Paolo Palange

CONGRESSO NAZIONALE CHEST NAPOLI CITTA' DELLA SCIENZA 4 - 6 MAGGIO 2006
Corso di aggiornamento su: “Test da Sforzo Cardio-Polmonare”
"Risposta cardiovascolare/respiratoria all'esercizio fisico"
Paolo Palange
Dipartimento di Medicina Clinica e Fisiopatologia
Università “La Sapienza” – Roma
L’esercizio fisico richiede la corretta integrazione di meccanismi fisiologici e di apparati, tra i
quali i principali sono l’apparato respiratorio e cardiovascolare, tale da fornire un adeguato supporto
all’aumento della richiesta metabolica e dello scambio dei gas della muscolatura periferica. Durante
l’esercizio, l’apparato respiratorio e cardiovascolare sono entrambi attivati e la loro abilità a
rispondere adeguatamente a qualsiasi tipo di sollecitazione è indice del loro benessere fisiologico.
La valutazione della normale risposta di questi sistemi di supporto alla respirazione cellulare è
essenziale per il riconoscimento del meccanismo fisiopatologico alla base di numerose malattie.
L’aumento della richiesta metabolica durante l’esercizio richiede, prima di tutto, un adeguato
supporto di ossigeno (O2) a livello muscolare. Contemporaneamente, la quantità di anidride
carbonica (CO2) prodotta dai muscoli deve essere rimossa, per evitare l’instaurarsi di una severa
acidosi tissutale con i suoi effetti nocivi sulla funzionalità cellulare. Pertanto, alla necessità di
aumentare lo scambio dei gas delle cellule muscolari, deve rispondere, in corso di esercizio,
l’adeguato accoppiamento funzionale dell’apparato polmonare, del circolo polmonare, dell’apparato
cardiaco e vascolare periferico. Tale accoppiamento deve seguire in maniera efficiente la richiesta
metabolica, in modo tale da garantire il supporto di O2 e l’eliminazione di CO2 necessari e
mantenere l’omeostasi dei gas arteriosi.
Il test da sforzo cardiopolmonare (TSCP) offre la possibilità di studiare la funzionalità, sotto
sforzo, dei suddetti apparati e permette di valutare la loro capacità ad assolvere il loro comune e
principale compito: lo scambio dei gas. Il normale scambio dei gas tra cellule e ambiente esterno
richiede, quindi: efficienza operativa dei polmoni e della gabbia toracica, normale funzionamento
del circolo polmonare con adeguato accoppiamento ventilazione-perfusione delle unità pomonari,
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adeguata attività della pompa cardiaca che deve essere in grado di fornire una quantità di sangue
ossigenato necessario alle richieste tissutali, efficiente sistema vascolare in grado di distribuire
selettivamente il flusso sanguigno in base alle differenti necessità distrettuali, sangue con adeguata
concentrazione emoglobinica e meccanismi di controllo respiratorio in grado di regolare la
pressione parziale dei gas arteriosi ed il pH.
