Physiologie Respiratoire

L 1- S2 Physiologie Respiratoire Aurélien Pichon et Fabrice Favret Adapté de C. Caillaud

PHYSIOLOGIE DE L'APPAREIL RESPIRATOIRE

1. Anatomie fonctionnelle du système respiratoire 1.1 Le poumon Situation : dans la cage thoracique. Extrémité supérieure du poumon = apex. Extrémité inférieure = base stroma. Tissu conjonctif élastique. Les poumons sont suspendus dans leur cavité pleurale.

Poumon droit Poumon gauche Plèvre Diaphragme

1.2 La plèvre La plèvre : séreuse[1] qui a deux feuillets feuillet pariétal feuillet viscéral. Entre les deux feuillets : cavité pleurale liquide pleural [1] Séreuse : membranes sur les cavités antérieures fermées du corps. Deux feuillets : pariétal + viscéral Sécrète un liquide (sérosité) lubrifiant (permet le glissement l'un sur l'autre en éliminant au maximum les frictions)

Altérations de la plèvre : Inflammation : pleurésie glissement des deux feuillets difficile Pneumothorax : décollement des deux feuillets Poumon se «dégonfle»

1.2 La plèvre

Pneumothorax : décollement des deux feuillets Poumon se «dégonfle»

1.3 Relation structure-fonction du système respiratoire - la zone de conduction : espace mort anatomique. (150 ml) Anatomie : le nez, le larynx, le larynx la trachée, les bronches (1ère à 14ème génération).

Cavité nasale Cavité buccale Larynx Bronche primaire droite Poumon droit Pharynx Trachée Carina

Au niveau du nez : - glandes muqueuses[1] (qui sécrètent du mucus) - glandes séreuses (lysozyme). - muqueuse très vascularisée : réchauffement de l'air. [1] Muqueuse : Membrane tapissant les cavités du corps qui s'ouvrent à l'extérieur.

Alvéole Muqueuse bronchique Mucus Artère pulmonaire Capillaire Alvéole

Larynx, pharynx et trachée : - L'épithélium cilié : piège les particules L Arbre bronchique supérieur (générations 0-15) reçoit un air : réchauffé, débarrassé de la plupart des impuretés saturé en vapeur d'eau (vascularisation).

Importance du conditionnement de l air chez l athlète endurant : Exercice intense : énorme quantité d air à conditionner Dessiccation des voies aériennes Inflammation : muqueuse gonflée, bronches irritées Toux Asthme d exercice

Débits

- la zone respiratoire : bronchioles avec des alvéoles. au niveau des alvéoles : échanges gazeux barrière alvéolo-capillaire Épithélium alvéolaire Endothélium capillaire Interstitium Epithélium alvéolaire : pneumocytes de type I pneumocytes de type II : surfactant

Alvéoles Bronchioles respiratoires Bronchiole terminale 300 millions d alvéoles Surface alvéolaire : plusieurs m 2 Sacs alvéolaires

Pneumocyte detype I Pneumocyte detype II Alvéoles

Structure de la barrière (ou membrane) alvéolo-capillaire capillaires alvéole

Structure de la barrière (ou membrane) alvéolo-capillaire capillaires alvéole

Membrane alvéolo-capillaire vue en coupe hématie Endothélium capillaire Épithélium alvéolaire alvéole

Membrane alvéolo-capillaire vue en coupe Globule rouge alvéoles capillaires

1.4 La vascularisation des poumons bien comprendre les deux circulations : systémique et pulmonaire. 1.4.1 Circulation pulmonaire :

Le sang fraîchement oxygéné repart par les veines pulmonaires. l'artère pulmonaire contient du sang non hématosé (pauvre en O 2 et chargé de CO 2 ) la veine pulmonaire contient du sang hématosé. (riche en O 2, pauvre en CO 2 )

1.4.2 Circulation systémique

2. Mécanique de la ventilation Ventilation pulmonaire : inspiration et expiration Processus entièrement mécanique : variations de volume variations de pression écoulement des gaz.

2.1 Pression dans la cavité thoracique Pb = 760 mmhg P intra alvéolaire 756 mmhg P intra pleurale 752 mmhg

La pression intra-pleurale : - 4 / -3 mmhg P atm Adhérence

2.2 Les muscles respiratoires Diaphragme Intercostaux (Abdominaux) le plus important est le diaphragme : - capacité oxydative très importante. 75% de fibres résistantes à la fatigue. - vascularisation très importante.

2.3 Les variations de pression pendant la respiration Amplitude de la respiration Pression intrapulmonaire Pression intrapleurale

2.4 Inspiration Au repos le diaphragme est relâché Contraction du diaphragme : volume thoracique augmente

l augmentation du volume de la cage thoracique Pression loi pression/volume : la pression alvéolaire diminue l'air pénètre dans les poumons.

