Master en Medicina Respiratoria FUNDAMENTOS DE ANATOMÍA, FISIOLOGÍA Y FISIOPATOLOGÍA RESPIRATORIA Dr Esther Barreiro, 14-3-3008 E-mail: ebarreiro@imim.es

Intercambio de gases: relaciones V/Q, Gradiente alveolo-arterial O2, Area Temática II: Situaciones fisiopatológicas como substrato de enfermedades respiratorias de alta prevalencia TEMA IX Intercambio de gases: relaciones V/Q, Gradiente alveolo-arterial O2, Transporte gases en sangre

ANATOMÍA, FISIOLOGÍA, FISIOPATOLOGÍA GUIÓN GENERAL: Presentación asignatura: Materia perteneciente al módulo de Nivelación (30 ECTS) del Master interuniversitario (UB-UPF) en Medicina Respiratoria. Consta de 5 ECTs [125 horas totales, con 20 horas presenciales (16%)] Metodología: 20 Clases Presenciales, 10 de ellas prácticas, 4 Seminarios Temas específicos, 2 Seminarios tipo “Journal Club”, 1 Seminario tipo Poster, 1 Seminario Práctico Profesorado: Dr José Antonio Pereira, Dr Joaquim Gea, Dr. Esther Barreiro, Dr Felipe Solsona, IMIM-Hospital del Mar, UPF, Barcelona Evaluación del aprendizaje: Cómputo parcial de cada ítem sobre el total de la nota final : - Prueba de elección múltiple (PEM): 20 puntos, 20% nota - Asistencia y participación en los Seminarios específicos: 30 puntos, 30% nota - Presentación de trabajos en forma de Poster: 20 puntos, 20% nota - Asistencia y presentación seminario “Journal Club”: 20 puntos, 20% nota - Asistencia y preparación Seminario práctico: 10 puntos, 10% nota BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA: Revistas Libros de consulta

TRANSFERENCIA DE GASES

TRANSFERENCIA OXÍGENO Y CO2 Conceptos : Función primordial Pulmón: Garantizar un intercambio adecuado de gases para las necesidades del organismo: O2 → demandas metabólicas tejidos, CO2 → eliminación de los tejidos Estos dos gases junto con el N2 son los gases fisiológicos, movilizados por el pulmón Movimiento de forma pasiva de los gases respiratorios a través de la interfase alveolo-capilar, de grosor muy reducido (0.5 m), superficie > 140 m2 Presión parcial de un gas en una mezcla: Presión ejercida si ocupara todo el espacio: Presión total x [gas] El paso de moléculas gaseosas a través de la membrana: depende de la presión parcial del gas en la zona de partida Factores contribuyentes en la difusión de un gas:  Ley de Graham, la tasa de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su densidad  ↑ Temperatura: > difusión  Resistencia difusión: relación directa con la longitud e inversa con el área interfase

TRANSFERENCIA OXÍGENO Y CO2 Difusión de Oxígeno: Durante el tiempo de tránsito capilar pulmonar normal: Equilibrio en la difusión O2 Captación O2 por el capilar determinada sólo por flujo sanguíneo pulmonar En condiciones de ejercicio: la capacidad de difusión puede limitar captación O2 Factores y Estructuras: . Espacio gaseoso en alveolo: 200 m, mezcla gases instantánea . Capa de fluido alveolar: capa fina fluido rico en surfactante . Barrera tisular: alveolo delimitado por epitelio, con su membrana basal grosor 0.2 m . Capilares pulmonares: diámetro medio 7 m . Difusión hematíe: diámetro similar a los capilares . Captación O2 por Hemoglobina: O2 captado en pulmones combinado químicamente con Hemoglobina

