Docteur Sandrine LAUNOIS-ROLLINAT

Physiologie du Système Respiratoire Chapitre 6 Echanges gazeux alvéolo-capillaires Docteur Sandrine LAUNOIS-ROLLINAT PCEM1 - Année universitaire 2007/2008 Faculté de Médecine de Grenoble (UJF) - Tous droits réservés.

Plan du cours 1. Introduction à la Physiologie Respiratoire 2. Anatomie fonctionnelle de l appareil respiratoire 3. Mécanique ventilatoire 4. Ventilation alvéolaire Ventilation pulmonaire 5. Circulation pulmonaire 6. Echanges gazeux alvéolo-capillaires 7. Transport des gaz dans le sang 8. Contrôle de la respiration 9. Fonctions non ventilatoires 10. Conclusions générales

Cours 7 : Plan Echanges gazeux alvéolo-capillaires Diffusion alvéolo-capillaire Principes physiques Diffusion de l O 2 et du CO 2 Efficacité des échanges gazeux alvéolocapillaires Facteurs influençant l efficacité des échanges gazeux Poumon idéal vs poumon réel Rapports ventilation/perfusion Gazométrie artérielle Echanges gazeux tissulaires

Echanges alvéolo-capillaires Echanges alvéolo-capillaires Echanges gazeux Oxygène Dioxyde de carbone Anesthésiques gazeux ou volatils Gaz toxiques (CO) Echanges non gazeux Cellules Liquides

Echanges alvéolo-capillaires Membrane alvéolo-capillaire épaisseur variable ( 0,3-0,5 μm) autour de chaque alvéole pendant le cycle respiratoire ALV F au minimum: film liquidien alvéolaire (F) bras d un pneumocyte I (P1) membranes basales fusionnées entre épithélium alvéolaire et endothélium capillaire (MB) cellule endothéliale (E) GR

Diffusion alvéolo-capillaire Phase gazeuse Phase liquide PO 2 = 13,3 kpa PO 2 = 13,3 kpa PCO 2 = 5,3 kpa PCO 2 = 5,3 kpa PO 2 = 5,3 kpa PCO 2 = 6,1 kpa Alvéole mb Capillaire

Cours 7 : Plan Echanges gazeux alvéolo-capillaires Diffusion alvéolo-capillaire Principes physiques Diffusion de l O 2 et du CO 2 Efficacité des échanges gazeux alvéolocapillaires Facteurs influençant l efficacité des échanges gazeux Poumon idéal vs poumon réel Rapports ventilation/perfusion Gazométrie artérielle

Principes de la diffusion Un gaz diffuse toujours d une zone de pression partielle élevée vers une zone de pression partielle plus basse jusqu à ce qu un équilibre soit atteint A B

Principes de la diffusion Dans un mélange gazeux, chaque gaz se comporte de façon indépendante Gaz 1 Gaz 2 A B

Principes de la diffusion Diffusion d un gaz d un milieu gazeux vers un milieu liquide mêmes lois qu au sein d un milieu gazeux homogène Milieu liquide Milieu gazeux

Principes de la diffusion Diffusion du gaz proportionnelle aux caractéristiques de la membrane aux caractéristiques du gaz au gradient de pression autemps de contact entre le gaz et la membrane Gaz x S E Loi de Fick de la diffusion d un gaz à travers un tissu

Diffusion du gaz proportionnelle àla surface S du tissu Principes de la diffusion à l inverse de l épaisseur e du tissu àla constante de diffusion du gaz proportionnelle à la solubilité du gaz inversement proportionnelle à la racine carrée de son poids moléculaire au gradient de pression de part et d'autre du tissu (P 1 -P 2 ) autemps de contact (dt) P 1 e S Gaz x S E P 2 constante de diffusion

Principes de la diffusion Diffusion d un gaz x dans un liquide Surface d échange = s Δ P = P 1 -P 2 Poids moléculaire du gaz = M x Coefficient de solubilité = α x ( P P ) 1 dt x Vx = α s 2 M x ( P P ) 1 dt Vx = d s 2 constante de diffusion d Diffusion d un gaz x à travers une lame liquidienne d épaisseur e s Vx = d 2 e ( P P ) 1 dt

Diffusion alvéolo-capillaire Capacité de diffusion pulmonaire d un gaz X. s Vx = α x Mx e ( PAx Pcx ) dt αx s = Mx e DLx DLx ~ rapport surface d échange alvéolocapillaire/épaisseur de la membrane alvéolo-capillaire

Principes de la diffusion Système respiratoire de l adulte S 80-100 m 2 e < 1μm Surface/épaisseur anatomique fonctionnelle

Diffusion alvéolo-capillaire 1 Diffusion intra-alvéolaire 2 Diffusion à travers la membrane alvéolo-capillaire phase gazeuse 1 2 phase liquide 3 4 5 3 Diffusion intra-plasmatique 6 4 Diffusion à travers la membrane érythrocytaire HbO 2 5 Diffusion intra-globulaire alvéole mb capillaire (6 Combinaison chimique avec l hémoglobine)

