Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte de Oxígeno (LDTA-LID) Instituto de Investigaciones de la Altura (IIA) Universidad Peruana Cayetano Heredia

Gradiente de presión de O2 del ambiente hasta los tejidos. INSP ALV ART CAP VEN-M NA 140 NNM 100 (mm Hg) PO2 4,500 m 60 20

Variables del intercambio gaseoso En el pulmón: CONVECCIóN : MO2 = Vaire (CiO2 – CeO2) En la membrana alveolo-capilar: DIFUSIóN : MO2 = DL (PAO2 – PaO2) En la sangre: CONVECCIóN : MO2 = Vsang (CaO2 – CvO2) En los tejidos: DIFUSIóN : MO2 = DT (PcO2 – PtO2)

Variables del intercambio gaseoso CONVECCIóN: MO2 = Vaire (CiO2 – CeO2) MO2 = masa de O2; Vaire = volumen de aire; CiO2 = concentración de O2 en aire inspirado; CeO2 = concentración de O2 en aire espirado. Afectado por: resp/min, volumen corriente, espacio muerto. DIFUSIóN: MO2 = DL (PAO2 – PaO2) DL = capacidad de difusión del pulmón; PAO2 = presión de O2 en aire alveolar; PaO2 = presión de O2 en sangre arterial. Afectado por: área de superficie, volumen capilar, espesor de la pared alveolar, concentración de Hb.

Variables del intercambio gaseoso CONVECCIóN: MO2 = Vsang (CaO2 – CvO2) Vsang = volumen de sangre; CaO2 = concentración de O2 en sangre arterial; CvO2 = concent. de O2 en sangre venosa. Afectado por: latidos/min, volumen min, CDHb, 2,3-DPG, [Hb], distribución de flujo sanguíneo. DIFUSIóN: MO2 = DT (PcO2 – PtO2) DT = capacidad de difusión de los tejidos; PcO2 = presión de O2 en sangre capilar; PtO2 = presión de O2 en los tejidos. Afectado por: área de superficie de las células, densidad mitocondrial, volumen y densidad capilar, concentración de las enzimas respiratorias.

Cuántos parámetros pueden variar? Contenido arterial de O2 total (plasma) es influenciado por: Composición del aire inspirado Ventilación alveolar Frecuencia y profundidad de la ventilación Resistencia de las vías aéreas Distensibilidad pulmonar Difusión del O2 entre los alveolos y la sangre Area de superficie pulmonar Distancia de difusión Espesor de la membrana alveolo-capilar Volumen de fluído intersticial Adecuada relación ventilación/perfusión

Cuántos parámetros pueden variar? Contenido arterial de O2 total (hemoglobina) es influenciado por: Saturación de la Hb pH Temperatura 2,3 DPG Sitios de unión para el O2 Contenido de Hb por glóbulo rojo Número de glóbulos rojos

Ventilación

Sistema Respiratorio y Equilibrio Acido-Base Ecuación de Henderson-Hasselbach: Cambios en la PCO2 causan cambios en [H+] por acción de masas. Aumenta PCO2 acidosis respiratoria Disminuye PCO2 alkalosis respiratoria.

La acción inmediata de la hipoxia de altura : La estimulación de los quimioreceptores carotídeos con dos consecuencias ... - hiperventilación - activación del sistema adrenérgico

Depresión Ventilatoria Hipóxica (DVH) Es la disminución de la respuesta ventilatoria a la hipoxia cuando ésta se prolonga de 5 – 30 min..

Atenuación de la respuesta ventilatoria a la hipoxia. Ocurre en los nativos y residentes de las grandes alturas. Weil JV et al. J Clin Invest 50:186-95, 1971

Atenuación de la RVH También se observa en pacientes con enfermedades respiratorias crónicas. En humanos es una respuesta adquirida, pero ?con un componente genético? Posibles mecanismos: La hipoxia induce cambios en los CC (Weil, 1986)  cambia la sensibilidad al O2 de los CC  la sensibilidad del SNC a los estímulos de los CC (Powell, 1998) Aumenta la inhibición dopaminérgica en los CC (Weil, 1986)

Cambios en el PCO2 en respuesta a la hipoxia. PETCO2 , mm Hg 40 30 20 10 NA NNM 40 80 120 PETO2 , mm Hg