Amplitude de la respiration Pression intrapulmonaire Pression intrapleurale

2.5 Expiration Amplitude de la respiration Pression intrapulmonaire Pression intrapleurale

2.5 Expiration Relaxation du diaphragme : volume thoracique diminue

2.6 Les volumes et débits respiratoires 2.6.1 Volumes et capacité Méthode de mesure : spirométrie

La courbe obtenue : temps/volume (millilitres) 6000 5000 4000 3000 Volume de réserve inspiratoire 3100 ml Volume courant 500 ml Capacité Vitale 4800 ml Capacité Inspiratoire 3600 ml 2000 1000 Volume de réserve expiratoire 1200 ml Volume résiduel 1200 ml Capacité résiduelle Fonctionnelle 2400 ml

Volume courant (V C, V T ) Capacité vitale (CV) Volume de réserve inspiratoire (VRI) Volume de réserve expiratoire (VRE) Volume résiduel (VR) 500 ml 4800 ml 3100 ml 1200 ml 1200 ml Quantité d'air inspirée ou expirée à chaque respiration au repos Quantité maximale d'air qui peut être expirée après un effort inspiratoire maximal Quantité d'air qui peut être inspirée avec un effort après une inspiration courante Quantité d'air qui peut être expirée avec un effort après une expiration courante Quantité d'air qui reste dans les poumons après une expiration forcée

Capacité inspiratoire (CI) Capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) Capacité pulmonaire totale (CPT) 3600 ml 2400 ml 6000 ml Quantité maximale d'air qui peut être inspirée après une expiration normale CI = Vc + VRI Volume d'air qui reste dans les poumons après une expiration courante : CRF = VR + VRE Quantité maximale d'air contenue dans les poumons après une inspiration maximale : CPT = VC + VRI + VRE + VR

2.6.2 Les débits repos La ventilation E (l/min) = VC (l) x FR (min -1 ) temps exercice Vc et FR Homme adulte repos: E = 0,5 x 12 = 6 l.min -1 Homme adulte exercice: E = 1,5 x 30 = 45 l.min -1 Emax = 140 l.min -1

VEMS : volume maximal expiré pendant la première seconde d une expiration forcée Début de l expiration Début de l expiration 1 sec 1 sec VEMS = 1,53 l (45% de CV) VEMS =4,03 l (84% de CV) Normal Obstruction (asthme)

3. Les échanges gazeux 3.1 Propriétés des gaz 1ère lettre P : pression V : volume V : débits F : fraction 2ème lettre : indique le lieu A : alvéole a : sang artériel v : sang veineux I : air inspiré PAO 2 : pression partielle de l oxygène dans l air alvéolaire

Loi de Dalton P atmos. = P Atm O 2 + P Atm CO 2 + P Atm N + P Atm H 2 O

Exemple : -au niveau de la mer : Patmos = 760 mmhg. FairO 2 = 21 % = 0,21 PairO 2 = FairO 2 x Patmos PairO 2 = 0,21 x 760 = 159.6 mmhg -en altitude, 8600 m : Patmos = 245 mmhg PairO 2 = 245 x 0,21 = 51,45 mmhg

Loi de Henry Alvéoles pulmonaires Capillaires pulmonaires oxygène Flux d oxygène Dioxyde de carbone Flux de dioxyde de carbone

3.2 Composition des gaz dans les voies aériennes supérieures PIO 2 = FIO 2 x (P atm - PH 2 O) PH 2 O estimé à 47 mmhg PIO 2 = 0,21 x (760-47) ~ 150 mmhg PIO 2 : pression partielle de l oxygène dans l air inspiré

3.3 Composition des gaz alvéolaires PAO 2 < PIO 2 ------ pourquoi? PAO 2 = 104 mmhg PACO 2 = 40 mmhg

3.3.1 Importance de la ventilation alvéolaire façon dont les alvéoles sont ventilées. E = Vc x fr VE 1 = 0,5 x 12 = 6 l/min A = E - (V D x fr) V D : volume de l'espace mort = 0,15 ml ou VA= (Vt-VD) x Fr = 4,5 l/min

3.4 La diffusion alvéolo-capillaire 3.4.1 La surface de diffusion PvO 2 = 40 mmhg le rapport ventilation/perfusion VA/Q. PAO2 = 104 mmhg Idéal : A PaO 2 =? mmhg A =

A A En réalité la distribution de A et est hétérogène Échanges gazeux non optimaux dans certaines zones PaO 2 < PAO 2

En moyenne : 23 ml d'o 2 traversent pour chaque différence de 1 mmhg du gradient de pression alvéolocapillaire. D(A-v)O 2 = 104-40 = 64mmHg 64 x 23 = 1472 ml d O 2 PaO 2 = 98 mmhg

La différence de pression entre l'alvéole et le sang artériel est exprimée par : P(A-a)O 2 = 104-98 = 6 mmhg chez sujet sain jeune au repos En ce qui concerne le CO 2 : PaCO 2 = PACO 2 = 40 mmhg.

