Programme I. INTRODUCTION A LA PHYSIOLOGIE RESPIRATOIRE II. LES BASES ANATOMO-FONCTIONNELLES III. LA CIRCULATION PULMONAIRE IV. LES ESPACES MORTS V. LA MÉCANIQUE VENTILATOIRE VI. LA BRONCHOMOTRICITÉ VII. LES ECHANGES GAZEUX AC VIII. TRANSPORT DES GAZS DANS LE SANG IX. CONTROL DE LA VENTILATION PULMONAIRE X. EPURATION ET FONCTION MÉTABOLIQUE

Pr Bazid Zakaria

Plan I. Introduction II. Milieux en présence III. La preuve des échanges IV. Mécanismes et facteurs des échanges V. Mesure de la capacité de diffusion de la membrane VI. Conditions de transfert des gaz VII. Le gradient alvéolo-artériel VIII. Les différences régionales des échanges IX. Les troubles des échanges

I. Introduction = Transfert des gaz (O2 et CO2) à travers la membrane alvéolo-capillaire quelque soit le sens des échanges. A l’équilibre : la quantité d’O2 consommée par les cellules est égale au volume d’O2 ajouté au sang par les poumons de même, le CO2 produit par le métabolisme cellulaire est égal au CO2 rejeté par les poumons dans l’air expiré

Mais, les quantités d’O2 consommé par les cellules et de CO2 produit ne sont pas nécessairement identiques le rapport CO2 produit / O2 consommé = quotient respiratoire dépend du type de nutriment consommé pour la production d’énergie : QR = 0.8 (8 molécules de CO2 produites pour 10 molécules d’O2 consommées) QR = 1 pour les hydrates de carbone, 0.7 pour les graisses, 0.8 pour les protéines.

II. Milieux en présence : 1)Le gaz alvéolaire 2)Le sang veineux mêlé 3)La membrane alvéolo-capillaire

A. Le gaz alvéolaire : L’air inspiré est dilué dans la CRF (volume d’air contenu dans les poumons à la fin d’une expiration calme et passive). La composition de l’air alvéolaire est donc différente de l’air inspiré, car : il provient de la dilution du VT dans la CRF il est saturé en vapeur d’eau (l’air inspiré est sec, l’air alvéolaire est humide).

La composition de l’air alvéolaire est variable avec : Le cycle ventilatoire -inspiration / expiration La fréquence respiratoire La hauteur du poumon L’ajustement de la ventilation à la circulation pulmonaire.

B.Le sang veineux mêlé : Il représente le mélange de tous les sangs veineux : VCS, VCI et sinus coronaire qui se drainent dans l’OD Il est obtenu par cathétérisme de l’artère pulmonaire.

C. La membrane alvéolo-capillaire : Elle est constituée de plusieurs couches (a partir de la lumière alvéolaire): Un mince film liquidien ( formé de 3 couches) : La substance tensio-active = surfactant synthétisé par le pneumocyte type II une couche aqueuse : contient des Ig A et des Ig G Glycocalix : formé de glycoprotéines, en contact avec la cellule alvéolaire L’épithélium alvéolaire et la membrane basale épithéliale L’endothélium capillaire et la membrane basale capillaire

alvéole Cellule épithéliale Membrane basale épithéliale Mince couche aqueuse capillaire Cellule endothéliale Membrane basale endothéliale Tissu interstitiel 0.5 µm

Son épaisseur est de 0.5 μ en moyenne – très mince pour permettre la diffusion facile des gaz (et surtout de l’O2 qui est bcp moins diffusible que le CO2) Sa surface = 80 m 2 La quantité totale de sang contenu dans les capillaires à un temps T (20% de 500 mL) = 120 mL étendue dans une surface de 80 m² : on comprend pourquoi l’échange respiratoire de gaz se produit aussi rapidement (en moins d’une seconde)

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III. La preuve des échanges : A. Comparaison air inspiré – air expiré – air alvéolaire : Les compositions de l’air inspiré, air alvéolaire et air expiré sont différentes => donc il y a bien eu des échanges. L’air expiré = mélange d’air inspiré (contenu dans l’espace mort anatomique et qui ne participe pas au échanges gazeux) et d’air alvéolaire.

