COLAPSO ENERGÉTICO CELULAR: QUÉ HACER?

Perspectiva desde el Anestesiólogo al paciente críticamente enfermo

Autor:

Dr. Daniel Rivera Tocancipá

Médico Anestesiólogo. Docente Asistente Facultad de Medicina Universidad

Surcolombiana. Profesor Coordinador Postgrado en Anestesiología y Reanimación USCO.

Hospital Universitario Hernando Moncaleano Perdomo de Neiva.

1. Introducción.

2. Sistema respiratorio.

3. Sistema Cardiovascular.

4. Integración en Aporte tisular de oxígeno.

5. Fosforilación Oxidativa.

6. Cómo intervenir?

1. INTRODUCCION

A medida que avanza la adquisición de conocimientos y experiencia en el área de la

Anestesiología y Reanimación cobra importancia entender que el final de la

descompensación del ser humano en un continuo que lo lleva a la enfermedad crítica y la

muerte, es el colapso energético a nivel celular. En el escenario de la anestesia,

considerada por algunos como una intoxicación corporal severa, reversible, controlada y

potencialmente fatal, puede reproducirse el modelo de colapso energético y muerte si no se

tiene conceptualmente claro el proceso para manejarlo e intervenirlo.

Cuanto oxígeno es capaz de tomar la mitocondria para producir ATP (Adenosin trifosfato o

fosfato de alta energía) y cuanto es capaz de utilizar la célula, es la base que explica el

colapso energético, al cual llevan todos los estados de hipoperfusión tisular (Choque) no

corregidos, como la sepsis, el choque hipovolémico, los síndromes de bajo gasto, los

síndromes de isquemia - reperfusión, la disfunción multiorgánica, la falla orgánica

multisistémica, la mayor parte de las complicaciones anestésicas severas y por último el

fenómeno de la muerte. Estos eventos son mejor explicados y entendidos desde la óptica de

la fisiología del aporte, consumo y utilización del oxígeno, convirtiéndose en temas de vital

importancia en la formación de todo médico que se enfrente al paciente críticamente

enfermo.

La integración del sistema respiratorio y cardiovascular debe ser óptima para garantizar el

movimiento adecuado de la molécula de oxígeno a nivel corporal. El sistema respiratorio

obtiene del ambiente la preciada molécula y la coloca en el torrente sanguíneo pulmonar

para que sea ligada por la hemoglobina, formando la oxihemoglobina. Allí el sistema

cardiovascular se encarga de hacer circular esta unión hemoglobina-oxígeno por el sistema

vascular llevándola a lechos capilares en la vecindad de las células, descargando allí el

oxígeno para su utilización mitocondrial y dejando libre la hemoglobina (reducida) para

que nuevamente gracias al sistema cardiovascular se transporte hasta el capilar pulmonar

para iniciar un nuevo ciclo.

Tisularmente, obedeciendo leyes de presión de los gases, el oxígeno descargado difunde

por la membrana celular y el citosol hacia la mitocondria, en donde es internalizado para

servir de sustrato en la trasferencia de electrones produciendo energía en forma de fosfatos

(Adenosín Trifosfato – ATP-). Este proceso metabólico produce además calor, agua y

dióxido de carbono (CO2). El dióxido de carbono producido a nivel tisular requiere

también del concurso armónico de los sistemas cardiovascular y respiratorio para ser

eliminado del organismo vía ventilatoria como dióxido de carbono (CO2) principalmente, y

por intervención de la anhidrasa carbónica pasarlo a bicarbonato (HCO3). El ATP

suministra la energía celular necesaria para mantener procesos celulares vitales como el

intercambio iónico dependiente de bombas, reacciones enzimáticas, división celular,

expresión del ARN y mantenimiento de la estructura celular, entre otros. Para efectos

didácticos expondremos por separado la intervención del sistema respiratorio y el

cardiovascular en este proceso.

2. SISTEMA RESPIRATORIO.

Para efectos del presente análisis podemos dividir la función respiratoria en los siguientes

pasos:

1. Ventilación Pulmonar.

2. Difusión Alveólo-Capilar.

3. Relación Ventilación/Perfusión.

La ventilación pulmonar es el intercambio de aire entre el ambiente y el alvéolo pulmonar.

