Télécharger

Physiologie respiratoire
Plan
• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation
– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux et
sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus périphériques
• Contrôle de la ventilation
– Comment les échanges gazeux sont réglés
Anatomie du système respiratoire
Inspiration
• Phénomène actif
• Mise en jeu de muscles
• Air aspiré dans les poumons
= dépression intrathoracique
• Ti/Te = 0,8
Expiration
• Phénomène passif
• Forces élastiques
• Forcée: muscles
abdominaux
Anatomie du système respiratoire
Voies aériennes
•Voies aériennes de conduction
•Trachée aux bronchioles terminales
•Dépourvues d’alvéoles
•Amener l’air inspiré
•Espace mort anatomique: 150ml
•Zones respiratoires
•B. terminales aux B. respiratoires
•Acinus, alvéoles
•Zone d’échanges gazeux
•300 M d’alvéoles, 140 m2, 2,5 à 3l
Anatomie du système respiratoire
Barrière alvéolo-capillaire
• 0,3 à 1,5 µm d’épaisseur
• Pneumocytes I et II
• Interstitium
• C endothéliale
Stabilité de l’alvéole
•300 M d’alvéoles de 0,3 mm de ∅
•Surfactant
Mécanismes de défense du poumon
• La + grande surface de l’organisme exposée à
l’environnement extérieur
• Fonctions d’épuration = processus mécanique
– Particules inhalées filtrées par le nez ou piégées sur le film de mucus
tapissant les voies aériennes
– Épuration mucociliaires et toux
• Défenses immunologiques = processus cellulaire
– Action des immunoglobulines locales
– Macrophages alvéolaires
– Lymphocytes alvéolaires
Vascularisation pulmonaire
• Circulation pulmonaire = c. fonctionnelle
–
–
–
–
Artères pulmonaires // aux bronches
Capillaires = réseau dense dans les parois alvéolaires
Veines pulmonaires
Circulation à basse pression
• Circulation bronchique = c. nourrissière
– Irrigue les voies aériennes conductrices jusqu’aux
bronchioles terminales
– Drainage par les veines pulmonaires
– Anastomoses avec circulation pulmonaire
• Circulation lymphatique
Plan
• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation
– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux et
sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus périphériques
• Contrôle de la ventilation
– Comment les échanges gazeux sont réglés
Volumes pulmonaires et débits aériens
Volumes pulmonaires statiques
Vt: volume d’air inspiré et
expiré lors d’un cycle
respiratoire normal
VRI: volume d’air
supplémentaire inspiré lors
d’une inspiration forcée
VRE: volume d’air
supplémentaire expiré après
une expiration normale
CV: volume maximum d’air
mobilisable
CRF: volume d’air restant au
décours d’une expiration
normale
VR: volume d’air restant au
décours d’une expiration forcée
Méthode de dilution à l’hélium
Pléthysmographe
Volume expiratoire maximum seconde (VEMS)
• Volume expiré au cours de
la 1ère seconde après le
début d’une expiration
forcée maximum
• Dépend de l’effort fourni
(collaboration) +++
• Grosses voies aériennes
• DEM 25-75: débit aérien
moyen entre 25 et 75% de
la CV; explore les petites
voies aériennes
Courbe débit-volume
Tests pharmacodynamiques
• Mesure des débits aériens à l’état basal et après
inhalation de drogues:
– β-2 +
• Réversibilité si augmentation du VEMS > 20% ou > 200 ml
– Métacholine
• Test de provocation + si chute du VEMS > 20% pour une dose < à 1600
mcg de métacholine
