Allenamento con mascherina: le evidenze scientifiche

La distanza fisica, il lavaggio regolare delle mani e l’uso di una mascherina sono comportamenti considerati efficaci per prevenirne il diffondersi di virus. Questi possono diffondersi per contatto indiretto inspirando, parlando o inalando goccioline emesse attraverso starnuti e tosse, pertanto, in tutte le situazioni in cui la respirazione è più veloce e profonda che a riposo, come l’ attività fisica, è aumentato il rischio di trasmissione proprio per l’incremento della ventilazione polmonare.

In questo articolo si cerca però di contestualizzare gli effetti fisiologici portati dell’uso di una mascherina durante lo svolgimento di un ‘attività fisica. Prima di parlare di possibile effetti è bene conoscere le dinamiche a monte, ovvero la ventilazione polmonare.

La funzione principale dell’apparato respiratorio è garantire il giusto apporto di ossigeno (O₂) al sangue. Allo stesso tempo elimina l’anidride carbonica (CO₂) in eccesso. Poiché questi gas devono entrare nel circolo ematico, o da questo devono essere espulsi, le vie respiratorie accoppiano ventilazione e perfusione. Il processo meccanico che chiamiamo comunemente respirazione si chiama in realtà ventilazione. Con respirazione si indica invece l’intero processo, dall’ingresso dell’ossigeno al suo utilizzo per ossidare i substrati e produrre energia.

La ventilazione polmonare è quindi la quantità d’aria che entra ed esce dai polmoni in un minuto. Si ottiene moltiplicando il volume d’aria di un singolo respiro (volume corrente) per il numero di respiri al minuto.

VENTILAZIONE POLMONARE (VE) = VOLUME CORRENTE (VT) * FREQUENZA RESPIRATORIA (FR)

In un soggetto a riposo:

• VOLUME CORRENTE (VT) ≈ 500 ml.
• FREQUENZA RESPIRATORIA (FR) ≈ 12 atti/min.
• VENTILAZIONE POLMONARE (VE) ≈ 500 x 12 ≈ 6 L / min.

I volumi polmonari rappresentano un quantitativo d’aria e si distinguono in statici e dinamici.

I volumi statici sono la quantità di aria presente in determinate situazioni, come se fossero delle fotografie istantanee. Essi sono:

• Volume Corrente (VT): volume d’aria di un singolo atto respiratorio (uomini  600 ml ca, donne 500 ml ca).
• Volume di Riserva Inspiratorio (VRI): massimo volume d’aria inspirabile alla fine di una normale espirazione (uomini  3000 ml ca, donne 1900 ml ca).
• Volume di Riserva Espiratorio (VRE): massimo volume d’aria espirabile alla fine di una normale inspirazione (uomini 1200 ml ca, donne 900 ml ca).
• Volume Residuo (VR): volume d’aria presente nei polmoni dopo una espirazione massimale (uomini  1200 ml ca, donne 1000 ml ca).

I volumi dinamici sono invece correlati alla capacità dei muscoli respiratori e si distinguono in:

• Volume Espiratorio Massimo ad 1 secondo (VEMS, FEV1): volumi di aria espirata in maniera forza dopo inspirazione massimale, nel primo secondo.
• Massima ventilazione Volontaria (MVV): volume massimo di aria ventilata in un minuto.

Sulla base di questi volumi vengono poi definite le capacità polmonari intese come la somme di due o più volumi:

• Capacità Vitale (CV): volume totale di aria che può essere completamente espirato dopo una inspirazione massimale.
• Capacità Vitale Forzata (CVF): misura della quantità dinamica di aria espirata in maniera forzata dopo una inspirazione massimale.
• Capacità Polmonare Totale (CPT): volume polmonare totale dato da CV + VR (uomini  6000 ml ca, donne 4200 ml ca).
• Capacità Inspiratoria (CI): massimo volume inspirato in modo forzato partendo dal volume di fine espirazione (uomini  3600 ml ca, donne 2400 ml ca).
• Capacità Funzionale Residua (CFR): volume presente nei polmoni alla fine di una espirazione normale (uomini  2400 ml ca, donne 1800 ml ca).

Per fare fronte a questa richiesta supplementare, la respirazione deve aumentare così come la circolazione deve accelerare:

• VOLUME CORRENTE (VT) può raggiungere anche da 2 a 2,5 litri.
• FREQUENZA RESPIRATORIA (FR): mediamente da 35 a 45 atti/min, ma nell’atleta può raggiungere da 60 a 70 atti/min.
• VENTILAZIONE POLMONARE (VE): nel soggetto normale da 100 a 120 L / min; nell’atleta può superare i 180 L / min.

