L'alveolo polmonare (plurale: pl. alveoli, derivato dal latino alveolo che significa 'piccola cavità'), definito in alternativa sacca d'aria o spazio aereo, rappresenta uno dei milioni di strutture cave, distensibili, a forma di coppa all'interno dei polmoni, che fungono da sito primario per lo scambio gassoso polmonare. All'interno di questa struttura, l'ossigeno viene scambiato con anidride carbonica attraverso la barriera sangue-aria, situata tra l'aria alveolare e la rete capillare polmonare. Collettivamente, gli alveoli costituiscono il tessuto funzionale dei polmoni dei mammiferi, noto come parenchima polmonare, che rappresenta il 90% del volume polmonare totale.
Un alveolo polmonare (pl. alveoli; dal latino alveolo 'piccola cavità'), chiamato anche sacca aerea o aria spazio, è una delle milioni di cavità cave e distensibili a forma di coppa nei polmoni dove avviene lo scambio di gas polmonare. L'ossigeno viene scambiato con anidride carbonica nella barriera sangue-aria tra l'aria alveolare e il capillare polmonare. Gli alveoli costituiscono il tessuto funzionale dei polmoni dei mammiferi noto come parenchima polmonare, che occupa il 90% del volume polmonare totale.
Gli alveoli compaiono inizialmente all'interno dei bronchioli respiratori, a indicare l'inizio della zona respiratoria. La loro distribuzione è sparsa all'interno di questi bronchioli, diventando più diffusa man mano che rivestono le pareti dei dotti alveolari e sono più abbondanti nei sacchi alveolari terminali. Gli acini funzionano come le unità respiratorie fondamentali, dove lo scambio di gas avviene attraverso tutti gli alveoli contenuti. La membrana alveolare funge da superficie di scambio gassoso, avvolta da un'intricata rete capillare. L'ossigeno si diffonde attraverso questa membrana nei capillari, mentre l'anidride carbonica viene rilasciata dai capillari negli alveoli per l'espirazione.
Gli alveoli sono una caratteristica distintiva che si trova esclusivamente nei polmoni dei mammiferi. Al contrario, altre specie di vertebrati utilizzano strutture anatomiche alternative per lo scambio di gas.
Struttura
Gli alveoli inizialmente si manifestano come tasche sparse che si estendono dai lumi dei bronchioli respiratori. Questi bronchioli respiratori si estendono in modo significativo, sviluppando progressivamente più alveoli lungo la loro lunghezza, in particolare attraverso i rami laterali che formano dotti alveolari, che sono ampiamente rivestiti di alveoli. Ciascun bronchiolo dà tipicamente origine da due a undici condotti di questo tipo. Successivamente, ciascun condotto termina in cinque o sei sacche alveolari, che contengono gruppi di singoli alveoli.
L'acino, definito come unità respiratoria terminale, comprende i bronchioli respiratori, i dotti alveolari, le sacche alveolari e gli alveoli stessi. La formazione di nuovi alveoli persiste fino a circa otto anni di età.
Una tipica coppia di polmoni umani contiene circa 480 milioni di alveoli, offrendo collettivamente una superficie totale di scambio di gas che varia da 70 a 80 metri quadrati. Ogni singolo alveolo è avvolto da una delicata rete capillare, che copre circa il 70% della sua superficie. Il diametro medio di un alveolo misura tra 200 e 500 μm.
Microanatomia
Un alveolo è composto da uno strato epiteliale, in particolare un epitelio squamoso semplice (caratterizzato da cellule molto sottili e appiattite), e una matrice extracellulare, il tutto circondato da capillari. Questo rivestimento epiteliale costituisce un componente della membrana alveolare, chiamata anche membrana respiratoria, che facilita lo scambio di gas. La membrana stessa comprende diversi strati distinti: un fluido di rivestimento alveolare contenente tensioattivo, lo strato di rivestimento epiteliale e la membrana basale associata. La membrana basale dell'endotelio capillare si fonde con quella dell'epitelio alveolare, formando collettivamente la membrana basale alveolare. Nonostante la sua composizione multistrato, lo spessore dell'intera membrana varia da un minimo di 0,2 μm a un massimo di 0,6 μm.
All'interno delle pareti alveolari, esistono passaggi d'aria interconnessi, chiamati pori di Kohn, tra gli alveoli adiacenti. Il setto alveolare, che delinea i singoli alveoli all'interno di un sacco alveolare, incorpora sia fibre collagene che elastiche. Questi setti ospitano inoltre l'intricata rete capillare che avvolge ciascun alveolo. La presenza di fibre elastiche consente agli alveoli di distendersi durante l'inspirazione poiché si riempiono d'aria. Successivamente, queste fibre facilitano il ritorno elastico durante l'espirazione, espellendo così l'aria ricca di anidride carbonica.
