Lo scambio di gas è misurato attraverso diversi mezzi, tra cui
Capacità di diffusione del monossido di carbonio
Pulsossimetria
Emogasanalisi
Capacità di diffusione del monossido di carbonio
La capacità di diffusione polmonare del monossido di carbonio (DLCO) è una misura della capacità dei gas di passare dagli alveoli attraverso l'epitelio alveolare e l'endotelio capillare ai globuli rossi. La capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) non dipende solamente dall'area e dallo spessore della barriera sangue-gas ma anche dal volume di sangue nei capillari polmonari. La misurazione viene influenzata anche dalla distribuzione del volume alveolare e dalla ventilazione.
La capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) viene misurata campionando il monossido di carbonio (CO) nell'esalato di fine espirazione dopo aver fatto inspirare al paziente una piccola quantità di monossido di carbonio, aver trattenuto il respiro e quindi espirato. La capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) misurata deve essere valutata insieme al volume alveolare (stimato con la diluizione dell'elio) e all'ematocrito del paziente. La capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) viene riportata in mL/min/mmHg e come percentuale del valore predetto sotto forma di z-score (1).
Patologie che riducono la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO)
Le condizioni che alterano soprattutto il circolo polmonare, come l'ipertensione polmonare primitiva e l'embolia polmonare, provocano una riduzione della capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO). Le condizioni che interessano diffusamente il polmone, come l'enfisema e la fibrosi polmonare, riducono sia la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) sia la ventilazione alveolare (VA). I pazienti sottoposti a resezione polmonare presentano una ridotta capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) a causa del minore volume polmonare totale, ma la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) risulta normale o addirittura superiore alla norma se valutata insieme a VA perché viene reclutata un'ulteriore superficie vascolare nel polmone residuo. I pazienti con anemia hanno valori di capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) bassi, ma che si correggono quando standardizzati per i valori dell'emoglobina.
Condizioni che aumentano la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO)
Le condizioni che fanno sì che la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) sia superiore al predetto comprendono:
Eritrocitemia
Nell'eritrocitemia, la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) è aumentata perché l'ematocrito è aumentato e a causa del reclutamento vascolare che si verifica con l'aumento delle pressioni polmonari a causa dell'aumentata viscosità.
Nell'emorragia alveolare, gli eritrociti nello spazio alveolare possono anche legare il monossido di carbonio, aumentando la capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO).
Nell'asma, il meccanismo dell'aumento della capacità di diffusione del monossido di carbonio (DLCO) non è definitivamente stabilito.
Riferimento per il DLCO
1. Graham BL, Brusasco V, Burgos F, et al. 2017 ERS/ATS standards for single-breath carbon monoxide uptake in the lung [published correction appears in Eur Respir J 2018 Nov 22;52(5):]. Eur Respir J 2017;49(1):1600016. doi:10.1183/13993003.00016-2016
Pulsossimetria
La pulsossimetria transcutanea stima la saturazione di ossigeno (SpO2) del sangue capillare tramite l'assorbimento della luce emessa da diodi emettitori di luce (LED) posizionati su una clip da dito (o da piede in alcuni bambini) o su sonde adesive. Le stime sono generalmente molto accurate e lo scarto con la saturazione arteriosa di ossigeno misurata (SaO2) compresa tra il 70% e il 100% (1) è compreso tra il 2% e il 5%. I risultati possono essere meno accurati nei pazienti con:
Pelle altamente pigmentata
Aritmie
Ipotensione
Vasocostrizione sistemica profonda
I risultati della pulsossimetria sono inoltre meno accurati nei pazienti che indossano smalto per unghie (ossia, a causa delle alterazioni nell'assorbimento della luce a livello del letto ungueale); tuttavia, questa variabilità può non avere una rilevanza clinica (2).
La pulsossimetria è in grado di rilevare solo l'ossiemoglobina o l'emoglobina ridotta, ma non altri tipi di emoglobina. È imprecisa quando i livelli ematici di carbossiemoglobina sono aumentati, come avviene nell'intossicazione da monossido di carbonio e nella metaemoglobinemia.