Diffusion alvéolo-capillaire Diffusion de l O 2 grande ΔP entre le sang qui arrive dans les capillaires pulmonaires et l air alvéolaire kpa kpa 13 13 PO 2 sanguine 5 5 6 6 PCO 2 sanguine 5 5 équilibre atteint rapidement (0,3-0,4s) PCO 2 =6 PO 2 =5 alvéole PCO 2 =5 PO 2 =13 PCO 2 =5 PO 2 =13 artère capillaire veine temps de transit

Diffusion alvéolo-capillaire Diffusion du CO 2 faible ΔP entre le sang veineux mêlé et l air alvéolaire mais diffusibilité importante kpa kpa 13 13 PO 2 sanguine 5 5 6 6 PCO 2 sanguine 5 5 équilibre atteint rapidement (0,3-0,4s) PCO 2 =6 PO 2 =5 alvéole PCO 2 =5 PO 2 =13 PCO 2 =5 PO 2 =13 artère capillaire veine temps de transit

Diffusion alvéolo-capillaire Capacité de diffusion pulmonaire d un gaz X. Vx = α x Mx s e ( PAx Pcx ) dt Capacité de diffusion pulmonaire de l O 2. O2 s VO = α 2 2 MO e. 2 ( PAO PcO ) dt 2 ( PAO PcO ) dt VO = DLO2 2 2 2

Diffusion alvéolo-capillaire Capacité de diffusion pulmonaire de l oxygène DLO 2 = (PAO 2. VO 2 PcO 2 ) dt DLO 2 = volume d O 2 qui traverse la membrane alvéolo-capillaire en 1 minute pour une différence de pression de 0,133 kpa (1 mmhg) de part et d autre de la membrane

Diffusion alvéolo-capillaire Mesure de la capacité de diffusion pulmonaire PcO 2 difficile à mesurer (shunt) CO: affinité ++ pour Hb tout le CO se fixe sur Hb Pc CO 0 DLCO =. VCO PACO dt DLO 2 DLCO = = (PAO 2 (PACO. VO2 PcO. VCO Étude des gaz inspirés et expirés Étude du gaz alvéolaire 2 ) dt PcCO) dt

Diffusion alvéolo-capillaire DLCO dépend de sexe, âge, surface corporelle exprimée en valeur théorique de la normale fixation du CO sur Hb exprimée en valeur corrigée pour [Hb] et taux d HbCO souvent rapportée à la ventilation alvéolaire (DLCO/V A ) DLO 2 = 1,23 DLCO DLCO 2 = 20 DLO 2

Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Les échanges gazeux alvéolo-capillaires dépendent de: Ventilation alvéolaire Diffusion alvéolo-capillaire Circulation pulmonaire temps de contact capillaire shunt vrai Rapport ventilation/perfusion

Diffusion Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Gradient de pression entre sang veineux mêlé et alvéole Surface et épaisseur de la membrane A-cap surface - anatomique = 80-100 m 2 - fonctionnelle = 1 alvéole + 1 capillaire normaux épaisseur - anatomique = 0,5 μm - fonctionnelle = toutes les étapes de la diffusion

Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Fibres collagène ALV Hématie PN I Hématie Plasma Fibres Collagène (COL) Cellule endothéliale Interstitium Poumon normal Fibrose pulmonaire diffuse D après référence 6

Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Diminution de la surface d échange Amputation circulatoire Amputation globale Amputation ventilatoire Surface fonctionnelle Surface anatomique Surface fonctionnelle Augmentation de la surface d échange fonctionnelle homogénéisation du rapport V A /Q: exercice, position couchée

Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Modifications de l épaisseur Diffusion alvéolaire très rapide peut si distension phase gazeuse phase liquide Diffusion membranaire nombreuses pathologies épaisseur anatomique de la membrane HbO 2 Diffusion capillaire vitesse limitée par combinaison chimique avec Hb ou en fonction de Hb alvéole mb capillaire

Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Poumon idéal PAO 2 et PACO 2 stables, quelque soit la consommation d O 2 et la production de CO 2 (métabolisme) PaO 2 = PAO 2 ; PaCO 2 = PACO 2 Poumon réel normal PAO 2 et PACO 2 stables, quelque soit la consommation d O 2 et la production de CO 2 (métabolisme) PaO 2 < PAO 2 ; PaCO 2 = PACO 2

Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Poumon réel normal P AO2 = 14 P ao2 = 13 P ACO2 = 5 P aco2 = 5 kpa Gradient alvéolo-artériel en O 2 1kPa Absence de gradient alvéolo-artériel en CO 2

Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Origine du gradient alvéolo-capillaire normal en O 2 Diffusion incomplète Shunt (court-circuit) sanguin anatomique Inégalités du rapport ventilation/perfusion

Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Shunt sanguin anatomique Espace alvéolaire Δ = 0,7 kpa AP Capillaire pulmonaire VP Veines bronchiques Veines coronaires

