Fisiología de la respiración Modulo 1

Anatomía Sistema respiratorio Faringe Laringe Tráquea Árbol bronquial Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Sistema respiratorio Fosas nasales Faringe Laringe Tráquea Árbol bronquial Pulmones Derecho: lóbulo superior, medio e inferior. Izquierdo: lóbulo superior e inferior. Bronquio principal El sistema respiratorio incluye los pulmones y todos los conductos por los que fluye el aire desde las fosas nasales hasta los alveolos.

Bronquiolos terminales Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Tráquea Bronquios Zona de conducción Bronquiolos Bronquiolos terminales Bronquiolos respiratorios Zona transicional y respiratoria Conductos alveolares Sacos alveolares

Anatomía Vías intratorácicas Fosas nasales, boca, faringe. Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Vías extratorácicas Fosas nasales, boca, faringe. Laringe y tráquea extratorácica. Vías intratorácicas Vías de conducción (espacio muerto anatómico) Tráquea, bronquios principales. Divisiones bronquiales hasta bronquiolo terminal. Vías de transición y zona respiratoria Desde el bronquiolo respiratorio a los sacos alveolares. Intercambio de gases.

Mecánica de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Mecánica de la respiración La ventilación se realiza por la acción de fuerzas generadas por músculos respiratorios sobre la caja torácica y los pulmones. La contracción y relajación de los músculos respiratorios crea un gradiente de presión entre la boca y los alveolos que permite: Inspiración: entrada de aire. Espiración: salida de un volumen de aire; volumen corriente o tidal (Vc). Inspiración Espiración

Mecánica de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Inspiración Mecánica de la respiración Espiración Inspiración activa Vc generado por diafragma, músculos intercostales y de vía respiratoria superior (constrictor de faringe y geniogloso). Contracción del diafragma que aumenta la Pr negativa intrapleural, elevación de costillas y expansión del tórax que disminuye la Pr intratorácica siendo inferior a la bucal (atmosférica) dando lugar a la entrada de aire a los alveolos. Espiración inicial lenta y pasiva Relajación de músculos inspiratorios que provoca disminución del volumen torácico y aumento de Pr, superior a la atmosférica que genera flujo espiratorio.

Presión atmosférica PT PR Presión alveolar PL Presión intrapleural Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Presiones pulmonares Presión atmosférica PL Presión intrapleural PT PR Presión alveolar PL = Presión Transpulmonar = P. Alveolar - P. Intrapulmonar. PT = Presión Transtorácica = P. Intrapulmonar - P. Atmosférica. PR = Presión Respiratoria = P. Alveolar - P. Atmosférica.

Rtot Pr Flujo Resistencia de la vía aérea (Raw) Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Resistencia de la vía aérea (Raw) Determinada por su radio o calibre. Es el 80% de la resistencia pulmonar total (Rtot). Raw + resistencia del parénquima pulmonar= Rtot. Proporcional a diferencia de Pr entre boca y alveolo en presencia de flujo aéreo. Flujo turbulento en grandes bronquios. Flujo laminar en pequeñas vías aéreas. Disposición en paralelo de pequeñas vías con menor resistencia. Disminución progresiva de la resistencia hacia la periferia que tiene mayor superficie. Rtot Pr Flujo

Distensibilidad o compliance (ΔV/ ΔP) Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Distensibilidad o compliance (ΔV/ ΔP) Los pulmones y la caja torácica son estructuras elásticas. Variación de volumen (ΔV) en respuesta a cambios de presión (ΔP). Depende de: Componentes estructurales Unidad bronquioalveolar Fuerzas de tensión superficial. Surfactante pulmonar que disminuye la tensión superficial a bajos volúmenes evitando el colapso de alveolos en espiración. Vol Presión Insp Esp Punto de inflexión inferior Punto de inflexión superior

