Cours de physiologie respiratoire Professeur Taoufiq FECHTALI UNIVERSITE HASSAN II MOHAMMEDIA...

Cours de physiologie respiratoire

Professeur Taoufiq FECHTALI

UNIVERSITE HASSAN II MOHAMMEDIA FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DEPARTEMENT DE BIOLOGIE

MST TBA

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 statiquesVt: 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

• 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

O2

CO2

Vt

PO2 = 40 mmHg

PCO2 = 47 mmHg

PO2 = 100 mmHg

PCO2 = 40 mmHg

PAO2 = 100 mmHg

PACO2 = 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

– 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

QPentrée Psortie

Q

P

R

Résistances vasculaires pulmonaires

2 mécanismes sont responsables de la diminution des RVP quand les pressions

augmentent

Résistances vasculaires pulmonaires

Equilibre hydrique du poumon

capillaire

alvéole

interstitium

Pcap= 7 cap= 28

Pint= -5 int= 17

Palv

tension de surface (surfactant) -5

lymphatique

Equation de Starling

Qfilt = K [(Pcap – Pint) - (cap - int)]

+ 1 cmH2O

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

Kv

K+

HYPOXIE

Dépolarisation

Ca2+

CONTRACTION

HYPOXIE

VASOCONSTRICTION

•Fermeture canaux Kv

•Dépolarisation CML

•Entrée de Ca2+

EXPRESSION DE GENES

•Glycolyse anaérobie et néoglucogenèse

•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 )

– 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

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

Centres de contrôles

• Bulbe: rythme• Protubérance• Cortex: volonté

Récepteurs

1. Récepteurs bronchopulmonaires• Distension (baisse de la FR)• Irritation (augmentation FR, toux, bronchoconstriction)• Récepteurs J: cloisons alvéolaires (augm FR, bronchoconstr°)

2. Récepteurs nasaux• irritation

3. 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

• épuisable4. Chémorécepteurs périphériques

• Bifurcation carotidienne / sous la crosse de l’aorte• Sensibles variations de PaO2, réponse ventilatoire

hyperbolique, potentialisée par variations de PaCO2

• Épuisable (altitude)

Effecteurs

1. Muscles respiratoires

Glosso-pharyngien

pneumogastrique