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UE12- Appareil respiratoire Pr C DELCLAUX 6/02/18 de 13h30 à 15H30 Ronéotypeuse: FONTANIE CLAIRE Ronéoficheuse: BORSOTTO FLORIANE

Cours 6 : Ventilation alvéolaire, transfert alvéolo-capillaire

Adresse mail du professeur : christophe.delclaux@aphp.fr

Notations: V correspond à un débit et est noté dans le diapo du professeur.

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Plan du cours :

I) Ventilation alvéolaire et hypoxémie par hypoventilation alvéolaire

A) Compositon de l’air ambiant et de l’air inspiré

B) Composition du gaz alvéolaire

C) Hypoxémie par hypoventilation alvéolaire

II) Transfert alvéolo-capillaire et hypoxémie par trouble de diffusion

A) Généralités sur le transfert alvéolo- capillaire

B) Transfert alvéolo capillaire

C) Hypoxémie du trouble de diffusion

III) Transport des gaz : O2 et CO2 Rappels de PACES

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I) Ventilation alvéolaire et hypoxémie par hypoventilation alvéolaire

Les tissus consomment de l’O2 et produisent du CO2.Ces gaz sont transportés par voie vasculaire. Ce processus nécessite une ventilation qui correspond à un débit ventilatoire exprimé en L/min. La ventilation alvéolaire correspond à la ventilation qui implique les espaces alvéolaires (càd là où les échanges gazeux vont se faire. Les espaces alvéolaires ne comprennent pas les espaces morts anatomiques, les bronches). Les échanges gazeux correspondent à la partie de la ventilation qui renouvelle différents gaz présents dans les alvéoles (ventilation alvéolaire).

La convection permet le transport d’un certain nombre de molécules à travers les voies aériennes (ventilation) et à travers le sang (perfusion). La diffusion permet le passage d’une barrière grâce à des différences de pression.

La difficulté est le passage d’une notion de concentration (nombre de molécules) pour la convection à une notion de pression partielle (agitation moléculaire) pour la diffusion.

La composition des gaz inspirés joue sur la composition en gaz du sang artériel. L’unité usuelle de pression est le mmHg ou le KPa ⇒ 100KPa~750mmHg.

A) Composition de l’air ambiant et de l’air inspiré

L’air sec est composé d’azote (N2) et d’oxygène (O2).

D’où la formule Pb=PN2+PO2=760mmHg

Rappels:

• pression totale ( PT) = Pression atmosphérique (Patm) = Pression barométrique (Pb) = Σ des gaz qui composent l’air

Loi des gaz en phase gazeuse (Dalton): • pression partielle d’un gaz dans un mélange gazeux occupant un volume V: c’est la pression qu’exercerait ce

gaz s’il occupait seul le volume V. On a: Ppgaz=PTxFi

Ppgaz:pression partielle PT: pression totale F:fraction (concentration) de ce gaz dans le mélange

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Cependant, il est important de noter que l’air inspiré est réchauffé dans les voies aériennes et est donc saturé en vapeur d’eau. Il faut donc tenir compte de ce gaz supplémentaire (H2O) qui est fonction de la température: à 37°C PH2O=47mmHg. Ainsi la pression partielle inspirée en O2 s’écrit: PIO2=(PB-47)xFIO2= (760-47)x0,21=150mmHg → Le prof a precise que cette formule était à savoir. Concentrations ou fractions des gaz dans l’air inspiré:

FICO2=0 FIN2=0,79 ou 79% FIO2=0,21 ou 21%

§ La FiO2: - change si administration thérapeutique d’oxygène (0,21<FiO2<1) ex: port de lunettes à oxygène, la FiO2=

100%, - ne change pas avec l’altitude.