TRANSFERENCIA OXÍGENO Y CO2 Capacidad Difusión O2 : Capacidad difusión O2 = Captación O2 /PaO2 alveolar – PaO2 pulmonar capilar Factores determinantes: . Tiempo tránsito capilar: 0.75 ‘’ tarda el hematíe en atravesar capilar pulmonar en contacto con alveolo, PaO2 capilar varía según recorrido sangre por capilar pulmonar . PaO2: - 40 mmHg PaO2 capilar - 100 mmHg PaO2 alveolar - PaO2 eritrocito pasa en 1/3 su recorrido a PaO2 alveolar en pulmón normal - Ejercicio intenso (↑ flujo sanguíneo pulmonar): en condiciones normales No  PaO2 alveolar final capilar - Engrosamiento barrera hemato-gaseosa: < difusión O2   PaO2 capilar . Curva disociación hemoglobina: Relación entre el O2 – Hb . Carboxihemoglobina: CO, combustión incompleta materia orgánica, ↑ afinidad por Hb  dificulta transporte O2  hipoxia tisular; CO-Hb desplaza curva disociación Hb hacia izquierda, [CO-Hb] < 1.6 % individuos sanos no fumadores . Medición PaO2 arterial: O2 disuelto en plasma en forma de moléculas libres y sus cargas eléctricas medidas por electrodo. Movilidad moléculas proporcional a presión parcial O2  Presión parcial arterial O2 = PaO2

TRANSFERENCIA OXÍGENO Y CO2 Capacidad Difusión CO2: Solubilidad en agua mayor que O2 Sangre venosa: H2O + CO2  HCO3-, CO2 disuelto, fijado a Hb Transporte a capilares pulmonares → gas alveolar, gradientes se anulan rápidamente Si  PaCO2  > eliminación CO2 (incrementa gradiente) → compensación unidades malfuncionantes Contraste con el transporte de O2, principalmente transportado por Hb, saturación. Unidades malfuncionantes no son compensadas por unidades saturadas Fallo respiratorio: Hipoxia como indicador precoz Difusión de CO: La difusión pulmonar se evalúa mediante la transferencia de CO - CO atraviesa la barrera alveolo-capilar similar al O2, pero ↑ afinidad Hb  Pparcial sangre constante Paso del hematíe a través del capilar: Pparcial CO en sangre no se modifica Cantidad de CO en sangre limitada por las propiedades de difusión de la membrana alveolo-capilar y no por flujo sangre → Transferencia CO limitada por difusión Gradiente difusión: medición presión CO alveolar Capacidad difusión por CO = CO transferido / PCO alveolar - Se utiliza como medida capacidad difusión en la evaluación función pulmonar

. . . . TRANSFERENCIA GASES Causas de Hipoxemia Hipoventilación alveolar (AaPO2 normal) Desequilibrios VA/Q Cortocircuito intrapulmonar (shunt, VA/Q = 0) Alteraciones difusión . . . . AaPO2: gradiente alveolo-arterial de O2= 150 – (PaCO2/0.8)

RELACIONES V/Q . . . SHUNT VA / Q = 0  PaO2 ↑ AaPO2 Normo/hipocapnia Edema pulmonar Hemorragia pulmonar Neumonía Cáncer Secreciones

RELACIONES V/Q SHUNT VA / Q = 0 . . NO MEJORA CON 100 % O2 O2

RELACIONES V/Q . . Desequilibrios VA / Q .  PaO2 VA/Q =  ↑ AaPO2 Puede haber hipercapnia

RELACIONES V/Q . . DESEQUILIBRIOS VA / Q sí MEJORA CON 100 % O2 O2

TRANSPORTE GASES

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Transporte CO2 PO2 aire, 160 mm Hg PO2 via aérea, 159 mm Hg PAO2, 105 mm Hg PaO2, 100 mm Hg PO2 mitocondria, 1 mm Hg