• PD20: dose minimale de métacholine induisant une baisse de 20% du
VEMS
Expression des résultats
• Mesures en position
assise
• Expression en
– valeur absolue (l ou ml)
– Pourcentages / aux
valeurs théoriques (sexe,
âge, taille, race)
• Ecart > 20% pour
affirmer que l’épreuve
est anormale
Valeurs normales chez un homme
de 40 ans mesurant 1,75m
•CV (ml)
4900
•VRI (ml)
3000
•Vt (ml)
500
•VRE (ml)
1400
•CRF (ml)
3400
•VR (ml)
3400
•CPT (ml)
6900
•VEMS (ml)
3900
•VEMS/CV (%)
80
•DEM25-75 (l/s)
4,4
Modifications pathologiques
• Syndrome obstructif
– Diminution des débits aériens
– Diminution du VEMS/CV > 20%
– Atteinte précoce du DEM25-75
– Réduction du VEMS tardive mais constituant un élément
pronostique important
– Augmentation du VR, de la CRF de la CPT
• Syndrome restrictif
– Diminution harmonieuse des volumes (CV, VR, CPT, CRF)
– VEMS/CV normal
Composition de l’air atmosphérique et alvéolaire
AIR ATMOSPHERIQUE SEC
21% d’O2 79% de N2
PatmO2 = 0,21 x 760 = 160 mmHg, PatmN2 = 600 mmHg
AIR INSPIRE TRACHEAL RECHAUFFE ET
SATURE EN VAPEUR D’EAU
PtrachO2 = 0,21 x (760 – 47) = 150 mmHg
PtrachN2 = 563 mmHg
AIR ALVEOLAIRE
14% d’O2, 80,4% de N2, 5,6% de CO2
PAO2 = 0,14 x (760 – 47) = 100 mmHg
PAN2 = 573 mmHg
PACO2 = 40 mmHg
Equation de l’air alvéolaire
PAO2 = PiO2 – PACO2 / R
• En pratique clinique
– PACO2 = PaCO2
– R = quotient respiratoire = VCO2 / VO2 = 250/300 = 0,8
– PiO2 = 150 mmHg
PAO2 = 140 – PaCO2
Espace mort anatomique VD
• Ne participe pas aux échanges gazeux
• Zone de conduction: ≈ 150 ml (2ml/kg)
• Rôle +++
– Réchauffer et humidifier l’air inspiré
– Épurer l’air inspiré des grosses particules
• En série entre la bouche et les alvéoles
• Altère l’efficacité de la ventilation
– Une fraction de l’air inspiré ne parvient pas aux alvéoles
Ventilation alvéolaire et espace mort anatomique
Ventilation alvéolaire VA
• Fraction de la ventilation totale (VE) qui
parvient aux alvéoles
vt = vA + vD
f . vt = f . vA + f . vD
VA = VE – f . vD
Equation de la Ventilation alvéolaire
• Aucun échange gazeux dans l’espace mort anatomique
• Tout le CO2 expiré provient donc du gaz alvéolaire
VCO2 = VA . FACO2
PACO2 = K . FACO2
VA = 863 . VCO2 / PACO2
VA = 863 . VCO2 / PaCO2
Plan
• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation
– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux et
sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus périphériques
• Contrôle de la ventilation
– Comment les échanges gazeux sont réglés
Loi de Fick
Surface membrane alvéolo-capillaire: 140 m2
Epaisseur membrane alvéolo-capillaire: 0,3 à 1,5 µm
Diffusion passive
Echanges gazeux le long du capillaire
Vt
PAO2 = 100 mmHg
PACO2 = 40 mmHg
O2
CO2
PO2 = 40 mmHg
PO2 = 100 mmHg
PCO2 = 47 mmHg
PCO2 = 40 mmHg
Temps de transit : 0,75 s
Capacité de transfert du CO
• Coefficient de diffusion du CO voisin de celui de l’O2
• Quantité de CO traversant la membrane alvéolo-capillaire
par minute et pour une différence de pression partielle
de 1 mmHg
• Le patient inspire un mélange gazeux contenant une
concentration connue de CO (0,1-0,3%) et d’hélium (10%)
• Apnée de 10 s puis expiration à la fin de laquelle est
recueilli un échantillon de gaz alvéolaire
• Mesures des concentrations alvéolaires d’hélium et de CO
et de la durée de l’apnée pour calculer le TCO
