Il rapporto ventilazione-perfusione (V/Q)
Il rapporto ventilazione-perfusione è esattamente quello che si pensa dovrebbe essere – il rapporto tra la quantità di aria che arriva agli alveoli (la ventilazione alveolare, V, in ml/min) e la quantità di sangue inviata ai polmoni (la portata cardiaca o Q – anche in ml/min). Calcolare il rapporto V/Q è abbastanza facile –
V/Q = ventilazione alveolare/gittata cardiaca
V/Q = (4 l/min)/(5 l/min)
(qui ho appena usato i valori “medi” a riposo per ciascuno dei nostri parametri)
V/Q = 0.8
Sfortunatamente, questo numero non ci è molto utile (perché le cose facili da calcolare ci dicono molto poco????) e non vi chiederò mai di calcolare il rapporto V/Q su un test. Quello che ci è più utile sono le conseguenze delle differenze nel rapporto V/Q che esistono in diverse parti del polmone. Pertanto, di solito parliamo di rapporti V/Q alti o bassi senza mai assegnare loro un valore numerico.
Prima cosa da considerare: Perché il rapporto V/Q è importante?
Come abbiamo visto sopra, il rapporto V/Q è l’equilibrio tra la ventilazione (portare ossigeno negli/togliere CO2 dagli alveoli) e la perfusione (togliere O2 dagli alveoli e aggiungere CO2). Il rapporto V/Q è importante perché il rapporto tra la ventilazione e la perfusione è uno dei principali fattori che influenzano i livelli alveolari (e quindi arteriosi) di ossigeno e anidride carbonica.
In condizioni normali, 4 litri di ventilazione ogni minuto entrano nelle vie respiratorie mentre 5 litri di sangue passano attraverso i capillari polmonari. Questo rapporto (lo 0,8 che abbiamo calcolato sopra) ci dà i nostri gas sanguigni normali:
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Variabile
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Valore normale
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PAO2
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~ 100 mm Hg
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PACO2
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40 mm Hg
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PaO2
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95 – 100 mm Hg
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PaCO2
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40 mm Hg
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Nota che sto assumendo che i polmoni sono normali qui, quindi la diffusione sta avvenendo normalmente (il fatto che i valori arteriosi e alveolari sono gli stessi o vicini è ciò che lo dà via). Non dobbiamo fare questa supposizione quando parliamo di rapporti V/Q, ma l’ho fatto in questi calcoli normali.
Ci sono due modi per cambiare il rapporto V/Q (preparatevi a uno shock): Si può cambiare la ventilazione e/o la perfusione (sono sicuro che siete schockati). Discuterò prima cosa succede quando facciamo un singolo cambiamento – fisiologicamente, si vedono cambiamenti compensatori per mantenere l’omeostasi, ma ne parleremo dopo.
La prima cosa che posso fare è diminuire il rapporto V/Q. Una diminuzione del rapporto V/Q si produce diminuendo la ventilazione o aumentando il flusso sanguigno (senza alterare l’altra variabile). Entrambi avranno lo stesso effetto – i livelli alveolari (e quindi arteriosi) di ossigeno diminuiranno e la CO2 aumenterà. La ragione di ciascuno di questi cambiamenti è semplice:
- Una diminuzione della ventilazione (senza un cambiamento compensativo nella perfusione) significa che non stiamo portando abbastanza ossigeno per soddisfare il nostro bisogno metabolico di ossigeno (il consumo di ossigeno) così come non stiamo soffiando abbastanza CO2 per liberarci della CO2 che abbiamo prodotto. È facile per noi capire perché i gas ematici alveolari e arteriosi cambiano in questo modo con una diminuzione della ventilazione.
- Un aumento della perfusione avrà lo stesso effetto sui gas sanguigni perché un aumento della perfusione (senza un cambiamento compensativo nella ventilazione) significa che più cellule del sangue stanno arrivando per rimuovere l’ossigeno dall’alveolo mentre consegnano più CO2 di quella che sarà espirata.
Quando si considera una diminuzione del rapporto V/Q, tutto ciò che si deve ricordare è:
- La ventilazione non sta tenendo il passo con la perfusione.
- I livelli di ossigeno alveolare diminuiranno, il che porterà ad una diminuzione dei livelli di ossigeno arterioso (PaO2)
- I livelli di CO2 alveolare aumenteranno (non ce ne stiamo liberando altrettanto velocemente), portando anche ad un aumento della CO2 arteriosa.
Posso anche aumentare il rapporto ventilazione-perfusione. La buona notizia è che, per i nostri scopi, aumentare il rapporto V/Q fa esattamente il contrario di una diminuzione…
Per produrre un aumento del rapporto ventilazione-perfusione, posso fare una delle due cose:
- Aumentare la ventilazione (portare più ossigeno agli alveoli, espellere più CO2 dai polmoni)
- Ridurre la perfusione (così il sangue toglie meno ossigeno, eroga meno CO2).
- Questo porterà ad un aumento della PAO2 (e quindi della PaO2)
- e ad una diminuzione della PACO2 e della PaCO2
Riassumendo, un aumento del rapporto V/Q significa che la ventilazione è in eccesso rispetto alle esigenze metaboliche soddisfatte dalla perfusione, quindi si soffia via la CO2 (abbassare la PACO2) e si aumenta la PAO2 (e la PaO2).
Cambiare il rapporto V/Q fisiologicamente
Ogni volta che ci si alza in piedi, il flusso di sangue alle diverse parti del polmone (apice vs. base) cambia a causa della gravità. Più sangue scorre alla base del polmone che va all’apice. Questo crea una discrepanza V/Q (o disuguaglianza) e cambia i valori dei gas sanguigni del sangue arterializzato che lascia ogni regione dei polmoni. Sapete già cos’è un mismatch V/Q o una disuguaglianza, anche se non avevo scritto questo termine prima – è quando una delle due variabili cambia con un cambiamento corrispondente nell’altra variabile (proprio quello di cui stavamo parlando!).
