Meccanismi di difesa polmonari e le peculiarità dell’apparato respiratorio

Prof. Tommaso Todisco Primario di Pneumologia.

Se paragoniamo il polmone ad una autostrada di importanza strategica,   via maestra  di comunicazione dell’organismo, molto frequentata per il trasporto di   gas inerti e non, polveri, vapori, nebbie, fumi, particelle più o meno sottili, sangue, linfa, secrezioni ed altri liquidi di vario genere nonché di varie sostanze chimiche coinvolte come mediatori nella regolazione del circolo polmonare e sistemico e nei processi di difesa dell’organismo e se consideriamo che l’apparato respiratorio è in prima linea ed a  diretto contatto con l’atmosfera e l’ambiente nel quale viviamo, si comprende perché  sia  stato dotato di efficienti e resistenti meccanismi di controllo e difesa  a salvaguardia della sua vitale funzione.

Questa importante arteria percorsa da flussi continui di traffico ematico ed aereo, serve per trasportare la principale risorsa per la vita, quale è l’ossigeno e ad espellere scorie volatili quali l’anidride carbonica, ossidi endogeni (NO) ed esogeni (CO), alcool, sostanze aromatiche, microorganismi, ecc ed il suo funzionamento si può descrivere, appunto, attingendo alla terminologia dei servizi logistici e veicolare stradale.

Paragonando dunque le vie aeree ad una rete autostradale di vitale importanza per il “paese” organismo si scopre che è dotato di una perfetta organizzazione, unica nel suo genere dove il traffico è regolato proprio come in una rete autostradale:

 

All’ingresso della rete  esiste un convogliamento in” transito obbligato “per la totalità del   sangue che viene pompato dal cuore (circa 7200 litri/24 h: 5 litri/ minuto x 60min x 24 h) verso i polmoni contrariamente a quanto accade per tutti gli altri organi che ricevono soltanto una frazione variabile della portata cardiaca. Il sangue viene così arricchito di ossigeno ed impoverito di anidride carbonica.

Le vie aeree sono dotate di una “corsia preferenziale” di transito rapido per gas e molecole (ossigeno, anidride carbonica, idrogenioni..) per il controllo dell’omeostasi dell’organismo (equilibrio acido-base) 100 volte più rapidamente (in minuti) di quanto avvenga in altri organi emuntori quali il rene, il fegato, l’intestino e la pelle dove meccanismi omeostatici si realizzano nel corso di giorni. In questa corsia riservata sia il traffico di sangue che di aria può essere aumentato in pochi secondi di oltre 10 volte secondo le necessità metaboliche senza che si verifichi nessun ingorgo o ritardo di circolazione poiché la viabilità dei bronchi e dei vasi si può espandere reclutando aree normalmente non utilizzate ed attivando una infinità di cortocircuiti o di strade accessorie. La corsia preferenziale per i gas ed il sangue rimane sempre libera anche quando il traffico bronchiale e vascolare polmonare è compromesso. Per tale motivo l’insufficienza respiratoria (ipossiemia, ipercapnia ed acidosi respiratoria) si instaura solo nelle forme avanzate e terminali di molte patologie ostruttive e restrittive delle vie aeree e vascolari polmonari.

Le vie aeree sono dotate di un moderno sistema” semaforico” tipo” telepass” azionato da meccanismi di “feedback” neuro-chimico in grado di adeguare istantaneamente la circolazione di sangue e dei gas alle necessità dei distretti periferici dell’organismo con rapida ridistribuzione della circolazione ematica verso le zone polmonari meglio raggiunte dal traffico d’aria. Questi riflessi sono tutti riconducibili alla interazione ipossia alveolare-ipercapnia-acidosi-alcalosi respiratoria. Gli idrogenioni come l’ossigeno e la anidride carbonica sono autorizzati a superare le barriere emato-encefalica-liquorale per raggiungere istantaneamente il centro respiratorio (SNC). Il centro respiratorio è paragonabile ad una stazione di monitoraggio tipo “Tutor” (con verifica istantanea degli ingressi in transito) situato nel bulbo e nel ponte encefalico e nel sistema arterioso. Nel centro respiratorio il sangue arterioso proveniente dal polmone libera nel liquido cefalo-rachidiano l’ossigeno e, 20 volte più velocemente, l’anidride carbonica oltre che i lattati, i piruvati, gli ioni idrogeno ed i bicarbonato-ioni. Contemporaneamente nelle arterie il sangue “arterioso” ricco degli stessi elementi chimici va a perfondere e stimolare i chemiocettori dei corpi carotidei posti lateralmente alla biforcazione delle carotidi comuni, ed i corpi aortici posti sull’arco dell’aorta, e si integrano   con l’azione vasoregolatoria polmonare di angiotensina II, adrenalina, serotonina, endotelina che sono tutti dotati di regolare rapidamente la circolazione polmonare.