Vengono riconosciuti tre tipi principali di cellule alveolari. Questi includono due tipi di pneumociti (noti anche come pneumociti), designati come cellule di tipo I e di tipo II, che risiedono all'interno della parete alveolare, e una grande cellula fagocitica, il macrofago alveolare, che attraversa i lumi alveolari e il tessuto connettivo interstiziale. Le cellule di tipo I, chiamate anche pneumociti di tipo I o cellule alveolari di tipo I, sono squamose, sottili e appiattite e formano la struttura strutturale degli alveoli. Le cellule di tipo II, note anche come pneumociti di tipo II o cellule alveolari di tipo II, sono responsabili della secrezione di tensioattivo polmonare, che riduce la tensione superficiale, e possiedono la capacità di differenziarsi e sostituire le cellule di tipo I danneggiate.
Sviluppo
La formazione delle strutture alveolari iniziali inizia il giorno 22 e progredisce attraverso cinque fasi distinte: embrionale, pseudoghiandolare, canalicolare, sacculare e alveolare. Lo stesso stadio alveolare inizia intorno alla 36a settimana di gestazione. Gli alveoli immaturi si manifestano come protuberanze che si estendono dai sacculi, che successivamente penetrano nei setti primari. Con la maturazione dei sacculi, queste protuberanze primarie del setto si allargano e emergono nuovi setti, allungati e attenuati, chiamati setti secondari. I setti secondari facilitano la suddivisione definitiva dei sacculi in singoli alveoli. Mentre la maggior parte della divisione alveolare avviene entro i primi sei mesi dopo la nascita, lo sviluppo persiste fino a circa tre anni di età. Per stabilire una barriera di diffusione più attenuata, la rete capillare a doppio strato si fonde in un'unica rete, con ciascun capillare intimamente associato a due alveoli in via di sviluppo.
Durante i primi tre anni di vita, l'espansione polmonare deriva principalmente da un aumento del numero di alveoli. Successivamente, sia la quantità che le dimensioni degli alveoli continuano ad aumentare fino a quando lo sviluppo polmonare non si conclude intorno agli otto anni di età.
Funzione
Celle di tipo I
Le cellule di tipo I, note anche come pneumociti membranosi, rappresentano il più grande dei due tipi di cellule alveolari primarie, caratterizzate dalla loro struttura epiteliale sottile e appiattita che costituisce la struttura fondamentale degli alveoli. Queste cellule presentano una morfologia squamosa, che massimizza la loro area superficiale, e possiedono estese estensioni citoplasmatiche che avvolgono collettivamente oltre il 95% della superficie alveolare. Questo rivestimento epiteliale attenuato facilita l'efficiente diffusione dei gas tra l'aria alveolare e il sangue all'interno dei capillari adiacenti.
Le cellule di tipo I sono notevolmente sottili, misurando occasionalmente solo 25 nanometri di spessore. Dato che le lunghezze d'onda della luce visibile sono dell'ordine di centinaia di nanometri, la microscopia elettronica è indispensabile per la loro osservazione.
Il nucleo di una cellula di tipo I occupa una porzione sostanziale del citoplasma libero, con i suoi organelli aggregati attorno ad esso, riducendo così al minimo lo spessore cellulare complessivo. Questa disposizione garantisce contemporaneamente che la barriera sangue-aria mantenga uno spessore minimo.
Il citoplasma all'interno delle regioni attenuate contiene vescicole pinocitotiche, che potenzialmente contribuiscono all'eliminazione di minuscoli contaminanti particolati dalla superficie esterna. Inoltre, oltre ai desmosomi, tutte le cellule alveolari di tipo I possiedono giunzioni occlusive, che impediscono efficacemente lo stravaso di fluido tissutale nello spazio aereo alveolare.
La solubilità relativamente bassa e la conseguente velocità di diffusione dell'ossigeno rendono necessaria l'ampia superficie interna (circa 80 metri quadrati [96 iarde quadrate]) e le pareti estremamente sottili caratteristiche degli alveoli. Una matrice extracellulare, comprendente una rete a rete di fibre elastiche e collagene, si intreccia tra i capillari, fornendo supporto strutturale. Le fibre di collagene più rigide conferiscono fermezza strutturale alle pareti alveolari, mentre le fibre elastiche consentono la loro espansione e contrazione durante la respirazione.
I pneumociti di tipo I non hanno la capacità di replicarsi e sono vulnerabili alle esposizioni tossiche. In caso di danno, le cellule di tipo II possiedono la capacità di proliferare e successivamente differenziarsi in cellule di tipo I, facilitando così la riparazione e la compensazione.