B. Comparaison du sang veineux mêlé et du sang artériel : Pour 100 ml de sang. Dans les conditions STPD (standard temperature and pressure desaturated), avec un QR = 1 Il y a une différence de 5 ml entre le contenu du sang veineux mêlé et du sang artériel en O2 et en CO2.

Pendant la traversée du poumon, le sang: S’enrichit en O2, S’appauvrit en CO2. Devient rouge vif Se refroidit : sa température passe de 38º à 35º Son pH passe de 7.35 à 7.4 L’ensemble de ces modifications = Hématose (c'est-à-dire transformation du sang veineux en sang artériel)

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IV. Mécanismes et facteurs des échanges : A. Mécanisme : diffusion Il s’agit d’un phénomène passif (qui ne consomme pas d’énergie) = diffusion à travers une membrane qui sépare deux milieux où la pression des gaz est différente = membrane alvéolo- capillaire. Mécanisme : diffusion passive selon un gradient de pression (différence de pression partielle en O2 et CO2 entre le sang capillaire et l’air alvéolaire)

Les échanges obéissent à la loi de Fick : Le débit d’un gaz à travers une membrane est proportionnel : Au gradient de pression partielle de ce gaz de part et d’autre de la membrane, A la capacité de diffusion Dx de ce gaz à travers la membrane. Vx = (PAx – PVx) x Dx PA = pression partielle du gaz au niveau alvéolaire PV = pression partielle du gaz au niveau capillaire (sang veineux mêlé) La capacité de diffusion : Dx est le débit du gaz à travers la membrane rapporté à l’unité de pression. Il est exprimé en ml/min/mmHg. Dx = Vx / (PAx – PVx)

B. Les facteurs : La capacité de diffusion Dx dépend : Des caractéristiques de la membrane alvéolo-capillaire : surface d’échange épaisseur De la nature des gaz : coefficient de solubilité poids moléculaire. Dx =α/√PM x S/ η x e α = coefficient de solubilité du gaz ; PM = poids moléculaire S = surface e = épaisseur η = viscosité

1) Nature du gaz : La capacité de diffusion Dx est : Proportionnelle au coefficient de solubilité de ce gaz : CO2 est 24 fois plus soluble que l’O2 Inversement proportionnelle à la √ PM : PM O2 < PM CO2 Bien que le CO2 ait un PM > O2, il est beaucoup plus soluble que l’O2 et donc plus diffusible que ce dernier Dx =α/√PM x S/ η x e

2) La membrane alvéolo-capillaire :La capacité de diffusion est Proportionnelle à la surface d’échange Inversement proportionnelle à l’épaisseur de la membrane alvéolo-capillaire. Dx =α/√PM x S/ η x e

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V/Mesure de la capacité de diffusion de la membrane : La capacité de diffusion d’un gaz se définit : comme le volume de gaz qui diffuse à travers la membrane par minute pour une différence de pression de 1 mmHg D’après le principe de Fick : Vx = Dx x (P1 – P2) Donc : Dx = Vx / (P1 – P2) Capacité de diffusion = débit du gaz / gradient de pression partielle

P1 = pression partielle du gaz dans l'alvéole. P2 = pression partielle du gaz à l'entrée du capillaire pulmonaire. Si le gaz analysé est l'O2 : la mesure de la capacité de diffusion de l’O2 nécessite : Mesure de PO2 alvéolaire (P1) Mesure de la PO2 capillaire pulmonaire (P2). Dx = Vx / (P1 – P2)

