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UE12-Appareil respiratoire Pr. C. DECLAUX 07/02/18 de 13h30 à 15h30 Ronéotypeuse : Alice MICHEL Ronéoficheuse/lectrice: Victoire LAUMONDAIS

Cours 6 : Ventilation alvéolaire,

transfert alvéolo-capillaire Le cours a légèrement changé par rapport à l’année dernière mais les grandes notions restent les mêmes. Le professeur a spécifié que le contrôle continu porterait sur les notions travaillées en TD. Le partiel consistera en des QCM sur l’ensemble des cours sur le système respiratoire dont une partie de la physiologie traitée dans ce cours. Il précise qu’ils ne cherchent pas à nous piéger mais simplement à vérifier que nous ayons bien compris les notions étudiées. Les notions importantes sont : la pression inspirée en O2 (calcul), l’équation des gaz alvéolaires, la pression alvéolaire et la VO2. Le professeur a accepté de relire la ronéo, nous vous transmettrons les éventuelles modifications. Adresse mail du professeur : christophe.declaux@aphp.fr

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Plan du cours :

I) Ventilation alvéolaire et hypoxémie par hypoventilation alvéolaire II) Transfert alvéolo-capillaire et hypoxémie par trouble de diffusion III) Transport des gaz : O2 et CO2

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NB:VcorresponddanslediapoduprofàVavecunpointaudessussoitundébit.Bref rappel du cours précédent (mécanique ventilatoire) :

Lors de la respiration, le diaphragme se contracte, il fait un mouvement de piston vers le bas. Il entraîne donc une pression pleurale de plus en plus négative (de -5 à -8 cm d’eau). Cette différence de pression se transmet à l’alvéole (-1cm d’eau). Ce gradient de pression permet au gaz de s’écouler dans les voies aériennes, grâce au fait que la pression atmosphérique est légèrement supérieure à la pression alvéolaire. Le gaz va rencontrer un obstacle qui est la résistance des voies aériennes, ce qui va faire gonfler le poumon d’un certain volume (volume courant) qui dépend de la compliance.

I) Ventilation alvéolaire et hypoxémie par hypoventilation alvéolaire

Echanges gazeux

Le système respiratoire s’adapte à la consommation d’O2 et à la production de CO2. Cette adaptation nécessite une ventilation, on parle de débit ventilatoire en L/min (VO2 ou VCO2). 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 en fonction de 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 (100KPa~750mmHg).

Loi des gaz en phase gazeuse (Dalton) :

La pression partielle d’un gaz (Pp) dans un mélange gazeux (de volume V) correspond à la pression qu’exercerait ce gaz s’il occupait seul ce volume V. Pp = Pt x F avec Pt la pression totale du mélange (ici pression atmosphérique ou barométrique PB)

F la fraction ou concentration du gaz (ici O2) Composition de l’air inspiré

L’air sec est composé d’azote et d’oxygène (mais également d’autres gaz dont les pressions partielles sont infimes et donc négligeables). PB ~ PN2 + PO2 = 760 mmHg Le système respiratoire n’est pas composé d’air sec car il a été réchauffé et saturé en vapeur d’eau au niveau des voies aériennes supérieures (fonction du nez). La vapeur d’eau est un gaz qui ne répond pas à la loi des gaz parfaits, la loi de Dalton ne s’y applique donc pas. Il sera donc nécessaire de soustraire la pression correspondant à la vapeur d’eau pour les calculs ultérieurs. La pression de la vapeur d’eau est fonction de la température. A 37°C: PH2O = 47 mmHg

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Après le passage des voies aériennes supérieures, l’air réchauffé est saturé à 100% de vapeur d’eau. PIO2 = (PB - 47) x FIO2 avec PIO2 la pression inspirée en O2 et FIO2 la fraction inspirée en O2.