Celle di tipo II
Le cellule di tipo II sono di forma cuboidale e considerevolmente più piccole delle cellule di tipo I. Nonostante siano il tipo cellulare più numeroso all'interno degli alveoli, non comprendono un'area superficiale così estesa come le cellule squamose di tipo I. Le cellule di tipo II, denominate anche pneumociti granulari, sono situate all'interno della parete alveolare e contengono organelli secretori specializzati chiamati corpi lamellari o granuli lamellari. Questi organelli si fondono con la membrana cellulare per rilasciare surfattante polmonare. Questo tensioattivo è costituito da un film di sostanze lipidiche, principalmente fosfolipidi, che hanno la funzione di diminuire la tensione superficiale alveolare. I fosfolipidi sono immagazzinati all'interno dei corpi lamellari. In assenza di questo rivestimento protettivo, gli alveoli collasserebbero. Il tensioattivo viene continuamente scaricato tramite esocitosi. Il tensioattivo facilita il rigonfiamento degli alveoli dopo l'espirazione abbassando la tensione superficiale all'interno del loro rivestimento fluido attenuato. Questo rivestimento fluido è prodotto in modo endogeno per migliorare lo scambio di gas tra il sangue e l'aria alveolare, con cellule di tipo II tipicamente localizzate sulla barriera sangue-aria.
Le cellule di tipo II iniziano lo sviluppo intorno alla 26a settimana di gestazione, iniziando la secrezione di quantità minori di tensioattivo. Tuttavia, livelli sufficienti di tensioattivo non vengono prodotti fino a circa 35 settimane di gestazione. Questa carenza è una delle principali cause dell'elevata incidenza della sindrome da distress respiratorio infantile, che diminuisce significativamente nei neonati nati dopo la 35a settimana di gestazione.
Le cellule di tipo II possiedono la capacità di divisione cellulare, consentendo loro di generare ulteriori cellule alveolari di tipo I e II in seguito al danno del tessuto polmonare.
Il gene umano MUC1, collegato ai pneumociti di tipo II, è stato riconosciuto come biomarcatore per il cancro ai polmoni.
Una revisione pubblicata nell'aprile 2022 ha chiarito il ruolo critico delle cellule alveolari polmonari di tipo 2 nella patogenesi dei gravi sintomi respiratori del COVID-19 e esplorato i potenziali meccanismi attraverso i quali gli inibitori selettivi della ricaptazione della serotonina (SSRI) come fluvoxamina e fluoxetina possono conferire protezione a queste cellule.
Macrofagi alveolari
I macrofagi alveolari sono situati sulle superfici luminali interne degli alveoli, dei dotti alveolari e dei bronchioli. Questi fagociti mobili funzionano per fagocitare sostanze estranee all'interno dei polmoni, tra cui polvere, batteri, particelle di carbonio e cellule del sangue derivanti da lesioni. Vengono anche chiamati macrofagi polmonari e cellule di polvere. Inoltre, i macrofagi alveolari sono fondamentali nel mediare le risposte immunitarie contro i patogeni virali nel sistema polmonare. Le loro funzioni includono la secrezione di citochine e chemochine per reclutare e attivare altre cellule immunitarie, avviare la segnalazione dell'interferone di tipo I e impedire l'esportazione nucleare di genomi virali.
Significato clinico
Malattie
tensioattivo
Livelli inadeguati di tensioattivo all'interno degli alveoli rappresentano un fattore che contribuisce all'atelettasia, ovvero al collasso di una porzione o dell'intero polmone. L'assenza di surfattante polmonare porta invariabilmente ad atelettasia. La sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS), una grave condizione medica, deriva da una carenza o da una disfunzione del tensioattivo. Allo stesso modo, una quantità insufficiente di tensioattivo nei polmoni dei neonati pretermine precipita la sindrome da distress respiratorio infantile (IRDS). Il rapporto lecitina-sfingomielina, derivato dal liquido amniotico fetale, funge da indicatore di maturità o immaturità polmonare; un rapporto basso indica un rischio elevato di IRDS. Sia la lecitina che la sfingomielina sono glicolipidi parte integrante del surfattante polmonare.
I meccanismi disregolati del surfattante possono portare all'accumulo patologico delle proteine del surfattante all'interno degli alveoli, una condizione chiamata proteinosi alveolare polmonare. Questo accumulo compromette successivamente l'efficienza dello scambio di gas.
