Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Mecánica y

Mecánica
Mecánica yy Dinámica
Dinámica pulmonar
pulmonar
Transporte
Transporte de
de Gases
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
PO2
(mm Hg)
100
4,500 m
20
ART
CAP
VEN-M
NA
NNM
140
60
ALV
STPD
ATPS
PV = nRT
Si nR son constantes:
P1 x V1
T1
ATPS ! STPD
V1
=
BTPS
V2 x P2 x T1
T2 x P1
P2 = (760 mm Hg – PvH2O)
T1 = temp. absoluta en oKelvin
T2 = temp. ambiental en oKelvin
P1 = 760 mm Hg
= P2 x V2
T2
STPD
ATPS
PV = nRT
Si nR son constantes:
BTPS
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 – PvH2O)
T1 = temp. absoluta en oKelvin
T2 = temp. ambiental en oKelvin
P1 = (760 mm Hg - PvH2O en los pulmones – 47 mmHg)
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.
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, 2,3DPG, [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
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
Ecuacion del gas alveolar:
PAO2 = [PB – PH2O] FIO2 – PACO2
RQ
PIO2 = [PB – PH2O] x FIO2
RQ = VCO2
VO2
PB = presion barometrica
PH2O = presion de vapor de agua
FIO2 = concentracion fraccional de oxígeno inspirado
PaCO2 = presion arterial de anhidrido carbonico
RQ = couciente respiratorio
VCO2 = eliminacion de CO2
VO2 = consumo de O2
PIO2 = 150 mm Hg
PAO2 = 100 mm Hg
Ecuacion de la ventilacion alveolar:
PICO2 = 0.2 mm Hg
PACO2 = 40 mm Hg
VA = VCO2 x K
PACO2
PACO2 = VCO2 x K
VA
VD = VT x PaCO2 - PexpCO2
PaCO2
PaCO2 - PexpCO2 = f
PaCO2
f = expresa la dilucion del PACO2 por el aire del espacio muerto.
VCO2 = VA x FACO2
o
VCO2 = VE x FECO2
FACO2 = concentracion fraccional de anhidrido carbonico alveolar
FECO2 = concentracion fraccional de anhidrido carbonico espirado
VCO2 = eliminacion de CO2
Gráfica de la Vent alveolar a VCO2 constante
PACO2
(Torr)
60
VCO2=400 ml/min
40
20
VCO2=200 ml/min
2
10
18 VA (L/min)
Respuesta Aguda
• Aumento inmediato de la ventilación (VE) en respuesta a la
hipoxia.
•Incremento hiperbólico
de VE en función de la
disminución de PaO2
Actividad del SNC (impulsos
por seg.) vs. PaO2
La ventilación aumenta en reposo y
por cada nivel de ejercicio
RESPUESTAS INTEGRADAS DE LOS
SENSORES AL CO2
⇒ Controla la presión normal
PACO2 = + 3 mm Hg
Vent
⇒ Para un valor dado de
PACO2 , la ventilación
aumenta cuando la
40
PACO2 disminuye.
PAO2 mm Hg
37
47
110 ó más
20
20 30 40 50
PACO2
RESPUESTAS INTEGRADAS DE LOS
SENSORES AL O2
⇒ Para un valor dado de
PAO2 < 100 mm Hg,
la ventilación aumenta
sólo cuando el PACO2
es mayor que lo normal
⇒ El efecto combinado de
de ambos estímulos es
mayor que cada uno por
separado.
Vent
50
PACO2 mm Hg
30
48
43
10
36
40 60 80 100 120
PAO2
La acción inmediata de la hipoxia de altura :
La estimulación de los quimioreceptores carotídeos
con dos consecuencias ...
- hiperventilación
- activación del sistema adrenérgico
La ventilación aumenta de manera instantánea,
pero esta limitada por la inhibición central :
Hipoxia
Hiperventilación
Quimioreceptores
periféricos
Quimioreceptores
centrales
Alcalosis
-
Hipocapnia
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
Hiperventilación
Hipoxia
Quimioreceptores
periféricos
Quimioreceptores
centrales
Alcalosis +/compensada
-
Hipocapnia
Depresión Ventilatoria Hipóxica
(DVH)
•Es la disminución de la respuesta ventilatoria a la hipoxia cuando ésta se
prolonga de 5 – 30 min..
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
Hiperventilación
↓ CO2
↓ CO2
↓el estímulo
para
la ventilación
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.
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
PETCO2 , mm Hg
hipoxia.
40
30
20
10
NA
NNM
40
80
120 PETO2 , mm Hg
Respuesta ventilatoria al CO2
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 β2-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
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
TRANSFERENCIA DE GASES
⇒Limitado por Perfusión
Difusión de O2 en Normoxia
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.β
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 β es el coeficiente de capacitancia de la sangre.
Reordenando la ecuación:
Q.β.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.β) . (x/xo)
Variables relacionadas a la circulación pulmonar
en nativos de nivel del mar y de altura (4,500 m)
PA, Torr
Pv, Torr
β, ml/Torr
D, ml/min/Torr
Q, l/min
D/Qβ
Nivel del mar
Altura
95
40
0.91
60
5
13.2
46.7
34.8
4.2
72
5
3.4
Monge C. y León-Velarde, 2003
TRANSFERENCIA DE GASES
⇒Limitado por Difusión ⇒ Limitado por Perfusión
Pa
100 mm Hg
Palv.
Palv.
Pa
100 mm Hg
En pulmón
refleja anormalidad
Inicio
(long. Capilar) Fin
50
Inicio
(long. Capilar
Fin
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
– N2, CO2, O2: El gradiente se pierde rapidamente
(PA=Pa), pero toma más tiempo en la altura. La
transferencia del gas es función del flujo.
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
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.
Nna
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
LEY DE HENRY
⇒ [O2] = α . PO2
PO2 = [O2] / α
α = 0.003 ml O2 /100 ml . 1 mm Hg
Si PO2 = 100 mm Hg
[O2] = 0.003 x 100 = 0.3 ml/100 ml
= 0.3 vol%
Saturación de la Hb por el O2
• El porcentaje de saturación es el % o grado
de ocupación de grupos Hem unidos a O2
Sat = Contenido de O2 en la Hb x 100
Capacidad de la Hb
• Sat. arterial = 99 - 97%
• Sat. venosa = 75%
PaO2 = 100mmHg
Pv02 = 40mmHg
Curva de afinidad de la Hb por el O2
SaO2, %
100
NM
80
4, 500 m
60
40
20
10
50
100
PO2 , Torr
Respuesta
ventilatoria
a la hipoxia
.
RVH= ∆VE/∆Sa
Saturación arterial de O2 en altura
100
Reposo
Ejercicio máximo
SaO2 (%)
90
80
70
60
0
5000
6000
7000
Altura (m)
8000
8848
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 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
⇒ 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.