IRV VT ERV RV FRC TLC IC VC Volúmenes y capacidades pulmonares Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Volúmenes y capacidades pulmonares Volúmenes (vol): IRV: vol de reserva inspiratorio. ERV: vol de reserva espiratorio. RV: vol residual. Vt ó Vc: vol tidal o corriente. IRV VT ERV RV FRC TLC IC VC Capacidades IC: capacidad inspiratoria IC= Vt + IRV FRC: capacidad residual funcional FRC=ERV+RV VC: capacidad vital VC= IRV + Vt + ERV VC= IC + ERV TLC: capacidad pulmonar total TLC= VC + RV TLC= IC + FRC TLC= IRV + Vt + ERV + RV

Volúmenes y capacidades pulmonares Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Volúmenes y capacidades pulmonares Volúmenes (vol): IRV: cantidad de gas que es posible inhalar de manera forzada. ERV: cantidad de gas que es posible exhalar de manera forzada. RV: aire remanente que queda en los pulmones tras espiración forzada. El 25% de la TLC. Vt ó Vc: volumen de aire que se mueve en cada respiración. Capacidades IC: volumen que entra en los pulmones después de inspiración forzada máxima tras espiración normal. FRC: aire que queda en el pulmón tras respiración normal a volumen corriente o tidal. VC: volumen máximo que puede ser espirado tras inspiración máxima. TLC: cantidad de aire que contienen los pulmones totalmente distendidos tras una inspiración máxima. Espacio muerto anatómico: tercio del aire inhalado que no llega a los alveolos. Espacio muerto fisiológico: parte del volumen corriente que llega a los alveolos pero no participa en el intercambio de gases.

Bases fisiológicas de la espirometría Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Bases fisiológicas de la espirometría La espirometría mide volúmenes y flujos pulmonares generados en una maniobra de espiración máxima voluntaria. Puede ser lenta, cuando se realiza de forma relajada, obteniéndose volúmenes y capacidades pulmonares estáticos, excepto el volumen residual (RV). IRV VT ERV RV FRC TLC IC VC

Bases fisiológicas de la espirometría Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Bases fisiológicas de la espirometría La espirometría forzada se realiza mediante una maniobra de máximo esfuerzo en el menor tiempo posible, obteniendo volúmenes y flujos pulmonares dinámicos. Inspiración: El flujo máximo es dependiente del esfuerzo realizado. A medida que el pulmón se expande la resistencia disminuye y resulta en una curva que tiende a mantener los valores máximos de flujo en su parte central. Espiración: La fase inicial de la maniobra depende del esfuerzo del paciente y corresponde al aire de las grandes vías aéreas. La segunda fase, independiente del esfuerzo, corresponde a las pequeñas vías aéreas determinada por la compresión dinámica de éstas.

Las vías aéreas se comprimen durante la espiración forzada Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Espiración Las vías aéreas se comprimen durante la espiración forzada Inspiración Espiración Volumen tidal Presión atmosférica Presión intrapleural Presión alveolar Tiempo (segundos) Pr (Kpa) Al final de la expiración la Pa=presión atmosférica y la presión pleural alcanza su mínimo (el volumen de aire es máximo).

Espiración. Compresión dinámica de la vía aérea. Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Inspiración Espiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Volumen Tiempo (s) Espiración. Compresión dinámica de la vía aérea. Pr superior a la atmosférica (cmH20) Pr atmosférica (cmH20) Pr subatmosférica (cmH20) Al inicio de la espiración máxima el flujo dependiente del esfuerzo se corresponde con valores crecientes de presión alveolar (PA). Al disminuir el volumen pulmonar, comienza el cierre de las vías aéreas por aumento de PA y valores positivos de presión intrapleural (PIP) y aumenta la resistencia. La presión cae a lo largo de la vía aérea en proporción a la resistencia encontrada, hasta que la presión intrabronquial se iguala a la extrabronquial o pleural. Más allá la presión intraluminal es menor que la pleural y se produce el colapso de la vía aérea; con ello cesa el flujo y, por lo tanto, la resistencia desaparece y el segmento colapsado se reabre. A volúmenes altos, el flujo espiratorio es dependiente del esfuerzo, pero a volúmenes bajos el flujo es independiente del esfuerzo.