Volúmenes Pulmonares

Vol. pulmonares en hipoxia aguda < 4,000 m., no cambia VR, CRF, CPT > 4,000 m., CRF y CPT Por pérdida de retractibilidad > 4,000 m., VR Por leve edema pulmonar (las vías se cierran antes del final de la espiración) o por pérdida de retractibilidad Aumenta la ventilación voluntaria máxima Por reducción de la densidad del aire

EN HIPOXIA CRóNICA: Capacidad vital (CV) y volumen residual (VR) Volúmenes pulmonares, l BTPS 8 6 4 2 CV VR NNM NA

Flujo pulmonar y resistencia en hipoxia aguda > 4,000 m., FEP1, pero menos que la vent. máxima El flujo es exhalado a menor volumen toráxico, i.e., a menor flujo máximo La resistencia de las vías aéreas disminuye (17%) Desde el 2do día en la altura Debido a la disminución de la densidad del aire y en la actividad de los sistemas b2-adrenérgico y colinérgico

Flujo pulmonar y resistencia en hipoxia crónica La resistencia de las vías aéreas no cambia Sin embargo, el nativo de altura tiene pulmones de mayor capacidad, con esta corrección, la resistencia debería ser menor que a nivel del mar.

Trabajo de la Respiración Potencia (cal/min) HIPOXIA AGUDA HIPOXIA CRONICA En función de la ventilación  no se modifica En función del ejercicio  potencia mecánica requerida es < (menor ventilación) Ventilación (l/min)

Difusión del O2 entre los alveolos y la sangre

(DL) CAPACIDAD DE DIFUSIóN - El componente de membrana DEPENDE DE: - El componente de membrana - área de intercambio - distancia de difusión - presión parcial - El componente sanguíneo - tiempo de reacción Hb-O2 (flujo sang.) - concentración de Hb

TRANSFERENCIA DE GASES Limitado por Perfusión

Difusión de O2 en Normoxia 29 29

PcO2 en función de la longitud del capilar pulmonar La integral de Bohr permite cuantificar la capacidad y el tiempo de oxigenación pulmonar. dPcO2/DLO2=(PAO2-PcO2)/Qb. dPcO2 , cambio en la PcO2 cuando cambia la DLO2 a lo largo de los capilares pulmonares; DLO2 , tasa de transferencia difusiva por una diferencia de presión parcial efectiva; Q es el flujo capilar pulmonar y  es el coeficiente de capacitancia de la sangre. Reordenando la ecuación: Q..dPcO2 = (PAO2-PcO2) . dDLO2. En el estado estable, la difusión de O2 del aire alveolar a los capilares pulmonares es igual al transporte de O2 por la sangre. Integrando la ecuación con límites apropiados, donde x/xo es el valor fraccional de la longitud del capilar pulmonar que va de 0 a 1.   PAO2-PcO2(x) / PAO2-PvO2 = - (DLO2/Q.) . (x/xo)

Variables relacionadas a la circulación pulmonar en nativos de nivel del mar y de altura (4,500 m) Nivel del mar Altura PA, Torr 95 46.7 Pv, Torr 40 34.8 b, ml/Torr 0.91 4.2 D, ml/min/Torr 60 72 Q, l/min 5 5 D/Qb 13.2 3.4 Monge C. y León-Velarde, 2003

TRANSFERENCIA DE GASES Limitado por Difusión  Limitado por Perfusión Palv. Palv. Pa Pa En pulmón refleja anormalidad 50 Inicio (long. Capilar) Fin Inicio (long. Capilar Fin 100 mm Hg 100 mm Hg

Diferencia Alveolo-arterial PAO2 - PaO2 Valores normales 5-20 mmHg CAUSA: El “shunt” anatómico normal Ventilación/Perfusión alterada. La diferencia A-a aumenta con las enfermedades pulmonares. NOTA: Los valores normales aumentan en 100% O2.

A-aDO2 en nativos (NA) y no nativos (Nna) aclimatados a la altura. 40 NA 30 20 10 1 2 3 VO2 , l/min

Diferencia Alveolo - Arterial No disminuye en hipoxia aguda debido a: Taquicardia Aumento del GC Vasoconstricción pulmonar Limitación por difusión - Edema subclínico normal

Transporte de O2 en la sangre

SaO2, % Curva de afinidad de la Hb por el O2 100 NM 80 4, 500 m 60 40 20 10 50 100 PO2 , Torr

Respuesta ventilatoria a la hipoxia RVH= DVE/DSa .