Durante uno sforzo di bassa intensità la ventilazione aumenta soprattutto grazie al volume corrente. Con l’aumentare dello sforzo cresce anche la frequenza respiratoria.

Se lo sforzo è intenso si crea una condizione di affanno, cioè un affaticamento respiratorio. Nasce dalla differenza tra la richiesta di ossigeno dell’organismo e la sua capacità di soddisfarla. Questa condizione dipende in parte dall’entità dello sforzo e in parte dal quoziente respiratorio (QR). Il QR è il rapporto tra CO₂ eliminata e O₂ consumato: è individuale e non può essere standardizzato.

La difficoltà respiratoria è soprattutto una sensazione soggettiva. Può presentarsi in persone sane durante un’attività intensa, per l’iperventilazione provocata dallo sforzo. Nelle persone obese o con disturbi metabolici, cardiopolmonari o neuromuscolari può comparire anche a riposo o con uno sforzo leggero, a causa della respirazione più corta e frequente.

L’accumulo di grasso corporeo altera in modo più o meno marcato l’anatomia dell’apparato respiratorio a più livelli, conducendo a un’alterazione della meccanica respiratoria. Si osservano quindi variazioni dei volumi e dei flussi polmonari. Cambiano anche la reattività delle vie aeree e la risposta dei chemocettori a stimoli come ipossia e ipercapnia. Il Volume di Riserva Espiratorio (VRE) e la Capacità Funzionale Residua (CFR) si riducono perché il diaframma si alza a causa del grasso addominale. Questa riduzione è direttamente legata all’ipossiemia, per ostruzione dei bronchioli fino all’ipoventilazione delle zone basali.

Nelle persone allenate, al contrario, l’apparato cardiorespiratorio si adatta in modo positivo. Aumenta la ventilazione massima sotto sforzo e, a parità di ossigeno consumato, si riduce la ventilazione necessaria.

Infatti, gli aumenti della capacità respiratoria sembrano essere spiegati da una maggiore espressione di enzimi mitocondriali che facilitano il metabolismo aerobico. Ne consegue, a parità di intensità di esercizio in confronto con soggetti non o meno allenati, un minor dispendio energetico e una maggioreventilazione polmonare.

Una persona non allenata che cammina, o una persona in sovrappeso che sale le scale, può quindi avere un deficit di ossigeno molto maggiore di una persona allenata. Anche quando quest’ultima svolge attività molto più dispendiose.

Le maschere chirurgiche sono dispositivi medici usati in ambito sanitario fin dai primi anni del Novecento. La loro funzione principale era impedire che i microrganismi presenti nel naso e nella bocca dell’équipe operatoria raggiungessero la ferita aperta del paziente.

Durante la pandemia COVID-19, l’uso delle maschere sembra essere una procedura accettata in tutto il mondo. La riduzione dell’esposizione e delle emissioni di aerosol respiratori infettivi è diventata una questione importante per il controllo delle infezioni. Le raccomandazioni di enti regolatori e comitati scientifici si basano in gran parte su dati in vitro limitati. Spesso incoraggiano l’uso della mascherina sia da parte del presunto paziente infetto (“fonte”) sia dell’operatore sanitario (“ricevente”), per controllare la fonte dell’infezione e proteggere dal contagio. Non entrerò nel dettaglio dell’efficacia di queste misure di prevenzione. Se volete approfondire, ecco questa revisione sistematica sull’efficacia degli interventi fisici per interrompere o ridurre la diffusione dei virus respiratori.

Nell’ambito dell’attività fisica si vuole invece riportare quali possano essere gli effetti dell’uso di una mascherina sulla respirazione.

In un studio condotto nel 2014 dai Dr. Shaji D. Skaria e Gerald C. Smaldone, si è rilevata la resistenza al flusso d’aria di alcuni modelli di mascherine facciali, misurata come differenziale di pressione (∆P). La pressione differenziale indica la permeabilità all’aria della mascherina, misurata in specifiche condizioni di flusso d’aria, temperatura e umidità. ∆P più elevati possono causare un aumento del lavoro respiratorio e / o incoraggiare la ritenzione di calore tramite la deflessione del respiro caldo espirato all’interno del facciale. 

