ULaval:MED-1202/Physiologie

Physiologie et physiopathologie respiratoire

Structure fonctionnelle de l’appareil respiratoire

D’un point de vue fonctionnel, l’appareil respiratoire peut être divisé en trois composantes :

• La pompe ventilatoire
• Un réseau de distribution de l’air
• Une surface d’échange pour les gaz

Pompe ventilatoire

Elle comprend les côtes, le thorax osseux et les muscles respiratoires (diaphragme, intercostaux, accessoires). Le diaphragme est le principal muscle de la respiration et effectue la majeure partie du travail. Durant l’inspiration, le diaphragme se déplace vers le bas dans la cavité abdominale. Le contenu abdominal stabilise cette contraction et permet aussi un certain déplacement des côtes vers le haut, ce qui contribue aussi à augmenter le volume du thorax. Les muscles intercostaux sont peu actifs durant la respiration au repos chez l’individu normal. Ils s’activent à l’exercice et au repos en présence d’une pathologie. L’innervation motrice du diaphragme provient des 3^e, 4^e et 5^e nerfs cervicaux : nerf phrénique. S’il y a bris à ce niveau, le patient ne pourra pas respirer par lui-même. L’intérieur de la cavité thoracique et le poumon sont tous les deux recouverts d’une membrane mince : la plèvre pariétale et la plèvre viscérale. Il existe entre ces deux membranes un espace virtuel qui contient un peu de liquide qui sert de lubrifiant et permet aux deux membranes de glisser l’une sur l’autre. Tout mouvement de la cage thoracique vers l’extérieur est transmis au poumon qui augmente de volume. La plèvre pariétale est douloureuse alors que la plèvre viscérale ne l’est pas.

Réseau de distribution de l’air

On peut diviser le réseau de distribution de l’air en deux :

Voies aériennes supérieures

Nez, sinus paranasaux, pharynx et larynx

• Permet de purifier, de réchauffer et d’humidifier l’air ambiant
• Permet aussi l’odorat, la déglutition et la parole
• C’est tout ce qui se trouve avant les cordes vocales

Voie aériennes inférieures

Débutent à la jonction du larynx avec la trachée

Elles incluent : trachée, bronches, bronchioles et les alvéoles

Les voies aériennes inférieures peuvent être divisées en deux :

Les voies de conduction

Se rendent jusqu’aux bronchioles terminales, c’est l’espace mort anatomique. Une partie de l’air inspiré ne sert pas à l’oxygénation du sang car il ne se rend pas aux alvéoles (~150 ml).

La zone respiratoire

Distalement aux bronchioles terminales commencent à apparaître des alvéoles. On se trouve à la 15^e division jusqu’à la 23^e. La portion du poumon distale à la bronchiole terminale est le lobule primaire. C’est à partir de ce niveau que commencent les échanges gazeux.

Surface d’échange des gaz

Au-delà des bronchioles terminales, le nombre d’alvéoles et la surface d’échange augmentent de façon progressive. On possède près de 300 000 000 alvéoles et la surface d’échange est de 70 m². Les parois de l’alvéole contiennent un réseau de capillaires pulmonaires. C’est à ce niveau que se font les échanges de CO₂ et d’O₂.

Au niveau des alvéoles, le mouvement des gaz se fait par diffusion. Il faut donc un gradient de pression.

[O₂] est plus élevée dans alvéoles, donc diffuse dans le sang

[CO₂] est plus élevée dans le sang, donc diffuse dans l’alvéole

Mécanique respiratoire

Volumes pulmonaires

La quantité de gaz contenue dans les poumons peut être subdivisée en quatre volumes primaires. La combinaison de deux ou plusieurs de ces volumes donne quatre capacités.

Volume courant - Vt

C’est le volume d’air qui entre et qui sort des poumons durant une respiration normale.

Normalement c’est 500 cc.

Volume de réserve inspiratoire – VRI

C’est le volume d’air supplémentaire qu’on peut encore inspirer après avoir inspiré le Vt.

Capacité inspiratoire

C’est le volume maximal d’air qui peut être inhalé à partir de la position de repos (Vt + VRI).

Volume résiduel – Vr

C’est le volume d’air qui reste dans le poumon après un effort expiratoire pour expirer le maximum d’air possible des poumons.

Il est d’environ 1.5 litre

Volume de réserve expiratoire – VRE

C’est le volume d’air supplémentaire qu’on peut encore expirer après une expiration normale.

Capacité résiduelle fonctionnelle – CRF

C’est le volume d’air qui demeure dans les poumons après une expiration normale (Vr + VRE). C’est le volume de repos du système respiratoire.

Capacité pulmonaire totale – CPT

C’est la quantité maximale d’air que peuvent contenir les poumons après une inspiration maximale (Vr + VRE + Vt + VRI). Au maximum, elle est de 6 litres.

Capacité vitale – CV

C’est le volume d’air maximal qui peut être expiré après une inspiration maximale (VRI + Vt + VRE    

En utilisant un spiromètre conventionnel, on ne peut pas mesurer le Vr. En ne connaissant pas ce volume, il est impossible de déterminer la capacité résiduelle fonctionnelle (CRF) et la capacité pulmonaire totale (CPT). Les deux techniques les plus fréquemment utilisées pour mesurer ce volume manquant sont la méthode de dilution à l’hélium et la méthode pléthysmographique.

