Post on 15-Dec-2016
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.