, quando entrambi sono esposti allo stesso aumento della pressione transpolmonare.