Apparato respiratorio

Apparato respiratorio

In anatomia, apparato deputato alla respirazione.

L'apparato respiratorio è formato dalla trachea, dai due bronchi che da essa si dipartono, e dai due polmoni. Gli organi a livello dei quali avvengono i processi di scambio dei gas respiratori, ossigeno e anidride carbonica, sono i polmoni; gli altri organi dell'apparato costituiscono vie di conduzione dei flussi d'aria in entrata e in uscita. In tal senso, si possono comprendere nell'apparato respiratorio anche le vie nasali, la cavità boccale, la faringe e la laringe, che rappresentano le prime vie di ingresso e di uscita dell'aria. L'ingresso dell'aria nella trachea è regolato dall'epiglottide, un lembo di tessuto cartilagineo che, al momento della deglutizione, chiude la laringe e impedisce a particelle di cibo o di saliva di ostruire le vie respiratorie. Come in tutti i vertebrati, nell'uomo i due polmoni sono racchiusi nel torace, dotato di una base a cupola formata dal muscolo diaframma; ciascuno è rivestito da due sottili membrane sierose, le pleure, una aderente alla superficie esterna del polmone e l'altra alla superficie interna del torace. Le due pleure sono separate da una cavità virtuale in cui si trova una modesta quantità di fluido.

I polmoni hanno una forma grossolanamente piramidale, che si adatta alla forma del torace. Non sono perfettamente simmetrici: il polmone destro è formato da tre lobi, mentre il sinistro è formato da due lobi e, vicino al margine mediano della base, presenta l'incisura cardiaca nella quale è collocato il cuore. Sul lato mediano di ciascun polmone si trova il peduncolo polmonare, formato dai bronchi, dalle arterie e dalle vene polmonari. Ciascun bronco, all'interno del polmone, si suddivide più volte fino a terminare in un lobulo, l'unità strutturale e funzionale polmonare. Le arterie e le vene polmonari che accompagnano il bronco si ramificano anch'esse negli stessi punti; le arteriole e le venule dei lobuli sono collegate attraverso un denso reticolo di capillari posti sulle pareti delle cellule polmonari. Anche i nervi del plesso polmonare e i vasi linfatici sono distribuiti nello stesso modo. All'interno del lobulo, il bronchiolo si divide nei bronchioli terminali, ognuno dei quali sbocca in due o più bronchioli respiratori. A sua volta, ciascuno dei bronchioli respiratori si apre su alcuni sacchi alveolari, le pareti dei quali presentano rigonfiamenti verso l'esterno che costituiscono i numerosi alveoli (cellule aeree) del lobulo.

La funzione respiratoria, ovvero lo scambio di gas tra sangue e aria atmosferica, avviene a livello degli alveoli polmonari, minute strutture tondeggianti dotate di una parete estremamente sottile riccamente vascolarizzata, attraverso la quale avviene la diffusione dell'ossigeno dall'aria atmosferica al sangue, e dell'anidride carbonica in senso inverso. Essa richiede un flusso d'aria in entrata, ricco di ossigeno, e uno in uscita, mediante il quale l'organismo espelle anidride carbonica. Ciò si verifica, rispettivamente, durante l'inspirazione e l'espirazione, che avvengono per effetto dell'espansione e della contrazione della gabbia toracica.

All'interno dei polmoni vi è una pressione uguale a quella atmosferica, mentre tra le due pleure il valore è inferiore; questa pressione negativa tende a fare espandere i due organi che altrimenti collasserebbero. Tale depressione è a sua volta dovuta all'espansione del torace per azione dei muscoli respiratori. Tra questi, il principale è il diaframma, una struttura muscolare a forma di cupola che separa la cavità toracica da quella addominale. Innervato dai nervi frenici (che hanno origine nella regione cervicale), si contrae in modo involontario abbassandosi (da 1 a 10 cm); produce dunque la diminuzione della pressione nei polmoni, i quali tendono a espandersi e, dunque, richiamano aria dall'esterno: in tal modo si verifica l'inspirazione. All'espansione inspiratoria della gabbia toracica partecipano anche i muscoli intercostali, i muscoli sternocleidomastoidei (che innalzano lo sterno) e i muscoli scaleni (che sollevano le prime due costole). L'espirazione avviene in modo passivo per rilassamento del diaframma e degli altri muscoli: lo spazio della cavità toracica si riduce e i polmoni, elastici, si contraggono passivamente espellendo l'aria. In alcuni casi, l'espirazione può però essere praticata in modo volontario, come avviene ad esempio in alcune pratiche sportive di iperventilazione. In questo caso sono coinvolti anche i muscoli addominali (obliqui, retto e trasverso).

