Cours de physiologie respiratoire UNIVERSITE HASSAN II MOHAMMEDIA FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DEPARTEMENT DE BIOLOGIE MST TBA Cours de physiologie respiratoire Professeur Taoufiq FECHTALI

Plan Anatomie du système respiratoire Ventilation Diffusion Perfusion 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 Zones respiratoires 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 Ventilation Diffusion Perfusion 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: -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 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 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

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

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Loi de Fick Diffusion passive 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 PCO2 = 47 mmHg PO2 = 100 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 alvéolo-capillaire intacte Hypoventilation alvéolaire Hypoxémie, hypercapnie

Plan Anatomie du système respiratoire Ventilation Diffusion Perfusion 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 100% du DC Parois fines Travail du VD faible Chute de pression dans les capillaires Haute pression Parois épaisses Travail du VG important 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: Capillaires Soumis à la pression alvéolaire Ouverts si Pim > Palv Vaisseaux extra-alvéolaires: Vaisseaux intraparenchymateux Soumis à la pression pleurale Calibre déterminé par les tractions du parenchyme

Distribution du débit sanguin pulmonaire West JB: J Appl Physiol 1964

Résistances vasculaires pulmonaires Loi de Poiseuille: R = (Pentrée – Psortie) / Q = 8.l. / .r4 RVP = (PAP – POG) / Q RVP = (15 – 5) / 6 = 1,7 mmHg/l/mn Q Pentrée Psortie P 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 Equation de Starling Qfilt = K [(Pcap – Pint) -  (cap - int)] interstitium alvéole Pcap= 7 cap= 28 Pint= -5 int= 17 Palv tension de surface (surfactant) -5 + 1 cmH2O capillaire lymphatique

Oedèmes pulmonaires Œdème hydrostatique: OAP cardiogénique Pcap: passage d’eau + petites molécules Dilution des protéines interstitielles: (cap - int) 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  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+ Dépolarisation Kv Ca2+ CONTRACTION

REMODELAGE VASCULAIRE PULMONAIRE HYPOXIE EXPRESSION DE GENES Glycolyse anaérobie et néoglucogenèse Érythropoïétine Angiogenèse (VEGF...) NOSi, hème oxygénase... Facteur HIF se fixe sur séquence HRE du promoteur VASOCONSTRICTION Fermeture canaux Kv Dépolarisation CML Entrée de Ca2+ PROLIFERATION CML REMODELAGE VASCULAIRE PULMONAIRE HTAP

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Rapports ventilation-perfusion

Rapports ventilation-perfusion

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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 Protéine, PM 64500 Da 4 chaines polypeptidiques (HbA: 2 ß et 2 ) 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), -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

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Contrôle de la ventilation Glosso-pharyngien pneumogastrique Centres de contrôles Bulbe: rythme Protubérance Cortex: volonté Récepteurs Effecteurs Récepteurs bronchopulmonaires Distension (baisse de la FR) Irritation (augmentation FR, toux, bronchoconstriction) Récepteurs J: cloisons alvéolaires (augm FR, bronchoconstr°) Récepteurs nasaux irritation Chémorécepteurs centraux 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 Bifurcation carotidienne / sous la crosse de l’aorte Sensibles variations de PaO2, réponse ventilatoire hyperbolique, potentialisée par variations de PaCO2 Épuisable (altitude) Muscles respiratoires