§ La pression barométrique: - diminue en altitude (/2 à 5000m), - augmente en caisson hyperbare (avantageux pour transporter de l’O2)

B) Composition du gaz alvéolaire:

1) Différence entre gaz expiré et gaz alvéolaire

Le gaz expiré dépend: - de la composition du gaz inspiré - des besoins des tissus (ou consommation) - de la façon dont est renouvelé le gaz alvéolaire (ventilation) Le gaz expiré et le gaz alvéolaire sont différents car pour le gaz alvéolaire on ne prend pas en compte les zones de conductions qui ne participent pas aux échanges gazeux dans la ventilation alvéolaire. Ces zones de conductions sont appelées espaces morts anatomiques et correspondent à des tuyaux (volume de bronches).

Ainsi, ventilation et ventilation alvéolaire ont des expressions différentes:

VT=FRxVT avec VT : débit ventilatoire à la bouche (L/min), VT: volume courant et FR: fréquence respiratoire

VA=FRxVA avec VA le débit ventilatoire alvéolaire, VA:volume alvéolaire et FR:fréquence respiratoire

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La consommation d’O2: VO2 :

La fraction en CO2 s’est equilibrée au départ avec la pression dans l’artère → PA(a)CO2 = (760 – 47) x FACO2 = 40 mmHg

4) La pression alvéolaire en O2 (PAO2)

Formule simplifiée:

PAO2=PIO2-(PACO2/0,8)

PIO2=(760-47)xFIO2=150mmHg (vu précedemment)

- Au niveau de la bouche (ventilation) :

VO2 = (Ventilation courante x Fraction inspirée en O2) – (Ventilation courante x Fraction expirée en O2) = VTxFIO2-VTxFEO2 (quantité O2 qui rentre - quantité O2 qui ressort)

- Au niveau du gaz alvéolaire (ventilation alvéolaire) :

VO2 = Ventilation alvéolaire x FiO2 – Ventilation alvéolaire x Fraction alvéolaire en O2 = VAxFIO2-VAxFAO2

- Au niveau de la bouche (ventilation) : VCO2= VTxFECO2

- Au niveau du gaz alvéolaire (ventilation alvéolaire) :

VCO2=VAxFACO2

Par exemple : On inspire 450mL (ventilation totale VT), l’espace mort anatomique (VD) est environ de 150 mL (varie entre 100 et 200 mL selon la taille des individus). Finalement le volume (VA) de gaz frais qui pénètre et renouvelle le gaz des alvéoles est de 450-150=300 mL (ventilation alvéolaire qui participe aux échanges gazeux). Ce volume représente les 2/3 de la ventilation totale. Ainsi le volume qui participe aux échanges gazeux ≈ 2/3 VT

La production de CO2: VCO2

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De même PACO2= (760-47)x FACO2=40 mmHg D’où: PAO2=150-(40/0,8)=100 mmHg 0,8 ici correspond au quotient respiratoire (rapport de VCO2 sur VO2) qui dépend du type d’ aliments métabolisés:

Glucides, QR=1 Protéines, QR=0,8 Lipides, QR=0,7

C) Hypoxémie par hypoventilation alvéolaire= variation de la ventilation alvéolaire avec métabolisme constant

L’hypoventilation alvéolaire est la diminution de la ventilation alvéolaire à métabolisme constant : • Consommation O2 (VO2) constante :

- ↓ Ventilation alvéolaire et ↓ Fraction alvéolaire en O2 ⇒ ↓ P artérielle en O2 = HYPOXEMIE par hypoventilation Mais, la fraction inspirée en O2 reste cste.

• Et production CO2 constant : - ↓ Ventilation alvéolaire et ↑ Fraction alvéolaire en CO2 ⇒ ↑PaCO2 = Hypercapnie par hypoventilation Ainsi, hypoventilation alvéolaire et hypercapnie sont des termes équivalents. Donc l’hypoxémie peut être provoquée par une hypoventilation alvéolaire (mais pas uniquement). De plus, le professeur a précisé qu’une hyperventilation alvéolaire conduit à une hyperxémie (PaO2 augmente) et à une hypocapnie (PaCO2 diminue). II) Transfert alvéolo-capillaire et hypoxémie par trouble de diffusion

A) Généralités sur le transfert alvéolo- capillaire: passage de l’O2 des alvéoles aux capillaires pulmonaires du CO2 en sens opposé