3.4.2 L'épaisseur de la membrane Deux contraintes : - Très fine: 0,5 à 1 micron d'épaisseur Gaz passent par diffusion O 2 -Très résistante en particulier à l exercice : tension d étirement

3.4.2 L'épaisseur de la membrane

Un cas d'augmentation de l'épaisseur de la membrane : l'œdème pulmonaire. 1- Capillaire étiré : jonctions entre cellules deviennent perméables fuite d eau (plasma) hors du capillaire l interstitium 2- Capillaire casse : lésions du sang qui sort des capillaires l interstitium

3- Paroi alvélolaire casse : barrière alvéolo-capillaire détruite du sang qui sort des capillaires interstitium + alvéole : danger Cela ralentit considérablement le passage de l'o 2 : PaO 2 Exemple d œdème : altitude, exercice très intense, pathologies cardiaques

Alvéole Fuite plasma + sang dans l interstitium Capillaire pulmonaire Fuite plasma + sang dans les alvéoles

PaO 2 et P(A-a)O 2 : indicateurs de l efficacité des échanges gazeux Stable à l exercice chez les sujets sains PaO 2 (m m Hg) 110 100 90 80 70 humains Ath-J Sed-A 60 repos 90 150 210 270 330 R6 Exercice (W) PaO 2 (m m Hg) 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 récupération chevaux R 5 6 7 8 9 vitesse du tapis, m.sec-1 (10% slope)

Rupture circulaire de la couche épithéliale Rupture complète de la barrière alvéolo-capillaire

4. Le contrôle de la ventilation 4.1 La rythmicité Système nerveux central : bulbes rachidiens Neurones inspiratoires Groupe dorsal (noyau du tractus solitaire) Activité pacemaquer, génèrent le rythme Activation :Influx passent par nerfs phrénique et intercostaux : INSPIRATION Inhibition : relâchement des muscles, EXPIRATION Rythme = ~14 inspirations / min; Temps inspiratoire : 2 sec Temps expiratoire : 3 sec Eupnée

Neurones expiratoires Situation médullaire Surtout excité lors d expirations forcées 4.2 modulation par les influences chimiques et nerveuses Afférences nerveuse d origine musculaire ou articulaire Chémorécepteurs périphériques (O 2, CO 2, ph) Récepteurs sensibles à l étirement du poumon Chémorécepteurs centraux (CO 2, ph)

Autres récepteurs Douleur, émotions (hypothalamus) +/- Centres supérieurs Contrôle volontaire +/- Centres respiratoires Chémorécepteur périphériques O 2, CO 2, ph Récepteurs musculaires et articulaires Chémorécepteur centraux CO 2, ph + + + - - Récepteurs à l étirement

Troubles de l homéostasie Anxiété hyperventilation PaCO 2 Vasoconstriction cérébrale Ischémie cérébrale Malaise Hyperventilation volontaire Nageur, apnéistes Très déconseillé hyperventilation : PaCO > 2 PaO 2 Apnée : PaCO 2 remonte lentement et déclenche trop tard la respiration PaO 2 peut trop bas syncope

5. Le transport des gaz respiratoires dans le sang 5.1 Le transport de l'oxygène L'oxygène est transporté sous deux formes : liée à rouges : 98% de l O 2 l'hémoglobine dans les globules dissoute dans le plasma seulement 1,5 % = 0.3 ml pour 100 ml de sang Ce gaz dissous exerce une pression partielle de 104 mmhg.

5.1.1 Association et dissociation entre l'o 2 et l'hémoglobine L'hémoglobine se trouve dans les globules rouges. 2 1 O 2 2 1

L'Hémoglobine : composée de 4 chaînes polypeptidique des groupements hème : contenant un atome de fer. L'O 2 se lie aux atomes de fer l'hb peut donc transporter 4 molécules d'o 2.

