Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

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Organización del sistema respiratorio, volúmenes y capacidades pulmonares Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Guía de estudio Objetivos terminales: 1. Describir e interpretar las principales funciones fisiológicas del sistema respiratorio y correlacionarlas con la estructura anatómica del mismo. 2. Conocer, calcular y analizar los volúmenes y capacidades pulmonares y las técnicas utilizadas en su determinación para asociarlos con los determinantes fisiológicos que los regulan y compararlos con los valores normales. Capítulo 26 del Boron. Laboratorio de respirometría ATPs Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

“La vida inicia y termina con la respiración” Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Principal función del sistema respiratorio es el intercambio de gases Respiración externa: Transporte de O2 de la atmósfera a la mitocondria. Transporte de CO2 de la mitocondria a la atmósfera. Relacionado con homeostasis ácido base. Respiración interna: ( respiración celular en la mitocondria, fosforilación oxidativa) Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Flujo  ∆P x Area/R Un sistema de convección externo (ventilación alveolar) y otro interno (circulación sanguínea) asegura mejores gradientes de concentración de los gases entre el alveolo y la sangre capilar pulmonar y entre la sangre capilar y las mitocondrias de las células de los tejidos. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Ley de Henry La concentración de un gas disuelto en un líquido es proporcional a la presión parcial en la fase gaseosa. [O2]dis= s x PO2 S: constante de solubilidad para el oxígeno: mM/mmHg a 37°C. La solubilidad del CO2 es 23 veces mayor: mM/mmHg a 37°C. Boron, 2da ed. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Gradiente químico = Delta C (∆ C) = = 0.08 mM Gradiente de presión = Delta P (∆ P) = = 60 mmHg Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Consumo de O2/min = 250 ml/min. Vent alveolar 4000mL/min:250 mL/min, 16:1 Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Ley de Dalton En una mezcla de gases, cada gas ejerce una presión que depende de su propia concentración independientemente de los demás gases presentes en la mezcla Ptotal= PA+PB+PC Px = P total * Fx Px: Presión del gas x P total: Presión total de una mezcla de gases Fx: concentración fraccional del gas en la mezcla Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

PIO2= FO2 x (PB - PH2O) = 149mmHg = 21% ( ) = 21%(713) Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Composición del aire Concentración fraccional de los gases es la misma en la atmósfera: O2: 21%, N2: 79%, CO2: 0.03% Las presiones parciales de los gases son un poco mayor en el aire seco que en el aire saturado con vapor de agua. Las presiones parciales de los gases en el aire saturado con vapor de agua determinan la concentración de los gases en el plasma. Calcular las presiones parciales de los gases en diferentes altitudes: PBO2= 760 mmHg 0.21= 159 mmHg Al inspirar el aire se calienta y se satura con vapor de agua. A 37° C P H2O: 47 mmHg Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Presión parcial de oxígeno atmosférico, inspirado y alveolar a nivel del mar PBO2 Presión de oxígeno atmosférico: PB x FO2: 760 mmHg x 0.21= 160 mmHg. PIO2 Presión de oxígeno en el aire inspirado: (PB-PH2O) x FO2 = (760 mmHg – 47 mmHg) x 0.21= 150 mmHg PAO2 Presión de oxígeno en el aire alveolar: (PB-PH2O) x FO2 (760 mmHg- 47 mmHg) x 0.14 = 100 mm Hg Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Ley de Fick de la difusión simple Vgas= A D (P1-P2) T
Vgas: volumen de gas que difunde por unidad tiempo A: área de la membrana (70m2) T: grosor de la membrana ( um) P1-P2: gradiente de presión D: solubilidad/ √PM Transporte de O2 y CO2 es tres veces más rápido que lo necesario cuando el GC es normal. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Gradiente de difusión para el O2 Gradiente de difusión para el CO2
En la unidad alvéolo capilar, el oxígeno difunde hacia la sangre y el CO2 sale al alvéolo Gradiente de difusión para el O2 PAO2-PvO2= = 60 mmHg 100 mmHg Gradiente de difusión para el CO2 PACO2-PvCO2= 40 – 46= 6 mmHg Si el sistema de convección externo falla (ventilación alveolar), la PAO2 y la PACO2 tenderán a parecerse a los valores venosos y el intercambio de gases será muy malo. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Componentes claves del sistema respiratorio: Bomba de aire: ventilación pulmonar, ventilación alveolar Mecanismos de transporte de gases en la sangre: eritrocitos, hemoglobina (O2 y CO2). Superficie de intercambio: membrana alvéolo capilar Sistema circulatorio: sistema de convección interno. Mecanismos locales que regulan la ventilación y la perfusión pulmonar. Mecanismo central de regulación de la ventilación. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Generaciones de las vías aéreas
Vías aéreas de conducción: espacio muerto anatómico VD: 1 ml/lb peso corporal Espacio alveolar total: 5 a 6 litros. Cilios,células que secretan moco, glándulas submucosas y cartílago disminuyen al avanzar en las generaciones en la vía aérea. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Tráquea: área de sección transversal 2.5 cm2 Bronquiolos terminales: área de sección transversal 180 cm2 1. Convección: movimiento en masa. dP = PB-PA Así se mueve el aire hasta llegar hasta los bronquiolos terminales. 2. Difusión: Mecanismo por el cual el aire se mueve desde los bronquiolos respiratorios hasta los sacos alveolares. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Red alveolo capilar (interfase aire-sangre)
100 480 millones de alvéolos (su número aumenta hasta los 8 años). Diámetro: 75 a 300 m 500 a 1000 capilares por alveolo. Área total de intercambio: 50 a 100 m2 . Grosor: um. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 18