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La ventilation n’est pas entièrement efficace puisqu’une partie est perdue du fait de la ventilation de l’ espace mort (bronche) qui représente 30% de ce que l’on respire. (150/500=0,3) Sur les 500 mL de gaz inspiré, seulement 2/3 (environ 300 mL) pénètre dans l’alvéole et permet de renouveler le gaz alvéolaire. Mais le volume alvéolaire n’est pas complètement changé, seulement 10% ( 300mL/3000mL) du gaz alvéolaire est renouvelé. De plus, le volume des capillaires pulmonaires (où se font les échanges) est extrêmement petit puisque c’est seulement 70 à 100 mL qui est en contact permanent avec la barrière alvéolo-capilaire. NB: La diffusion (comme forme de transport des gaz) a lieu certes dans les alvéoles mais a déjà lieu dans les dernières générations de bronches. En effet la multiplication des bronches entraine une évolution de la vitesse d’écoulement des gaz et l’arrêt de la convection… (le prof a précisé que ce n’était pas très important pour nous).

B) Transfert alvéolo capillaire

1) La barrière alvéolo capillaire

La barrière alvéoleo-capillaire est composée d’une couche de cellules épithéliales, et d’une membrane basale fusionnée avec l’endothélium qui délimite le secteur vasculaire. Physiquement, cette barrière a une épaisseur de 0,5 microns (extrêmement fine).

Culture gé: - Diamètre hématie=8microns - Diamètre capillaire=5 microns => ce qui permet de réduire au max la distance à parcourir pour le gaz alvéolaire

2) Capacité de transfert

L’O2 pour passer de l’alvéole au capillaire va rencontrer deux résistances /obstacles: la barrière alvéolo-capillaire et la résistance du sang.

d’où

Rtot: résitance totale; Rm: résistance de la membrane; Rs: résistance du sang; DL: conductance totale; Dm: conductance de la membrane; Ds: conductance du sang.

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On a transformé l’équation des résistances en une équation de conductance (inverse d’une résistance) pour exprimer la capacité de transfert:

DL = V / (PA – Pcap) (conductance pour le gaz)

3) Capacité de transfert de la membrane

Diffusion: loi de Fick

D’après la formule, la diffusion sera facilitée plus la surface d’échange sera grande et plus l’épaisseur de la barrière sera fine. 4) Capacité de transfert du sang

Ainsi, pour le transfert d’O2 on obtient l’équation suivante:

Il s’agit donc bien d’un transfert et pas seulement d’une diffusion.

(=quantité de sang disponible)

- A: la surface de la barrière alvéolo capilaire=50 à 100 m2 (très importante) - e: l’épaisseur=0,5 microns - gaz: solubilité (alpha): poids moléculaire, masse moléculaire - P1= pression alvéolaire - P2=pression plasmatique

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5) Diffusion du CO2 :

Dans le plasma, le CO2 est transporté sous forme de bicarbonates. Puis une fois dans le GR, le HCO3- est transformé en acide carbonique H2CO3 puis en CO2 dissout par l’action de l’anhydrase carbonique qui diffuse et passe la barrière alvéolo capillaire.

De plus, la conductance membranaire pour le gaz carbonique est très supérieure à celle pour l’oxygène, il n’y a donc pas d’obstacle à la diffusion du gaz carbonique. DmCO2 = 20 DmO2 (αCO2 >>>αO2 : α=coefficient de solubilité).

Certaines maladies vont augmenter l’épaisseur de la barrière alvéolo-capillaire et modifier la capacité de diffusion pour l’O2 mais pas celle du CO2.

6) Gradient de pression: O2 et CO2

Le sang arrive aux poumons par les artères pulmonaires. Celle-ci est desaturée en O2, donc dans l’artère pulmonaire on trouve du sang veineux (PvO2=40mmHg) qui va passer dans le capillaire pulmonaire, au contact du gaz alvéolaire (PAO2=100mmHg), puis ce sang sera oxygéné (=équilibre des pressions) et récupéré par la veine

pulmonaire et retournera dans l’oreillette gauche.