-FIO2 = 0,21 ou 21% -FICO2 ~ 0 -FIN2 = 0,79 ou 79% -PIO2 = (760 - 47) x 0,21 = 150 mmHg

FIO2 peut varier et être médicalement manipulée, avec des lunettes nasales à oxygène par exemple. On peut la faire monter jusqu’à 100%, FIO2 variera ainsi entre O,21 et 1. FIO2 ne varie pas avec l’altitude contrairement à PB qui diminue avec altitude. PB peut également augmenter par des moyens thérapeutiques avec des caissons hyperbares (jusqu’à x2 ou x3 PB). Composition du gaz alvéolaire (A) 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

Le gaz expiré et le gaz alvéolaire sont différents à cause des zones de conductions qui ne participent pas aux échanges gazeux. VT=FR x VT avec VT le débit ventilatoire à la bouche en L/min ; VT le volume courant à la

bouche ; FR est la fraction respiratoire VA=FRxVA avec VA le débit ventilatoire alvéolaire ; VA le volume alvéolaire

VD est le volume restant dans l’espace mort anatomique dépendant de la taille et du poids du sujet. C'est-à-dire l’espace pris par les voies aériennes de conduction ou le volume de gaz que prennent les voies respiratoires (trachée, bronches…). L’espace mort ne participe pas aux échanges gazeux et sera expiré. Ainsi, le volume qui va participer aux échanges gazeux sera VA~2/3VT. Dans certaines pathologies, des espaces alvéolaires non perfusés constitueront des espaces morts supplémentaires.

La consommation d’oxygène VO2 (équations de conservation de masse) : La consommation d’oxygène et la production de gaz carbonique font l’objet de mesures régulièrement réalisées par le moyen d’épreuves d’effort. Cela permet d’évaluer la fonction cardio-respiratoire d’un sujet. Cela correspond au débit d’O2 entrant soustrait au débit d’O2 sortant. Pour la ventilation à la bouche: VO2 = VT x FIO2 – VT x FEO2 Pour la ventilation alvéolaire : VO2 = VA x FIO2 – VA x FAO2

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La consommation de gaz carbonique VCO2 L’équation est simplifiée par rapport à celle du dioxygène car la fraction inspirée en gaz carbonique est quasiment nulle et donc négligeable. Pour la ventilation par la bouche : VCO2 = VT x FECO2 Pour la ventilation alvéolaire : VCO2 = VA x FACO2 On peut repasser de la notion de pression à celle de fraction. PA(a)CO2 = (760 – 47) x FACO2 = 40 mmHg Equation des gaz alvéolaires Le gaz alvéolaire est différent du gaz inspiré du fait des échanges gazeux. C'est-à-dire que de l’oxygène et du gaz carbonique vont passer la barrière alvéolo-capillaire. La pression totale reste égale à la pression atmosphérique (PB). PAO2 ≈ PIO2 - (PACO2 / 0,8) On a PIO2 = 713 x FIO2 et PACO2 = PaCO2 Donc 100 mmHg ≈ 150 - (40 / 0,8) Le 0,8 correspond au quotient respiratoire. QR = VCO2 / VO2 QR, lié à la production d’énergie, dépend du type d’aliment ou substrat énergétique consommé en présence de O2 (aérobie). Il y aura donc une production de CO2 et d’énergie sous forme d’ATP grâce à différentes voies métaboliques que sont la glycolyse, le cycle de krebs et la chaîne respiratoire. Par exemple, pour les glucides, C6H12O6 + 6 O2 + 6 CO2 + 6 H2O + énergie : CO2/O2 = 1 On a donc QR = 1 Pour les lipides, C16H32O2 + 23 O2 + 16 CO2 + 16 H2O + énergie : CO2/O2 = 0,7 On a donc QR = 0,7 On considère ainsi que le QR normal est d’environ 0,82. Hypercapnie par hypoventilation : On étudie à présent la variation de la ventilation alvéolaire à métabolisme constant Il s’agit d’une diminution de la ventilation alvéolaire (hypoventilation alvéolaire). On est à métabolisme constant, c'est-à-dire que la consommation d’O2 est constante. Une hypoxémie est la diminution de la pression artérielle (a) en dioxygène. Une hypercapnie est une augmentation de la pression artérielle en gaz carbonique.

En cas d’hypoventilation alvéolaire, on a donc une hypoxémie et une hypercapnie. Dans ce cas, on ne renouvelle pas suffisamment les gaz alvéolaires.

