Mecánica y Dinámica pulmonar Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de GasesTransporte de Gases

Mecánica y Dinámica pulmonar Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de GasesTransporte de Gases

Fabiola León-Velarde, DSc.Fabiola León-Velarde, DSc.

Departamento de Ciencias Biológicas y FisiológicasLaboratorio de Transporte de Oxígeno (LDTA-LID)

Instituto de Investigaciones de la Altura (IIA)Universidad Peruana Cayetano Heredia

20

60

100

140

INSP ALV ART CAP VEN-M

NA

NNM

Gradiente de presión de O2 del ambiente hastalos tejidos.

4,500 m PO

2

(mm

Hg

)

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

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.

CO H O H CO H HCO2 2 2 3 3 Carbonic Anhydrase

pHHCO

PCO

6 1

0 033

2

. log[ ]

( . )

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)

40 80 120 PETO2 , mm Hg

10

20

30

40

PETCO2 , mm Hg

NANNM

Cambios en el PCO2 en respuesta a la hipoxia.

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

NNM NA

2

4

6

8

Volúmenes pulmonares, l BTPS

CV VR

EN HIPOXIA CRóNICA: Capacidad vital (CV) y volumen residual (VR)

Flujo pulmonar y resistenciaen 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 2-adrenérgico y

colinérgico

Flujo pulmonar y resistenciaen 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

Ventilación (l/min)

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)

Difusión del O2 entre los alveolos y la sangre

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-O2 (flujo sang.) - concentración de Hb

Limitado por PerfusiónTRANSFERENCIA DE GASES

Difusión de O2 en Normoxia

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)

PcO2 en función de la longitud del capilar pulmonar

Variables relacionadas a la circulación pulmonar en nativos de nivel del mar y de altura (4,500 m)

PA, Torr 95 46.7Pv, Torr 40 34.8, ml/Torr 0.91 4.2D, ml/min/Torr 60 72Q, l/min 5 5D/Q 13.2 3.4

Monge C. y León-Velarde, 2003

Nivel del mar Altura

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 Hg100 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.

1 2 3 VO2 , l/min

10

20

30

40

A-aDO2 en nativos (NA) y no nativos (Nna) aclimatados a la altura.

Nna

NA

Diferencia Alveolo - Arterial

normal

No disminuye en hipoxia aguda debido a: -Taquicardia-Aumento del GC-Vasoconstricción

-pulmonar-Limitación por difusión- Edema subclínico

Transporte de O2 en la sangre

10 50 100 PO2 , Torr

20

40

60

80

100

SaO2, %

4, 500 m

NM

Curva de afinidad de la Hb por el O2

Respuesta ventilatoria a la hipoxia

RVH= VE/Sa.

Variables diagnósticas en nativos normales de Altura (4,540 m) y sujetos con MMC

Hb, g/dl 20.8 20.8 – 28.4No. GR, mill/mm3 6.2 6.5 – 10.0Hcto, % 59.9 55.0 – 93.8SaO2, % 81.4 59.6 – 80.0PACO2, mm Hg 32.5 35.0 – 45.6HCO3

-, mM/l 20.9 23.4 – 28.4pH, 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

0.8

 

PB = presion barometricaPH2O = presion de vapor de aguaFIO2 = 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 sangreLa concentración de hemoglobinaEl 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

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.

5 15 25 GC, l/min

40

80

120

160

CaO2 – Cv02 , ml/L

NANNM

Diferencia a-v en función del gasto cardiaco (GC) en ejercicio.

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 – 28.4No. GR, mill/mm3 6.2 6.5 – 10.0Hcto, % 59.9 55.0 – 93.8SaO2, % 81.4 59.6 – 80.0PACO2, mm Hg 32.5 35.0 – 45.6HCO3

-, mM/l 20.9 23.4 – 28.4pH, arterial 7.43 7.39 – 7.46

Monge M. y Monge C, 1966