Efficacité des échanges alvéolo-capillaires Inégalités du rapport ventilation/perfusion Ventilation Perfusion P Pl plus négative Pression transmurale plus grande Alvéoles distendus, moins compliants Ventilation moindre P vasculaires plus basses Moins de recrutement/distension Résistances plus élevées Perfusion moindre P Pl moins négative Pression transmurale plus petite Alvéoles non distendus, compliants Ventilation plus élevée P vasculaires plus hautes Plus de recrutement/distension Résistances moins élevées Perfusion plus élevée D après référence 5

Rapports ventilation/perfusion Rapport V A /Q Aux sommets V A >Q rapport V A /Q élevé Distribution régionale du rapport V A /Q Aux bases V A <Q rapport V A /Q bas Partie médiane rapport V A /Q idéal D après référence 6

Rapports ventilation/perfusion B A O 2 = 20 kpa CO 2 = 0 kpa C O 2 = 20 kpa CO 2 = 0 kpa O 2 = 5 kpa CO 2 = 6 kpa O 2 = 13 kpa CO 2 = 5 kpa O 2 = 14 kpa CO 2 = 0 kpa O 2 = 5 kpa CO 2 = 6 kpa O 2 = 5 kpa CO 2 = 6 kpa O 2 = 5 kpa O 2 = 13 kpa CO 2 = 6 kpa CO 2 = 5 kpa 0 Rapport V-P 1 Rapport V-P Shunt alvéolaire Effet shunt Idéal Effet espace mort Espace mort alvéolaire D après référence 5

Rapports ventilation/perfusion Rapport VA/Q Aux sommets (rapport V A /Q élevé) captation de l O 2 alvéolaire et élimination de CO 2 vers l alvéole faibles Aux bases (rapport V A /Q bas) captation de l O 2 alvéolaire et élimination de CO 2 vers l alvéole importante 17,6 13,6 11,8 P A mmhg P A kpa 3,7 5,5 5,7 D après référence 6

Rapports ventilation/perfusion Gradient du rapport V A /Q gradient de P A en O 2 et CO 2 gradient de P c en O 2 et CO 2 P IO2 = 13,4 kpa 17,6 3,7 13,6 5,5 11,8 5,7 P ao2 = 13 kpa P A mmhg P A kpa D après référence 6

Rapports ventilation/perfusion Uniformisation du rapport ventilationperfusion jamais complètement homogène mais s uniformise en altitude (meilleure distribution de la perfusion) en position couchée (meilleure distribution de la perfusion et de la ventilation) àl exercice (ventilation/perfusion redistribuée vers zones mal ventilées/perfusées)

Gazométrie artérielle La fonction du système respiratoire est de permettre l oxygénation tissulaire l élimination du gaz carbonique le maintien du ph à une valeur normale Cette fonction est appréciée par l analyse des gaz du sang (= gazométrie artérielle)

Gazométrie artérielle Sang artériel normal PaO 2 = 12,6 ± 0,5 kpa soustraire 1,3 kpa / 10 ans après 60 ans PaCO 2 = 5,3 ± 0,3 kpa ph = 7,40 ± 0,02 SaO 2 = 98% (94-100)

Gazométrie artérielle Hypoxémie Baisse de la PaO 2 Hypoventilation alvéolaire Trouble de la diffusion alvéolo-capillaire Shunt vrai Hétérogénéité des rapports ventilationperfusion Hypocapnie Baisse de la PaCO 2 Hyperventilation Hypercapnie Augmentation de la PaCO 2 Hypoventilation alvéolaire Hyperoxémie Augmentation de la PaO 2 Administration d O 2

Conclusion Physiologie Fonction respiratoire du poumon Pathologie Exploration d une hypoxémie Explorations fonctionnelles respiratoires

Physiologie respiratoire: Références iconographiques LIVRES n référence titre de l'ouvrage auteur éditeur année 1 manuel d'anatomie et de physiologie SH N'Guyen Lamarre 1999 2 atlas d'anatomie humaine FH Netter Maloine 1997 3 l'essentiel en physiologie respiratoire Ch Préfaut Sauramps Médical 1986 4 précis de physiolgie médicale AC Guyton Piccin 1991 5 pulmonary physiology MG Lewitsky McGrawHill 2003 6 pulmonary physiology and pathophysiology JB West Lippincott Williams & Wilkins 2001 7 physiologie de la respiration JH Comroe Masson 1978 SITES WEB n référence url date dernière visite web1 http://depts.washington.edu/envh/lung.html 23 02 2006 web2 web3 web4 web5 web6 http://www.meddean.luc.edu/lumen/meded/histo/frames/h_fram15.html http://anatomy.iupui.edu/courses/histo_d502/d502f02/respiratory%20system/lab.15.respir.f02.ht ml http://casweb.cas.ou.edu/pbell/histology/outline/lung.html http://medstat.med.utah.edu/webpath/lunghtml/lung002.html http://w3.ouhsc.edu/histology/ 23 02 2006 23 02 2006 23 02 2006 27 02 2006 27 02 2006

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