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Transporte O2 en sangre: En condiciones normales: PaO2 venosa mixta en pulmones, 40 mmHg; PaO2 salida capilar, 104 mmHg; PaO2 arterial media, 100 mmHg; PaO2 en tejidos periféricos, 40 mmHg (consumo O2 en tejidos, 250 O2 ml: 50ml/L sangre) Contenido O2 en plasma y sangre: Mayor parte transportado en la Hb, sólo 3 ml/L disuelto en plasma ( solubilidad gases en agua) O2 disuelto en plasma = Coeficiente solubilidad x PaO2 (atm) O2 disuelto = 0.024 ml x 0.132 = 0.003 ml O2 /ml plasma = 3 ml O2 /L plasma Total O2 transportado en plasma: 3ml x 2.75 L plasma = 8.25 ml O2 totales Sin embargo, sabemos que la sangre transporta 200 ml O2/L Aporte de 50 ml/L O2 razonable porque disponemos de 200 ml/L Sangre venosa: 150 ml/L O2 - Transporte O2 en sangre: 1% disuelto en plasma + 99% hematíes (Hb)

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Hemoglobina transportadora de O2: Interior eritrocitos PaO2 : 120 mmHg alcanza contenido máximo O2; si PaO2 < 100 mmHg, contenido  O2 linealmente Equilibrio entre O2 unido a Hb y PaO2 ambiental: . Si PaO2 ↑ → > fijación O2 . Si PaO2  → > liberación O2 En condiciones normales: Hb transporta 1.34 ml O2/gramo, Ojo Anemias!! Proteína constituida por: . 1 molécula protoporfirina III (4 grupos pirrólicos) . Protoporfirina unida a 1 átomo hierro con 6 valencias, 4 ocupadas por los grupos pirrólicos → Fe++ (ferroso) → Grupo HEM (protoporfirina III + Fe), 2 valencias . 4 grupos HEM (1 valencia) + Globina → Hemoglobina → Oxihemoglobina (1 valencia) Curva de disociación Hb: Forma sigmoidea, desplazamientos derecha ( < afinidad), izquierda (> afinidad) Curva disociación Hb

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Hemoglobina (Hb) 4 cadenas “hemo” (con un Fe, cada una unida a una cadena polipeptídica Cada molécula de Hb se puede unir a 4 moléculas de Oxígeno Fe Tetrámero de Hb Grup “HEMO” 4 “hemos” + globinas

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 O2 combinado con Hb SaO2 (%) Contenido O2 (ml / 100 ml sangre) Oxihemoglobina unido a Hb O2 O2 en disolución en plasma PaO2 (mm Hg) P50: PaO2 con un 50 % de la Hb saturada

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Efectos de la PaCO2 , pH y To Unido a Hb O2 Captación vs Liberación O2

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Contenido de O2 : Oxígeno total en sangre CaO2 = O2 transportado por Hb + O2 disuelto plasma Aporte de O2 : Oxígeno transportado y disponible en tejidos periféricos . OD (Oxygen Delivery) = QT x CaO2 O2

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Dióxido de carbono, CO2: Insuficiencia respiratoria: PaO2 < 60 mmHg o PaCO2 > 45 mmHg Insuficiencia respiratoria más cercana por acúmulo de CO2 En condiciones normales: PaCO2 = 40 mmHg; PvCO2 = 45 mmHg Difusión CO2 desde las células: sale por difusión simple a la sangre Transporte: disuelto en plasma; formación bicarbonato y compuestos carbamídicos en plasma o eritrocitos

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Transporte CO2 disuelto en plasma: Coeficiente solubilidad CO2 en agua: 0.57 ml/ ml H2O - Sangre arterial: 3.7 ml CO2/L plasma → 2.75 L plasma x 3.7 ml CO2 = 10.2 ml CO2 Producción CO2 de las células por difusión: 206 ml/min  5% transporte disuelto CO2 disuelto→ Mecanismo transporte insuficiente Transporte formando bicarbonatos en plasma: CO2 + H2O   H2CO3  HCO3- + H+ Desplazamientos de la ecuación hacia derecha (↑PaCO2 → libera H+), o hacia izquierda ( CO2 → libera CO2 ó  H+); representa otro 5% transporte Reacción accelerada por la Anhidrasa carbónica (No existe en plasma!): desplaza reacción a la derecha