• Mesure rapportée à la surface d’échange VA
Echanges gazeux pathologiques
• Fibrose pulmonaire:
– Épaississement de la membrane alvéolo-capillaire
– Diminution de la diffusion
– Hypoxémie
• Emphysème, BPCO:
– Destruction parenchymateuse, membrane alvéolocapillaire intacte
– Hypoventilation alvéolaire
– Hypoxémie, hypercapnie
Plan
• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation
– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux et
sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus périphériques
• Contrôle de la ventilation
– Comment les échanges gazeux sont réglés
Vascularisation pulmonaire
• Circulation pulmonaire = c. fonctionnelle
–
–
–
–
Artères pulmonaires // aux bronches
Capillaires = réseau dense dans les parois alvéolaires
Veines pulmonaires
Circulation à basse pression
• Circulation bronchique = c. nourrissière
– Irrigue les voies aériennes conductrices jusqu’aux
bronchioles terminales
– Drainage par les veines pulmonaires
– Anastomoses avec circulation pulmonaire
• Circulation lymphatique
Circulations pulmonaire / systémique
Basse pression
Haute pression
100% du DC
Parois épaisses
Parois fines
Travail du VG
important
Travail du VD
faible
Chute de
pression dans
les capillaires
Chute de
pression en
amont des
capillaires
Organisation de la circulation pulmonaire
• Zone proximale:
– Grosses artères
élastiques (> 500µm)
– Volume = 150 ml
– Distensible, non
résistive
– Chambre de
compression: énergie
restituée pendant la
diastole
– Rôle unique: le
transport
• Zone distale:
– Petites artères
musculaires et artérioles
– Peu distensible, très
résistive = barrage
– Fonctions multiples et
complexes:
• Échanges gazeux et de
fluides
• Filtrage mécanique et
métabolique
• Recrutement des
populations cellulaires
participant à la défense du
poumon
Pressions intravasculaires pulmonaires
•Pression artérielle pulmonaire:
• Systole: montée rapide jusqu’à 20 –
25 mmHg puis décroissance jusqu’à
l’incisure (fermeture valves). Dépend
de l’accélération du sang et de la
distensibilité de la paroi
• Diastole: ressaut dicrote puis
décroissance jusqu’à 8 – 10 mmHg.
Dépend des résistances périphériques
à l’écoulement
•Moyenne : varie entre 10 et 17
mmHg, augmente avec l’âge
Modifications pathologiques des pressions
intravasculaires pulmonaires
Pressions intravasculaires pulmonaires
•Pression veineuse pulmonaire:
• Proche de la POG
• Faible amplitude des
oscillations de pression (2 – 4
mmHg)
Pressions intravasculaires pulmonaires
•Pression capillaire pulmonaire:
• Non mesurable directement
• Supérieure à la PAPO
Pressions autour des vaisseaux pulmonaires
• Vaisseaux alvéolaires:
• Vaisseaux extra-alvéolaires:
• Capillaires
• Vaisseaux intraparenchymateux
• Soumis à la pression alvéolaire
• Soumis à la pression pleurale
• Ouverts si Pim > Palv
• Calibre déterminé par les
tractions du parenchyme
Distribution du débit sanguin pulmonaire
West JB: J Appl Physiol 1964
Résistances vasculaires pulmonaires
• Loi de Poiseuille:
Pentrée
Q
R = (Pentrée – Psortie) / Q = 8.l.η / π.r4
Psortie
P
RVP = (PAP – POG) / Q
RVP = (15 – 5) / 6 = 1,7 mmHg/l/mn
R
Q
Résistances vasculaires pulmonaires
2 mécanismes sont responsables de la diminution
des RVP quand les pressions augmentent
Résistances vasculaires pulmonaires
Equilibre hydrique du poumon
interstitium