A livello periferico, i muscoli scheletrici hanno la funzione, in corso di esercizio, di
convertire i substrati energetici in lavoro. I muscoli hanno la capacità di eseguire lavori di intensità
e durata variabili, in diverse condizioni ed utilizzando differenti substrati. Questi ultimi sono
rappresentati prevalentemente da carboidrati e lipidi; le proteine, anch’esse considerate come
possibile sorgente energetica, non sono quasi mai utilizzate in tal senso, ad eccezione di condizioni
di denutrizione. L’energia contenuta in essi è principalmente ottenuta mediante processi ossidativi
che avvengono in gran parte nei mitocondri delle fibrocellule. L’energia derivante da tali substrati
non è mai utilizzata direttamente per la contrazione muscolare. Deve essere inizialmente
accumulata nei legami ad alto contenuto energetico (legami fosforici) che compongono la molecola
di adenosina trifosfato (ATP); ciò avviene mediante una serie di processi biochimici che prevedeno
l’utilizzazione finale di ossigeno (aerobiosi). La rottura di questi legami, con conseguente
formazione di adenosina difosfato (ADP), libera l’energia che viene finalmente utilizzata per la
contrazione delle fibre muscolari. L’ATP può anche essere sintetizzata in assenza di ossigeno e,
quindi, mediante processi biochimici di tipo anaerobico, quali la glicolisi anaerobica o, più
rapidamente, dalla scissione dei legami fosforici della fosfocreatina (PC). Quest’ultima è anch’essa
una molecola dotata di legami ad alto contenuto energetico e, essendo la sua concentrazione
intracellulare notevolmente superiore a quella dell’ATP, è considerata come il vero serbatoio
energetico muscolare. Invece, essendo la concentrazione dell’ATP alquanto limitata, quest’ultima
deve essere continuamente resintetizzata in corso di esercizio, mediante i processi biochimici
sopracitati. Logicamente, il contributo dei processi anaerobici sarà inversamente proporzionale alla
disponibilità di ossigeno ed alla capacità del suo utilizzo da parte delle fibrocellule muscolari.
Quando si inizia un esercizio, molecole preesistenti di ATP sono utilizzate per sostenere
l’immediata richiesta energetica della contrazione muscolare; l’ATP è rapidamente rigenerata
mediante l’utilizzo dei depositi di fosfocreatina. Parallelamente alla progressiva deplezione dei
depositi di fosfocreatina, l’aumento di concentrazione intarcellulare di creatina e di fosforo
inorganico stimola l’attivazione dei processi ossidativi mitocondriali, con l’utilizzo dei differenti
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substrati per le rigenerazione dell’ATP muscolare. Pertanto, la pressione parziale di O2 (PO2)
mitocondriale diminuisce come conseguenza dell’aumentato consumo di O2, generando un
gradiente di diffusione necessario a favorire il flusso di O2 dai capillari ai mitocondri. L’aumento
della richiesta di O2 muscolare durante l’esercizio richiede l’aumento del trasporto di O2 ai muscoli
e, parallelamente, la rimozione della CO2 prodotta per evitare l’acidosi tissutale. Quindi,
all’aumento dello scambio dei gas richiesto in corso di esercizio deve rispondere un efficiente
accoppiamento funzionale dei sistemi cionvolti nel trasporto dei gas (polmonare, cardiovascolare),
in modo tale da soddisfare l’aumentata respirazione cellulare.
In risposta all’aumento dell’estrazione di O2 e del passaggio di CO2 nel sangue capillare, si verifica
l’aumento del flusso di sangue muscolare ed in particolare a livello delle unità muscolari con più
alta attività metabolica. La gittata cardiaca aumenta all’inizio dell’esercizio e ciò è dovuto sia
all’aumento del volume sistolico sia della frequenza cardiaca; nelle fasi finale di un esercizio
strenuo, ulteriori incrementi della gittata cardiaca sono prevalentemente dovuti all’aumento della
frequenza cardiaca. Parallelamente all’aumento della gittata ventricolare destra e della pressione
polmonare, si verifica la vasodilatazione del sistema vascolare polmonare. Ciò è importante per due
motivi: il primo, poichè permette la perfusione di unità polmonari non perfuse o comuque il
miglioramento del rapporto ventilazione-perfusione di unità scarsamente perfuse, e il secondo,
poichè determina l’abbassamento del resistenze vascolari polmonari, senza il quale il ventricolo
destro, meno vigoroso muscolarmente rispetto al sinistro, non sarebbe in grado di pompare
prontamente l’aumentato ritorno venoso di sangue attraverso i polmoni, limitando il normale
aumento della gittata cardiaca. L’aumentato passaggio di CO2 dai tessuti al sangue determina
l’aumento del contenuto di questa nel sangue che raggiunge i polmoni. Conseguentemente, la
ventilazione minuto (VE) aumenta in modo tale da garantire la rimozione della CO2 in eccesso e
garantire la stabilità dei gas arteriosi e del pH ematico. L’aumento della ventilazione è generalmente
così preciso che la pressione parziale di CO2 (PCO2) ed il pH rimangono costanti ripetto ai valori a
riposo, almeno durante un esercizio di moderata intensità. A carichi di lavoro di elevata intensità,
l’instaurarsi di una condizione di acidosi metabolica determina un ulteriore incremento della VE
che determina il progressivo dcremento della PCO2 arteriosa; ciò è dovuto al superamento della
soglia anareobica (AT), vale a dire quel livello di intensità di esercizio oltre il quale l’energia
necessaria per il lavoro muscolare è generata con il contributo di processi metabolici di tipo
anaerobico (es. glicolisi anaerobica), che culminano con la produzione di acido lattico.
