Mecánica y Dinámica pulmonarTransporte de Gases

MecánicaMecánica y y DinámicaDinámica pulmonarpulmonarTransporte de Transporte de GasesGases

Fabiola Fabiola LeónLeón--VelardeVelarde, , DScDSc..

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

NANNM

Gradiente de presión de O2 del ambiente hastalos tejidos.

4,500 mPO2

(mm

Hg)

STPD ATPS BTPSP1 x V1

T1P2 x V2

T2=

ATPS ! STPDV2 x P2 x T1

T2 x P1V1 =

P2 = (760 mm Hg – PvH2O)T1 = temp. absoluta en oKelvinT2 = temp. ambiental en oKelvinP1 = 760 mm Hg

PV = nRTSi nR son constantes:

STPD ATPS BTPSP1 x V1

T1P2 x V2

T2=

ATPS ! BTPSV2 x P2 x T1

T2 x P1V1 =

V2 = volumen del espirómetroP2 = (760 mm Hg – PvH2O)T1 = temp. absoluta en oKelvinT2 = temp. ambiental en oKelvinP1 = (760 mm Hg - PvH2O en los pulmones – 47 mmHg)

PV = nRTSi nR son constantes:

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.

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 = concentraciónde O2 en aire inspirado; CeO2 = concentración de O2 en aire espirado.

Afectado por: resp/min, volumen corriente, espaciomuerto.

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 sangrearterial; 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

Ventilacion minuto (VE):

VE = (VT) x resp/min (FR)

Ventilacion alveolar minuto (VA) y espaciomuerto (VD):

VA = (VT – VD) x FRVA = (450ml – 150) x 12 = 3,600 ml

⇒Aire nuevo = Volumen + Espaciotidal Muerto

VT = volumen tidalVD = ventilacion del espacio muerto

Ecuacion del gas alveolar:PAO2 = [PB – PH2O] FIO2 – PACO2

RQ

PIO2 = [PB – PH2O] x FIO2

RQ = VCO2VO2

PB = presion barometricaPH2O = presion de vapor de aguaFIO2 = concentracion fraccional de oxígeno inspiradoPaCO2 = presion arterial de anhidrido carbonicoRQ = couciente respiratorioVCO2 = eliminacion de CO2VO2 = consumo de O2

PIO2 = 150 mm HgPAO2 = 100 mm Hg

Ecuacion de la ventilacion alveolar:VA = VCO2 x K PICO2 = 0.2 mm Hg

PACO2 PACO2 = 40 mm Hg

PACO2 = VCO2 x KVA

VD = VT x PaCO2 - PexpCO2PaCO2

PaCO2 - PexpCO2 = fPaCO2

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 alveolarFECO2 = concentracion fraccional de anhidrido carbonico espiradoVCO2 = eliminacion de CO2

Gráfica de la Vent alveolar a VCO2 constante

2 10 18 VA (L/min)

20

60

PACO2(Torr)

40

VCO2=200 ml/min

VCO2=400 ml/min

RespuestaRespuesta AgudaAguda• Aumento inmediato de la ventilación (VE) en respuesta a la

hipoxia.

Actividad del SNC (impulsospor seg.) vs. PaO2

•Incremento hiperbólico

de VE en función de la disminución de PaO2

La ventilación aumenta en reposo y por cada nivel de ejercicio

RESPUESTAS INTEGRADAS DE LOS SENSORES AL CO2

⇒Controla la presión normalPACO2 = + 3 mm Hg

Vent⇒Para un valor dado de PAO2 mm Hg

PACO2 , la ventilación 37aumenta cuando la 40 47PACO2 disminuye. 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, Ventla ventilación aumenta sólo cuando el PACO2 50 PACO2 mm Hg

es mayor que lo normal

⇒El efecto combinado de 30de ambos estímulos es 48

mayor que cada uno por 43separado. 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

Hipocapnia

AlcalosisQuimioreceptoresQuimioreceptores

periféricosperiféricos

QuimioreceptoresQuimioreceptorescentralescentrales

Hiperventilación

-

-

-

La ventilación continúa aumentando durante toda la estadíaen 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

Hipocapnia

Alcalosis +/-compensada

QuimioreceptoresQuimioreceptoresperiféricosperiféricos

QuimioreceptoresQuimioreceptorescentralescentrales

Hiperventilación

-

-

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 estímulopara

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 víasmotoras aferentes.

Atenuación de la respuestaventilatoria 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 enfermedadesrespiratorias 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 dopaminérgicaen 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.

Respuesta ventilatoria al CO2

VolúmenesPulmonares

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 delfinal 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

CVVR

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 β2-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 delmar.

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 losalveolos 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.β

dPcO2 , cambio en la PcO2 cuando cambia la DLO2 a lo largo de los capilarespulmonares; DLO2 , tasa de transferencia difusiva por una diferencia de presión parcialefectiva; 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)

PcO2 en función de la longitud del capilar pulmonar

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

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

Monge C. y León-Velarde, 2003

Nivel del mar Altura

TRANSFERENCIA DE GASES

⇒Limitado por Difusión ⇒ Limitado por PerfusiónPalv. Palv.

Pa Pa

En pulmón

refleja anormalidad 50

Inicio (long. Capilar) Fin Inicio (long. Capilar Fin

100 mm Hg100 mm Hg

TRANFERENCIA DE GASES

• Limitado por Difusión– Se mantiene el gradiente y la transferencia de gas

puede continuar.Sólo las características de la membranaalveolo 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 enfermedadespulmonares.

• NOTA: Los valores normales aumentanen 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

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 100Capacidad de la Hb

• Sat. arterial = 99 - 97% PaO2 = 100mmHg• Sat. venosa = 75% Pv02 = 40mmHg

10 50 100 PO2 , Torr

20

40

60

80

100

SaO2, %

4, 500 m

NM

Curva de afinidad de la Hb por el O2

Respuestaventilatoriaa la hipoxia

RVH= ∆VE/∆Sa.

SaturaciónSaturación arterialarterial de Ode O22 en en alturaaltura

ReposoReposo

EjercicioEjercicio máximomáximo

AlturaAltura (m)(m)

00 50005000 60006000 70007000 80008000 88488848

6060

7070

8080

9090

100100Sa

OSa

O22

(%)

(%)

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 FIO20.8

PAO2 = [760 – 47] 0.21 – 40 = 99. 8 mm Hg0.8

PAO2 = [444 – 47] 0.21 – 30 ; = 45.9 mm Hg0.8

PB = presion barometricaPH2O = presion de vapor de aguaFIO2 = concentración fraccional de oxígeno inspiradoPaCO2 = presion arterial de anhidrido carbonicoRQ = 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 sangrepara 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, CartO2 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 sangreen 1 min.

Coeficiente de extracción de oxígeno

⇒Coef. E = (CART O2 - CVEN O2)CART O2

= 5 vol% = 0.2520 vol%

⇒ApO2 = 1000 ml O2 /minEn 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 gastocardiaco (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.