Propriétés élastiques du système respiratoire : courbe pression-volume

Les propriétés élastiques du poumon sont dues au tissu élastique et au collagène qui entourent les vaisseaux pulmonaires et les bronches. Les fibres en tant que tel ne sont pas réellement élastiques, c’est plutôt le réarrangement de celles-ci qui donne cette caractéristique. Lorsque le volume du poumon augmente, une pression de recul élastique est générée. À la fin d’une expiration normale (CRF), le poumon tend à se collaber. Cette tendance du poumon à se vider complètement est contrecarrée par la tendance de la cage thoracique à augmenter son volume à la position de repos (CRF). La position de repos d’un poumon à l’extérieur de la cage thoracique est le volume 0, alors que le volume de repos d’une cage thoracique sans poumon est d’environ 1 litre au-dessus de la CRF.

Si on mesure la pression à l’intérieur d’un poumon isolé, celle-ci est à zéro lorsque le poumon est vide. La pression augmente de façon curvilinéaire avec le volume. À la capacité pulmonaire totale (CPT), le poumon est rempli au maximum et la pression à l’intérieur de celui-ci est de +30cmH₂O.

Si on referme un thorax après y avoir enlevé les deux poumons, la position de repos de la cage sera à environ 1 litre au-dessus de la position que le thorax aurait s’il y avait 2 poumons à l’intérieur. Si on diminue le volume de la cage au Vr, la pression dans le thorax seravde –20cmH₂O. Si on augmente le volume de la cage à la CPT, la pression à l’intérieur du thorax sera de +10 cmH₂O.

À la fin d’une expiration normale (CRF), le système respiratoire est au repos; aucun muscle ne travaille. Ce volume est déterminé par la force de rétraction des poumons vers l’intérieur et la force d’expansion de la cage thoracique vers l’extérieur.

Tout changement de volume du système respiratoire nécessite un travail des muscles respiratoires (à partir de la CRF).

Pour augmenter le volume du système, il faut activer les muscles inspiratoires. Si on mesure la pression à la bouche obstruée à un volume au-dessus de la CRF, la pression est toujours positive. La pression maximale du système est à la CPT et est de + 40 cmH₂0

En faisant la somme des deux courbes de compliance, on obtient la courbe de compliance du système respiratoire.

Pour diminuer le volume du système, il faut activer les muscles expiratoires. Si on mesure la pression à la bouche obstruée à un volume au-dessous de la CRF, la pression est toujours négative. La pression minimale du système est au volume résiduel et est de -25 cmH₂O.

Les déterminants de la capacité pulmonaire totale sont :

• Recul élastique du poumon
• Force des muscles inspiratoires

Les déterminants du volume résiduel sont :

• Recul élastique de la cage thoracique
• Fermeture des voies aériennes (> 45 ans elles se ferment plus précocement)
• Force des muscles expiratoires

Points à retenir :

• CRF : c’est le volume de repos du système respiratoire
• Le poumon est de moins en moins compliant lorsque le volume du système augmente
• La cage thoracique est de moins en moins compliante lorsque le volume du système diminue.

Déroulement séquentiel de l’inspiration et de l’expiration normale

Inspiration normale

L’inspiration est un mécanisme actif qui nécessite une contraction des muscles inspiratoires. Cette contraction des muscles inspiratoires entraîne une pression intra-pleurale plus négative, puisque la cage thoracique « tire » sur le poumon. Il se crée un gradient plus important entre l’extérieur et l’intérieur de l’alvéole. La pression dans l’alvéole devient plus négative que la pression atmosphérique et l’air entre dans les alvéoles. L’alvéole augmente de volume et accumule ainsi un recul élastique qui est opposée à la pression pleurale. Lorsqu’il y a équilibre entre la pression pleurale et le recul élastique, l’air cesse d’entrer. La pression intra-alvéolaire est alors égale à la pression atmosphérique. Plus les muscles inspiratoires se contractent, plus la pression intra-pleurale devient négative et plus l’entrée d’air dans les alvéoles est importante.

Points à retenir :

• En l’absence de mouvement d’air, la pression de recul élastique du poumon est égale et opposée à la pression pleurale.
• L’air pénètre dans le poumon lorsque la pression pleurale négative, exprimée en valeur absolue, est plus élevée que la pression de recul élastique du poumon.

Expiration normale

À la fin de l’inspiration, l’alvéole a accumulé de l’énergie élastique. Les muscles inspiratoires se relâchent lentement. La pression intra-pleurale devient moins négative et le recul élastique de l’alvéole crée une pression positive intra-alvéolaire. L’alvéole se relâche lentement, la pression alvéolaire devient plus positive que l’atmosphère et l’air sort de l’alvéole. L’air sort de l’alvéole tant qu’il n’existe pas un équilibre entre la pression de recul élastique de l’alvéole et la pression intra-pleurale. Au repos, il s’agit d’un phénomène passif.