Infiammazione
La polmonite costituisce una malattia infiammatoria che colpisce il tessuto polmonare, con eziologie che comprendono sia agenti patogeni virali che batterici. In risposta all’infezione, citochine e fluidi vengono rilasciati nella cavità alveolare, nell’interstizio o in entrambi, diminuendo così la superficie effettiva disponibile per lo scambio gassoso. Nelle presentazioni gravi in cui la respirazione cellulare diventa insostenibile, può essere necessaria la somministrazione di ossigeno supplementare.
- Il danno alveolare diffuso è riconosciuto come una potenziale eziologia della sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS), una grave malattia polmonare infiammatoria.
- L'asma è caratterizzata dal restringimento dei bronchioli, che diminuisce sostanzialmente il flusso d'aria nel tessuto polmonare. Questa condizione può essere provocata da sostanze irritanti presenti nell'aria, come lo smog fotochimico, o da allergeni specifici a cui un individuo è sensibile.
- La bronchite cronica è definita dalla produzione eccessiva di muco all'interno dei polmoni. Mentre la produzione di muco è una risposta fisiologica naturale all'irritazione del tessuto polmonare, nella bronchite cronica i bronchioli respiratori, che sono i passaggi aerei che portano agli alveoli, vengono ostruiti da questo muco. Questa ostruzione richiede un aumento della tosse per l'eliminazione del muco e spesso deriva da un'esposizione prolungata al fumo di sigaretta.
- Polmonite da ipersensibilità
Condizioni strutturali
Quasi tutte le forme di tumore polmonare o cancro ai polmoni possiedono la capacità di comprimere gli alveoli, diminuendo così l'efficienza dello scambio di gas. In alcuni casi, il tumore può occupare direttamente lo spazio alveolare.
- La polmonite cavitaria comporta un processo patologico caratterizzato dalla distruzione degli alveoli e dalla successiva formazione di una cavità. La progressiva distruzione degli alveoli porta ad una riduzione della superficie disponibile per lo scambio gassoso. Inoltre, le alterazioni del flusso sanguigno polmonare possono ulteriormente contribuire al declino della funzione polmonare complessiva.
- L'enfisema rappresenta una malattia polmonare distinta caratterizzata dalla degradazione dell'elastina all'interno delle pareti alveolari. Questa degradazione deriva da uno squilibrio tra la produzione di elastasi neutrofila (che è aumentata dal fumo di sigaretta) e di alfa-1 antitripsina (la cui attività è influenzata da fattori genetici o dalla reazione di un residuo critico di metionina con le tossine, comprese quelle presenti nel fumo di sigaretta). La conseguente perdita di elasticità polmonare si traduce in tempi di espirazione prolungati, poiché l'espirazione si basa sul ritorno passivo del polmone espanso. In definitiva, questo processo patologico diminuisce il volume di gas scambiato ad ogni respiro.
- La microlitiasi alveolare polmonare è una malattia polmonare rara caratterizzata dalla formazione di calcoli minuti all'interno degli alveoli.
- Vari fattori, come il fumo, le infezioni virali e il processo di invecchiamento, contribuiscono al danno fisico osservato nelle cellule alveolari di tipo II. La ricerca indica una correlazione tra il danno a queste cellule e lo sviluppo della fibrosi polmonare, compreso l'inizio della fibrosi polmonare idiopatica.
Fluido
Una contusione polmonare rappresenta un livido all'interno del tessuto polmonare, generalmente derivante da un trauma. Il danno capillare associato a una contusione può portare all'accumulo di sangue e altri liquidi all'interno del parenchima polmonare, compromettendo così l'efficienza dello scambio di gas.
L'edema polmonare è caratterizzato dall'eccessivo accumulo di liquido all'interno del parenchima polmonare e degli alveoli. Questa condizione deriva comunemente dall'insufficienza cardiaca ventricolare sinistra o da un danno diretto al tessuto polmonare o alla sua rete vascolare.
Coronavirus
A causa della significativa espressione dell'enzima 2 di conversione dell'angiotensina (ACE2) sulle cellule alveolari di tipo II, i polmoni mostrano una suscettibilità alle infezioni da parte di alcuni coronavirus, in particolare quelli responsabili della sindrome respiratoria acuta grave (SARS) e della malattia da coronavirus 2019 (COVID-19).
Immagini aggiuntive
Malattia polmonare interstiziale
- Malattia polmonare interstiziale
- Celle A549
- Elenco dei tipi cellulari distinti nel corpo umano adulto
- Fisica della respirazione
Riferimenti
Voce degli alveoli polmonari nel database MeSH (Medical Object Headings) della Biblioteca nazionale di medicina degli Stati Uniti.
- Polmonare+Alveoli presso la Biblioteca Nazionale di Medicina degli Stati Uniti Medical Object Headings (MeSH)