Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases

Transcripción

1 Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde 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

2 Gradiente de presión de O 2 del ambiente hasta los tejidos. INSP ALV ART CAP VEN-M 140 NA NNM PO 2 (mm Hg) ,500 m 20

3 STPD ATPS BTPS PV = nrt Si nr son constantes: P1 x V1 T1 = P2 x V2 T2 ATPS! STPD V1 = V2 x P2 x T1 T2 x P1 P2 = (760 mm Hg PvH 2 O) T1 = temp. absoluta en o Kelvin T2 = temp. ambiental en o Kelvin P1 = 760 mm Hg

4 STPD ATPS BTPS PV = nrt Si nr son constantes: P1 x V1 T1 = P2 x V2 T2 ATPS! BTPS V1 = V2 x P2 x T1 T2 x P1 V2 = volumen del espirómetro P2 = (760 mm Hg PvH 2 O) T1 = temp. absoluta en o Kelvin T2 = temp. ambiental en o Kelvin P1 = (760 mm Hg - PvH 2 O en los pulmones 47 mmhg)

5 PROCESOS FISICOS RESPONSABLES DE LA RESPIRACIÓN DIFUSIÓN: Es el movimiento de moléculas de un gas de una alta concentración a una baja concentración de acuerdo a sus presiones parciales individuales. CONVECCIÓN: Es el movimiento de un gas de una alta concentración a una baja concentración en función del movimiento del medio en que se encuentra dicho gas.

6 Variables del intercambio gaseoso En el pulmón: CONVECCIóN : MO 2 = Vaire (CiO 2 CeO 2 ) En la membrana alveolo-capilar: DIFUSIóN : MO 2 = DL (PAO 2 PaO 2 ) En la sangre: CONVECCIóN : MO 2 = Vsang (CaO 2 CvO 2 ) En los tejidos: DIFUSIóN : MO 2 = DT (PcO 2 PtO 2 )

7 Variables del intercambio gaseoso CONVECCIóN: MO 2 = Vaire (CiO 2 CeO 2 ) MO 2 = masa de O 2 ; Vaire = volumen de aire; CiO 2 = concentración de O 2 en aire inspirado; CeO 2 = concentración de O 2 en aire espirado. Afectado por: resp/min, volumen corriente, espacio muerto. DIFUSIóN: MO 2 = DL (PAO 2 PaO 2 ) DL = capacidad de difusión del pulmón; PAO 2 = presión de O 2 en aire alveolar; PaO 2 = presión de O 2 en sangre arterial. Afectado por: área de superficie, volumen capilar, espesor de la pared alveolar, concentración de Hb.

8 Variables del intercambio gaseoso CONVECCIóN: MO 2 = Vsang (CaO 2 CvO 2 ) Vsang = volumen de sangre; CaO 2 = concentración de O 2 en sangre arterial; CvO 2 = concent. de O 2 en sangre venosa. Afectado por: latidos/min, volumen min, CDHb, 2,3- DPG, [Hb], distribución de flujo sanguíneo. DIFUSIóN: MO 2 = DT (PcO 2 PtO 2 ) DT = capacidad de difusión de los tejidos; PcO 2 = presión de O 2 en sangre capilar; PtO 2 = presión de O 2 en los tejidos. Afectado por: área de superficie de las células, densidad mitocondrial, volumen y densidad capilar, concentración de las enzimas respiratorias.

9 Cuántos parámetros pueden variar? Contenido arterial de O 2 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 O 2 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

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

11 Ventilación

12 Ventilacion minuto (VE): VE = (VT) x resp/min (FR) Ventilacion alveolar minuto (VA) y espacio muerto (VD): VA = (VT VD) x FR VA = (450ml 150) x 12 = 3,600 ml Aire nuevo = Volumen + Espacio tidal Muerto VT = volumen tidal VD = ventilacion del espacio muerto

13 Ecuacion del gas alveolar: PAO 2 = [PB PH2O] FIO 2 PACO 2 RQ PIO 2 = [PB PH2O] x FIO 2 RQ = VCO 2 VO 2 PIO 2 = 150 mm Hg PAO 2 = 100 mm Hg PB = presion barometrica PH2O = presion de vapor de agua FIO 2 = concentracion fraccional de oxígeno inspirado PaCO 2 = presion arterial de anhidrido carbonico RQ = couciente respiratorio VCO 2 = eliminacion de CO 2 VO 2 = consumo de O 2

14 Ecuacion de la ventilacion alveolar: VA = VCO 2 x K PACO 2 PICO 2 = 0.2 mm Hg PACO 2 = 40 mm Hg PACO 2 = VCO 2 x K VA VD = VT x PaCO 2 - PexpCO 2 PaCO 2 PaCO 2 - PexpCO 2 = f PaCO 2 f = expresa la dilucion del PACO 2 por el aire del espacio muerto. VCO 2 = VA x FACO 2 o VCO 2 = VE x FECO 2 FACO 2 = concentracion fraccional de anhidrido carbonico alveolar FECO 2 = concentracion fraccional de anhidrido carbonico espirado VCO 2 = eliminacion de CO 2

