Diffusion. "Comment les gaz sont échangés entre les alvéoles et le sang" L2 - UE Respiratoire Sam Bayat

Transcription

1 Diffusion "Comment les gaz sont échangés entre les alvéoles et le sang" L2 - UE Respiratoire Sam Bayat

2 Objectifs Comprendre la notion de diffusion vs. convection cf. : PACES Décrire la loi de diffusion de Fick Comprendre les limitations liées à la diffusion et à la circulation Décrire la diffusion de l O 2 des alvéoles vers le sang capillaire Décrire la diffusion du CO 2 du sang capillaire vers les alvéoles Définir la capacité de transfert du CO 2

3 Plan Rappels: Convection vs. diffusion Barrière air sang Loi de Henry Diffusion: loi de Fick Limitation de la diffusion Diffusion de l O2 Diffusion du CO2 Capacité de transfert et sa mesure 3

4 Diffusion Comment les gaz traversent la barrière gaz-sang Brionchiole terminale Bronchiole Respiratoire Canal Alvéolaire Sac Alvéolaire Alvéoles 4

5 La convection L air alvéolaire est renouvelé par convection Se produit sous l effet de différences de pression totale de l air P1 P2 ΔP 5

6 Diffusion La vitesse des échanges convectifs est quasi nulle au niveau alvéolaire 6

7 L échange gazeux au travers de la barrière air - sang se produit par diffusion La diffusion est commandée par les différences de pression partielle (concentration fractionnaire) de chaque gaz La diffusion 7

8 Diffusion Le chemin à parcourir du canal alvéolaire à l interface gaz-sang est de l ordre de 1 mm Canal alvéolaire Capillare Pulmonaire Lumière Alvéolaire 8

9 Passage de la phase gazeuse à la phase liquide La barrière air - sang Diffusion au travers de: Liquide alvéolaire Épithélium Interstitium Endothélium Plasma HbO 2 Membrane éryhtrocytaire Hb O 2 9

10 Loi de Henry P O2 Phase Liquide [O 2 ] 10

11 Loi de Henry P O2 Phase Liquide [O 2 ] 11

12 Loi de Henry [ C] =α P x x Où:α = coefficient de solubilité (Solubility Coefficient, Bunsen Coefficient) La concentration d un gaz (ex.: O 2 ) peut être mesuré dans un liquide (ex: plasma) et exprimé en pression partielle (Px) 12

13 Loi de Henry: Le coefficient de solubilité α : Solubilité des gaz Dépend du gaz Dépend du solvant Exprimé en ml gaz/ ml solvant / mmhg ml gaz/ml sang/mmhg CO2 O2 CO N2 He 7.50E E E E E-05 13

14 Plan Rappels: Convection vs. diffusion Barrière air sang Loi de Henry Diffusion: loi de Fick Limitation de la diffusion Diffusion de l O2 Diffusion du CO2 Capacité de transfert et sa mesure 14

15 Diffusion: loi de Fick 50 à 100 m 2 P1 P2 & V gaz S E D ( ) α P 1 P 2 Poids moléculaire ~0,5 µm Le débit de transfert d un gaz à travers la barrière capillaroalvéolaire est : Proportionnelle à la surface d échange : ventilée et perfusée Inversement proportionnelle à l épaisseur Proportionnelle à la constante de diffusion D Proportionnelle au gradient de pression 15

16 Diffusion: loi de Fick & V gaz S E D ( ) P 1 P 2 & V gaz S E ( ) D P 1 P 2 D α PM La constante de diffusion D : Augmente avec le solubilité du gaz Diminue quand PM D CO2 est 20 fois plus grand que D O2 Le CO2 a une plus grande solubilité dans l eau que l O2 16

17 Plan Rappels: Convection vs. diffusion Barrière air sang Loi de Henry Diffusion: loi de Fick Limitation de la diffusion Diffusion de l O2 Diffusion du CO2 Capacité de transfert et sa mesure 17

18 Limitation de la diffusion PO 2 alvéolaire Pression partielle de l O2 dans le sang (mmhg) P O2 du sang veineux mêlé Entrée capillaire alvéolaire Temps dans le capillaire (s) Sortie capillaire alvéolaire 18

19 Limitation liée à la diffusion Comparaison de la diffusion de 3 gaz : CO : P CO dans le sang capillaire est lente Mais le contenu en CO (ml CO/ml sang capillaire) augmente rapidement: liaison à l Hb L affinité du CO pour l Hb est 200 fois celle de l O2 Le CO liée à l Hb ne contribue pas à la P CO dans le sang Seule le gaz dissout contribue à Px Le gradient de P CO est donc maintenu tout au long du capillaire alvéolaire L échange de CO est donc "limitée par la diffusion" 19

20 Limitation liée à la perfusion Comparaison de la diffusion de 3 gaz : N 2 O : P N2O dans le sang capillaire est rapide Le N 2 O ne se combine pas à l Hb Le gradient de P N2O chute rapidement au début du capillaire alvéolaire Afin d échanger plus de N 2 O, il faut apporter du sang capillaire neuf L échange de N 2 Oest donc "limitée par la perfusion" 20