Riferimenti relativi alla pulsossimetria
1. Jensen LA, Onyskiw JE, Prasad NG. Meta-analysis of arterial oxygen saturation monitoring by pulse oximetry in adults. Heart Lung. 1998;27(6):387-408. doi:10.1016/s0147-9563(98)90086-3
2. Aggarwal AN, Agarwal R, Dhooria S, Prasad KT, Sehgal IS, Muthu V. Impact of Fingernail Polish on Pulse Oximetry Measurements: A Systematic Review. Respir Care. 2023;68(9):1271-1280. doi:10.4187/respcare.10399
Emogasanalisi
L'emogasanalisi viene eseguita per ottenere misurazioni precise della pressione parziale dell'ossigeno arterioso (PaO2), della pressione parziale di diossido di carbonio arterioso (PaCO2) e del pH arterioso; queste variabili aggiustate per la temperatura del paziente permettono di calcolare il livello di bicarbonato (che può anche essere misurato direttamente nel sangue venoso) e la saturazione di ossigeno. L'emogasanalisi è anche in grado di misurare accuratamente la carbossiemoglobina e la metaemoglobina.
Solitamente viene utilizzata l'arteria radiale. Poiché la puntura arteriosa porta in rari casi a trombosi e a una compromissione della perfusione del tessuto distale, può essere effettuato il test di Allen per valutare l'adeguatezza del circolo collaterale. Con tale manovra, si occludono contemporaneamente i polsi radiale e ulnare fino a che la mano del paziente non diventa pallida. Si rilascia quindi la compressione dell'arteria ulnare mentre viene mantenuta la pressione su quella radiale. Se l'intera mano ritorna al colore di base entro 5-15 secondi dal rilascio del polso ulnare, questo suggerisce un flusso adeguato nell'arteria ulnare; in caso contrario, questo è considerato un test di Allen positivo e riflette un flusso collaterale ulnare insufficiente (1).
In condizioni sterili, un ago da 22-25 G connesso a una siringa trattata con eparina viene inserito appena prossimalmente al massimo impulso del polso dell'arteria radiale e avanzato leggermente distalmente nell'arteria fino alla comparsa di sangue pulsatile. La pressione arteriosa sistolica di solito è sufficiente per spingere all'indietro lo stantuffo della siringa. Dopo aver raccolto 3-5 mL di sangue, l'ago viene prontamente rimosso e viene applicata una decisa pressione sulla sede di puntura per facilitare l'emostasi. Contemporaneamente, le bolle d'aria dal campione per l'emogasanalisi vengono rilasciate, la siringa viene sigillata e posta in ghiaccio al fine di ridurre il consumo di ossigeno e la produzione di anidride carbonica da parte dei globuli bianchi e viene quindi inviata al laboratorio.
Ipossiemia
Si definisce ipossiemia una riduzione della pressione parziale dell'ossigeno nel sangue arterioso (PaO2).
L'ipossia, che è diversa dall'ipossiemia, è la riduzione della pressione parziale dell'ossigeno (PO2) nel tessuto.
L'ipossiemia è spesso causa di ipossia. Tuttavia, l'ipossiemia può verificarsi senza ipossia poiché molteplici meccanismi compensatori possono mantenere l'ossigenazione dei tessuti nonostante i bassi livelli di ossigeno arterioso (p. es., aumento dello stimolo ventilatorio, compenso cardiovascolare, eritrocitosi).
L'emogasanalisi valuta accuratamente la presenza dell'ipossiemia, definita come una PaO2 sufficientemente bassa da determinare una SaO2 < 90% (ossia, PaO2 < 60 mmHg). Nonostante una PaO2 adeguata, le anomalie dell'emoglobina (p. es., metaemoglobina), le elevate temperature, i valori bassi del pH e gli elevati livelli di 2,3-difosfoglicerato riducono la SaO2 dell'emoglobina, come indicato dalla curva di dissociazione dell'ossiemoglobina (vedi figura ).