La differenza tra la pressione dell’aria all’interno della mascherina e quella misurata senza mascherina ha dato il differenziale di pressione (ΔP) dovuto alla mascherina. Le mascherine sono state testate in condizioni di “vita reale“, indossate normalmente sul viso con possibili perdite d’aria. Sono state poi testate in condizioni di “massima resistenza“, sigillate sul viso del manichino con del nastro lungo i bordi per eliminare ogni perdita.

I test sono stati condotti sui i seguenti modelli di mascherine:

• Maschera chirurgica SMnat modello n. GCFCXSGCFCXS (SMnat).
• Maschera chirurgica Securefit modello n. GCFCXUSF (SF).
• Maschera chirurgica SecureFit Ultra Fitted con materiale filtrante in nanofibra (PT).
• Maschera N95 3M (N95).

I risultati sono riportati nel grafico seguente. Sull’asse orizzontale ci sono i diversi modelli di mascherine, non sigillate e sigillate [T], sull’asse verticale il differenziale di pressione.

Come prevedibile, tutte le mascherine sigillate [T] partono da una resistenza al flusso d’aria maggiore, e il ΔP del respiratore N95 è molto più alto di tutte le altre. Le altre mascherine non sigillate, indossate in condizioni reali, hanno mostrato una drastica riduzione della resistenza al flusso d’aria (SMnat media di 0,00104 cmH₂O e SF media di 0,08166 cmH₂O). La resistenza è aumentata molto quando sono state sigillate sul viso (SMnat media di 0,1865 cmH₂O e SF media di 0,1791 cmH₂O).

Non solo quindi le maschere sigillate, ma anche quelle portate normalmente, comportano una significativa perdita di flusso d’aria. La tollerabilità di questa riduzione dipende dalle condizioni di salute dell’individuo e dal tempo di utilizzo. 

Nell’ambito dell’ attività fisica, con un esercizio di intensità bassa, per un individuo in salute lo sforzo risulterà solo leggermente più duro del normale, ma come potrebbe reagire una persona che presenta volumi e/o capacità polmonari ridotte? Inoltre, se negli esercizi a bassa intensità il problema potrebbe riguardare solo soggetti critici, durante esercizi ad alta intensità la difficoltà comprende anche gli individui sani.

Abbiamo visto che, con l’aumentare dello sforzo, una persona sana arriva a scambiare circa 100 litri d’aria al minuto. L’esercizio porta a un affanno fisiologico e indossare una mascherina limita l’apporto di ossigeno. La resistenza che la mascherina oppone all’ingresso dell’ossigeno vale anche per l’uscita dell’anidride carbonica. C’è quindi il rischio di respirarla di nuovo, con una riduzione delle funzioni cognitive e un aumento della frequenza respiratoria.

• Skaria SD, Smaldone GC. Controllo della sorgente respiratoria mediante maschere chirurgiche con supporti in nanofibra. Ann Occup Hyg. Luglio 2014; 58 (6): 771-81. doi: 10.1093 / annhyg / meu023. Epub 15 aprile 2014. PMID: 24737728; PMCID: PMC4090760.
• Matuschek C, Moll F, Fangerau H, Fischer JC, Zänker K, van Griensven M, Schneider M, Kindgen-Milles D, Knoefel WT, Lichtenberg A, Tamaskovics B, Djiepmo-Njanang FJ, Budach W, Corradini S, Häussinger D, Feldt T, Jensen B, Pelka R, Orth K, Peiper M, Grebe O, Maas K, Bölke E, Haussmann J. La storia e il valore delle maschere facciali. Eur J Med Res. 23 giugno 2020; 25 (1): 23. doi: 10.1186 / s40001-020-00423-4. PMID: 32576263; PMCID: PMC7309199.
• Jefferson T, Del Mar C, Dooley L, Ferroni E, Al-Ansary LA, Bawazeer GA, van Driel ML, Foxlee R, Rivetti A. Interventi fisici per interrompere o ridurre la diffusione dei virus respiratori: revisione sistematica. BMJ. 21 settembre 2009; 339: b3675. doi: 10.1136 / bmj.b3675. PMID: 19773323; PMCID: PMC2749164.
• https://www.news-medical.net/health/Obesity-and-respiratory-disorders-(Italian).aspx
• https://theconversation.com/why-it-could-be-dangerous-to-exercise-with-a-face-mask-on-140277
• https://www.hse.gov.uk/carboncapture/carbondioxide.htm

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Conclusioni

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