Pcap= 7
πcap= 28
Pint= -5
πint= 17
+ 1 cmH2O
Equation de Starling
Qfilt = K [(Pcap – Pint) - σ (πcap - πint)]
alvéole
Palv
tension de surface (surfactant) -5
capillaire
lymphatique
Oedèmes pulmonaires
• Œdème hydrostatique: OAP cardiogénique
– Pcap: passage d’eau + petites molécules
– Dilution des protéines interstitielles: (πcap - πint)
– L’augmentation du gradient osmotique s’oppose à la
fuite liquidienne initialement
– Passage de fluide dans l’espace alvéolaire = OAP
• Œdème de perméabilité: œdème lésionnel
– Modification des propriétés intrinsèques de la mb
•
K et
σ
– Disparition du gradient osmotique
Vasoréactivité pulmonaire
• Facteurs passifs
– Pression dans l’OG
– DC
– Volume pulmonaire
• Facteurs actifs
– Contrôle nerveux
– Médiateurs moléculaires
Augmentation de la vasoréactivité
pulmonaire
• Système nerveux sympathique
• Endothéline
• Angiotensine
• Leucotriènes
• Thromboxane A2
• Sérotonine
• Hypoxémie
Diminution de la vasoréactivité
pulmonaire
• Système nerveux para-sympathique
• Prostacycline (PgI2)
• Bradykinine
• Monoxyde d’azote (NO)
Vasoconstriction pulmonaire hypoxique
• Circulation pulmonaire = seule circulation dotée
de vasoconstriction hypoxique
• Contraction du muscle lisse des artérioles
pulmonaires perfusant la zone hypoxique
• Redistribution du sang vers les zones les mieux
ventilées
• Préserve les échanges gazeux
• HTAP hypoxiques (BPCO, fibroses...)
Vasoconstriction pulmonaire hypoxique
HYPOXIE
K+
Kv
Dépolarisation
Ca2+
CONTRACTION
HYPOXIE
VASOCONSTRICTION
EXPRESSION DE GENES
•Fermeture canaux Kv
•Glycolyse anaérobie et
néoglucogenèse
•Dépolarisation CML
•Entrée de
Ca2+
•Érythropoïétine
•Angiogenèse (VEGF...)
•NOSi, hème oxygénase...
•Facteur HIF se fixe sur séquence
HRE du promoteur
PROLIFERATION CML
REMODELAGE VASCULAIRE PULMONAIRE
HTAP
Plan
• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation
– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux et
sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus périphériques
• Contrôle de la ventilation
– Comment les échanges gazeux sont réglés
Rapports ventilation-perfusion
Rapports ventilation-perfusion
Plan
• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation
– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux et
sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus périphériques
• Contrôle de la ventilation
– Comment les échanges gazeux sont réglés
Oxygène dissout
• Loi de Henry: le volume de gaz dissout est
proportionnel à la pression partielle de ce gaz
• 1 à 2% de l’O2 transporté par le sang
• O2 dissout (ml/100ml) = 0,003 x PO2 (mmHg)
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Hémoglobine
– Protéine, PM 64500 Da
– 4 chaines polypeptidiques
(HbA: 2 ß et 2 α)
– 1 atome de fer Fe 2+
• Oxydation en Fe 3+ =
méthémoglobine incapable de
fixer l’O2
– Fixe 4 molécules d’O2
– Transition allostérique : 1ère
molécule d’O2 fixée facilite la
fixation de la suivante
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Combinaison réversible ++++
• Hb + O2
HbO2
– PO2 élevée (capillaires pulm) fixation O2 à l’Hb
– PO2 basse (capillaires tissulaires) libération d’O2
• P50 = PO2 pour laquelle SO2 = 50%
• 27 mmHg
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Effet Bohr
– Hb + O2
HbO2 + H+
– pH modifie l’affinité de l’Hb pour l’O2