Curva di dissociazione dell'ossiemoglobina
La saturazione arteriosa di ossiemoglobina è messa in relazione con la PO2. PO2 al 50% di saturazione (P50) è normalmente 27 mmHg. La curva di dissociazione è spostata verso destra dall'aumento della concentrazione di idrogenioni (H+), dall'aumento del 2,3-difosfoglicerato nei globuli rossi, dall'aumento della temperatura e dall'aumento della PCO2. Ridotti livelli di H+, difosfoglicerato, temperatura e PCO2 spostano la curva a sinistra. L'emoglobina caratterizzata da uno spostamento a destra della curva ha una ridotta affinità per l'ossigeno e quella caratterizzata da uno spostamento a sinistra ha un'aumentata affinità per l'ossigeno. |
Le cause di ipossiemia possono essere classificate a seconda che il gradiente alveolo-arterioso di PO2 [(A-a)DO2], definito come la differenza tra la pressione parziale di ossigeno alveolare (PAO2) e la PaO2, sia elevato o normale (vedi tabella ).
Per i pazienti a livello del mare e che respirano aria ambiente, FIO2= 0,21, e la (A-a)DO2 può essere semplificata.
Le stime dei valori normali di (A-a)DO2 calcolati come < (età/4) + 4 o come inferiori al valore assoluto della FIO2 (p. es., < 21 respirando in aria ambiente; < 30 con il 30% di FIO2) correggono questi effetti.
Equazioni per il calcolo della pressione dell'ossigeno alveolare e del gradiente dell'ossigeno alveolare-arterioso
Calcolo della PAO2: FIO2 è la frazione di ossigeno inspirata (O2) (p. es., 0,21 in aria ambiente), Patm è la pressione barometrica ambientale (p. es., 760 mmHg a livello del mare), PH2O è la pressione parziale del vapore acqueo (p. es., generalmente 47 mmHg), PAO2 è la pressione parziale di O2 negli alveoli, PaCO2 è la pressione parziale arteriosa misurata di anidride carbonica e R è il quoziente respiratorio, che si presume essere di 0,8 in un paziente a riposo con una dieta normale. |
Semplificazione del gradiente alveolare-arteriale PO2 (A-a)DO2: (A-a)DO2 è il gradiente di PO2 alveolo-arterioso. (A-a)DO2 è tipicamente < 20, ma aumenta con l'età (a causa del declino della funzionalità polmonare relativo all'età) e con l'aumento della FIO2 (perché, nonostante Hb diventi satura al 100% a un PaO2 di circa 150 mmHg, l'ossigeno è solubile nel sangue, e il contenuto di ossigeno del plasma continua ad aumentare quando la FIO2 aumenta). |
Ipossiemia con (A-a)DO2 aumentata
L'ipossiemia con (A-a)DO2 aumentata è provocata da:
Basso rapporto ventilazione/perfusione (V/Q) (un tipo di squilibrio V/Q)
Shunt destro-sinistro
Grave compromissione della capacità di diffusione
Un basso rapporto ventilazione/perfusione (V/Q) è una delle cause di ipossiemia più frequenti e contribuisce all'ipossiemia che accompagna la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) e l'asma. Nei polmoni normali, la perfusione regionale corrisponde alla ventilazione regionale perché la vasocostrizione arteriolare si verifica in risposta all'ipossia alveolare. In alcune malattie, le alterazioni portano a far sì che siano perfuse unità alveolari ventilate meno del normale (alterazione del rapporto ventilazione/perfusione [V/Q]). Per tali motivi, il sangue venoso sistemico passa attraverso i capillari polmonari senza ottenere i normali livelli di PaO2. Il disallineamento V/Q può anche verificarsi quando vi è un aumento del flusso sanguigno anche quando la ventilazione è normale (p. es., malattia del fegato). L'ossigeno supplementare è in grado di correggere l'ipossiemia dovuta all'abbassamento del rapporto ventilazione/perfusione (V/Q) in alcuni casi aumentando la PAO2, sebbene persista l'incremento della (A-a)DO2.
Lo shunt destro-sinistro è un caso estremo di basso rapporto ventilazione/perfusione (V/Q). Con lo shunt, il sangue non ossigenato proveniente dalle arterie polmonari raggiunge il cuore sinistro senza passare attraverso segmenti di polmone ventilato. Lo shunt si può verificare attraverso il parenchima polmonare, attraverso anomale connessioni tra circolazione polmonare arteriosa e venosa o attraverso una comunicazione intracardiaca (p. es., pervietà del forame ovale). L'ipossiemia dovuta a shunt destro-sinistro non risponde all'ossigeno supplementare.
