Ipossiemia, ventilazione e perfusione: quello che è vero e quello che non può essere vero (nonostante tutti lo dicano)

Proseguiamo l'analisi delle cause di ipossiemia. Dopo ipoventilazione (post del 30/06/2012) e shunt (post del 14/08/2012), è giunto il momento della causa "regina" (cioè la più frequente) di ipossiemia: il mismatch ventilazione/perfusione. Preferisco usare il termine inglese "mismatch" ("accoppiamento sbagliato") perchè rende benissimo l'idea. Le condizioni cliniche in cui vi è ipossiemia con mismatch ventilazione/perfusione sono di comune riscontro quotidiano: polmonite, ARDS, edema polmonare acuto, asma, broncopneumopatia cronica ostruttiva, ecc. Praticamente tutte le forme di insufficienza respiratoria acuta.

Ventilazione e perfusione in fisiologia sono un po' come domanda e offerta in economia: se c'è equilibrio tra le due componenti non c'è problema, altrimenti può essere un disastro (da ricordarsi sempre però che quando c'è la salute, c'è tutto!).

Figura 1

Quello che è vero.

Ripercorriamo brevemente il processo di ossigenazione del sangue. Il sangue venoso arriva all'inizio dei capillari polmonari, che formano una fitta rete attorno agli alveoli (figura 1), con una pressione parziale di ossigeno di circa 40 mmHg (in fisiologia). Gli alveoli contengono l'ossigeno che proviene dal gas inspirato, la cui pressione parziale è di circa 100 mmHg in un soggetto sano che respira aria (vedi post del 30/06/2012).  Il sangue dei capillari è separato dal gas alveolare da un sottilissimo strato di circa 0.3 µm (cioè millesimi di millimetro), composto da endotelio capillare, interstizio ed epitelio alveolare (figura 2): anche il confronto con la dimensione dei globuli rossi (RBC) ci fa capire quanto sia minima la distanza tra gas e sangue. Attraverso questa impalpabile membrana alveolo-capillare avviene rapidamente il passaggio di ossigeno dall'alveolo al sangue capillare.

Figura 2

Nel polmone sano, al termine del percorso nel capillare polmonare, il sangue capillare e l'alveolo raggiungono l'equilibrio delle pressioni parziali di ossigeno, in particolare la PO₂ capillare diventa uguale a quella alveolare, cioè circa 100 mmHg (sempre in fisiologia).

Questo risultato non è possibile però quando il volume dell'alveolo diventa insufficiente rispetto al flusso capillare: in questo caso si ha mismatch ventilazione/perfusione (oggi non parleremo del mismatch con volume alveolare eccessivo rispetto alla perfusione). La conseguenza è l'ipossiemia.

Figura 3

A lato ho cercato di schematizzare questo un mismatch tra ventilazione e perfusione (figura 3). Nella condizione A è rappresentato in sezione un alveolo (in bianco) con le sue molecole di O₂ (in blu). Attorno all'alveolo passano 4 capillari, disegnati in sezione (in rosso). Possiamo assumere questa condizione come la normalità: alveolo grande, tanto ossigeno, capillari piccoli (rivedi anche la parte sinistra della figura 2).  Il sangue capillare (PO₂ 40 mmHg) richiama ossigeno dall'alveolo (PaO₂ 100 mmHg) finchè tra le due strutture non si stabilisce la stessa pressione parziale (quella dell'alveolo). E' intuitivo quanto sia facile equilibrare le pressioni parziali di O₂ tra alvelolo e capillari: l'alveolo ha un elevata quantità di O₂ che viene peraltro continuamente rifornita dalla ventilazione. Nella condizione B abbiamo invece un alveolo molto più piccolo. Quindi, a parità di pressione parziale, le molecole di O₂ saranno molte meno rispetto alla condizione A. Il sangue venoso (con la sua PO₂ di 40 mmHg) richiama ancora ossigeno dall'alveolo, che però diviene un serbatoio insufficiente che si svuto senza consentire di "fare il pieno" di ossigeno al sangue capillare. La conseguenza è la riduzione della PO₂ nel sangue che esce dal capillare polmonare nella condizione B rispetto alla condizione A. Nella condizione C avviene lo stesso fenomeno della condizione B, ma in questo caso la causa non è la riduzione del volume alveolare ma l'aumento del flusso capillare: il risultato non cambia, la perfusione è comunque in eccesso rispetto alla ventilazione ed il risultato è l'ipossiemia. (L'esemplificazione in questo caso è solo qualitativa e non quantitativa per semplicità.)