Membrana de intercambio respiratorio: Líquido alveolar Células alveolares (neumocitos tipo I y II) Membrana basal del epitelio alveolar Membrana basal del endotelio capilar Células endoteliales Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Células alveolares tipo I: cubren % de superficie alveolar. Células alveolares tipo II: cubren del % de la superficie alveolar, son cuboides. Producen el factor surfactante. Sirven como células de regeneración y reparación (se diferencian en células tipo I) Poros de Kohn: comunican alveolos adyacentes, previenen el colapso alveolar (atelectasias). Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 20

El intersticio pulmonar tiene: tejido conjuntivo, músculo liso, capilares, linfáticos, fibroblastos: colágeno (limita distensibilidad) y elastina (contribuye con retracción elástica pulmonar), cartílago. Puede expandirse por entrada de células inflamatorias y líquido (edema). Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 21

Irrigación sanguínea de los pulmones: Arterias pulmonares Arterias bronquiales (1-2% del GC): llegan hasta bronquiolos terminales, irrigan vasos y nervios, ganglios linfáticos y pleura visceral. 250 a 300 mL de sangre x m2 superficie corporal. Capilares pulmonares: Diámetro interno: 8 um Largo 10 um Volumen sang.: 70 mL (reposo), 200mL (ejercicio: reclutamiento y distensión). Un eritrocito dura 0.75 s atravezando el territorio de los capilares pulmonares. Venas pulmonares: tienen gran capacidad de contener sangre. Tienen músculo liso y regulan su diámetro. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Inervación Estímulo parasimpático: Broncoconstricción Vasodilatación Aumento secreciones Estímulo simpático: Broncorelajación Vasoconstricción Inhibe secreciones Inervación no adrenérgica y no colinérgica (inhibitoria y excitatoria) Fibras aferentes de dolor se limitan a la pleura. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Otras funciones del sistema respiratorio
Olfato Procesar aire antes de que llegue a alveólos: calentarlo (evita burbujas en tejidos), humedecerlo, filtrarlo: (nariz: partículas >10um se impactan en el moco; partículas entre 2 y 10um pueden sedimentarse en vías aéreas más pequeñas; partículas <0.5um llegan a alveólos: macrófagos alveolares, linfáticos) Mecanismos de defensa pulmonar: filtrar, tos, aparato mucociliar, macrófagos alveolares, enzimas, linfáticos, anticuerpos. Reservorio de sangre para el ventrículo izquierdo: pulmón contiene 500 mL de sangre. Filtro para la sangre: filtrar coágulos, grasa, gas, células metastásicas Equilibrio ácido base: manejo del ácido volátil; CO2 Fonación: hablar como fenómeno espiratorio Intercambio de líquidos y absorción de medicamentos Pérdida de agua y calor Bomba respiratoria: mejora el retorno venoso Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Sistema de limpieza mucociliar
Formado por: Líquido periciliar (fase sol): permite mov de cilios. Es seroso no viscoso prod por células ciliadas de la vía aérea por transp activo de iones (Cl- y Na+) Moco (fase gel): Encima de liq periciliar. Abund glicoproteínas. Se produce 100 mL/día Cilios: puntas contactan con el moco. 250/célula. Se mueven a 1000 golpes/min. Mov anterógrado (elevador ciliar).