Curva volumen tiempo Anatomía Mecánica de la respiración Anatomía Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Curva volumen tiempo FVC: capacidad vital forzada; FEV1: volumen espiratorio forzado en el primer segundo.

Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Curva flujo-volumen Fase de ascenso rápido hasta llegar al flujo espiratorio máximo o Peak-Flow, y luego descenso más lento (Flujo espiratorio forzado; FEF75% a FEF25%) hasta alcanzar la línea de base, que señala la FVC. FEF 25% FEF 50% FEF 75%

Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Control de la respiración Medición de volúmenes y flujos pulmonares dinámicos mediante espirometría forzada Capacidad vital forzada (FVC) Volumen máximo espirado en el menor tiempo tras inspiración máxima. Volumen espiratorio forzado en el primer segundo (FEV1) Volumen máximo espirado durante el primer segundo después de su comienzo, en el curso de espiración forzada iniciada a capacidad pulmonar total. Ápice de flujo espiratorio (PEF) Pico máximo de flujo obtenido en el curso de una FVC Flujo espiratorio forzado al 25% (FEF25) Flujo alcanzado cuando se lleva espirado un 25% de FVC Equivalente a máximo flujo espiratorio al 75% (MEF 75) Flujo espiratorio forzado al 50% (FEF50) Flujo alcanzado cuando se lleva espirado un 50% de FVC Flujo espiratorio forzado al 75% (FEF75) Flujo alcanzado cuando se lleva espirado un 75% de FVC. Equivalente al máximo flujo espiratorio al 25% (MEF 25) Flujo espiratorio forzado entre el 25% y el 75% (FEF 25-75) Flujo medio alcanzado en el tramo de la curva comprendido entre el 25 y el 75% de la FVC.

La respiración Objetivos: Funciones Interacción de sistemas Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración La respiración Objetivos: Aporte de O2 a los tejidos Consumo de O2 para realizar funciones metabólicas celulares Eliminación de CO2 Funciones Ventilación y difusión Transporte de O2 y su consumo periférico Eliminación del CO2 Interacción de sistemas Sistema nervioso central (SNC) SN periférico (SNP) Aparato circulatorio, hematológico, endocrinológico y tejidos periféricos.

La respiración Funciones Ventilación y difusión Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración La respiración Funciones Ventilación y difusión Transporte de O2 y su consumo periférico Eliminación del CO2 La eficacia depende de: Ventilación minuto La frecuencia respiratoria Espacio muerto

Difusión alveolo-capilar Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Difusión alveolo-capilar El aire se traslada por las vías aéreas por un mecanismo de convección. En el alveolo, el O2 y el CO2 pasan desde el gas alveolar a la sangre capilar a través de la membrana alveolo-capilar. Difusión pasiva que depende del gradiente de presión para cada gas. El O2 debe disolverse y difundir a través de la capa del surfactante, el epitelio alveolar, el intersticio y el endotelio capilar. La difusión del gas depende de: La naturaleza del gas; coeficiente de difusión específico La superficie de contacto La distancia entre la pared alveolar y la del capilar El tiempo de contacto de la sangre capilar con el alveolo

La difusión alveolo-capilar puede alterarse Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración La difusión alveolo-capilar puede alterarse Aumento de la interfase alveolo-capilar (edema, exudados, fibrosis o infiltrado alveolar) Disminución de superficie de contacto (enfisema, tumores, bajo gasto cardiaco…) Alteración de relación ventilación-perfusión

Intercambio gaseoso. Transporte de O2 . Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Intercambio gaseoso. Transporte de O2 . El gasto cardiaco, la hemoglobina (Hb), la temperatura, el equilibrio ácido base y el consumo de O2 son los factores extrapulmonares determinantes del transporte de O2. El O2 disuelto en sangre depende del coeficiente de solubilidad del O2 y la presión parcial de O2 (PaO2). El 99% del O2 que se transporta está unido a la Hb. El transporte depende de la cantidad de Hb, capacidad de transporte máxima de la Hb y de su saturación.