La rete viaria bronchiale è dotata di innumerevoli stazioni di servizio (gli alveoli) che offrono una superficie di scambio di oltre 200m² (superficie enorme se si pensa che la superficie corporea di un uomo alto 170 cm e del peso di 70 Kg è solo di 1,8 m²) per favorire  scambi tra  la totalità sangue circolante e l’aria che  incessantemente  affluisce e defluisce dai polmoni. Gli alveoli sono dotati di servizi igienici per l’eliminazione rapida di scorie varie quali la anidride carbonica- 20 volte più solubile e diffusibile dell’ossigeno-, l’ossido di carbonio, radicali liberi tossici, alcool. Gli alveoli sono anche un punto di ristoro dove l’emoglobina del sangue si rifornisce di ossigeno e di mediatori chimici.

Esiste una sistema di “condizionamento d’aria” che adegua la qualità dell’aria respirata in termini di temperatura, umidità, purezza e composizione chimica.  Perchè il condizionamento dell’aria sia ottimale la via d’ingresso deve essere quella nasale. Infatti la respirazione orale a lungo andare danneggia le vie aeree inferiori perché sottrae aria al trattamento condizionante del naso. La respirazione è paragonabile ad un flusso di aria (ventilazione) in entrata ed in uscita dal polmone di circa 3,6 L al minuto pari a 5184 Litri/24h sufficienti ad arieggiare, ossigenandolo e purificandolo, un torrente di sangue polmonare di circa 7200 litri/24.

Esiste un meccanismo di” smaltimento dei rifiuti” 24h con trasporto automatico (depurazione muco-ciliare) su di un “nastro trasportatore” (le ciglia vibratili) del muco prodotto goblet cells dell’epitelio ciliato. Il muco è formato da glicoproteine, IgA, lattoferrina, lattoperossidasi, lisozima ed altre molecole a funzione antimicrobica. Il muco intrappola e trasporta, rimuovendolo dall’albero respiratorio, ogni tipo di materiale inalato (spazzatura e rifiuti). Le particelle inalate < di 3 µ passano nei bronchioli mentre quelle > di 3µ vengono filtrate dal naso ed a livello delle grandi vie aeree a seconda della grandezza. Le PM 10 si fermano nelle grandi vie aeree.

La depurazione mucociliare tracheobronchiale

Sinonimi: clearance mucociliare (CMC), trasporto mucociliare.

L’epitelio ciliato delle vie aeree si estende dal naso fino ai bronchioli terminali. Le ciglia vibratili battono come spighe di grano mosse dal vento,  rapide e forti  in senso orale  centripeto e deboli e lente nella fase di ritorno con una frequenza di battito pari a 1000  al minuto,  trasportando il  tappeto mucoso, nel quale sono immerse, alla velocità di 20 mm/min. Così, in condizioni normali,  circa 100ml di muco, come trasportati dai rulli di un nastro trasportatore,  giungono a livello della laringe dove incosciamente vengono deglutiti (80%) od espettorati,

Tramite questo nastro trasportatore il materiale secreto dalle ghiandole mucipare bronchiali (muco) ed il materiale inalato di vario genere (polveri, particelle microrganismi, fibre minerali e vegetali, molecole di derivazione minerale..) viene veicolato all’esterno. Il meccanismo MC funziona in maniera ottimale in presenza di una normale concentrazione di ossigeno (O₂) e di anidride carbonica (CO₂) infatti la sua funzione di trasporto può essere compromessa sia dalla ipossia/iperossia che dalla ipercapnia.Inoltre il meccanismo della tosse è un ausiliario aiuto che interviene nella rimozione meccanica di materiali endogeni ed esogeni occupanti spazio nei bronchi. Infatti la tosse interviene quando i bronchi sono intasati di secrezioni o di altri materiali estraneo che il sistema mucociliare non è stato in grado di espellere. La clearance mucociliare è eccitabile da parte del SN simpatico e depressa dal parasimpatico. Tra gli altri fattori che ne aumentano l’efficienza meccanica vi sono l’iperventilazione tipica dell’attività fisica, l’inalazione di vapore caldo, aerosol di farmaci adrenergici, colinergici e mucolitici e la somministrazione di metil-xantinici, mucolitici a base di acetilcisteina, carbossimetilcisteina, bromexina, letosteina o l’inalazione di sostanze irritanti che provocano anche la tosse. Nella popolazione generale normale l’efficienza della CMC nasale e tracheobronchiale è ottimale in alcuni soggetti e meno in altri e la distribuzione della frequenza della funzione è di tipo bimodale indicando l’esistenza di due diverse popolazioni di soggetti: la maggior parte con alta efficienza ed una minoranza con una funzione scarsa. Non si conoscono i motivi di ciò ma un motivo potrebbe risiedere in fattori congeniti od acquisiti in età prenatale od in tenera età. I pazienti che inizialmente erano dotati di una CMC efficiente, quando vengono colpiti da broncopneumopatia ostruttiva presentano abbondante ipersecrezione bronchiale e tosse. Al contrario i soggetti dotati di una modesta funzione mucociliare presentano sintomi respiratori legati alla broncostrizione senza peraltro presentare ipersecrezione e tosse produttiva  (T. Todisco et al: La clearance mucociliare tracheobronchiale. Rec.Progr.in Med.1981,21,400-404; Tommaso Todisco et al.: Pulmonary mucociliary clearance. The Lancet, 15 May 1982, Vol.1, 1129; Tommaso Todisco et al.: Mucus hypersecretion, airways obstruction. The Lancet, 7 April 1984 Vol 1 , 801).