Células caliciformes (desaparecen 12 div) Células Clara en bronquiolos: Regeneración del epitelio. Existen donde hay cartílago Con células mucosas y serosas Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Funciones metabólicas de los pulmones:
Células endoteliales de capilares pulmonares tienen enzimas y receptores importantes en su función metabólica. Metabolizan: aminas vasoactivas, citocinas, mediadores lipídicos, proteínas. Angiotensina I: convertida a angiotensina II Serotonina: internalizada y metabolizada Células endoteliales sintetizan y secretan: prostaciclina, endotelina, factores de coagulación, NO, prostaglandinas, citoquinas. No sintetizan leucotrienos. Mastocitos pulmonares sintetizan y secretan: histamina, enzimas lisosómicas, prostaglandinas, leucotrienos, factor inhibidor de las plaquetas, factores quimiotácticos para neutrófilos y eosinófilos, serotonina. Células endoteliales tienen receptores para: bradicinina, TNF, comp del complemento, inmunoglobulinas, moléculas de adhesión. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 27

Metabolismo de sustancias vasoactivas No se afectan En gran parte removidos PGA1, PGA2, PGI2 PGE1, PGE2, PGF2alfa, leucotrienos Histamina, epinefrina, dopamina, isoproterenol Serotonina. bradicinina Angiotensina II, arginina vasopresina, gastrina, oxcitocina Angiotensina I (convertida a angiotensina II) Boron, 2da ed. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Ley de los gases ideales PV= nRT
P: presión V: volumen n: Número de moles de gas R: constante de los gases ideales (8.31 J K-1 mol-1) T: temperatura en grado K Un mol de un gas a STP ocupa 22.4 L Si hablamos del mismo número de moléculas de un gas, entonces “n” y “R” son constantes y podemos expresar la ley como: P1V1/T1 = P2V2/T2 Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Condiciones estándar con las que se corrigen las mediciones que involucran el volumen de los gases BTPS: Temperatura y presión corporales saturadas con vapor de agua (Body Temperature and Pressure Saturated). ATPS: Temperatura y presión ambientales saturadas con vapor de agua (ambient temperature and pressure saturated). ATPD: Temperatura y presión ambientales en seco (ambient, temperature, pressure, dry). STPD: 273 K, 0 C, kPa, 760 mmHg, en seco (Standard Temperature and Pressure Dry) Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Volúmenes y capacidades pulmonares:
Se pueden medir por medio de una espirometría usando un espirómetro. El registro obtenido se llama espirograma o respirograma Se hacen mediciones estáticas (tiempo no importa; el volumen pulmonar no cambia con el tiempo) y dinámicas (Flujos: Volumen/tiempo; el volumen pulmonar cambia con el tiempo). Se miden los volúmenes espiratorios (VE). Aire en el respirómetro se encuentra a ATPS. Volúmenes se expresan a BTPS (resultados lababoratorio se deberían de corregir). Tamaño de pulmones depende de: estatura, edad, sexo, m2 de superficie corporal, peso Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 31