Variables diagnósticas en nativos normales de Altura (4,540 m) y sujetos con MMC Hb, g/dl 20.8 20.8 – 28.4 No. GR, mill/mm3 6.2 6.5 – 10.0 Hcto, % 59.9 55.0 – 93.8 SaO2, % 81.4 59.6 – 80.0 PACO2, mm Hg 32.5 35.0 – 45.6 HCO3-, mM/l 20.9 23.4 – 28.4 pH, arterial 7.43 7.39 – 7.46 Monge M. y Monge C, 1966

CONTENIDO DE O2 Cont. O2 Hb = Sat O2 x Hb x 1.34 = 0.98 x 15 x 1.34 = 19.7 ml O2 /l00 ml Cont. O2 Total = Cont. O2 Hb + Cont. O2 disuelto (Cont O2 dis. = PAO2 x 0.003 = 100 x 0.003) = 0.3 + 19.7 = 20 ml O2 /l00 ml sangre

Ecuacion del gas alveolar:   PAO2 = [PB – 47] FIO2 – PACO2 ; PIO2 = [PB – PH2O] x FIO2 0.8   PAO2 = [760 – 47] 0.21 – 40 = 99. 8 mm Hg 0.8   PAO2 = [444 – 47] 0.21 – 30 ; = 45.9 mm Hg PB = presion barometrica PH2O = presion de vapor de agua FIO2 = concentración fraccional de oxígeno inspirado PaCO2 = presion arterial de anhidrido carbonico RQ = 0. 8 = cuociente respiratorio

CONTENIDO DE O2 a 4,500 m Cont. O2 Hb = Sat O2 x Hb x 1.34 = 0.80 x 19 x 1.34 = 20.4 ml O2 /l00 ml Cont. O2 Total = Cont. O2 Hb + Cont. O2 disuelto (Cont O2 dis. = PAO2 x 0.003 = 46 x 0.003) = 0.14 + 20.4 = 20.5 ml O2 /l00 ml sangre

Aporte de Oxígeno ApO2 = QT . (Cart O2 x 10) = 5L x (20 vol% x 10 = 1000 ml O2 /min Donde QT es el gasto cardíaco o flujo total de sangre, Cart O2 es el contenido de O2 en sangre arterial (GC = Vol.lat x lat/min) ApO2 disminuye si se reduce: La oxigenación de la sangre La concentración de hemoglobina El gasto cardiaco

Diferencia a-v en contenido de O2 CaO2 - CvO2 CaO2 = 20 vol%; CvO2 = 15 vol% CaO2 - CvO2 = 5 vol% 50 ml O2 / L 50 ml de O2 son extraídos de 1L de sangre para el metabolismo tisular.

Consumo de Oxígeno 250 ml de O2 son extraídos de la sangre en 1 min. VO2 = QT . (Cart O2 - Cven O2) x 10 = 5L x (5 vol% x 10) = 250 ml O2 /min Donde QT es el gasto cardíaco o flujo sanguíneo, Cart O2 es el cont. de O2 en sangre arterial y Cven O2 es el cont. de O2 en sangre venosa 250 ml de O2 son extraídos de la sangre en 1 min.

Coeficiente de extracción de oxígeno Coef. E = (CART O2 - CVEN O2) CART O2 = 5 vol% = 0.25 20 vol% ApO2 = 1000 ml O2 /min En 1 min, con un ApO2 = 1000 ml O2 /min y un Coef. E de 0.25, 250 ml de O2 son metabolizados por los tejidos y 750 ml de O2 regresan a los pulmones.

Diferencia a-v en función del gasto cardiaco (GC) en ejercicio. CaO2 – Cv02 , ml/L 160 120 80 40 NA NNM 5 15 25 GC, l/min

EN RESUMEN Para disminuir el gradiente de la « cascada de O2 », i.e., corregir la PvO2: - Aumenta la ventilación - Aumenta la difusión alveolo-capilar pulmonar - Aumenta el contenido arterial de O2 Sin embargo, cualquier alteración en algunas de las etapas de este proceso, puede aumentar el gradiente, aumentar la hipoxemia y perturbar el proceso de aclimatación a la altura.

Variables diagnósticas en nativos normales de Altura (4,540 m) y sujetos con MMC Hb, g/dl 20.8 20.8 – 28.4 No. GR, mill/mm3 6.2 6.5 – 10.0 Hcto, % 59.9 55.0 – 93.8 SaO2, % 81.4 59.6 – 80.0 PACO2, mm Hg 32.5 35.0 – 45.6 HCO3-, mM/l 20.9 23.4 – 28.4 pH, arterial 7.43 7.39 – 7.46 Monge M. y Monge C, 1966