À retenir : L’air sort des poumons lorsque la pression pleurale négative, exprimée en valeur absolue, est plus basse que la pression de recul élastique du poumon   

Expiration forcée

À la fin de l’inspiration, on peut activer les muscles expiratoires et forcer l’air à sortir de l’alvéole plus rapidement. La contraction des muscles expiratoires génère une pression intra-pleurale positive qui est transmise aux alvéoles. Durant cette contraction, la pression trans-pulmonaire demeure la même que lors d’une inspiration normale, mais le gradient entre l’intérieur de l’alvéole et l’atmosphère est augmenté. Le débit expiratoire est donc augmenté de façon importante. Par contre, il est limité par d’autres facteurs comme la résistance des voies aériennes que nous verrons plus loin. À retenir : Lors d’une manœuvre d’expiration forcée, la pression pleurale devient très positive.

Courbe d’expiration forcée : relations avec la courbe débit-volume

La courbe d’expiration forcée établit la relation entre le volume pulmonaire expiré et le temps. Elle est effectuée en demandant au sujet d’inspirer lentement jusqu’à capacité pulmonaire totale. À ce volume, le sujet effectue une manœuvre expiratoire forcée maximale jusqu’au volume résiduel.

Un individu normal expire 80% de sa capacité vitale « forcée » durant la première seconde et est capable de vider ses poumons en 3 secondes. Le volume expiré durant la 1^ère seconde est exprimé par l’abréviation VEMS – volume expiratoire maximal seconde.

À partie de la courbe d’expiration forcée, il est possible de tracer une courbe débit/volume. Sur la courbe débit-volume, le débit maximal survient précocement et baisse progressivement par la suite jusqu’au volume résiduel. On dit que le débit expiratoire est effort-dépendant au début, mais devient effort-indépendant par la suite.

Le rapport VEMS/CVF s’apelle indice de Tiffeneau. Il est très utilisé comme indice d’obstruction. À partie de la courbe d’expiration forcée, il est possible de tracer une courbe débit/volume. Sur la courbe débit-volume, le débit maximal survient précocement et baisse progressivement par la suite jusqu’au volume résiduel. On dit que le débit expiratoire est effort-dépendant au début, mais devient effort-indépendant par la suite. En effet, à un volume pulmonaire élevé (près de la CPT), le débit est proportionnel à l’effort. À des volumes plus bas (près du Vr), le débit est indépendant de l’effort.

Facteurs limitant le débit expiratoire

Le diamètre des voies aériennes augmente avec le volume pulmonaire. La résistance des voies est donc inversement proportionnelle au volume pulmonaire. Cette relation entre le volume et la résistance est hyperbolique.

Compression dynamique des voies aériennes

Pour bien comprendre les facteurs qui limitent le débit expiratoire, il faut maîtriser les notions de point d’égale pression (PEP) et de pression transmurale critique (Ptm1).

À la fin d’une inspiration normale, la pression pleurale contrebalance la pression de recul élastique du poumon. Durant une expiration passive, la pression pleurale augmente, elle devient de moins en moins négative. L’air se déplace vers la bouche alors que la pression intra-bronchique est dissipée en générant un débit. La friction dans les bronches entraîne une perte de pression.

Au début de l’expiration forcée, lorsque les volumes pulmonaires sont élevés, la résistance dans les bronches est beaucoup plus faible alors le débit est dépendant de l’effort.

Durant une manœuvre forcée, il existe un point quelque part dans l’arbre trachéo-bronchique où la pression intra-bronchique est égale à la pression pleurale. C’est ce qu’on appelle le point d’égale pression. C’est là que survient la compression des voies aériennes. Une # supplémentaire de l’effort expiratoire produit seulement une compression plus importante des voies aériennes tandis que le débit expiratoire demeure constant.

Il faut noter que les bronches ont un certain tonus et que la compression ne survient pas exactement au point d’égale pression, mais un peu plus en bas selon la rigidité des bronches à ce niveau. Ce point s’appelle le point de pression trans-murale critique.

On peut donc dire que le débit expiratoire est dépendant de trois facteurs :

• Le recul élastique du poumon
• La pression de fermeture critique des voies aériennes
• La résistance des voies aériennes en amont du segment compressible

En autant que la pression pleurale est plus grande que la pression transmurale critique, le débit est indépendant de l’effort généré par le sujet et dépendra exclusivement des propriétés élastico-résistives des poumons.

Les débits diminuent avec le volume pulmonaire parce que la pression de recul élastique du poumon diminue progressivement alors que la résistance augmente. ü Les débits expiratoires diminuent dans l’asthme parce que les résistances des voies aériennes # alors que dans l’emphysème, les débits diminuent parce que la pression de recul élastique est diminuée.

À retenir: : le débit expiratoire dépend de l'interaction entre Volume-Pression-Résistance

Oxygénation tissulaire

Il y a trois étapes :

1. Respiration externe: Les molécules d’O₂ passent de l’air ambiant vers le sang par le poumon et il y a diffusion à travers la membrane alvéolo-capillaire
2. Transport de l’oxygène : Nécessite une concentration normale d’hémoglobine et un débit cardiaque normal
3. Respiration interne: Diffusion de l’O₂ entre les petits capillaires et les tissus.