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II) Transfert alvéolo-capillaire et hypoxémie par trouble de diffusion La fréquence respiratoire chez l’adulte est d’environ 15 à 20 cycles/min. Elle est plus importante chez l’enfant (plus l’animal est petit, plus elle augmente). La ventilation courante est d’environ 7,5 L/min. On a un espace mort moyen de 150mL et ainsi une ventilation alvéolaire d’environ 5 L/min. CRF (Capacité Résiduelle Fonctionnelle) correspond au volume des poumons et des voies aériennes à l’état d’équilibre du système respiratoire passif (où le volume alvéolaire est d’environ 3L). On renouvelle donc environ 10% du gaz présent dans les alvéoles. Le débit sanguin capillaire est de l’ordre de 5 L/min et le volume sanguin capillaire est égal à environ 80 à 100 mL (équivalent environ au volume cardiaque).

Le processus de diffusion commence dans les voies aériennes (pas uniquement dans les alvéoles). Le débit de gaz dans les voies aériennes diminue au fur et à mesure des générations bronchiques, du à leur nombre de divisions dichotomiques important. Ainsi, au bout d’un grand nombre de générations bronchiques, le mécanisme de transport des gaz passe de celui de convection à celui de diffusion.

Le transfert alvéolo-capillaire est composé de deux étapes. La première est celle de la diffusion au travers de la membrane alvéolo-capillaire et la seconde est celle de réaction avec le transporteur de l’oxygène : l’hémoglobine. L’hémoglobine est contenue dans l’hématie. Celle-ci fait environ 8 µm de diamètre. L’hématie est coincée dans le capillaire qui fait environ 5 µm. L’intérêt est de faire que la distance physique entre le gaz alvéolaire et le transporteur soit réduite au minimum (0,5 µm).

Il existe dans ce transfert alvéolo-capillaire deux résistances principales au passage de l’O2. La première Rm liée à la membrane et la seconde Rs liée au sang avec le passage dans l’hémoglobine : Rtot = Rm + Rs On transforme cette équation par l’inverse de la résistance : la conductance. R = 1/D 1/DL = 1/Dm + 1/Ds On définit donc la capacité de transfert d’un gaz qui est équivalente à la conductance propre à ce gaz. DL = V / (PA – Pcap)

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La capacité de transfert de la membrane = la diffusion (Loi de Fick) dépend de 3 facteurs : La surface des alvéoles : A (entre 50 et 100 m2) L’épaisseur des alvéoles : e (0,5 microns) La propriété du gaz (oxygène, gaz carbonique) : sa solubilité (α), son poids moléculaire (PM)

Ce qui nous intéresse ici est la « quantité de gaz qui passe » donc le débit de diffusion (équation pas à connaître par cœur mais savoir que le débit est proportionnel à la surface des alvéoles et inversement proportionnel à l’épaisseur des alvéoles) : La capacité de transfert du sang dépend d’une cinétique de réaction θ (l’oxygène doit se lier à l’hémoglobine => cinétique de réaction) ainsi qu’au volume de capillaires disponible (la quantité d’hémoglobine disponible de « l’autre côté » de la barrière) Modélisation du transfert de l’oxygène : DLO2 = conductance pour l’oxygène (L=lumb=poumon) DMO2 = conductance membranaire pour l’oxygène θO2 = cinétique de réaction de l’oxygène avec l’hémoglobine Vc = volume capillaire => on ne reverra pas la première équation dans la suite du cours mais elle est utilisée quotidiennement pour l’exploration respiratoire en clinique VpointO2 = consommation d’oxygène PAO2 – PcapO2 = différence de pression entre l’alvéole et le capillaire Diffusion du CO2 : 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). 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. Les gradients de pressions : O2 et CO2 Dans l’artère pulmonaire on trouve du sang veineux qui va passer dans le capillaire pulmonaire, au contact du gaz alvéolaire, puis ce sang sera oxygéné et récupéré par la veine pulmonaire et retournera dans l’oreillette gauche. Le schéma à droite 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). 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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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, l’équilibre est fait. L’écart de 0,5s est le temps de réserve qui permet au capillaire de conserver une PaO2 normale en cas d’exercice musculaire (qui augmente le débit cardiaque et réduit donc le temps de passage 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. La situation normale : le gaz alvéolaire est à 100mHg (il tend vers cette valeur) En cas d’exercice : les muscles augmentent la consommation d’O2 et donc produire plus de CO2. Le débit ventilatoire va donc augmenter pour apporter plus d’O2 et le débit cardiaque va de la même façon augmenter. Si on augmente le DC, le temps de transit dans le capillaire pulmonaire diminue. 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. 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. 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. L’hypoxémie du trouble de diffusion : maladies qui vont altérer la surface de l’alvéole, l’épaisseur membranaire (fibrose), ainsi que les maladies qui vont réduire le volume de capillaires pulmonaires (maladies vasculaires pulmonaires). - stade initial : hypoxémie uniquement à l’effort ; on effectue un test de marche => s’il sature à l’effort, infirmation du diagnostic - 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