Intercambio gaseoso. Transporte de O2. Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Intercambio gaseoso. Transporte de O2. La relación entre la PaO2 y la saturación de la Hb se expresa en una curva de disociación. La desviación a la izqda, aumenta la afinidad de la Hb por el O2 liberando menos a los tejidos. La desviación a la dcha, disminuye la afinidad de la Hb por el O2 liberando más a los tejidos. 100% CO2 Alcalosis Hipotermia 2,3 DPG 80% % de saturación de O2 60% CO2 Acidosis Hipertermia 2,3 DPG 40% 20% 20 40 60 80 100 Presión parcial de O2 (torr) 2,3DPG: 2,3 difosfoglicerato

Intercambio gaseoso. Transporte de CO2. Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Intercambio gaseoso. Transporte de CO2. Los factores que regulan la PaCO2 son la ventilación, la relación ventilación-perfusión (V/Q) y la producción de CO2. Es transportado disuelto, combinado con proteínas sanguíneas y como ión bicarbonato. Curva de disociación de CO2. SatO2 70 % vena 70 Desviación a la dcha si niveles elevados de hb oxidada. Desviación a la izqda al aumentar la hb reducida. 60 ml CO2 / 100 ml de sangre SatO2 97.5 % 50 CO2 40 30 arteria 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 PCO2 torr

Liberación y captación de O2 y CO2 en parénquima pulmonar Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Liberación y captación de O2 y CO2 en parénquima pulmonar La PO2 es alta, la PCO2 baja y la curva de disociación de Hb está desviada a la izqda. El O2 se une a la Hb que libera el H+ formando CO3H2 que se disocia en CO2 y H2O. El CO2 es liberado de los grupos aminos, difunde del eritrocito al plasma y de allí al alveolo. Alveolo Plasma Eritrocito disuelto CO2 CO2 CO2 disuelto H2O H2O + CO2 Anhidrasa carbónica CO3H2 CO2 CO3H- CO3H- + H+ Cl- Cl- + H+ HbO2 HHb + CO2 O2 O2 O2 + HHb Pared capilar Componentes carbamino

Liberación y captación de O2 y CO2 en los tejidos Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Liberación y captación de O2 y CO2 en los tejidos La PO2 es baja, la PCO2 es alta y la curva de disociación de la hb está desviada a la derecha. El CO2 se disuelve en el plasma, y difunde al eritrocito donde se transforma en CO3H2 que se disocia en H+ y bicarbonato. Alveolo Plasma Eritrocito disuelto CO2 CO2 CO2 disuelto H2O H2O + CO2 Anhidrasa carbónica CO3H2 CO2 CO3H- CO3H- + H+ Cl- Cl- H+ + HbO2 O2 O2 O2 + HHb HHb + CO2 Pared capilar Componentes carbamino

Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Circulación pulmonar La circulación no es homogénea debido a la gravedad. En bipedestación las partes declives del pulmón reciben la mayor parte del gasto cardiaco. Depende del gasto cardiaco y de la presión capilar pulmonar de enclavamiento (PCP) (funcionamiento del ventrículo izqdo). División del parénquima pulmonar en 3 zonas funcionales (zonas de West). Zona I: PAlv>PAP>PCP PAlv: presión alveolar. PAP: presión en arteria pulmonar Zona II: PAP>PAlv>PCP Zona III: PAP>PCPm>PAlv