La pression barométrique est de 760 mmHg. On retrouve toujours 21% d’oxygène dans l’air. Ainsi, la pression partielle de l’O₂ est, au niveau de la mer, 160 mmHg. En altitude, la pression barométrique diminue; la pression partielle en O₂ est donc également diminuée. Il est important que le gradient de pression soit conservé pour permettre les échanges d’O_2.

Exemple : au sommet de l’Everest, la pression atmosphérique est de 243 mmHg. La pression partielle en O₂ est ainsi d’~ 51 mmHg. Ainsi, la vie au somment de l’Everest est impossible puisque le gradient de pression entre le sang et l’alvéole est nulle.

Respiration externe

Deux critères doivent être respectés pour permettre la respiration externe 

·     Une quantité suffisante d’O₂ doit atteindre l’alvéole : ventilation

·     L’interface ventilation-perfusion doit durer suffisamment longtemps : diffusion

Ventilation

Le  volume d’O₂ est indirectement contrôlé par le processus de ventilation qui est lui-même médié par le niveau de CO₂ artériel. Une des conséquences de l’excrétion de CO₂ est l’apport d’O₂ à l’alvéole. Il existe une relation directe entre la PaCO₂ et la ventilation alvéolaire.

P_aCO₂ =  = V_CO2 x 0,863 / V_A

Quand le cerveau réalise que la PaCO₂ est élevée, la ventilation augmente pour permettre de diminuer la PaCO₂.  On utilise alors l’O₂ qui est apporté par la ventilation. La ventilation est augmentée puisque pour permettre de diminuer la PaCO₂, il est nécessaire de diminuer la PACO₂ alors qu’il y ait un gradient de pression Lors d’un exercice physique, la ventilation est augmentée dû à l’augmentation de la production de CO₂ (VCO₂). La production de CO₂ au repos est d’environ 200 ml/minute. Il y a une augmentation de la production lors d’un effort. Un effort maximal peut entraîner une production de CO₂ de 15 à 20 fois plus élevée (3000 à 4000 ml/minute).

Diffusion

La surface alvéolo-capillaire se comporte comme une membrane semi-perméable où les échanges gazeux se font par gradients de pression.

La diffusion est définie par la loi de Fick : « Le taux de transfert d’un gaz à travers un tissu est proportionnel à la surface du tissu  et la différence de pression partielle de part et d’autre du tissu. Il est inversement proportionnel à l’épaisseur du tissu. La diffusion est également proportionnelle à la solubilité du gaz et inversement proportionnelle à la racine carrée de son poids moléculaire. »

V_gaz = A x D x (P₁-P₂) / T

A : surface

D : capacité de la membrane à diffuser

• Solubilité
• Poids moléculaire

T : épaisseur

En altitude, la différence de pression partielle de part et d’autre du tissu est diminuée, alors il y a moins de gaz qui diffuse.

Le CO₂ diffuse environ 20 fois plus rapidement que l’O₂. Sa solubilité est beaucoup plus élevée, mais son poids moléculaire n’est pas très différent.

La diffusion nécessite un temps d’équilibration suffisant pour permettre un équilibre alvéolo-capillaire et un nombre suffisant d’unités alvéolo-capillaires pour permettre un volume adéquat d’échanges gazeux. Le temps de transit du sang dans le capillaire pulmonaire est de 0.75 seconde au repos et de 0.25 seconde à l’effort. La diffusion doit être complétée durant cette période. Le temps nécessaire pour l’équilibration de part et d’autre de la membrane alvéolo-capillaire est de 0.25 seconde. L’équilibre est donc atteint durant le 1^e tiers du transit dans le capillaire.

Les facteurs qui peuvent retarder la diffusion ou empêcher l’équilibration sont :

• Épaississement de la membrane alvéolo-capillaire (fibrose)
• Diminution du gradient de pression (altitude)
• Exercice intense
• Diminution de la surface d’échange (pneumonectomie ou emphysème)

Le gradient de pression entre l’O₂ alvéolaire et sanguin est très élevé alors que le gradient de pression entre le CO₂ alvéolaire et sanguin est faible. Le fait que le CO₂ soit plus soluble fait qu’on n’a pas besoin d’un gros gradient de pression pour qu’il y ait diffusion. Le transfert d’un gaz peut être limité par deux facteurs : la perfusion et la diffusion. Le transfert de l’O₂ est surtout limité par la perfusion; par le débit du sang. En effet, l’oxygène doit se combiner avec l’hémoglobine, mais la vitesse de réaction est limitée. L’# de la pression partielle de l’O₂ dans le sang est rapide et diminue progressivement le gradient alvéolo-artériel et ainsi le transfert du gaz. Les effets de ce phénomène pourraient être contrés par une # du débit sanguin. Le transfert du CO est surtout limité par la diffusion. Lorsque le sang se déplace dans le capillaire pulmonaire, la pression partielle de CO dans le capillaire demeure près de 0 à cause de la liaison rapide Hb-CO, ce qui fait que la différence de pression partielle de part et d’autre de la membrane demeure élevée. Le transfert est donc limité par la capacité de la membrane à laisser passer le CO. Le CO est donc un meilleur gaz que l’O₂ pour évaluer la diffusion. La DLCO peut être mesurée :

La capacité de diffusion du poumon est exprimée en volume de CO transféré en ml/min/mmHg de pression alvéolaire.