Réaction par laquelle O 2 se fixe sur Hb Hb + O 2 <------> HbO 2 + H+ SaO 2 : quantité d Hb saturée en O 2 (porte 4 molécules d O 2 ) / quantité totale d Hb Cas 1 : Hb saturée : 15 Hb désaturée : 5 SaO 2 = (15/15+5)x100 = 75% Cas 2 : Hb saturée : 20 Hb désaturée : 0 SaO 2 = (20/20+0)x100 = 100%

ph PCO 2 ; T C Capillaires musculaires ph T C SO 2 Normal PCO 2 = 40 mmhg ph = 7,4 PCO 2 ; T C ph HbO 2 O 2 + HHb Dans les cellules musculaires (Énergie) PO 2 L'Hb est une protéine allostérique

La concentration en Hb : 15 g /100 ml de sang chez l'homme 13 g / 100 ml de sang chez la femme Pouvoir oxyphorique de l'hb : vol. max. que peut fixer 1 g d'hb : p.ox = 1,39 ml d'o 2

Quantité maximale d'o 2 que peut fixer l'hb contenue dans 100 ml de sang : QmaxHb = [Hb] x p.ox = 15 x 1,39 = 20,8 ml d'o 2 /100ml sang O 2 total transporté : 20,8 + 0,3 = 21,1 ml d'o 2 /100ml sang

5.2 Le transport du gaz carbonique Le CO 2 est présent : 1) dissous dans le plasma : 7 à 10 % du CO 2 2) complexé avec l'hb : 20 à 30 % du CO 2 3) ss forme d'ion bicarbonate : 60-70 % du CO 2 CO 2 + H 2 O <--------> H + + HCO - 3 dans le plasma dans le globule rouge : réaction catalysée par l'anhydrase carbonique

5.3 Transport et échange du CO 2 et de l'o 2 CO 2 CO 2 CO 2 POUMON O 2 O 2 CO 2 dissout dans plasma H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 HCO 3- + H + O 2 dissout dans plasma H 2 O + CO 2 H + + HbO 2 HHb H 2 CO 3 Anhydrase carbonique HCO 3- + H + Cl - Globule rouge Plasma sanguin HCO 3 - Cl -

5.3 Transport et échange du CO 2

6. Les globules rouges Sang : plasma globules blanc (leucocytes), globules rouges ou érythrocytes Sang : 8% du poids corporel, ~5 litres Globule rouge : Cellules en forme de disque biconcave, 7.5 µm Contiennent essentiellement l Hb Cellule sans noyau Sans mitochondrie (n utilisent pas l O 2 transporté) Cellules très déformables

2 µ coupe 7,5 µ face

6.1 Synthèse des globules rouges Hématopoïèse A partir de cellules souches situées dans la moelle osseuse rouge (os longs) Plusieurs types de cellules intermédiaires Durée de vie du GR : 120 jours Concentration doit être constante Hématocrite (% de globule rouges) ~45% Synthèse stimulée par : anémie, hémorragie, hypoxie Synthèse régulée par une hormone : Erythropoïétine = EPO

Cellule souche Génèse des globules rouges Accumulation Éjection d Hb du noyau hémocytoblaste érythroblastes proérythroblaste 3 à 5 jours normoblastes réticulocytes GR Quand % Hb = 34% Ejection des mitochondries et du noyau

Réticulocytes : jeunes globules rouges Taux de réticulocytes : index du taux de synthèse des globules rouges Utilisé dans le contrôle anti-dopage 6.1.1 Le contrôle hormonal de l hémotopoïèse Une hormone essentielle : L érythropoïétine (EPO) Site de synthèse : le rein

Hypoxie ( PaO 2 au niveau des capillaires rénaux) Importante du nombre de GR (hémorragie) Reins : libèrent de l EPO dans le sang apport en fer (Hb) et vitamine B12 (divisions cellulaires) L EPO stimule la différenciation des cellules souches et la synthèse de GR (et d Hb) Jusqu à ce que l hématocrite soit rétablie ou que l apport d O 2 augmente au niveau des rein (+ de GR)

6.2 Destin des érythrocytes (GR) Durée de vie d un GR : environ 120 jours (pas de noyau = pas de synthèse protéique, pas de réparation) GR abîmé, vieux Détruit par des macrophages dans le foie ou la rate Acides aminés, globine Retournent dans le sang Fer (toxique lorsqu il est libre) est stocké dans le sang sur des protéines (transférine) et dans le foie (ferritine)

6.3 Le dopage sanguin Prise d érythropoïétine BUT : le nombre de GR ( hématocrite) Améliorer le transport de l oxygène et la performance Dépistage : mesure de la concentration plasmatique d EPO mesure de l hématocrite mesure du taux de réticulocytes

Injections d érythropoïétine : 50 U/kg ; Puis 20 U/kg 52 50 U /kg 20 U /kg 50 48 Hct (%) 46 44 42 40 EPO PLA D0 D4 D11 D18 D25 D30 D32 D37 D44 D53 D60 hématocrite

% réticulocytes 3 50 U /kg 20 U /kg Reticulocytes (%) 2,5 2 1,5 1 0,5 EPO PLA 0 D0 D4 D11 D18 D25 D30 D32 D37 D44 D53 D60