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A questo punto, è necessario introdurre e chiarire alcuni termini e relativi simboli, che
verranno continuamente utilizzati nel corso delle trattazioni successive. Tra questi i principali sono:
la VE, già specificata in precedenza, il consumo di ossigeno (VO2, QO2) e la produzione di CO2
(VCO2, QCO2). Il simbolo VO2 indica il volume di O2 assorbito dai polmoni al minuto;
concettualmente, esso va distinto dal consumo di O2 delle cellule, il cui simbolo è QO2.
Analogamente, il simbolo VCO2 indica il volume di CO2 eliminato dai polmoni al minuto e si
distingue dal simbolo QCO2 che indica la produzione cellulare di CO2.
Il rapporto QCO2/QO2, definito come quoziente respiratorio metabolico (RQ), caratterizza la
miscela di substrati che sono sottoposti ai processi ossidativi. Ad esempio, l’ossidazione dei
carboidrati determina un RQ pari ad 1, mentre in quella dei lipidi l’RQ è pari 0,71. L’RQ è pertanto
un indice della composizione percentuale, in termini di carboidrati e lipidi, dell’insieme di substrati
energetici utilizzati dai muscoli in corso di esercizio. Data la comprensibile difficoltà di una
misurazione diretta dell’RQ, è possibile utilizzare in sua vece il rapporto tra VCO2 e VO2 (rapporto
dello scambio dei gas o RER) che è misurato alla bocca; è da tenere presente che tale parametro è in
grado di riflettere accuratamente l’RQ solo in condizioni stato stazionario.
Il TSCP utilizza l’aumento della richiesta metabolica indotta dall’esercizio per sollecitare
questi sistemi e, quindi, valutarne la capacità di risposta (o di riserva). Questo consente di valutare e
di discriminare i fattori che contribuiscono a determinare la limitazione funzionale provocata dai
primi stadi di patologie che interessano l’apparato muscolo-scheletrico, il sistema cardiovascolare,
l’apparato respiratorio e che si manifestano clinicamente con dispnea da sforzo e/o fatica muscolare.
La capacità di risposta di questi sistemi può essere già alterata in uno stadio iniziale della malattia,
quando, data la loro notevole riserva, le attività della vita quotidiana non risultano ancora
compromesse.
Gli esercizi al cicloergometro ed al treadmill sono i più usati, in quanto capaci di indurre un
notevole stress ventilatorio e cardiovascolare. I protocolli di lavoro che meglio si prestano per una
valutazione clinica, sono quelli capaci di coinvolgere in modo controllato i sistemi respiratorio e
cardiovascolare. Il lavoro eseguito deve essere esattamente quantificabile, al fine di poter
paragonare i risultati ottenuti con valori di riferimento o con test effettuati dallo stesso paziente in
momenti successivi. Due sono i protocolli di lavoro più indicati al fine di una valutazione clinica: il
test massimale di tipo incrementale, vale a dire con carichi di lavoro progressivamente crescenti,
che è indicato per la valutazione della massima tolleranza allo sforzo e delle eventuali cause
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limitanti ed il test a carico di lavoro costante, utile per la misurazione delle curve di cinetica della
VE, del VO2 e della VCO2.