Il existe deux méthodes de mesure de la diffusion du CO (D_LCO) en clinique :

• La méthode en apnée ou à respiration unique: On mesure le taux de disparition du CO du gaz alvéolaire durant une apnée de 10 sec

• La méthode en état stable ou en respiration spontanée multiple: Le sujet respire une concentration basse de CO (0.1%). On mesure le taux de disparition du CO du gaz alvéolaire en fonction de la concentration alvéolaire.

À retenir :

• La diffusion de l’O₂ est limitée par la perfusion du poumon.
• La diffusion du CO est limitée par la membrane
• Le CO est donc un meilleur gaz que l’oxygène pour évaluer les caractéristiques de la membrane alvéolo-capillaire.

Bilan fonctionnel respiratoire

Nous faisons une courbe d’expiration forcée avant et après bronchodilatateur. Ensuite on fait la dérivé de cette courbe pour obtenir la boucle débit-volume. On mesure ensuite les volumes pulmonaires :

• Capacité pulmonaire totale – CPT
• Capacité résiduelle fonctionnelle – CRF
• Volume résiduel - Vr

Voici les principaux tests de fonctions respiratoires que l’on a dans un bilan fonctionnel respiratoire

Spirométrie : fonction des voies aériennes

• VEMS (pré et post-bronchodilatateurs)
• CVF
• Indications : maladie obstructive (MPOC, asthme)

Pléthysmographie : volumes pulmonaires

• CPT et VR
• Indications : maladies restrictives (++) et obstructive

Diffusion au monoxyde de carbone (DLCO) : transport de l’oxygène

• Indications : maladie parenchymateuse (obstructive/restrictive) et vasculaire pulmonaire (HTAP et EP)

Indice de Tiffeneau (VEMS/CVF) Valeur observée -      Syndrome obstructif : < 70% -      Syndrome restrictif : ≥ 70% VEMS  % de la prédite Permet de grader la sévérité de l’obstruction. Selon les critères de GOLD Classe Sévérité VEMS postBD % prédite GOLD 1 Légère ≥ 80% GOLD 2 Modérée 50 – 79% GOLD 3 Sévère 30 – 49% GOLD 4 Très sévère < 30% Réversibilité aux BD : ≥ 200 ml Et ≥ 12% d’amélioration CVF Normale ≥ 80% CPT % de la prédite Normal : 80 à 120 Hyperinflation : > 120 Syndrome restrictif : < 80 Léger : 70 à 80 Modéré : 60-70 Sévère : < 60 VR % de la prédite Normal : 80 à 150 Rétention gazeuse : > 150 Suggère restriction : < 80

indications des tests de fonction respiratoire 

• Diagnostiquer la présence d’une maladie pulmonaire
• Quantifier la sévérité d’une maladie connu/suivi
• Déterminer l’efficacité d’une nouvelle thérapie
• Bilan préopératoire

Contre-indications aux tests de fonction respiratoire :

• Infarctus dans le dernier mois

Conditions qui risquent de donner des résultats faussés :

• Douleur abdominale ou thoracique
• Démence

Critères de qualité à la spirométrie sont :

• Effort initial maximal
• Temps expiratoire d’au moins 6 secondes
• Atteinte d’un plateau (50 cc/2 sec)
• Reproductibilité (> 2-3 manœuvres)

variation VEMS < 150 cc

variation CVF < 150 cc

DLCO % de la prédite -      Normal : 80 à 120 -      Élevée : > 120 -      Abaissée : < 70 Lorsqu’on a une diffusion anormale, le problème peut être la machine, la membrane alvéolaire (épaissit par fibrose, amiantose), la membrane capillaire (HTP) ou le sang (hémorragie ou anémie)

Analyse du bilan respiratoire

1. Regarder en 1^e l’indice de Tiffeneaut (valeur observée)

Si < 70 : syndrome obstructif

• On regarde alors le VEMS pour grader le syndrome obstructif
• On regarde s’il y a réversibilité aux broncho-dilatateurs

-     Si > 70 pas de syndrome obstructif

2. Regarder les volumes pulmonaires

Si CPT < 80% de la prédite : syndrome restrictif (poumon a de la difficulté à s’extendre)

• On regarde alors le CPT pour grader le syndrome restrictif

Si CPT > 120% de la prédite : hyperinflation (souvent en syndrome obstructif)

Si VR > 150% : Rétention gazeuse (souvent en syndrome obstructif)

Si VR < 80% : ne signifie pas nécessairement un syndrome restrictif, mais est souvent lié puisque dans ce cas, le poumon est vraiment pas souple.

Un VR normal ne signifie pas qu’il n’y a pas de syndrome restrictif 

Causes d’obstruction bronchique :

• Asthme
• Bronchite chronique
• Emphysème

L’asthmatique classique n’a pas de diminution de la diffusion, du moins au début de la maladie. Dans l’emphysème, il y a destruction des alvéoles, alors la diffusion du CO est diminuer contrairement à la bronchite chronique (mais pas toujours le cas).

Causes de syndrome restrictif :

• Fibrose – maladie interstitielle du poumon

Pour différencier une cause extrinsèque (ex : scoliose) d’une cause intrinsèque (ex : amiantose), regarder la diffusion du CO. 

