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Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases

Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de 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.

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  1. Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de 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

  2. Gradiente de presión de O2 del ambiente hasta los tejidos. INSP ALV ART CAP VEN-M NA 140 NNM 100 PO2 (mm Hg) 4,500 m 60 20

  3. 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)

  4. 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.

  5. 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.

  6. 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

  7. 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

  8. Ventilación

  9. 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.

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

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

  12. Weil JV et al. J Clin Invest 50:186-95, 1971 Atenuación de la respuesta ventilatoria a la hipoxia. Ocurre en los nativos y residentes de las grandes alturas.

  13. 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)

  14. Cambios en el PCO2 en respuesta a la hipoxia. PETCO2 , mm Hg 40 30 20 10 NA NNM 40 80 120 PETO2 , mm Hg

  15. Volúmenes Pulmonares

  16. 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

  17. EN HIPOXIA CRóNICA: Capacidad vital (CV) y volumen residual (VR) Volúmenes pulmonares, l BTPS 8 6 4 2 CV VR NNM NA

  18. 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 b2-adrenérgico y colinérgico

  19. 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.

  20. Trabajo de la Respiración HIPOXIA AGUDAHIPOXIA CRONICA Potencia (cal/min) • En función de la ventilación •  no se modifica • En función del ejercicio •  potencia mecánica • requerida es < • (menor ventilación) Ventilación (l/min)

  21. Difusión del O2 entre los alveolos y la sangre

  22. 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

  23. TRANSFERENCIA DE GASES • Limitado por Perfusión

  24. Difusión de O2 en Normoxia

  25. 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. 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)

  26. Variables relacionadas a la circulación pulmonar en nativos de nivel del mar y de altura (4,500 m) Nivel del mar Altura PA, Torr 95 46.7 Pv, Torr 40 34.8 b, ml/Torr 0.91 4.2 D, ml/min/Torr 60 72 Q, l/min 5 5 D/Qb 13.2 3.4 Monge C. y León-Velarde, 2003

  27. TRANSFERENCIA DE GASES • Limitado por DifusiónLimitado por Perfusión Palv.Palv. Pa Pa En pulmón reflejaanormalidad50 Inicio (long. Capilar) Fin Inicio (long. Capilar Fin 100 mm Hg 100 mm Hg

  28. Diferencia Alveolo-arterial • PAO2 - PaO2Valores 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.

  29. 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

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

  31. Transporte de O2 en la sangre

  32. Curva de afinidad de la Hb por el O2 SaO2, % 100 NM 80 4, 500 m 60 40 20 100 PO2 , Torr 10 50

  33. . RVH= DVE/DSa Respuesta ventilatoria a la hipoxia

  34. Variables diagnósticas en nativos normales de Altura (4,540 m) y sujetos con MMC Hb, g/dl 20.820.8 – 28.4 No. GR, mill/mm36.2 6.5 – 10.0 Hcto, % 59.955.0 – 93.8 SaO2, % 81.4 59.6 – 80.0 PACO2, mm Hg 32.5 35.0 – 45.6 HCO3-, mM/l 20.9 23.4 – 28.4 pH, arterial 7.43 7.39 – 7.46 Monge M. y Monge C, 1966

  35. 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

  36. 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

  37. 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

  38. 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) • ApO2disminuye si se reduce: • La oxigenación de la sangre • La concentración de hemoglobina • El gasto cardiaco

  39. 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.

  40. 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.

  41. 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.

  42. 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

  43. 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.

  44. Variables diagnósticas en nativos normales de Altura (4,540 m) y sujetos con MMC Hb, g/dl 20.820.8 – 28.4 No. GR, mill/mm36.2 6.5 – 10.0 Hcto, % 59.955.0 – 93.8 SaO2, % 81.4 59.6 – 80.0 PACO2, mm Hg 32.5 35.0 – 45.6 HCO3-, mM/l 20.9 23.4 – 28.4 pH, arterial 7.43 7.39 – 7.46 Monge M. y Monge C, 1966

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