Le abitudini di vita che a lungo termine compromettono definitivamente la CMC sono il tabagismo, l’alcolismo, l’inalazione occupazionale di minerali, ossidi, perossidi e aldeidi, di solventi, detergenti ed idrocarburi. Le malattie respiratorie che si associano ad una compromessa clearance mucociliare sono congenite ed acquisite. Tra le congenite vi è la sindrome di Kartagener, la malattia delle ciglia immobili, le bronchiectasie e le malformazioni o displasie polmonari; tra le malattie acquisite vi è la BPCO, l’asma bronchiale, l’enfisema polmonare e le infezioni acute virali e batteriche, tutte responsabili di infiammazione cronica. La tracheobronchite acuta infettiva (causata da virus respiratori nel 60% dei casi e da batteri nella restante casistica) compromette la CMC in maniera transitoria con restitutio ad integrum durante la guarigione.

La CMC serve ad espellere le secrezioni bronchiali anche con l’aiuto della tosse. Si veda a tal proposito il film allegato che dimostra dal vivo il transito del catarro dai bronchi alla trachea. (FILM dal vivo realizzato con il metodo di radioaerosol di globuli rossi autologhi marcati con 99m- Tcn).

Infine esiste un servizio di “disinfestazione e sterilizzazione” delle vie aeree in termini di batteriostasi e sterilizzazione (enzimi, defensine, surfactante, macrofagi alveolari ecc).

Le particelle organiche inalate (pollini ed altre polveri vegetali e microrganismi) vengono immediatamente sottoposte a digestione triplica ad opera di enzimi proteolitici quali la tripsina e la PZ peptidasi, normalmente presenti nel muco (T. Todisco et al. Biodegradability of inhaled organic particles in patients with chronic bronchitis, Respiration 51:196-204 1987). I microrganismi inalati vengono poi fagocitati dai macrofagi, dai monociti e dai granulociti circolanti presenti nel ricco microcircolo broncoalveolare. I macrofagi rappresentano la popolazione cellulare residente prevalente (>80%) delle vie aeree e degli alveoli (T. Todisco et al: Comparative oxidative microbicidal activity of human blood monocytes and alveolar macrophages and activation by recombinant gamma interferon. AM. Rev. Resp. Dis. 1988, 137, 88:1246). Quando questi meccanismi di depurazione sono inefficienti come accade nella BPCO, nelle polmoniti e nel cancro del polmone, allora nelle vie aeree si accumulano detriti cellulari, sostanze ossidanti e scorie che ingombrano le vie dando luogo a bronchiti e polmoniti che rappresentano vere discariche “abusive” dove si accumula il materiale che avrebbe dovuto essere asportato e distrutto.

 

 Letture consigliate 

1. M. Maurizi, T. Todisco, G. Paludetti, M. Dottorini: Affezioni rino-sinuso-bronchiali. Fisiopatologia e Clinica Edizioni Scientifiche Valeas 1988.
2. T. Todisco et al: La clearance mucociliare tracheobronchiale. Rec.Progr.in Med.1981,21,400-04.
3. T. Todisco et al.: Pulmonary mucociliary clearance. The Lancet, 15 May 1982, Vol.1, 1129.
4. Tommaso Todisco et al.: Mucus hypersecretion, airways obstruction. The Lancet, 7 April 1984 Vol 1, 801).
5. T. Todisco: Surfactants and enzymes in respiratory mucus. The Lancet 1986, 8504, II 468.
6. T Todisco et al.: Biodegradability of inhaled organic particles in patients with chronic bronchitis. Respiration 1987 51:196-204.
7. Todisco et al: Fate of human albumin microsphere and spherocyte radioaerosols in the human tracheobronchial tree. Lung 168, 665–671 (1990)
8. T. Todisco et al: Comparative oxidative microbicidal activity of human blood monocytes and alveolar macrophages and activation by recombinant gamma interferon. AM. Rev. Resp. Dis. 1988, 137, 88:1246).
9. T. Todisco et al: Impairment of blood neutrophil and AM candidacidal activity in COPD patients with recurrent infectious exacerbation and defective delayed cutaneous reactivity. Am Rev Resp Dis 1989, 139, 4,2, A 456.