L’oxygène est transporté dans le sang sous deux formes : dissoute et combinée

Dissoute

Dépend de la constante de solubilité. La constante de solubilité de l’oxygène dans le plasma à 37°C est de 0.003ml d’O₂/mmHg/100ml de sang.

Il existe donc une relation directe entre la PaO₂ et la quantité dissoute.

Exemple : lorsque la PaO₂ est de 100 mmHg, il y a 0.3 ml d’O₂ dissous par 100 ml de sang.

On ne peut pas vraiment augmenter la pression partielle artérielle en O₂, mais en inspirant de l’O₂ pure par une machine, la PaO₂ va augmenter et alors l’O₂ dissous va augmenter aussi.

Nous avons 5 L de sang et une PaO₂ de 100 mmHg. Ainsi, 15 ml  d’O₂ est dissous dans le sang. Puisque notre consommation d’O₂ au repos est de 250ml/min, nous devons avoir un autre moyen de transport de l’O_2.

Combinée

La quantité d’oxygène dissoute dans le sang est insuffisante pour satisfaire les besoins en O₂ de l’organisme. Il existe cependant dans le sang de l’hémoglobine qui permet au sang d’# sa capacité de transport par un facteur 100.

L’hémoglobine est une molécule de haut poids moléculaire composée d’hème et de globine. La globine contient 4 chaînes d’acides aminés dont chacune lie un groupement hème qui est composé d’un groupe porphyrine et de fer. C’est sur la molécule de fer que se fixe l’oxygène. La concentration normale de l’hémoglobine dans le sang est de 15g/100ml de sang.

Chaque molécule d’hémoglobine peut se combiner avec 4 molécules d’O₂. L’affinité de l’O₂ pour l’hémoglobine est proportionnelle au nombre de molécules d’O₂ déjà présentes sur l’hémoglobine. Ainsi, c’est fixer la 1^e molécule d’O₂ qui est plus difficile.

Le % des sites de transport de l’O₂ qui sont occupés est défini comme le % de saturation de l’hémoglobine. 

1 g d’hémoglobine a la capacité de transporter 1.34 ml d’oxygène lorsque saturé à 100%.

Il existe une relation directe, mais non linéaires entre la P_aO₂  et la saturation. Cette relation est définie par la courbe de dissociation de l’oxyhémoglobine.

À partir d’un PO₂ à 60 mmHg, il faut faire attention car la saturation peut rapidement diminuer de beaucoup    

Une saturation à 97% est normale. Il faudrait augmenter la P_aO₂ de beaucoup pour saturer à 100%. La pression partielle veineuse en O₂ est d’environ 40 mmHg, ce qui donne une saturation à 75%. Ainsi, on ne se promène jamais avec des saturations à 0.

Il existe une portion de la courbe (PaO₂ [20 et 60] mmHg) où un changement minime de la PaO₂ occasionne un changement important de la saturation. L’hémoglobine est avide d’O_2.

La courbe de dissociation de l’hémoglobine peut se déplacer vers la droite ou vers la gauche dans certaines conditions. Un déplacement vers la droite signifie que, pour une PaO₂ donnée, la saturation en l’hémo-globine est plus basse. La courbe est déplacée vers la droite lorsque :

- Concentration d’ions H⁺ augmente

- PaCO₂ augmente

- Température augmente

-  2-3 DPG augmente – compétition avec l’O₂ pour fixation sur l’hémoglobine

• Anémie
• Hyperthyroïdie
• Hypoxémie associée à un MPOC
• L’altitude
• L’insuffisance cardiaque
• L’exercice exténuant chez le sujet normal

Le déplacement de la courbe vers la droite fait en sorte que l’Hémoglobine est moins avide de l’O₂ et le libère donc plus facilement aux tissus.

Un déplacement vers la gauche signifie que pour une PaO₂ donnée, la saturation de l’hémo-globine est plus élevée. La courbe est déplacée vers la gauche dans les circonstances inverses. Ces conditions sont retrouvées au niveau du poumon. Le déplacement de la courbe vers la gauche fait en sorte que l’Hémoglobine est plus avide de l’O₂. Ce qui est important au niveau des poumons.

Ainsi, un déplacement de la courbe vers la gauche tend à diminuer la libération de l’oxygène aux tissus alors qu’un déplacement vers la droite tend à augmenter la libération aux tissus. Il y a donc un changement d’affinité de l’hémoglobine. Elle est augmentée dans les poumons et diminuer dans les tissus. La P₅₀ est la PaO₂ à laquelle la saturation est de 50%. La P₅₀ normale est de 26 mmHg.

Contenu artériel en O₂ – CaO₂

C’est le volume d’O₂ présent dans le sang artériel

CaO₂ est la somme de l’O₂ dissous et de l’O₂ lié à l’hémoglobine.

O₂ dissous = P_aO₂ x 0.003

O₂ lié = Hb x (1.34 ml d’O₂/g Hb) x %saturation

Calcul: si la PaO₂ est de 100 mmHg et que l’Hb est de 15 g/100 ml

O₂ dissous = 100 x 0.003 = 0.3 ml/100 ml

O₂ lié = 15 x 1.34 x 0.98 = 19.7 ml/100 ml

O₂ total = 0.3 + 19.7 = 20 ml/100 ml

Ainsi pour un contenu sanguin de 5 litre, on retrouve 1000 ml d’O₂

Dans le sang artériel, 2% de l’O₂ est transporté sous forme dissoute alors que 98% est sous forme liée à l’hémoglobine.

