Échange gazeux humain

Le mécanisme de ventilation dans l'échange de gaz

Pour que l'échange de gaz se fasse efficacement, l'air est continuellement déplacé à l'intérieur et à l'extérieur des poumons dans un processus appelé ventilation ou respiration. Le mouvement de l'air est causé par le changement de pression à l'intérieur des poumons créé par le mouvement du diaphragme et des muscles intercostaux (situés entre les côtes).

La ventilation peut être décomposée en deux phases : L'inspiration (le fait d'inspirer) et l'expiration (le fait d'expirer).

L'inspiration

L'inspiration est un processus actif qui abaisse la pression à l'intérieur du poumon, ce qui provoque l'entrée de l'air. Voici les principaux événements qui se produisent pendant l'inspiration :

• Les muscles intercostaux internes se détendent.

• Les muscles intercostaux externes se contractent pour déplacer les côtes vers le haut et vers l'extérieur.

• Le diaphragme se contracte et s'aplatit.

Les muscles intercostaux internes et externes agissent pour augmenter le volume à l'intérieur du thorax. La loi de Boyle stipule qu'à une température fixe, le volume d'un gaz est inversement proportionnel à la pression exercée par le gaz. Par conséquent, l'augmentation du volume du thorax entraîne une baisse de la pression à l'intérieur des poumons. La pression atmosphérique étant supérieure à la pression pulmonaire, l'air pénètre dans les poumons.

L'expiration

L'expiration silencieuse est un processus passif. Les poumons et le thorax reviennent passivement à leur position initiale après l'inspiration grâce à leur recul élastique naturel. L'expiration ne devient active que lorsque la demande d'échange de gaz est élevée, par exemple, pendant l'exercice ou les activités physiques. Les principaux événements qui se produisent pendant l'expiration sont les suivants :

• Les muscles intercostaux externes se détendent.

• Les muscles intercostaux internes se contractent, déplaçant les côtes vers le bas et l'intérieur. (Uniquement pendant l'expiration active)

• Le diaphragme se détend et reprend ainsi sa forme de dôme.

Par conséquent, le volume des poumons diminue pendant l'expiration, ce qui fait que la pression pulmonaire dépasse la pression atmosphérique, poussant l'air hors des poumons.

Fig. 1 - Le mécanisme des contractions musculaires lors de l'inspiration et de l'expiration

Mesure du taux de ventilation pulmonaire

Le taux de ventilation pulmonaire peut être mesuré en multipliant le volume courant par la fréquence respiratoire. Le volume courant et la fréquence respiratoire sont mesurés séparément.

• Volume courant : mesuré à l'aide d'un respiromètre.
• Fréquence respiratoire : nombre de respirations par minute compté.

$Pulmonaryventilationrate(d{m}^3.{min}^{-1})=tidalvolume(d{m}^3)\times respiratoryrate({min}^{-1})$

Échange de gaz dans les alvéoles

Les alvéoles sont de minuscules sacs dans les poumons qui sont en contact étroit avec le sang. Les fibres de collagène et d'élastine, qui permettent aux sacs aériens de s'étirer et de se dilater pendant la respiration, entourent les alvéoles. Elles sont tapissées d'un épithélium à couche unicellulaire (épithélium pavimenteux simple) qui permet un échange rapide de gaz entre l'air et le sang. Lesalvéoles sont entourées de capillaires denses, très étroits et tapissés d'une seule couche de cellules endothéliales.

Chez l'homme, les échanges gazeux se produisent au niveau de l'épithélium des alvéoles pulmonaires. Les surfaces d'échange nécessitent des caractéristiques spécifiques pour permettre un transfert efficace de matériaux entre les organismes et les environnements, et les alvéoles ne font pas exception. Ces caractéristiques comprennent :

1. Courte distance de diffusion

2. Grande surface

3. Membrane partiellement perméable

4. Un gradient de diffusion maintenu

Caractéristiques des alvéoles pour un échange gazeux efficace

L'oxygène et le dioxyde de carbone doivent diffuser à travers les parois alvéolaires et capillaires dans des directions opposées au cours de l'échange gazeux.

Les alvéoles ont des parois très fines. Elles sont tapissées d'un épithélium pavimenteux simple qui n'a qu'une seule cellule d'épaisseur. Les capillaires sanguins qui entourent les alvéoles sont également très fins et leur endothélium n'a qu'une seule cellule d'épaisseur. Les gaz doivent donc se diffuser sur une courte distance, ce qui augmente le taux et l'efficacité des échanges gazeux.