Una capacità di diffusione alterata raramente è un dato isolato; solitamente si accompagna a un basso rapporto ventilazione/perfusione (V/Q). Poiché l'ossigeno satura completamente l'emoglobina dopo solo una frazione del tempo in cui il sangue è in contatto con il gas alveolare, l'ipossiemia dovuta a una capacità di diffusione compromessa si verifica solo quando la gittata cardiaca aumenta (p. es., durante l'esercizio fisico), quando la pressione barometrica è bassa (p. es., a elevate altitudini). Analogamente a un basso rapporto ventilazione/perfusione (V/Q) la (A-a)DO2 è aumentata, ma è possibile aumentare la PaO2 attraverso l'aumento della FIO2. L'ipossiemia causata dalla ridotta capacità di diffusione risponde all'ossigeno supplementare.
Ipossiemia con (A-a)DO2 normale
L'ipossiemia con (A-a)DO2 normale è provocata da:
Ipoventilazione
Bassa pressione parziale di ossigeno inspirato (PIO2)
L'ipoventilazione (ridotta ventilazione alveolare) diminuisce la PAO2 e aumenta la PaCO2, diminuendo quindi la PaO2. In casi di ipoventilazione pura, la (A-a)DO2 è normale. Le cause di ipoventilazione comprendono la riduzione della frequenza o dell'ampiezza del respiro (p. es., dovute alle malattie neuromuscolari, all'obesità grave, all'overdose di farmaci o alla compensazione per alcalosi metabolica) o un aumento dello spazio morto in soggetti già prossimi al loro limite di ventilazione massimale (p. es., esacerbazione di una broncopneumopatia cronica ostruttiva grave). L'ipossiemia da ipoventilazione risponde all'ossigeno supplementare.
Una ridotta PIO2 è una rara causa di ipossiemia che si verifica più frequentemente solo ad alte quote. Sebbene la FIO2 non cambi con l'altitudine, la pressione atmosferica diminuisce esponenzialmente; così come la PIO2. Per esempio, la PIO2 è di soli 43 mmHg in cima al monte Everest (altitudine 8848 m) (2). La (A-a)DO2 rimane normale. La stimolazione ipossica del drive respiratorio aumenta la ventilazione alveolare e diminuisce il livello di PaCO2. Questo tipo di ipossiemia risponde all'ossigeno supplementare.
Riferimenti relativi all'ipossiemia
1. Vegas A, Wells B, Braum P, et al. Guidelines for Performing Ultrasound-Guided Vascular Cannulation: Recommendations of the American Society of Echocardiography. J Am Soc Echocardiogr. 2025;38(2):57-91. doi:10.1016/j.echo.2024.12.004
2. West JB. Everest Physiology Pre-2008. Adv Exp Med Biol. 2016;903:457-463. doi:10.1007/978-1-4899-7678-9_30
Ipercapnia e ipocapnia
La pressione parziale di CO2 (PCO2) viene normalmente mantenuta tra 35 e 45 mmHg. Una curva di dissociazione simile a quella per l'ossigeno esiste anche per il diossido di carbonio ma a valori di PaCO2 fisiologici è quasi lineare. La PCO2 anomala è quasi sempre legata a disturbi della ventilazione (a meno che non si verifichi come compensazione a un'anomalia metabolica) e si accompagna sempre ad alterazione dell'equilibrio acido-base.
Ipercapnia
L'ipercapnia è definita da una PCO2> 45 mmHg. Le cause di ipercapnia sono le stesse dell'ipoventilazione (p. es., disturbi che riducono la frequenza respiratoria o la profondità o aumentano la frazione di spazio morto di ventilazione nei pazienti già al limite massimo di ventilazione). Disturbi che aumentano la produzione di diossido di carbonio (p. es., ipertiroidismo, febbre) quando combinati con l'incapacità di aumentare la ventilazione possono anche causare ipercapnia.