Nel caso della posizione eretta, più sangue va alla base del polmone, mentre relativamente meno aria ci arriva. Questo significa che vediamo un BASSO rapporto V/Q e una BASSA PAO2 e PaO2. (insieme a PCO2 elevate). Si stima che il sangue che lascia la base dei polmoni abbia una PaO2 di 89 mm Hg e una PaCO2 di 42 mm Hg.
All’apice del polmone, abbiamo relativamente meno sangue (la gravità lo tira verso il basso, non verso l’alto) e una ventilazione relativamente alta, quindi abbiamo un alto rapporto V/Q. Sconvolgentemente, questo porta ad un aumento dei livelli di ossigeno alveolare e arterioso mentre diminuisce l’anidride carbonica. Si stima che il sangue che lascia l’apice di ogni polmone in una persona in piedi abbia una PaO2 di 130 mm Hg e una PaCO2 di 28 mm Hg.
Il centro dei polmoni ha una buona corrispondenza tra sangue e ventilazione – il sangue arterioso che lascia questa zona dei polmoni è generalmente pensato per avere i nostri valori standard di gas sanguigni: PaO2 = 100 mm Hg e PaCO2 di 40 mm Hg.
I gas sanguigni arteriosi che misurate dalla periferia sono il risultato del sangue di tutte e tre le aree del polmone che si mescolano insieme. Il sangue ben ossigenato dall’apice del polmone ha un effetto relativamente piccolo perché il volume è relativamente piccolo (sarebbe la bassa perfusione). D’altra parte, la base del polmone riceve molto sangue, quindi ha un grande effetto sulla miscela.
Modificare il rapporto V/Q patologicamente
Così come la posizione eretta cambia il rapporto V/Q in una persona normale, varie patologie cambieranno l’apporto di sangue e/o la ventilazione per alterare il rapporto V/Q. Questo è cruciale perché può aggiungersi alle alterazioni dei gas sanguigni prodotte direttamente dalla patologia. Inizieremo con due esempi estremi per poi passare ad alterazioni più sottili.
Aumentando il rapporto V/Q all’infinito: Matematicamente, dividendo per zero si ottiene la risposta di infinito – quindi un aumento di V/Q all’infinito si produce quando la perfusione va a zero. In un paziente, le regioni di flusso sanguigno nullo risulteranno da un’embolia polmonare che blocca il flusso sanguigno. Per amor di discussione, supponiamo che un po’ di sangue possa passare. Questo sangue sarà molto ben ossigenato (molta ventilazione, poca perfusione) e avrà una CO2 molto bassa. Infatti, i gas sanguigni arteriosi in questa situazione si avvicineranno (ma non diventeranno) all’atmosfera (PaO2 ~ 140 mmHg; PaCO2 ~ 0 mmHg). Questo suona molto bene TRANNE per due cose:
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Non molto sangue arriva a questi alveoli, quindi il volume di sangue in questa condizione è molto basso. Tuttavia, 5 litri di sangue arrivano ancora ai polmoni ogni minuto – il sangue che non può arrivare all’area del polmone colpita dall’embolia viene deviato verso altre parti del polmone (portando a un basso rapporto V/Q in quelle parti del polmone).
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Abbiamo sprecato energia portando la ventilazione in questa zona – infatti, questo è lo spazio morto alveolare.
Cambiamenti più sottili nel rapporto V/Q: Molte malattie polmonari producono cambiamenti nel rapporto V/Q che non sono coerenti in tutto il polmone. Un esempio facile da visualizzare di questo è quello che si verifica nella BPCO/enfisema. Come abbiamo discusso in classe, questa malattia causa la distruzione degli alveoli, portando alla creazione di grandi spazi aerei e alla perdita di capillari nei polmoni. I grandi spazi d’aria significano che parte dell’aria respirata non arriva da nessuna parte vicino a un globulo, mentre la perdita di capillari significa che alcune aree del polmone non ricevono molto sangue, mentre altre ne ricevono troppo. Questo significa che alcune aree del polmone hanno un alto rapporto V/Q (buone notizie: gas del sangue arterioso relativamente buoni, cattive notizie: troppo poco sangue che va lì per fare una vera differenza) e altre hanno un basso rapporto V/Q (molto sangue che va lì, ma il sangue arterioso ha basso ossigeno e alta CO2. Questi squilibri V/Q sono importanti nel contribuire all’ipossia e all’ipercapnia osservate.
Passi compiuti dal corpo per normalizzare il rapporto V/Q: Il corpo ha un paio di meccanismi che tendono a normalizzare il rapporto V/Q finché gli squilibri sono limitati ad aree ristrette del polmone. Questi includono:
- Vasocostrizione ipossica: Nei casi in cui il rapporto V/Q è basso (molto sangue o troppo poca ventilazione), può verificarsi una vasocostrizione ipossica che fa sì che il sangue che arriva nella zona sia diretto verso altre parti del polmone. Diminuendo la perfusione della regione ipossica, il rapporto V/Q aumenterà e porterà i gas del sangue arterioso più vicino a quello che ci aspettiamo.
- Broncocostrizione: In caso di alto rapporto V/Q, i bronchi si restringono leggermente per aumentare la resistenza e diminuire la quantità di ventilazione che arriva in una zona che non è ben perfusa (anche se non la chiuderà del tutto). Questo limita la quantità di spazio morto alveolare che si verifica e minimizza il lavoro “sprecato” che si verifica con lo spazio morto alveolare.
Continua a forme di ipossia