Relación ventilación-perfusión (V/P) Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Relación ventilación-perfusión (V/P) La [CO2 y O2] en sangre arterial depende de la distribución del flujo sanguíneo y de la ventilación de los pulmones (V/P). Cuando la ventilación de los alveolos es igual a la sangre que los perfunde; V/P= 1. V/P global en condiciones normales = 0,85. V/P mayor en los vértices (3,3) que en las bases (0,66) Áreas perfundidas y no ventiladas; V/P= 0. Cortocircuito pulmonar. Sangre no oxigenada. No se elimina CO2. Áreas ventiladas y no perfundidas; V/Q= ∞ Espacio muerto alveolar

Control de la respiración Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Control de la respiración Inicio espontáneo Mantenimiento automático por el SNC Sistema de Retroalimentación negativa Vía aferente. Recepción de información y transmisión. Mecanismo regulador central. Vía eferente. Ejecuta órdenes del centro regulador. Objetivo Gasometría normal

CENTRO RESPIRATORIO Corteza cerebral Receptores Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración CENTRO RESPIRATORIO Corteza cerebral Receptores Centrales Periféricos Sistema nervioso autónomo Ventilación 1.- Vía aferente (mecano y quimioR del sist respirat, cardiovasc y SNC) 2.- Mecanismo regulador central (centro respiratorio) 3.- 3.- Vía eferente (SNA-somatico-vegetativo y muscular) Musculatura respiratoria Diafragma Músculos de la vía aérea Músculos de la caja torácica y abdomen

cortex sensory Procesador Central Vía aferente Vía eferente Regulador central (integrar, modular, procesar)

Mecanismo en desarrollo Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Mecanismo en desarrollo Etapa prenatal Generador del impulso respiratorio (función y maduración) Etapa perinatal-recién nacido Complejo preBotzinger – Marcapasos Respiratorio Canales de sodio voltaje dependientes (I NAP) y canales de calcio activado no específicos (I CAN). Prenatal: correcta función del generador del impulso respiratorio y su maduración, es vital para supervivencia del RN. Perinatal: Grupo neuronal implicado en la generación del impulso respiratorio, papel imp en control ritmo respiratorio perinatal. Prebotzinger: Canales Na voltaje dependientes y de calcio activado no específicos tienen papel en la actividad respiratoria (excitabilidad neuronal y generación del impulso respiratorio). Así mismo, se ha descrito que los canales de sodio voltaje dependientes (INaP, voltaje-dependent persistent Na+ current) y los canales de calcio activado no específicos (ICAN, activates nonspecific cationic current), presentes en las neuronas respiratorias del complejo preBotzinger, desempeñan un papel importante en la actividad respiratoria, aumentando la excitabilidad neuronal y la generación del impulso respiratorio Aumentan Excitabilidad neuronal Generadores del impulso respiratorio

Etapa perinatal, recién nacido y lactante. Adquisición progresiva. Anatomía Mecánica de la respiración Función de la respiración Control de la respiración Mecanismo en desarrollo Etapa perinatal, recién nacido y lactante. Adquisición progresiva. Phox 2a, neuronas A6 pontinas, Nad: ritmo respiratorio normal. Mayor sensibilidad a estímulos aferentes. Quimioreflejos laríngeos - Deglución, constricción laríngea - Apnea, alerta - Hipertensión, bradicardia Dichos mec esenciales para un desarrollo de ritmo respiratorio normal. Quimioreflejos: imp papel en la protcción de la vía aerea frente a la aspiración líq-alim al cerrar laringe y cesar respi durante la deglución. En RNPT, inmadurez y los reflejos dan lugar a episodios prolongados de apnea y bradicardia y en lact pqñ q los reflejos laringeos tienen gran capacidad de inhibir la respiración: ALTEs y SMSL. Protección vía aérea Episodios aparentemente letales (ALTEs) Síndrome de muerte súbita del lactante (SMSL) Inmadurez Prematuridad