Contenu veineux en O₂

La PvO₂ est autour de 40 mmHg

O₂ dissous = 40 x 0.003 = 0.12 ml/100 ml

O₂ lié = 15 x 1.34 x 0.75 = 15.08 ml/100 ml

O₂ total = 0.12 + 15.08 = 15.2 ml/100 ml

Ainsi pour un contenu sanguin de 5 litre, on retrouve 760 ml d’O₂

La différence de contenu en O₂ entre le sang artériel et le sang veineux est d’environ 5 ml/100 ml de sang.

Équation de Fick

Elle décrit la relation entre le débit cardiaque (Q), la différence de contenu artério-veineux (Ca-vO₂) et la consommation d’oxygène (VO₂)

VO₂ = Q x (Ca-vO₂)

Chez un individu normal au repos, le débit cardiaque est d’environ 5L/minute. La Ca-vO₂ de 5 mlO₂/ 100 ml de sang et la quantité d’oxygène consommée par les tissus de 250ml/min. Si le sang artériel contient 20 ml/100ml, un débit cardiaque de 5 L/min permet donc de transporter 1000 mlO₂/minute vers la périphérie. Si 250 ml sont consommés, il en reste donc 750 ml inutilisés. Ceci explique que le sang veineux contient encore 15 mlO₂/100 ml de sang. L’hémoglobine n’a pas la capacité de libérer complètement son O₂ en périphérie.

À retenir :

C’est la PaO₂ qui détermine la perfusion tissulaire.

Une PaO₂ donnée correspond à un % de saturation et donc une quantité d’oxygène transportée.

Plus la PaO₂ est élevée, plus la saturation est élevée, mais la relation n’est pas linéaire.

Le sang veineux contient beaucoup d’oxygène (environ 75% du contenu au sang artériel).

Respiration interne

Le sang artériel qui est distribué dans l’organisme a une concentration relativement homogène d’oxygène. La consommation d’O₂ varie d’un tissu à l’autre et le degré d’extraction est très variable.

Exemple : la Ca-vO₂ du cœur est de 11mlO₂/100ml de sang alors qu’elle n’est que de 1mlO₂/100ml de sang pour la peau.

Les organes qui consomment peu d’O₂ utilisent généralement le débit sanguin pour des fonctions autres que l’oxygénation comme la régulation thermique pour la peau ou la filtration pour le rein. L’oxygène au niveau tissulaire est principalement utilisé dans le cycle de Krebs. En l’absence d’O₂, l’organisme fonctionne en anaérobie. Il s’agit d’un mécanisme très peu efficace qui génère peu d’ATP et qui entraîne une acidémie. L’hypoxie survient lorsque l’O₂ n’est pas en quantité suffisante pour rencontrer les besoins d’un tissu. On a estimé que ceci survient lorsque la PO₂ à l’intérieur de la mitochondrie est inférieure à 7 mmHg.

Physiologie du dioxyde de carbone – CO₂

Production de CO₂

La VCO₂ dépend de la quantité et de la nature du métabolisme. Au repos, un individu normal consomme 250 ml d’O₂/minute et produit 200 ml de CO₂/minute.

Le ratio VCO₂/VO₂ est appelé le « Quotient Respiratoire » et est d’environ 0.8.

La consommation d’oxygène (VO₂) et la production de dioxyde de carbone (VCO₂) peuvent # par un facteur de 15 à 20 chez un individu normal durant l’exercice. La VCO₂ et la VO₂ peuvent # à 3000 ou 4000 ml par minute.

Le système de régulation entre la production tissulaire de CO₂ et l’élimination réside surtout dans les changements de ventilation. Lorsque plus de CO₂ se présente au poumon, le sang artériel devient plus riche en CO₂. Ceci a pour effet de stimuler les centres respiratoires cérébraux et d’# la ventilation.

Si plus d’air entre ou sort des poumons, la ventilation à l’intérieur de l’alvéole augmente, ce qui fait diminuer PACO₂ et le CO₂ peut diffuser plus facilement du sang à l’alvéole et être éliminé.

PaCO₂ α

Cette équation démontre que si la production de CO₂ augmente, le seul moyen pour maintenir la PaCO₂ constante est d’augmenter la ventilation.

Il est important pour l’organisme de maintenir la PaCO₂ constante parce que toute variation entraîne des modifications importantes dans la concentration des ions H⁺ dans le sang (voir + loin)

Ventilation alvéolaire

Il faut distinguer la ventilation alvéolaire de la ventilation totale ou ventilation minute.

La ventilation minute se calcule en mesurant le volume courant (volume de chaque respiration) par la fréquence respiratoire par minute.

Ve = Vt x Fr

La Ve ne donne cependant pas une idée exacte de la ventilation qui se rend aux alvéoles et qui participe aux échanges gazeux. Effectivement, une partie de l’air demeure dans l’espace-mort. Le Ve comprend la ventilation alvéolaire (VA) ainsi que la ventilation de l’espace-mort (VD)

Pour évaluer si la ventilation est adéquate, il est préférable de mesurer la PaCO₂. Tel que démontré par l’équation en-haut, la PaCO₂ est inversement proportionnelle à la ventilation alvéolaire.