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III) Le transport des gaz : O2 et CO2 (rappels PACES)

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) 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] = 15x1,39 = 21 mL O2/100mL - O2 sous forme dissoute (dépend d’un coefficient de solubilité α =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 Si on se place dans un caisson hyperbare (remarque du prof à l’oral) = caisson isolé dans lequel règne une pression d’environ 2000 mmHg, on augmente la pression inspirée en O2 donc la pression alvéolaire en O2 donc la quantité d’O2 qui est transportée sous forme dissoute (entre 5 et 6 mL). Cela permet dans des situations où l’on a une absence d’hémoglobine (impossibilité de transfusion par exemple) de couvrir les besoins de l’organisme en oxygène. Le transfert de l’O2 On observe ici la courbe de dissociation de l’oxyhémoglobine : X=PO2 et Y= contenu en O2

SaO2 = (O2 combiné à Hb/Capacité en O2) x100 Analogie avec un train (pas très utile…) : le nombre de voyageurs transportés = Nombre de wagons x le nombre de places dans chaque wagon x taux d’occupation O2 combiné à Hb =POx[Hb]xSa02/100 = 1,39x15x0,975=20 ml d’O2/100ml

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Affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène La P50 est la pression partielle d’O2 pour saturer à 50% l’Hb

• normale à 27 mmHg • Augmente quand l’affinité Hb pour O2 diminue donc

quand : − Température, CO2, H+, 2,3 DPG augmente

Effet Bohr : augmentation de la pression partielle en 02 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. Diminution de l’affinité : favorable aux tissus Augmentation de l’affinité : favorable à l’hématose Schéma récapitulatif : ne pas retenir les valeurs du tableau

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

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On observe une perte d’affinité de l’hémoglobine pour le CO2 quand la pression partielle en O2 augmente dans le sang - bicarbonates : CO2 + H2O ! H2CO3 !HCO3

- + H+ 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 - transport de l’oxygène sous forme dissoute et liée à l’Hb - consommation d’oxygène par les tissus Dédi• AMathou,parceque tuprends toujours soindemescheveux,que tuparles l’anglais fluent#bodylotion,parce que manger libanais sans coriandre c’est qd même beaucoup plus drôle, partner de time’s up#welcomepack,pourtesallergieswtf,parcequet’esmonmeilleurpublicetpourtonhypochondrie<3• AAloce,montraumacrânienpréféré,parcequet’esàlafoissourdeetaveugle,pourlepaindemiesanscroute,lepokerinutilisé,lecanapépostpré-weietlesshootsvodka/pastis<3• ACeceakaleplusbeaudespingouins,parcequetumaitrisesladansedelacroixcommepersonne,parcequevpping-pongl’annéeprotkkt,pourlagrosseannoncedu15févrieretlaligne9<3• APaulakamisterBescherelles,mapipletted’amour,fondateurduBDM,parcequeouitkktt’ascouchéJEonlesaittous,parcequet’escentral,etpourtoustesmystèresirrésolus#WhoIsLaPersonneDu3èmeEtage• ADenis, parce que tes goûtsmusicaux déteignent un peu trop surmoi et queNath va bientôtme virer#OnFaitPasDeLaMédecineAvecUnScalpelRouillé#PromisDemainJeRegardeRocky• A Arthur parce que toi seul comprendsmes gouts vestimentaires, pour la chanson du dimanche, parcequ’unjourpeut-êtretubougerastonculjusqu’àBichat• A la team Antemed (lulu P et tes coups de gueule <3, lulu D et nos MacDo pdt les concours blancs#lerespects'estcassé,Alixtoujoursduperhaha,Mathildequimesauve,TuturetPolo,ClaraetValentineles2nouvellesqu’onaimedéjà)• AmescostagiairesRaphaëlleetNoémieparcequetrouverqu’ilya«rien»c’estdéjàtrouverqqchaha• ANoémie,Pauline,Auxanes,AuroreetElsaquilirontcetteronéol’anprochain Vic

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