Ainsi pour explorer la capacité de diffusion de la membrane, on utilise le gaz carbonique : on étudie la capacité de diffusion pour le CO (DLCO) car le CO est un gaz dont les propriétés de diffusion sont proches de celles de l'O2 Affinité très forte pour l'hémoglobine : se lie rapidement et fortement à l’Hb et sa pression partielle dans le sang capillaire (P2) est négligeable. Dx = Vx / (P1 – P2)

1) Mesure de la capacité de diffusion du CO On fait inspirer au patient une petite quantité de CO On mesure : V°CO : débit de CO = volume de CO absorbé pendant une courte période (analyse des gaz inspirés et expirés) P A CO : pression partielle de CO dans les alvéoles, mesurée à partir d’échantillons de gaz alvéolaire. PcCO=pression partielle de CO dans le capillaire pulmonaire=0 DL = V°CO / P A CO = 17 mL / min / mmHg

2) Capacité de diffusion de l’O2 : DL O2 = 1.23 DL CO DL O2 :elle est d’environ 21 ml/min/mmHg La différence moyenne de pression partielle d’O2 à travers la membrane respiratoire durant une respiration calme est de 11 mmHg : Le débit de diffusion de l’O2 est donc de 21 x 11 = 230 mL/min. Au cours, de l’exercice musculaire la capacité de diffusion est multipliée par 3 (65 ml/min).

3) Capacité de diffusion du CO2 : N’a jamais été mesurée car techniquement difficile : CO2 diffuse très rapidement PCO2 dans le capillaire n’est pas très différente de la PCO2 alvéolaire (différence < 1 mmHg) Sachant que le coefficient de diffusion de CO2 est égal à 20 x coefficient de diffusion de l’O2, donc on estime que la capacité de diffusion de CO2 : DL CO2 = 20 DL O2 Elle est d’environ 400 à 450 ml/min/mmHg

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Extrémité artérielleExtrémité veineuse PO2 = 40 mmHgPO2 = 105 mmHg PO2 alvéolaire = 105 mmHg Pression partielle d’O2 alvéolaire = 105 mmHg Pression partielle d’O2 du sang PO2 du sang en mmHg Capillaire pulmonaire

Extrémité artérielleExtrémité veineuse PCO2 = 46 mmHgPCO2 = 40 mmHg PCO2 alvéolaire = 40 mmHg Pression partielle de CO2 alvéolaire = 40 mmHg Pression partielle de CO2 du sang PCO2 du sang en mmHg Capillaire pulmonaire

VI. Conditions de transfert des gaz : 1)L’O2 : La PO2 du sang veineux pénétrant dans le capillaire est de 40 mmHg. La PO2 du sang alvéolaire est de 105 mmHg Ce qui donne une différence de pression de 65 mmHg. L’O2 diffuse vers le capillaire. Puis la PO2 du sang augmente progressivement au cours de la traversée du capillaire et l’équilibre (égalisation des pressions partielles entre sang et air alvéolaire) est atteint avant la moitié du capillaire. La différence de pression moyenne pour la diffusion de l’O2 à travers le capillaire pulmonaire durant une respiration normale = 11 mmHg (c’est une moyenne intégrée dans le temps).

2) Le CO2 A l’entrée du capillaire :La PCO2 est de 46 mmHg, la PCO2 alvéolaire = 40 mmHg la différence initiale de pression pour la diffusion est seulement de 6 mmHg : le CO2 quitte le capillaire vers l’alvéole pulmonaire. Le CO2 est très diffusible, l’équilibre des pressions est atteint très rapidement vers le premier 1/3 du capillaire. La différence de pression moyenne pour la diffusion du CO2 à travers le capillaire pulmonaire durant une respiration normale = 1 mmHg

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VII. Le gradient alvéolo-artériel Le gradient alvéolo-artériel pour le CO2 = 0 mmHg Le gradient alvéolo-artériel pour l’O2 = 10 mmHg PA O2 = 105 mmHg Pa O2 = 95 mmHg Ce gradient alvéolo-artériel en O2 est dû à une contamination du sang artériel par une petite quantité de sang veineux (1 à 2 % du débit cardiaque total) qui ne traverse pas les capillaires alvéolaires : il s’agit du sang des veines bronchiques qui se jette dans l’OG à travers les anastomoses broncho-pulmonaires.