Espirómetros Espirómetro de impedancia Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Sherwood L. Human Physiology. 6xth ed. Thomson Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

¿Por qué es importante medir los volúmenes y capacidades pulmonares?
Determinados por la mecánica pulmonar: propiedades del parénquima pulmonar, de la pared torácica y de su interacción. En la enfermedad pulmonar cambian: Ayudan en su diagnóstico: diferenciar problemas obstructivos (asma y enfisema) de restrictivos (fibrosis pulmonar). Cambian con los cambios de posición del cuerpo Cambian al envejecer Cambian con el embarazo Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 34

CuatroVolúmenes pulmonares:
Volumen corriente (VC): volumen de aire que entra y sale por la nariz o la boca en cada respiración: 0.5 L; 6 a 7 mL/Kg Volumen de reserva inspiratorio (VRI): es el volumen de aire inspirado en una máxima inspiración que comienza al final de una inspiración corriente normal: aprox. 2.5 L en M y 1.9 L en F. Volumen de reserva espiratorio (VRE): es el volumen de aire que puede ser espirado en un máximo esfuerzo que comienza al final de una espiración corriente normal: Aprox. 1 a 1.5 L en M y 0.7 L en F. Volumen residual (VR): es el volumen de aire que permanece en los pulmones al final de una espiración forzada máxima: aprox. 1.2 a 1.5 L en M y 1.1 L en F. Disminuye trabajo respiratorio y permite que los gases arteriales no oscilen mucho durante el ciclo respiratorio. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 35

VRI depende de factores como:
El volumen pulmonar al iniciar la inspiración máxima La distensibilidad o compliance (C) pulmonar Fuerza de los músculos respiratorios y de la integridad de su inervación Ganas con que realice el esfuerzo. Flexibilidad de la caja torácica Postura del sujeto: si se encuentra acostado el VRI será menor. Estos factores también son importantes en determinar la CV y el VRE. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 36

Capacidades pulmonares (suma de uno o más volúmenes):
Capacidad pulmonar total (CPT= VC+VRI+VRE+VR): volumen de aire que se encuentra en los pulmones después de un esfuerzo inspiratorio máximo: aprox. 6 L en M y 4.2 L en F. Capacidad inspiratoria (CI= VC+VRI): volumen de aire respirado en una máxima inspiración que comienza al final de una espiración normal: aprox. 3.8 L en M y 2.4 L en F. Capacidad vital (CV= VRI+VC+VRE): volumen de aire espirado en una máxima espiración forzada máxima que inicia después de una inspiración forzada máxima: 4.8 L en M y 3.1 L en F. La capacidad vital forzada (CVF) se usa para estudiar la resistencia de la vía aérea. Capacidad residual funcional(CRF=VRE+VR): volumen de aire que permanece en los pulmones al final de una espiración corriente normal: aprox. 2.2 a 3.0 L en M y 1.8 L en F. Se le ha llamado el volumen de reposo de los pulmones o el volumen de relajación. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 37

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Mediciones dinámicas ( el tiempo es importante)
Capacidad vital forzada (CVF): volumen máximo de aire que puede ser espirado forzadamente después de una inspiración hasta la capacidad pulmonar total. (Aprox. 5 L). Útil en medir resistencia de vía aérea. Volumen espiratorio forzado en el primer segundo (VEF1): volumen máximo de aire espirado en el primer segundo forzadamente después de una inspiración hasta la capacidad pulmonar total. (Aprox L). Cociente: volumen espiratorio forzado/ capacidad vital forzada,VEF1/ CVF % (Índice de Tiffeneau): porcentaje de la capacidad vital forzada espirada forzadamente durante el primer segundo. (80%). Es un buen índice de la resistencia de las vías aéreas. Flujo medio a la mitad de la espiración forzada (FEF 25-75): flujo medio máximo, medido trazando una línea entre los puntos que representan el 25% y el 75% de la capacidad vital forzada (4.7 l). Se pueden detectar obstrucciones al flujo del aire. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 39