Diversi parametri, misurabili mediante uno spirometro, definiscono i flussi d'aria a livello polmonare e permettono di verificare l'efficienza della funzione respiratoria. Il volume corrente (VC) è la quantità di aria immessa durante una inspirazione. In condizioni fisiologiche si verificano circa 15 inspirazioni al minuto, ognuna delle quali immette circa 500 cc di aria; di tale quantità, solo 350 cc raggiungono effettivamente gli alveoli, ovvero circa 5 litri al minuto. I rimanenti 150 cc non partecipano effettivamente agli scambi gassosi e costituiscono una quantità d'aria intrapolmonare detta spazio morto, che assume la funzione di "ammortizzare" le variazioni di composizione tra l'aria contenuta nello spazio degli alveoli e l'aria atmosferica immessa.

Il volume di riserva inspiratoria (VRI) esprime la massima quantità di aria che può essere inspirata (3000 cc); il volume di riserva espiratoria (VRE) è la massima quantità di aria espulsa con una espirazione normale (circa 1000 cc).

Il volume residuo (VR) è la quantità di aria che risiede negli alveoli dopo una espirazione (1200 cc). La capacità vitale (CV) è la quantità di aria che può essere eliminata dopo avere compiuto una inspirazione massima, ed è determinata da VC + VRI + VRE.

L'inspirazione, l'espirazione e il ritmo respiratorio, ovvero la frequenza della ventilazione nell'unità di tempo, dipendono da una sottile e complessa interazione tra meccanismi biochimici e nervosi. La funzione respiratoria è, cioè, un fenomeno neurochimico, capace di variare, in condizioni fisiologiche, in base alle esigenze dell'organismo: ad esempio, rallenta durante il sonno mentre aumenta durante un'attività fisica intensa.

La regolazione del ritmo respiratorio è di fondamentale importanza perché interviene sull'equilibrio dei gas respiratori nel sangue (ossigeno e anidride carbonica), sulla produzione di energia (ad esempio, l'aumento della frequenza delle ventilazioni durante una corsa corrisponde a maggiori richieste energetiche del metabolismo) e sulle variazioni acido-basiche dell'organismo (attraverso la regolazione della formazione di H⁺ e HCO₃^-): in questo modo entra in gioco nei meccanismi di compensazione delle alcalosi e delle acidosi.

Il controllo biochimico (o umorale) avviene a livello di specifici chemiorecettori, detti glomi aortici e glomi carotidei, localizzati a livello dei corrispondenti vasi arteriosi. Questi recettori sono sensibili alla concentrazione parziale dell'anidride carbonica del sangue (PaCO₂), il cui aumento viene "tradotto" in un segnale che produce l'aumento della ventilazione polmonare. I glomi sono innervati da fibre del sistema nervoso autonomo parasimpatico, annesse al nervo glossofaringeo nel caso dei glomi carotidei e al nervo vago per quanto riguarda i glomi aortici.

La stimolazione arriva ai centri respiratori che si trovano nella regione del cervello e costituiscono la sede vera e propria della regolazione del processo respiratorio: il centro apneustico (o dell'inspirazione) e il centro espiratorio sono nel ponte di Varolio; il centro pneumotassico è nel midollo allungato. Il centro inspiratorio e quello espiratorio possono agire in modo automatico (riflesso di Hering-Breuer), producendo una ventilazione anche quando vengono recise sperimentalmente le connessioni con il centro pneumotassico; essi agiscono in modo tale che quando uno è inibito l'altro è eccitato. In realtà, subiscono l'influenza di stimoli nervosi periferici (e, come si è visto, biochimici) che permettono il costante adeguamento della funzione respiratoria alle esigenze dell'organismo. A essi arrivano fibre afferenti annesse al nervo vago, collegate a meccanorecettori posti sulla parete degli alveoli e sensibili alla distensione delle pareti polmonari; da essi partono vie nervose che giungono nelle regioni del midollo spinale dove hanno origine le fibre motorie che innervano i muscoli respiratori. Come si è visto, ai due centri inspiratorio ed espiratorio arrivano anche le fibre dai glomi carotidei e aortici.