Ipocapnia
L'ipocapnia è definita da una PCO2< 35 mmHg. L'ipocapnia è sempre causata da un'iperventilazione dovuta a condizioni correlate a:
Polmoni (p. es., edema polmonare, embolia polmonare)
Cuore (p. es., insufficienza cardiaca)
Metabolismo (p. es., acidosi)
Farmaci (p. es., aspirina, progesterone)
Sistema nervoso centrale (p. es., infezione, tumore, sanguinamento, aumento della pressione endocranica)
Condizioni fisiologiche (p. es., dolore, gravidanza)
Si ritiene che l'ipocapnia aumenti direttamente la broncocostrizione e riduca la soglia ischemica del cuore e dell'encefalo, forse attraverso il suo effetto sull'equilibrio acido-base.
Carbossiemoglobinemia
Il monossido di carbonio si lega all'emoglobina con un'affinità 210 volte maggiore rispetto all'ossigeno, impedendo il trasporto dell'ossigeno (1). I livelli di carbossiemoglobina clinicamente tossici sono il più delle volte provocati dall'inalazione di fumo o dall'esposizione a gas di scarico, sebbene i fumatori presentino valori di carbossiemoglobina rilevabili.
I pazienti con avvelenamento da CO si possono presentare con sintomi atipici come malessere generale, cefalea e nausea. Dato che l'avvelenamento si verifica spesso durante i mesi più freddi (a causa dell'uso domestico di stufe a combustibile), i sintomi possono essere confusi con quelli di sindromi virali come l'influenza. I medici devono essere consapevoli della possibilità dell'avvelenamento da CO nei pazienti appropriati e misurare i livelli di carbossiemoglobina qualora sia indicato. La carbossiemoglobina può essere misurata direttamente dal sangue venoso: un campione arterioso non è necessario. La saturazione di ossigeno determinata dalla pulsossimetria sarà normale o elevata (perché la pulsossimetria standard non è in grado di distinguere l'ossiemoglobina dalla carbossiemoglobina) e non può essere utilizzata per lo screening dell'avvelenamento da monossido di carbonio. La carbossiemoglobina può essere misurata mediante co-ossimetria.
Il trattamento consiste nella somministrazione di ossigeno al 100% (che accorcia l'emivita della carbossiemoglobina) e a volte nell'utilizzo di una camera iperbarica.
Consigli ed errori da evitare
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Riferimento relativo alla carbossiemoglobinemia
1. Forget BG, Bunn HF. Classification of the disorders of hemoglobin. Cold Spring Harb Perspect Med. 2013;3(2):a011684. Published 2013 Feb 1. doi:10.1101/cshperspect.a011684
Metaemoglobinemia
La metaemoglobina è l'emoglobina nella quale l'atomo di ferro è ossidato dal suo stato ferroso (Fe2+) al suo stato ferrico (Fe3+). La metaemoglobina non trasporta ossigeno e sposta a sinistra la normale curva di dissociazione dell'ossiemoglobina (vedi figura ), riducendo quindi il rilascio di ossigeno ai tessuti.
La metaemoglobinemia è causata da alcuni farmaci (p. es., dapsone, anestetici locali, nitrati, primachina, sulfamidici) o, più raramente, da alcune sostanze chimiche (p. es., coloranti dell'anilina, derivati del benzene).
Il livello di metaemoglobina può essere misurato direttamente mediante la co-ossimetria (che emette luce a 4 lunghezze d'onda ed è in grado di rilevare la metaemoglobina, la carbossiemoglobina [COHb]), l'emoglobina (Hb) e l'ossiemoglobina (HbO2). La saturazione di ossigeno misurata con la pulsossimetria sarà imprecisa in presenza di metaemoglobinemia.
I pazienti affetti da metemoglobinemia il più delle volte hanno una cianosi senza altri sintomi. Nei casi gravi, l'apporto di ossigeno ai tessuti è ridotto a tal punto da determinare sintomi di ipossia, quali confusione, angina e mialgie.
Spesso è sufficiente interrompere il farmaco o l'esposizione chimica causativa. Raramente è necessario il blu di metilene, una sostanza riducente (p. es., soluzione all'1%, 1-2 mg/kg somministrata lentamente per EV) o un'exsanguinotrasfusione.