Le schéma à gauche montre une échelle de pressions en fonction du temps. Le gradient de pression de l’O2 est de l’ordre de 60 mmHg. Le gradient de pression du CO2 est 10 fois moins important(la solubilité de l’O2 et du CO2 sont différentes) : environ 5/6 mmHg.

On peut également voir sur le schéma que l’équilibre des pressions (entre la barrière alvéolo-capillaire) se fait très tôt dans le trajet du capillaire pulmonaire (dans le premier tiers= environ 0,25s). Dans les 2/3 du temps de transit il ne se passe donc rien car les pressions sont déjà équilibrées à la fois en O2 et en CO2.

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7) Le transfert de l’oxygène

On voit dans le graphique ci-contre que le sang capillaire au repos met 0,75 secondes pour traverser l’alvéole. En situation physiologique, le sang capillaire a augmenté sa PaO2 de 40mmHg à 100mmHg en 0,25s (=équilibre des pressions).

L’écart de 0,5s est le temps de réserve qui permet au capillaire de conserver une PaO2 normale en cas d’exercice musculaire: A l’exercice, les muscles augmentent la consommation d’O2 et produisent plus de CO2. Le débit ventilatoire va donc augmenter pour apporter plus d’O2 et le débit cardiaque va de la même façon augmenter ce qui réduit donc le temps de transit dans les alvéoles. Le risque est qu’en cas d’exercice musculaire très intense, si le temps de passage est de moins de 0,25s, le sang n’aura pas le temps de se recharger en oxygène. En cas de fibrose du poumon (augmentation de l’épaisseur de la barrière par accumulation de la MEC et diminution de la surface), il y a une altération des capacités de diffusion. Dans le stade initial de la maladie, au repos, l’équilibre des pressions se fait (la PaO2 atteint 100mmHg en 0,75s). Cependant, en cas d’exercice, il y a une absence de cet équilibre des pressions et donc une hypoxémie d’exercice. Dans des situations plus avancées de la maladie, on est en constante situation d’hypoxémie : hypoxemie d’exercice ET hypoxémie de repos.

8) Exploration fonctionnelle du transfert alvéolo-capillaire :

- Epreuve d’exercice physique par recherche de l’hypoxémie.

Test le plus simple et utilisé le plus couramment : on fait marcher un sujet muni d’un capteur qui mesure la saturation en O2 pendant 6 minutes

- Etude du transfert de CO => examen fait en routine (depuis 1915, utilisé dans un premier temps par des physiologistes pour comprendre le transfert) :

DLCO = VCO/ΔP. Or le CO a une très grande affinité pour l’hémoglobine et donc la pression capillaire peut être considérée comme nulle (par rapport à la pression alvéolaire) d’où ΔP=PA – Pcap devient ΔP = PA

L’examen consiste en l’inhalation par le patient d’un peu de CO avec un autre gaz permettant de mesurer le volume du poumon, on demande au patient de faire une petite apnée (10 sec) puis celui-ci va ressouffler et on recueille le gaz. En connaissant ce que le patient a inhalé, le temps de l’inhalation et ce que le patient a expiré, on déduit la quantité de gaz qui a disparu = le transfert = DLCO.

C) Hypoxémie du trouble de diffusion

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L’hypoxémie du trouble de diffusion est liée à des maladies qui vont diminuer la surface de l’alvéole, augmenter l’épaisseur membranaire (pathologies fibrosantes), ainsi que les maladies qui vont réduire le volume de capillaires pulmonaires (maladies vasculaires pulmonaires):

- stade initial : hypoxémie uniquement à l’effort

- stade tardif : hypoxémie présente au repos, aggravée à l’effort

=> pas de trouble de diffusion du CO2 => normo (chronique) ou hypocapnie (aigu) - si l’hypoxémie est aigue : tendance à vouloir corriger le trouble et donc à hyperventiler => hypocapnie

- si l’hypoxémie est chronique : l’organisme sait que la sat en O2 est basse et qu’il est inutile de faire des efforts respiratoires pour apporter plus d’O2 => normocapnie