Une seule alvéole est minuscule et a une petite surface en elle-même. Mais plusieurs alvéoles ont collectivement une surface beaucoup plus grande. Il y a environ 300 millions d'alvéoles dans chaque poumon humain, avec une surface collective de 70${\mathrm{m}}^2$soit environ la moitié de la taille d'un court de tennis ! Les alvéoles sont entourées de réseaux de fins capillaires sanguins qui ont collectivement une grande surface. Cette surface étendue permet aux échanges gazeux de se produire rapidement.

Le flux constant de sang dans les capillaires alvéolaires et la ventilation continue de l'air à l'intérieur et à l'extérieur des poumons créent et maintiennent un gradient de concentration élevé pour l'échange de gaz. Ce gradient pour l'oxygène va des alvéoles vers le sang, tandis que le gradient pour le dioxyde de carbone va du sang vers les alvéoles.

Ces caractéristiques permettent un échange gazeux rapide et efficace dans les poumons.

Les principales maladies pulmonaires qui altèrent les échanges gazeux chez l'homme.

Diverses maladies peuvent affecter la paroi alvéolaire ou obstruer les voies respiratoires et altérer le fonctionnement des poumons. Ces maladies comprennent notamment le cancer du poumon, la BPCO et l'asthme.

Le cancer du poumon

Le cancer se développe lorsque des mutations perturbent le contrôle de la réplication cellulaire, entraînant des divisions cellulaires non régulées. Les tumeurs du poumon se forment lorsque les oncogènes ou les gènes suppresseurs de tumeurs des cellules épithéliales bronchiques mutent. En conséquence, ces cellules subissent une réplication cellulaire rapide et non régulée et créent une masse de cellules anormales et irrégulières.

La tumeur finit par commencer à perturber le fonctionnement normal des poumons, par exemple en rétrécissant les artères et les veines pulmonaires. Les cellules cancéreuses malignes s'infiltrent également dans le système lymphatique. Elles peuvent alors se déplacer dans les lymphatiques et établir une autre tumeur à un autre endroit du corps.

Les patients atteints de cancer du poumon présentent souvent des symptômes tels qu'une toux persistante, des crachats de sang ou une augmentation des mucosités, une perte de poids soudaine et des difficultés respiratoires.

BPCO

La bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) désigne les maladies pulmonaires qui comprennent l'emphysème (essoufflement) et la bronchite chronique.

Les symptômes de la BPCO sont l'essoufflement, l'oppression thoracique, une toux persistante, une respiration sifflante lors d'un exercice ou d'une activité physique.

L'épithélium cilié de la trachée et des bronches des poumons contient des cellules de gobelet qui produisent du mucus. Les cils balaient la poussière et les micro-organismes piégés dans le mucus vers la gorge et loin des poumons chez les personnes en bonne santé. Lorsque ces cils sont endommagés ou cessent de fonctionner, le mucus s'accumule et provoque un rétrécissement des voies respiratoires.

Fig. 2 - Alvéoles pulmonaires saines et malades

Facteurs de risque

Plusieurs facteurs de risque spécifiques augmentent le risque de développer une BPCO. Il s'agit notamment de :

• Le tabagisme - On sait également que le tabagisme augmente le risque de développer un cancer du poumon.

• La pollution de l'air.

• La génétique (certaines personnes sont génétiquement plus susceptibles de développer une maladie pulmonaire, tandis que d'autres le sont moins).

• Infections - les infections thoraciques fréquentes augmentent le risque de développer une BPCO.

• Profession - (travailler avec des produits chimiques et des gaz nocifs augmente également les risques de développer une BPCO et un cancer du poumon).

L'asthme

Pendant une crise d'asthme, les muscles qui tapissent les voies respiratoires des poumons se contractent en réponse à l'anxiété ou à des particules étrangères. Cela provoque un rétrécissement des voies respiratoires et entrave la respiration. Les personnes souffrant d'asthme utilisent des inhalateurs contenant du salbutamol. Ces inhalateurs provoquent le relâchement des muscles des voies respiratoires, ce qui entraîne leur ouverture.

Une triade de facteurs de risque augmente les risques de développer de l'asthme chez une personne. Cette triade s'appelle la triade de l'atopie, et elle comprend :

1. Antécédents familiaux d'asthme

2. Allergies telles que le rhume des foins

3. L'eczéma

Fig. 3 - L'emplacement des poumons et des voies respiratoires dans le corps ; B : coupe transversale d'une voie respiratoire normale ; C : coupe transversale d'une voie respiratoire pendant les symptômes de l'asthme.