15 Gráfica de la Vent alveolar a VCO 2 constante PACO 2 (Torr) 60 VCO 2 =400 ml/min VCO 2 =200 ml/min VA (L/min)

16 Respuesta Aguda Aumento inmediato de la ventilación (VE) en respuesta a la hipoxia. Incremento hiperbólico de VE en función de la disminución de PaO 2 Actividad del SNC (impulsos por seg.) vs. PaO 2

17 La ventilación aumenta en reposo y por cada nivel de ejercicio

18 RESPUESTAS INTEGRADAS DE LOS SENSORES AL CO 2 Controla la presión normal PACO 2 = + 3 mm Hg Vent Para un valor dado de PAO 2 mm Hg PACO 2, la ventilación 37 aumenta cuando la PACO 2 disminuye. 110 ó más P A CO 2

19 RESPUESTAS INTEGRADAS DE LOS SENSORES AL O 2 Para un valor dado de PAO 2 < 100 mm Hg, Vent la ventilación aumenta sólo cuando el PACO 2 50 PACO 2 mm Hg es mayor que lo normal El efecto combinado de 30 de ambos estímulos es 48 mayor que cada uno por 43 separado PAO 2

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

21 La ventilación aumenta de manera instantánea, pero esta limitada por la inhibición central : Hipoxia Hiperventilación Quimioreceptores periféricos Quimioreceptores centrales Hipocapnia Alcalosis

22 La ventilación continúa aumentando durante toda la estadía en altura: es el fenómeno de aclimatación ventilatoria. - por compensación renal de la alcalosis y la reducción de la inhibición central - por aumento de la quimiosensibilidad periférica Hipoxia Quimioreceptores periféricos Hiperventilación - Alcalosis +/- compensada Quimioreceptores centrales - Hipocapnia

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

24 Depresión Ventilatoria Hipóxica (DVH) Ocurre también en isocapnia.! no se explica solamente como la disminución de la ventilación secundaria a la hipocapnia asociada a la respuesta ventilatoria aguda... HIPOXIA Flujo sang. cerebral CO 2 el estímulo para la ventilación Hiperventilación CO 2

25 Depresión Ventilatoria Hipóxica (DVH) Afecta primariamente el volumen tidal, pero no la generación del ritmo. Se observa la disminución de la ventilación y la actividad del nervio frénico pero no en otras vías motoras aferentes.

26 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

27 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 O 2 de los CC # la sensibilidad del SNC a los estímulos de los CC (Powell, 1998) Aumenta la inhibición dopaminérgica en los CC (Weil, 1986)

28 Cambios en el PCO 2 en respuesta a la PETCO 2, mm Hg hipoxia NA NNM PETO 2, mm Hg

29 Respuesta ventilatoria al CO 2

30 Volúmenes Pulmonares

31

32 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

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

34 Flujo pulmonar y resistencia en hipoxia aguda > 4,000 m., FEP 1, 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 β2-adrenérgico y colinérgico

35 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.

36 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)

37 Difusión del O 2 entre los alveolos y la sangre

38 CAPACIDAD DE DIFUSIóN (DL) DEPENDE DE: - El componente de membrana - área de intercambio - distancia de difusión - presión parcial - El componente sanguíneo - tiempo de reacción Hb-O 2 (flujo sang.) - concentración de Hb

39 TRANSFERENCIA DE GASES Limitado por Perfusión

40 Difusión de O 2 en Normoxia

41 PcO 2 en función de la longitud del capilar pulmonar La integral de Bohr permite cuantificar la capacidad y el tiempo de oxigenación pulmonar. dpco 2 /DLO 2 =(PAO2-PcO 2 )/Qb.β dpco 2, cambio en la PcO 2 cuando cambia la DLO 2 a lo largo de los capilares pulmonares; DLO 2, tasa de transferencia difusiva por una diferencia de presión parcial efectiva; Q es el flujo capilar pulmonar y β es el coeficiente de capacitancia de la sangre. Reordenando la ecuación: Q.β.dPcO 2 = (PAO2-PcO 2 ). ddlo 2. En el estado estable, la difusión de O 2 del aire alveolar a los capilares pulmonares es igual al transporte de O 2 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-PcO 2 (x) / PAO 2 -PvO 2 = - (DLO 2 /Q.β). (x/xo)

42 Variables relacionadas a la circulación pulmonar en nativos de nivel del mar y de altura (4,500 m) Nivel del mar Altura PA, Torr Pv, Torr β, ml/torr D, ml/min/torr Q, l/min 5 5 D/Qβ Monge C. y León-Velarde, 2003

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

44 TRANFERENCIA DE GASES Limitado por Difusión Se mantiene el gradiente y la transferencia de gas puede continuar.sólo las características de la membrana alveolo capilar limitan este intercambio. Limitado por Perfusión N 2, CO 2, O 2 : El gradiente se pierde rapidamente (PA=Pa), pero toma más tiempo en la altura. La transferencia del gas es función del flujo.