III) Transport des gaz : O2 et CO2

1) L’hémoglobine - constituée d’une partie protéique (la globine) et de l’hème (contenant le fer) - la globine : protéine formée de 4 chaines polypeptidiques : 2 chaines α et 2 chaines β - hème : composé porphyrine-fer qui lie l’O2. C’est une molécule allostérique càd que son affinité pour l’O2 va varier avec la quantité d’O2 fixée. - 1 molécule d’hémoglobine peut lier 4 molécules d’oxygène - Le pouvoir oxyphorique de l’Hb : 1g d’Hb peut se combiner au maximum avec 1,39 mL d’O2. - [Hb] = 14g/100mL de sang chez la femme et 16g/100mL de sang chez l’homme

Rappels - la pression partielle d’un gaz est déterminée par la quantité de gaz présente sous forme dissoute - la concentration ou contenu d’un gaz dans un liquide est la quantité totale de gaz présente (forme liée + forme dissoute)

2) Transport sanguin de l’oxygène

- O2 soit lié à l’Hb soit sous forme dissoute - O2 lié à Hb = cela dépend du pouvoir oxyphorique (PO) et de la concentration en hémoglobine On peut calculer la capacité en O2 càd la quantité max d’O2 liée : PO x [Hb] = 1,39x15 = 21 mL O2/100mL - O2 sous forme dissoute (dépend d’un coefficient de solubilité =0,003 mL O2 dissous/100 mL sang/mmHg). Dans le sang artériel : PO2 = 100mmHg donc 0,3 mL O2 dissous/100 mL de sang => L’essentiel de l’O2 est transporté de façon liée à l’Hb Contenu en O2 = O2 fixé à Hb + O2 dissous = 21,3 ml/100 ml de sang Dans 1L de sang : 200 ml d’O2 gazeux, soit 3 ml d’O2 dissous et 197 ml d’HbO2

a) Le transfert de l’O2 On observe ici la courbe de dissociation de l’oxyhémoglobine : X=PO2 et Y=contenu en O2

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O2 combiné à Hb =POx[Hb]xSa02/100 = 1,39x15x0,975=20 ml d’O2/100ml

b) Affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène La P50 est la pression partielle d’O2 pour laquelle l’Hb est saturée à 50% (valeur normale à 27 mmHg) La P50 ↑ quand l’affinité de l’Hb pour l’O2 ↓= décalage de la courbe vers la droite ⇒ SaO2 ↓: - Température ↑ - PCO2↑ = effet Bohr - H+↑ - 2,3 DPG↑

Effet Bohr: Augmentation de la pression partielle en CO2 et la baisse du pH induit une perte de l’affinité pour l’O2 ce qui entraine donc la libération de l’oxygène au niveau du muscle.

Schéma récapitulatif : ne pas retenir les valeurs du tableau

Diminution de l’affinité : favorable aux tissus

Augmentation de l’affinité : favorable à l’hématose

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2) Le transport du CO2 :

Il se fait sous 3 formes - dissoute - combinée à des protéines = composées carbaminées (notamment Hb)

CO2 + RNH2 R.NH.COOH

CO2+Hb.NH2 Hb.NH.COOH

Effet Haldane dans les poumons : La fixation de l’O2 sur Hb facilite la libération du CO2 .On observe une perte d’affinité de l’hémoglobine pour le CO2 quand la pression partielle en O2 augmente dans le sang

HCO3- + H+ (action de l’anhydrase carbo) - bicarbonates : CO2 + H2O H2CO3

CONCLUSION (rappel des différentes étapes de la respiration) :

- le diaphragme se contracte - pression alvéolaire devient négative par rapport à la pression atmosphérique - le gaz pénètre - il passe dans les voies aériennes qui opposent une certaine résistance - le gaz inspiré est réchauffé par les voies aériennes supérieures, saturé en vapeur d’eau - les poumons gonflent avec une certaines compliance - diffusion du gaz par la barrière alvéolo-capillaire

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- transport de l’oxygène sous forme dissoute et liée à l’Hb - consommation d’oxygène par les tissus