Une respiration normale à un volume de 500cc. Environ 150cc ne participe pas aux échanges gazeux et constituent le volume d’espace-mort.

Transport du CO₂

Le transport du CO₂ a des caractéristiques tout à fait particulières surtout en raison de son étroite relation avec l’équilibre acido-basique.

Le CO₂ est transporté dans le sang sous 4 formes :

• CO₂ dissous
• Acide carbonique (H₂CO₃)
• Ion bicarbonate (HCO₃^-)
• Composés carbamino

CO₂ dissous

La quantité de CO₂ dissous dans le sang est proportionnelle à la pression partielle du gaz (PaCO₂) et à son coefficient de solubilité. La PaCO₂ est à 40 mmHg et le coefficient de solubilité est de 0.072 ml de CO₂/mmHg/100ml de sang. On retrouve 2.9 ml de CO₂/100ml de sang (+# que l’oxygène)

8% du CO₂ est transporté sous forme dissoute.

Acide carbonique – H₂CO₃^-

Le CO₂ dissous peut se combiner avec l’eau pour former de l’acide carbonique

CO₂ + H₂O à H₂CO₃^- à HCO₃^- + H^-

Même si H₂CO₃^- est le composé intermédiaire majeur de cette réaction, il existe en très petite quantité dans l’organisme. Il y a 0.006 ml de H₂CO₃^- /100ml de sang. Il y a 340 fois plus de CO₂ sous forme dissoute que sous forme de H₂CO₃^-.

Ion bicarbonate – HCO₃^-

L’ion HCO₃^- compte pour 80% du transport du CO₂ dans l’organisme.

Ceci est possible par deux mécanismes :

• L’anhydrase carbonique
• Le transfert des chlorures

L’anhydrase carbonique est une enzyme qui se retrouve dans les globules rouges et qui active la réaction : CO₂ + H₂O à H₂CO₃^- à HCO₃^- + H^-

L’anhydrase carbonique a pour effet de déplacer la réaction vers la droite et de favoriser la formation de HCO₃^-. Elle active la réaction par un facteur de 13000 fois. Cette réaction se déroule dans le globule rouge. Le CO₂ diffuse des tissus vers le plasma vers le GR. L’ion H⁺ ne peut s’accumuler pour la cellule, puisqu’il est dangereux. Il se lie à l’hémoglobine. L’ion HCO₃^- sort du globule rouge et diffuse dans le plasma. Il est remplacé par un ion Cl^- qui passe du plasma vers le globule rouge afin de conserver son électroneutralité.

Au niveau pulmonaire, c’est le mécanisme inverse qui se produit. L’anhydrase carbonique favorise la réaction inverse. Ainsi, les ions bicarbonate sont captés dans le globule rouge, en échange d’un ion Cl^-. L’ion H⁺ est libéré de l’hémoglobine afin de permettre la réaction qui mènera à la formation de CO₂ qui sera transporté de l’intérieur du globule rouge vers le plasma où il pourra être éliminé par les poumons.

Composés carbamino

Une petite quantité de CO₂ est transportée dans le plasma liée à des protéines. Le CO₂ réagit avec un groupement amino situé sur la protéine. Une protéine qui transporte du CO₂ est appelée un groupement carbamino. Seulement 2% du CO₂ est ainsi transporté.

Le CO₂ peut aussi se combiner avec la protéine globine de l’hémoglobine. Cette liaison s’effectue à des sites différents de l’oxygène qui se fixe sur la portion hème de l’hémoglobine.

L’hémoglobine peut donc transporter à la fois de l’O₂ et du CO₂. L’affinité de l’hémoglobine est cependant inversement proportionnelle à la quantité d’oxygène présente. Ainsi, l’affinité de l’Hb # lorsque celle-ci est désaturée en oxygène. De façon inverse, l’hémoglobine qui transporte du CO₂ à moins d’affinité pour l’oxygène. 10% du CO₂ est transporté sous forme de groupement carbamino-hémoglobine.

	Sang artériel		Sang veineux
	Pression (mmHg)	Contenu (ml/100ml)	Pression (mmHg)	Contenu (ml/100ml)
O2	90	20	40	15
CO2	40	48.5	46	52.5

La différence de pression partielle entre le sang artériel et le sang veineux est beaucoup plus élevée pour l’oxygène que pour le CO₂. La différence de contenu artério-veineux est toutefois semblable. Ceci est dû au fait que le CO₂ est beaucoup plus soluble que l’oxygène.

À retenir :

Le CO₂ est transporté sous 4 formes

Le volume de CO₂ dissout est plus élevé que le volume d’oxygène dissout.

Il y a très peu de H₂CO₃ dans le sang, mais toute molécule de HCO₃^- doit passer par cette forme.

L’ion bicarbonate est le moyen de transport privilégié du CO₂.

Le volume de CO₂ transporté par le sang artérielle (48ml/100ml) est beaucoup plus élevé que le volume d’oxygène (20ml/100ml).