45 INTERCAMBIO GASEOSO LIMITADO POR DIFUSIóN Y POR PERFUSIóN Equilibrio ventilación/perfusión se alcanza normalmente a los 0.25 seg a nivel del mar, a 0.75 seg en la alura. Limitada por difusión a nivel tisular: PA>PCAP porque hay poca afinidad por el gas o porque ha sido captado por la hemoglobina, como en el caso de CO. Limitada por perfusión a nivel pulmonar: PA = PCAP

46 Diferencia Alveolo-arterial P A O 2 -P a O 2 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% O 2.

47 A-aDO2 en nativos (NA) y no nativos (Nna) aclimatados a la altura. 40 Nna NA VO 2, l/min

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

49 Transporte de O 2 en la sangre

50 LEY DE HENRY [O 2 ] = α. PO 2 PO 2 = [O 2 ] / α α = ml O 2 /100 ml. 1 mm Hg Si PO 2 = 100 mm Hg [O 2 ] = x 100 = 0.3 ml/100 ml = 0.3 vol%

51 Saturación de la Hb por el O 2 El porcentaje de saturación es el % o grado de ocupación de grupos Hem unidos a O 2 Sat = Contenido de O2 en la Hb x 100 Capacidad de la Hb Sat. arterial = 99-97% PaO 2 = 100mmHg Sat. venosa = 75% Pv0 2 = 40mmHg

52 Curva de afinidad de la Hb por el O 2 SaO 2, % 100 NM 80 4, 500 m PO 2, Torr

53 Respuesta ventilatoria a la hipoxia. RVH= VE/ Sa

54 Saturación arterial de O 2 en altura Reposo Ejercicio máximo SaO 2 (%) Altura (m)

55 CONTENIDO DE O 2 Cont. O 2 Hb = Sat O 2 x Hb x 1.34 = 0.98 x 15 x 1.34 = 19.7 ml O 2 /l00 ml Cont. O 2 Total = Cont. O 2 Hb + Cont. O 2 disuelto (Cont O 2 dis. = PAO 2 x = 100 x 0.003) = = 20 ml O 2 /l00 ml sangre

56 Ecuacion del gas alveolar: PAO 2 = [PB 47] FIO 2 PACO 2 ; PIO 2 = [PB PH2O] x FIO PAO 2 = [760 47] = mm Hg 0.8 PAO 2 = [444 47] ; = 45.9 mm Hg 0.8 PB = presion barometrica PH2O = presion de vapor de agua FIO 2 = concentración fraccional de oxígeno inspirado PaCO 2 = presion arterial de anhidrido carbonico RQ = 0. 8 = cuociente respiratorio

57 CONTENIDO DE O 2 a 4,500 m Cont. O 2 Hb = Sat O 2 x Hb x 1.34 = 0.80 x 19 x 1.34 = 20.4 ml O 2 /l00 ml Cont. O 2 Total = Cont. O 2 Hb + Cont. O 2 disuelto (Cont O 2 dis. = PAO 2 x = 46 x 0.003) = = 20.5 ml O 2 /l00 ml sangre

58 Aporte de Oxígeno ApO 2 = QT. (Cart O 2 x 10) = 5L x (20 vol% x 10 = 1000 ml O 2 /min Donde QT es el gasto cardíaco o flujo total de sangre, Cart O 2 es el contenido de O 2 en sangre arterial (GC = Vol.lat x lat/min) ApO 2 disminuye si se reduce: La oxigenación de la sangre La concentración de hemoglobina El gasto cardiaco

59 Diferencia a-v en contenido de O 2 CaO 2 -CvO 2 CaO 2 = 20 vol%; CvO 2 = 15 vol% CaO 2 -CvO 2 = 5 vol% 50 ml O 2 / L 50 ml de O 2 son extraídos de 1L de sangre para el metabolismo tisular.

60 Consumo de Oxígeno VO 2 = QT. (Cart O 2 -Cven O 2 ) x 10 = 5L x (5 vol% x 10) = 250 ml O 2 /min Donde QT es el gasto cardíaco o flujo sanguíneo, Cart O 2 es el cont. de O 2 en sangre arterial y Cven O 2 es el cont. de O 2 en sangre venosa 250 ml de O 2 son extraídos de la sangre en 1 min.

61 Coeficiente de extracción de oxígeno Coef. E = (CART O 2 - CVEN O 2 ) CART O 2 = 5 vol% = vol% ApO 2 = 1000 ml O 2 /min En 1 min, con un ApO 2 = 1000 ml O 2 /min y un Coef. E de 0.25, 250 ml de O 2 son metabolizados por los tejidos y 750 ml de O 2 regresan a los pulmones.

62 Diferencia a-v en función del gasto cardiaco (GC) en ejercicio. CaO 2 Cv0 2, ml/l NA NNM GC, l/min

63 EN RESUMEN Para disminuir el gradiente de la «cascada de O 2», i.e., corregir la PvO 2 : - Aumenta la ventilación - Aumenta la difusión alveolo-capilar pulmonar - Aumenta el contenido arterial de O 2 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.