Capacidad vital forzada (CVF)
VEF1= 4.01 litros CVF= litros VEF1/ CVF = >72%-80 % X VEF1 Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 40

CVF: paciente con problemas obstructivos
VEF1= 1.3 litros CVF= 3.1 litros VEF1/CVF= 42% (<72%) Relación VR/CPT aumenta por aumento de el VR Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 41

CVF: paciente con problemas restrictivos
VEF1= 2.8 litros CVF= 3.1 litros VEF1/CVF= 90% Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 42

Cambios en volúmenes y capacidades pulmonares en enfermedades restrictivas y obstructivas Restrictiva: aumenta la retracción elástica pulmonar Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 43

Cambios en volúmenes y capacidades pulmonares según posición del cuerpo Capacidad vital no cambia, VR no cambia, CPT no cambia VRE disminuye y el VRI aumenta Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 44

Cambios de los volúmenes y capacidades pulmonares con el envejecimiento (función pulmonar empieza a declinar desde los 25 años) Se pierde retracción elástica pulmonar/distensiblidad pulmonar aumenta Disminuye fuerza de músculos de la respiración Disminuye la superficie alveolar Distensibilidad torácica disminuye Aumenta la CRF CPT es igual ó menor Aumenta el VR Disminuye VEF1 Disminuye el FEF 25-75 Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 45

Curvas o Asas flujo volumen Se miden con el respirómetro de impedancia (vitalógrafo). Sistema abierto. Sirven para el diagnóstico de patología pulmonar: obstructiva, restrictiva, mixta. Normalmente, el flujo inspiratorio máximo es similar al flujo espiratorio máximo. A volúmenes pulmonares altos, el flujo de aire es dependiente del esfuerzo. A mayor esfuerzo, mayor flujo. A volúmenes pulmonares bajos, el flujo es independiente del esfuerzo ya que se da la compresión dinámica de la vía aérea. Fuente: ATP Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 46

Flujo espiratorio máximo: se da tempranamente El flujo inspiratorio depende de: Fuerza de musc. Insp. Retracción elástica pulm. Resistencia de vía aérea. Pico de flujo se observa a volumen pulmonar intermedio entre CPT y VR Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 47

Limitación del flujo espiratorio Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 48

Enfermedad restrictiva:
Disminuye el pico de flujo espiratorio ya que la capacidad pulmonar total está disminuida. Rama descendente de la curva es similar a la normal Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Enfermedad obstructiva:
Disminuye el pico de flujo espiratorio ya que hay obstrucción al flujo del aire Se relacionan con volúmenes pulmonares altos (atrapamiento de aire) Volumen residual se encuentra aumentado La rama descendente de la curva está deprimida. Los flujos son bajos a cualquier volumen pulmonar. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada 51

Ventilación voluntaria máxima (VVM)
Se llamaba capacidad respiratoria máxima. Es el mayor volumen de aire que puede desplazarse al interior y exterior de los pulmones en un minuto mediante un esfuerzo voluntario. l/min: 150L/min: 20 años hombre 100L/min: 20 años mujer Disminuye con la edad La mediremos en el Lab. con el respirómetro de impedancia en s. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

Medición del VR o de la CRF
Se puede usar la técnica de dilución de helio (gas inerte e insoluble). Es un método de circuito cerrado (paciente inspira y espira en tanque). Masa de gas constante. Ley de conservación de la masa. V1C1 = V2C2 Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

LEY DE BOYLE A temperatura constante y con la masa constante: P1V1=P2V2 Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada Sherwood L. Human Physiology. 6xth ed. Thomson

Pletismografía corporal
Más exacto que dilución He. Ley de Boyle: a temperatura constante y con un número de partículas de gas constante: P x V = constante. P1V1=P2V2 P x VL= (P- ∆P)(VL+ ∆VL) VL=∆VL x (P-∆P)/∆P Ejemplo: VL= 0.05L (760mmHg – 12 mmHg)/ 12 mmHg= 3.1 L Mide CRF ó VR. Dra. Adriana Suárez Urhan MSc. Profesora Asociada

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