Il test massimale di tipo incrementale consente, da un punto di vista fisiologico, di valutare la
massima tolleranza all’esercizio in soggetti normali ed in quelli patologici; nei soggetti con
patologie cardio-polmonari, permette di evidenziare l’organo principalmente coinvolto nella ridotta
tolleranza allo sforzo e di valutare il grado di limitazione funzionale dei principali organi centrali
(polmone, cuore, sistema vascolare). Questo tipo di protocollo consente inoltre di: a) ottenere
numerose informazioni in un breve arco di tempo e con maggiore collaborazione da parte del
paziente; b) ottenere una risposta di tipo non stazionaria, con misurazione più precisa della crescita
di alcune variabili in funzione del carico di lavoro o di un’altra variabile (es. VO2/carico di lavoro,
frequenza cardiaca/VO2).
Bibliografia
ATS/ERS Statement. Skeletal muscle dysfunction in obstructive pulmonary disease.
Am J Respir Crit Care Med 1999: 159; S1-S40.
AGN Agustí, J Cotes, PD Wagner. Responses to exercise in lung diseases. In: Roca J and Whipp
BJ, Eds. Clinical exercise testing. Eur Respir Mon 1997: 6; 32-50.
ERS Task Force. Clinical exercise testing with reference to lung diseases: indications, protocols and
interpretation strategy. Eur Respir J 1997: 10; 2662-2689.
H Folgering, P Palange, S Anderson. Indications and protocols. In Clinical exercise testing. J Roca
and BJ Whipp Eds. Eur Respir Mon 1997; 6:51-71.
Gruppo di Studio AIPO di Fisiopatologia Respiratoria: Il test da sforzo cardiopolmonare (TCP)
nello studio delle malattie respiratorie e in riabilitazione. Rassegna di Patologia dell’Apparato
Respiratorio 2003. Parte I vol. 18, pag. 130-141.
Gruppo di Studio AIPO di Fisiopatologia Respiratoria: Il test da sforzo cardiopolmonare (TCP)
nello studio delle malattie respiratorie e in riabilitazione. Rassegna di Patologia dell’Apparato
Respiratorio 2003. Parte II vol. 18, pag. 219-230.
P Onorati, R Antonucci, G Valli, E Berton, F DeMarco, P Serra, P Palange
Non-invasive evaluation of gas exchange during a shuttle walking test vs. 6-min walking test to
assess exercise intolerance in COPD patients. Eur J Appl Physiol 89:331-336; 2003
P Palange, P Galassetti, ET Mannix, MO Farber, F Manfredi, P Serra, S Carlone. Oxygen effect on
O2 deficit and VO2 kinetics during exercise in obstructive pulmonary disease. J Appl Physiol 1995:
6
78; 2228-2234.
P Palange, S Forte, P Onorati, V Paravati, F Manfredi, P Serra, S Carlone. Effect of reduced body
weight on muscle aerobic capacity in chronic obstructive pulmonary disease (COPD).
Chest 1998: 114; 12-18.
P Palange, S Forte, P Onorati, F Manfredi, P Serra, S Carlone. Ventilatory and metabolic
adaptations to walking and cycling in patients with COPD. J Appl Physiol 88:1715-1720; 2000
J Roca, I Weisman, P Palange, JB Whipp. Guidelines for interpretation. In Clinical exercise
testing, J Roca and BJ Whipp Eds. Eur Respir Mon 1997; 6:88-114.
BJ Whipp. Dynamics of pulmonary gas exchange. Circulation 1987: Suppl. VI; 18-28.
BJ Whipp, SA Ward, N Lamarra, JA Davis, K Wasserman. Parameters of ventilatory and gas
exchange dynamics during exercise. J Appl Physiol 1982: 52; 1506-1513.