Il riflesso di Hering-Breuer, stabilito da questi due centri, permette il ciclico avvicendarsi di inspirazione ed espirazione; la frequenza del ritmo dipende invece dal centro pneumotassico. Quando entra in azione, inibisce il centro inspiratorio, che entra in fase di riposo; poiché cessa l'attività di questo, diminuisce anche quella del centro pneumotassico e l'inibizione sul centro inspiratorio, il quale ritorna attivo e riavvia un nuovo ciclo.

Recenti ricerche sembrano dimostrare che in realtà non vi sia un solo centro responsabile del ritmo respiratorio, ma due reti di cellule nervose strettamente interconnesse, dette complesso preBotzinger (preBotC) e cellule pre-inspiratorie (pre-I). La scoperta, annunciata nel marzo 2003 da Nicholas Mellen dell'UCLA (Università della California a Los Angeles), aprirebbe nuove prospettive sulla comprensione dei meccanismi della respirazione (che gli scienziati ritengono un valido modello per lo studio di altri meccanismi fisiologici), e di fenomeni come l'apnea notturna e la SIDS (sindrome della morte improvvisa del lattante); potrebbe contribuire alla formulazione di farmaci per il trattamento di disturbi respiratori legati a malattie neurodegenerative come la sclerosi multipla e il morbo di Alzheimer.

Si definisce insufficienza respiratoria l'alterazione della funzionalità dell'apparato respiratorio, che non è più in grado di assicurare all'organismo un adeguato ricambio di ossigeno e anidride carbonica; ciò produce dispnea, cioè ritmo respiratorio anomalo, colorito cianotico, e influisce negativamente su tutti gli organi e sugli equilibri acido-base del sangue. Tale condizione non è legata a una causa specifica, ma rappresenta uno dei sintomi di molteplici malattie che possono colpire i diversi componenti di questo apparato: di tipo neoplastico (cancro del polmone, mesotelioma della pleura), infettivo (tubercolosi, pleurite, carbonchio polmonare, polmoniti), metabolico e genetiche (malattie neurodegenerative, porfiria), da trauma (pneumotorace) o da avvelenamento e intossicazione (da monossido di carbonio, da farmaci, asbestosi, silicosi, inalazione di grisù o altre sostanze tossiche); l'abitudine al fumo (tabagismo); anche la quota può provocare una caratteristica patologia (male dell'altitudine).

Poiché l'apparato respiratorio si trova in diretta relazione con l'ambiente esterno, è particolarmente esposto all'azione di microrganismi come virus e batteri, di particelle inquinanti atmosferiche, e di emissioni gassose nocive; veicola agenti come polline, acari, polveri e spore, responsabili di allergie; rappresenta la via di contagio di varie malattie che si trasmettono da un individuo all'altro per via aerea, attraverso le goccioline di saliva o di muco disperse nell'atmosfera, come l'influenza, il raffreddore, la scarlattina, la mononucleosi.

Le patologie ostruttive, come l'asma, l'enfisema, la bronchite, limitano l'efficienza della ventilazione a causa dell'ostruzione delle vie aeree provocata, ad esempio, da eccessiva secrezione di muco, spasmi bronchiali, infiammazione: tendono a diminuire la frequenza del respiro e ad aumentare il volume corrente. Le malattie restrittive, come la tubercolosi, la miastenia grave, la fibrosi cistica, producono respiri frequenti ma molto superficiali e perciò poco efficaci, poiché interferiscono con l'elasticità del tessuto polmonare (parametro detto compliance) o con l'efficienza della muscolatura respiratoria.