– Acidose déplace vers la droite la CDO et augmente la P50
– Alcalose effet inverse
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Effet du CO2
– Hypercapnie déplace la CDO vers la droite et augmente la
P50
• Par effet Bohr: baisse du pH en cas d’hypercapnie
• Effet spécifique: synthèse de carbamates: augmente la stabilité
de la désoxy-Hb
– Hypocapnie: effet inverse
Oxygène combiné à l’hémoglobine
• Effet du 2,3-DPG
– Métabolite érythrocytaire d’une voie de la glycolyse
– Réduit l’affinité de l’Hb pour l’O2
• Abaissement du pH
• Stabilisation de la désoxyHb
– Déplacement de la CDO vers la droite
Capacité, contenu et différence
artério-veineuse en O2
• Pouvoir oxyphorique de l’Hb
– Volume d’O2 (ml STPD) que peut fixer 1g d’Hb = 1,34
• Contenu en oxygène
– CO2 (ml/100ml) = PO x Hb x SO2 + 0,003 x PO2
• Différence artério-veineuse en oxygène
– DAVO2 (ml/100ml) = CaO2 – CvO2 = 4 à 5
• Consommation tissulaire d’oxygène
– VO2 (mlSTPD/min) = DAVO2 x Q x 10 = 250
STPD = Standard,T°,P=760mmHg,Dry
CO2 dissout
• 20 à 25 fois plus soluble que l’O2
• 5% du CO2 sanguin total
• CO2 dissout = PO2 x 0,03
• CO2 dissout vrai
• Acide carbonique (très faible)
CO2 combiné
• Bicarbonates
• Carbamates
• Effet Haldane
Respiration cellulaire – consommation d’O2
• 4 étapes:
– Dégradation oxydative du glucose (glycolyse anaérobie), β-oxydation des acides gras,
oydation des acides aminés = 25% de l’énergie totale
– Décarboxylation et oxydation des radicaux formés dans le cycle de Krebs = 75%
• Libération de CO2, d’ions H+ et d’électrons
– Transfert des H+ et des électrons par la chaine respiratoire des transporteurs
d’électrons jusqu’à l’O2 moléculaire
– Stockage de l’énergie libérée en ATP ou phosphocréatine musculaire
• Au repos: VO2 = 140 ml/m2 chez l’homme; 130 ml/m2 chez la femme
• A l’exercice: x par 10-15 la valeur basale
• Très variable d’un viscère à l’autre
Plan
• Anatomie du système respiratoire
– Comment l’architecture du poumon contribue à sa fonction
• Ventilation
– Comment les gaz arrivent aux alvéoles
• Diffusion
– Comment les gaz traversent la barrière air-sang
• Perfusion
– Comment s’organise la circulation pulmonaire
• Rapport ventilation-perfusion
– Comment une combinaison harmonieuse entre débit gazeux et
sanguin détermine les échanges gazeux
• Transport des gaz vers la périphérie
– Comment les gaz sont acheminés vers les tissus périphériques
• Contrôle de la ventilation
– Comment les échanges gazeux sont réglés
Contrôle de la ventilation
Glosso-pharyngien
pneumogastrique
Récepteurs
1.
Récepteurs bronchopulmonaires
2.
Récepteurs nasaux
3.
Chémorécepteurs centraux
4.
Centres de
contrôles
• Bulbe: rythme
•
•
•
Distension (baisse de la FR)
Irritation (augmentation FR, toux, bronchoconstriction)
Récepteurs J: cloisons alvéolaires (augm FR, bronchoconstr°)
•
irritation
•
•
Bulbe dans des zones différentes des centres respiratoires
Sensibles variations locales de [H+] dans le LCR transmises
par les variations de PaCO2: augmentation = augm FR
épuisable
•
Chémorécepteurs périphériques
Effecteurs
• Protubérance
• Cortex: volonté
•
•
Bifurcation carotidienne / sous la crosse de l’aorte
Sensibles variations de PaO2, réponse ventilatoire
hyperbolique, potentialisée par variations de PaCO2
•
Épuisable (altitude)
1.
Muscles respiratoires