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Transporte CO2 formando bicarbonatos en eritrocitos: ↑ Niveles Anhidrasa Carbónica: Formación HCO3- muy rápida Mecanismo mayoritario transporte CO2 Flujo neto HCO3- hacia exterior eritrocito: 70% salida + 30% permanece interior Transporte en forma compuestos carbamino en plasma : En mínima proporción, CO2 se une al radical amino proteínas plasma Transporte grupos carbamino interior eritrocito: - Formación grupos carbamino entre CO2 y radicales amino de Hb = CO2Hb DeoxiHB (sangre venosa) forma grupos carbamino más fácilmente que oxiHb (sangre arterial) Hb transporta más CO2 en sangre venosa que arterial, desplaza curva disociación de O2-Hb a derecha

TRANSPORTE OXÍGENO Y CO2 Difusión CO2 a través membrana alveolo-capilar: Gradiente de presiones favorece el paso del CO2 desde sangre venosa al alveolo  CO2 disuelto  desplazamiento izquierda, grupos carbamino se disocian CO2 se libera PaCO2 de llegada por arteria pulmonar, 45 mmHg  PaCO2 salida venas pulmonares, 40 mmHg

FISIOPATOLOGÍA NEUMONÍAS

NEUMONÍAS Fiebre (38º C), escalofríos, sudoración Hombre, 50 años Fumador 20 cigarrillos / día Cuadros gripales en la infancia Fiebre (38º C), escalofríos, sudoración Tos, esputos purulentos Dolor torácico Ahogo Rx: Neumonía + pequeño Derrame Pleural Alteración ventilatoria restrictiva Hipoxemia

NEUMONÍAS Área con Neumonía Esputo con Neumococos

NEUMONÍAS

NEUMONÍAS

NEUMONÍAS Espirometría Forzada Volumen FVC FEV1 ALTERACIÓN 1 seg FEV1 76 % ref FVC 55 % ref FEV1 / FVC 84 % FVC FEV1 1 seg Volumen FEV1 > 80 % ref FVC > 80 % ref FEV1 / FVC 70 – 80 % ALTERACIÓN VENTILATORIA RESTRICTIVA tiempo

NEUMONÍAS Gasometría Arterial PaO2 60 mm Hg Hipoxemia PaCO2 42,5 mm Hg pH 7, 43 Hipoxemia Normocapnia Estado ácido-base en equilibrio PaO2 90 - 100 mm Hg PaCO2 35 - 45 mm Hg pH 7,35 – 7,45 VALORES NORMALES

NEUMONÍAS SHUNT . Pus Alveolo Capilar ( VA / Q = 0 ) “Agua” Sangre PaO2 AaPO2 elevado Capilar

NEUMONÍAS SHUNT NO MEJORA CON 100 % O2 O2 PaO2 60 mm Hg

NEUMONÍAS . . DESEQUILIBRIOS VA / Q sí MEJORA CON 100 % O2 O2

NEUMONÍAS: DERRAME PLEURAL SHUNT por atelectasia O2 NO MEJORA CON 100 % O2 PaO2 60 mm Hg Parénquima Espacio Pleural VPH (fenómeno)

PRÓXIMA SESIÓN, DIA 5-4-2008 PRÓXIMA SESIÓN, DIA 18-4-2008 Área Temática III: Desarrollo de habilidades práticas y críticas basadas en estudios con gran componente de fisiología y fisiopatología en las enfermedades respiratorias Seminario “Journal Club”: 1 hora Seminarios Temáticos: Asma, Enfermedades intersticiales y Fibrosis, Obesidad, Enfermedades pleurales PRÓXIMA SESIÓN, DIA 18-4-2008 Área Temática III: Desarrollo de habilidades práticas y críticas basadas en estudios con gran componente de fisiología y fisiopatología en las enfermedades respiratorias Posters: Impacto enfermedades cardiacas, Circulación pulmonar, TEP, Transplante Seminario Práctico: Modelos de enfermedades respiratorias en el estabulario PRBB - Seminario “Journal Club”: Basado en publicaciones sobre modelos animales