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VIII. Les différences régionales des échanges : Quand le sujet est en position orthostatique ou assis, il existe des différences régionales de ventilation et de perfusion Effet de la gravité : les alvéoles de la base sont mieux ventilées que les alvéoles du sommet.

Du fait de la gravité : la pression pleurale est plus négative au niveau des sommets qu’au niveau de la base des poumons. Les alvéoles du sommet ont donc une pression transmurale (pression de distension plus élevée) et sont plus distendues. Elles se trouvent sur une partie de la courbe pression- volume ou la compliance est basse. Lorsque la PTM pendant l’inspiration passe de 10 à 12.5 cmH2O au niveau des sommets, l’augmentation de volume est < à celle des alvéoles de la base dont la PTM passe de 2.5 à 5 cmH2O.

PTM (cmH2O) Volume

La ventilation et la perfusion sont plus élevées à la base qu’au niveau des sommets. Mais la diminution en allant de la base vers le sommet est plus importante pour la perfusion que pour la ventilation.

En résumé Au niveau des sommets : les alvéoles sont mieux ventilées que perfusés(rapport V/P = 3) Au niveau de la base : les alvéoles sont mieux perfusés que ventilés : rapport V/P = 0.6 En moyenne le rapport V/P = 0.85 Ces différences régionales sont modifiées lors du changement de position et de l’exercice physique le rapport V/P devient = 1.

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IX. Les troubles des échanges : 1. L’épaississement de la Mb AC En cas d’épaississement de la Mb AC (exemple fibrose pulmonaire) la capacité de diffusion des gaz diminue : il se produit dans un premier temps une hypoxie et hypercapnie. L’hypercapnie stimule la ventilation globale avec hyperventilation L’hyperventilation entraine une diminution de la PaCO2 car le CO2 est très diffusible Alors que la PaO2 varie peu (O2 a un coefficient de diffusion qui est bas) Deuxième temps : Hypoxémie + normocapnie

2.D’autres conditions pathologiques altérant les echanges alvéolocapillaire : a) Poumon normal PO 2 normale b) Emphysème : destruction des alvéoles réduit la surface pour les échanges gazeux PO 2 normale ou basse PO 2 basse

c) Fibrose pulmonaire : la mb alvéol. épaissie ralentit les échanges. La  compliance peut  la ventil. alvéol. PO 2 normale ou basse PO 2 basse d) Asthme : l’  de la résistance des voies aériennes diminue leur ventilation PO 2 basse Bronchioles contractées

e) Œdème pulmonaire : le liquide présent dans l’espace interstitiel augmente la distance de diffusion. PO 2 normale PO 2 basse Surface d’échange normale Augmentation de la distance de diffusion

En pratique… On peut mesurer la SaO2 par un capteur placé sur le doigt = oxymétrie de pouls. * Attention : - en dessous de 90% de SaO2, la PaO2 chute très vite ! (pente de la courbe) - la précision de l’appareil est de 2%, Par conséquent : Il faut régler l’alarme vers 93 %

Limites de l’oxymétrie de pouls L’oxymètre ne fonctionne pas en cas : - de brassard à tension du même côté (pdt la mesure de la PA), - d’hypothermie, - de C.E.C., - d’arrêt cardio-respiratoire, - d’intoxication au CO. * Sachez que l’oxymètre de pouls affiche une valeur décalée de - 10 secondes. Par conséquent si le patient cyanose brutalement, l’oxymètre affchera une valeur faussement rassurante pendant 10 secondes !