21 Diffusion de l O 2 Le comportement de la PO2 capillaire PO2 augmente rapidement et s équilibre en 0.25 s avec l air alvéolaire Au-delà de ce temps: plus d échange d O2 entre le gaz alvéolaire et le sang capillaire L O2 se lie à l Hb : l O2 fixé par l Hb ne contribue pas à la PO2 du sang capillaire L O2 diffuse facilement à travers la barrière air-sang En temps normal, la limitation de la diffusion de l O2 est liée à la perfusion À l exercice: temps de séjour des GR dans le capillaire alvéolaire du transfert total de l O2 ( perfusion capillaire + recrutement capillaire) Si la barrière air-sang s épaissit anormalement (ex: fibrose, œdème interstitiel): le transfert de l O2 devient limité par la diffusion 21

22 Diffusion de l O 2 PO 2 alvéolaire Pression partielle de l O2 dans le sang (mmhg) Exercice Entrée capillaire alvéolaire Temps dans le capillaire (s) Sortie capillaire alvéolaire 22

23 Si la PO2 alvéolaire diminue : Diffusion de l O 2 Le gradient de PO2 entre l alvéole et le sang capillaire est réduit Il faut plus de temps pour équilibrer le sang capillaire avec le gaz alvéolaire Le transfert de l O2 devient limité par la diffusion Ex: exercice en haute altitude 23

24 Diffusion de l O 2 Exercice Entrée capillaire alvéolaire Temps dans le capillaire (s) Sortie capillaire alvéolaire 24 Pression partielle de l O2 sang (mmhg) dans le PO2 sang veineux mêlé PO2 alvéolaire

25 Diffusion du CO 2 Le comportement de la PCO2 capillaire PCO2 augmente rapidement et s équilibre en 0.25 s avec l air alvéolaire Au-delà de ce temps: plus d échange d O2 entre le gaz alvéolaire et le sang capillaire Comportement similaire à l O2 alors que 20 fois plus soluble que l O2? Le gradient de PCO2 est inférieur (5 mmhg) à celui de l O2 (60 mmhg) En temps normal, la limitation de la diffusion du CO2 est liée à la perfusion À l exercice: temps de séjour des GR dans le capillaire alvéolaire transfert total de l O2 ( perfusion capillaire + recrutement capillaire) Si la barrière air-sang s épaissit anormalement (ex: fibrose, œdème interstitiel): le transfert du CO2 devient limité par la diffusion 25

26 Diffusion du CO 2 Exercice Temps dans le capillaire (s) Entrée capillaire alvéolaire Sortie capillaire alvéolaire 26 Pression partielle du CO2 sang (mmhg) dans le PCO 2 alvéolaire PCO2 sang veineux mêlé

27 Plan Rappels: Convection vs. diffusion Barrière air sang Loi de Henry Diffusion: loi de Fick Limitation de la diffusion Diffusion de l O2 Diffusion du CO2 Capacité de transfert et sa mesure 27

28 Mesure de la capacité de transfert La capacité de transfert = volume d O2 ou CO2 échangé par unité de temps, et par unité de gradient de pression (loi de Fick) : DL x = P V& x P A x c x (ml min -1 kpa -1 ) ou (ml min -1 mmhg -1 ) Vx : débit du gaz échangé (ml/min) Pax: pression partielle du gaz dans l alvéole (kpa ou mmhg) Pcx: pression partielle moyenne du gaz dans le sang capillaire (kpa ou mmhg) 28

29 Mesure de la capacité de transfert En pratique, on utilise un gaz dont le transfert est limité par la diffusion: CO Inspiration unique du mélange de gaz contenant le CO Apnée de 10 s Expiration NB: Pc CO = 0 DL CO L analyse de la concentration des gaz inspiré et expiré donne V CO He ajouté au gaz inspiré: permet de mesurer le volume alvéolaire = V& P CO A CO. 29

30 Vitesse de réaction de l O 2 avec l Hb 1/capacité de transfert du poumon = résistance au transfert du CO Une partie de cette résistance est liée à la membrane d échange Un autre facteur limitant: réaction avec l Hb : θ : capacité de l O2 à réagir avec l Hb (ml/min/mmhg PO2/ml de sang) 1 D L = 1 D M 1 + θv c Signification: DL si volume capillaire (Vc) ou Hb 30

31 Capacité de transfert Conditions qui diminuent DL: Épaississement de la barrière Œdème interstitiel ou alvéolaire Fibrose interstitielle ou alvéolaire Sarcoïdose Sclérodermie Fibrose idiopathique Surface d échange Emphysème Pathologie tumorale Débit sanguin pulmonaire Volume capillaire pulmonaire 1 D L = 1 D M 1 + θv c Vitesse de réaction avec l Hb Anémie Volume capillaire pulmonaire 31

32 Références bibliographiques 1. West JB, Physiologie Respiratoire. 4 ième Ed. Pradel Levitzky MG, Pulmonary Physiology 7th Ed. Lange Guyton AC, Textbook of Medical Physiology 8th Ed. Philadelphia: W.B. Saunders, Marieb E.N. Anatomie et Physiologie Humaines. 6 e Ed. 2005; Pearson Education France