In pratica, le condizioni che riducono il volume di gas alveolare (edema e infiammazione alveolare, elevate resistenze, elevata elastanza) o aumentano la perfusione  (elevata portata cardiaca)  danno quindi mismatch ventilazione/perfusione con  ipossiemia. Viceversa quanto aumenta il volume di gas alveolare (ad esempio con la PEEP) o si riduce la perfusione (ad esempio con la PEEP o per effetto della vasocostrizione polmonare ipossica), si riduce il mismatch ventilazione/perfusione con correzione dell'ipossiemia ad esso associata.

Quello che non può essere vero (nonostante tutti lo dicano).

Analizziamo ora però quello che non può essere vero, nemmeno se lo dicono tutti (ma proprio tutti) i libri di fisiologia (perfino il mio amatissimo Nunn's Applied Respiratory Physiology!).

Di solito il mismatch ventilazione/perfusione viene associato al rapporto ventilazione/perfusione. Ma, a mio modo di vedere, sono due concetti molto diversi e confonderli è concettualmente e clinicamente sbagliato: il rapporto ventilazione/perfusione non spiega l'ipossiemia da mismatch ventilazione/perfusione.

Il rapporto ventilazione/perfusione è il rapporto tra ventilazione alveolare ( V_A) e portata cardiaca (Q). La ventilazione alveolare è circa 4 l/min, la portata cardiaca circa 5 l/min, quindi il  V_A/Q è in 0.8. Questo 0.8, peraltro, è un valore medio perchè, per l'ineguale distribuzione di ventilazione e perfusione nelle varie regioni del polmone, il V_A/Q è superiore a 3 agli apici polmonari ed è circa 0.6 alle basi (figura 4).

Figura 4

Fino a qui tutto vero. Si dice però che quando il rapporto ventilazione/perfusione (il  V_A/Q) si riduce si ha ipossiemia senza ipercapnia (figura 5, freccia verso sinistra: "Decreasing V_A/Q"). Ma questo non può essere vero se ragioniamo sull'equazione V_A/Q.

Figura 5

Infatti, quando la riduzione del V_A/Q è determinata dalla diminuzione ventilazione alveolare V_A, dovremmo avere un marcato incremento della PaCO₂ con una riduzione minima della PaO₂ (vedi post del 30/06/2012), tutto il contrario di quanto abbiamo appena visto nella figura 5: evidentemente una contraddizione che mette fuori gioco il V_A/Q come spiegazione del mismatch ventilazione/perfusione. Inoltre, se ragionassimo in termini di V_A/Q, per aumentarlo (e correggere l'ipossiemia secondo la visione tradizionale), potremmo incrementare la V_A con l'aumento del volume corrente: un errore a 360°. Infatti avremmo riduzione della PaCO₂ più che un aumento della PaO₂, e probabilmente un maggior rischio di ventilator-induced lung injury.

L'applicazione della PEEP è invece la mossa giusta per migliorare il mismatch ventilazione/perfusione nei pazienti con insufficienza respiratoria acuta. La PEEP modifica principalmente la capacità funzionale residua più che il V_A/Q (figura 6): un'altra incongurenza dell'equivalenza tra mismatch ventilazione/perfusione e rapporto ventilazione/perfusione V_A/Q.

Figura 6.

Quindi la "ventilazione" del mismatch ventilazione/perfusione non può essere la "V_A" del V_A/Q. Nel mismatch ventilazione/perfusione per ventilazione dobbiamo genericamente intendere  i volumi di gas alveolari disponibili per lo scambio gassoso, prevalentemente legati alla capacità funzionale residua (cioè al volume dei polmoni a fine espirazione) più che alla ventilazione alveolare V_A (cioè le variazioni cicle dovute agli atti respiratori).

A questo punto, se mi chiedete cosa farsene del V_A/Q nella pratica clinica, mi mettete veramente in difficoltà...

In conclusione, il mismatch ventilazione perfusione è presente in quasi tutte le ipossiemie che vediamo nelle insufficienze respiratorie acute. Esso dipende dalla riduzione della capacità funzionale residua: la PEEP è la misura terapeutica appropriata , mentre l'aumento della ventilazione alveolare attraverso la modificazione del volume corrente è la scelta peggiore. Il  rapporto ventilazione/perfusione V_A/Q non sembra essere un modello fisiologico utile per interpretare l'ipossiemia da mismatch ventilazione/perfusione.

Un saluto a tutti. A presto.

Bibliografia.

- Lumb AB. Nunn’s Applied Respiratory Physiology. Churchill Livingstone, 7th edition (2010)

- Guyton AC, Hall JE. Textbook of medical physiology. 10th ed. WB Saunders C (2000)

- Hedenstierna G. Respiratory Physiology. In:  Miller's Anesthesia 7th ed. Eds: RD Miller. Churchill Livingstone 2010, pag 361-91.