La concentración alveolar de un gas es igual a la concentración del gas inspirado menos el

gas producido a nivel alveolar por la ventilación alveolar. En el ambiente la fracción de

oxígeno es aproximadamente el 0.21 (FiO2: 21%). De tal forma que para una presión

atmosférica aproximada de 730 mm de Hg para la altitud de la ciudad de la Neiva y

restando la presión de vapor de agua a temperatura ambiente (47 mmHg), tendríamos:

(Patm – PvH2O) x 0.21, es decir, una presión de oxígeno ambiental que colocado en la vía

aérea sería de 143.4 mmHg. A nivel alveolar existe dióxido de carbono producto del

metabolismo celular y que origina cambios de presión a nivel de los gases alveolares. La

Presión del CO2 alveolar es directamente proporcional a la PaCO2 (Presión arterial de

CO2) y al cociente respiratorio, que es la relación de producción de CO2 con el consumo

de oxígeno (VO2) y en condiciones normales equivale a 0.8. De tal manera que el O2 a

nivel alveolar se calcula de la siguiente manera:

PAO2 = (Patm – PvH2O) x 0.21 - (PaCO2 / 0.8)

= 143.4 mmHg - 46.25 mmHg

= 97.1 mmHg.

Teniendo en cuenta que existe un gradiente de difusión alvéolo – capilar normalmente

menor a 20 mmHg, se explicaría como en la sangre arterial la PaO2 debe estar en rangos

comprendidos entre 80 y 95 mmHg a una altitud sobre el nivel del mar. A mayor altitud

disminuye la presión barométrica manteniendo la FiO2 en 0.21 y por ende disminuyen

también las presiones de la cascada del oxígeno. Esto explica por que en ciudades como

Bogotá (Menor presión atmosférica) la PaO2 es considera con un mínimo normal por

encima de 60 mmHg y a nivel del mar por encima de 85 mmHg.

Una vez el oxígeno en el alvéolo, debe difundir a través de la barrera hematogaseosa. Este

proceso se realiza siguiendo la ley de la difusión de Fick en donde la difusión a través de

una membrana es directamente proporcional al área de la membrana, al gradiente de

presiones y la solubilidad de la molécula e inversamente proporcional al espesor de la

membrana y a la raíz cuadrada del peso molecular de la sustancia. Siguiendo la ley de Fick,

la molécula de O2 debe atravesar las siguientes estructuras: Célula epitelial alveolar,

membrana basal del endotelio alveolar, tejido conectivo, endotelio capilar pulmonar,

membrana basal del endotelio capilar, célula epitelial del capilar pulmonar, plasma,

membrana eritrocítica, líquido intracelular y finalmente unirse a la molécula de

hemoglobina. Alteraciones en estas estructuras afectan la difusión y la saturación de la

hemoglobina por el oxígeno, por ejemplo una enfermedad pulmonar crónica engrosaría las

células alveolares y su tejido conectivo y un edema pulmonar cardiogénico dilataría por

congestión líquida la barrera hematogaseosa.

Por último, para que el aporte del sistema respiratorio sea óptimo, se requiere una

concordancia entre la ventilación del alveolo y la perfusión del mismo. Es decir que cada

unidad alveolar ventilada sea a la vez prefundida por los capilares pulmonares. En

condiciones normales no todos los alvéolos permanecen ventilados y la perfusión varía

constantemente de acuerdo a las leyes de la gravedad, las presiones vasculares del lecho

pulmonar y el tono de los vasos pulmonares. Cuando existe un alvéolo ventilado y no

prefundido se está creando un espacio muerto fisiológico (es decir con potencialidad de

volverse funcional, para distinguirlo del espacio muerto anatómico creado por las vías

aéreas de conducción que jamás podrán realizar intercambio gaseoso), y cuando existe un

alveolo prefundido sin correcta ventilación se está creando un Shunt o cortocircuito

intrapulmonar ya que está sangre no se oxigenará y se mezclara finalmente con el torrente

arterial.

3. SISTEMA CARDIOVASCULAR

Debe estar en perfecta armonía con el sistema respiratorio. Realiza funciones clasificadas

para efectos académicos así:

1. Captación del Oxígeno por la Hemoglobina. (Capilar pulmonar)

2. Curva de Saturación de la Hemoglobina.

3. Liberación del oxígeno por la Hemoglobina (Capilar tisular).

4. Flujo: Gasto Cardiáco.

Cuando un eritrocito pasa por el capilar pulmonar, el O2 plasmático entra en él para unirse

a la Hemoglobina (Hb-O2). Cada molécula de Hb tiene cuatro grupos Hem unidos a una

molécula central de Globina. Cada Hem contiene glicina, ácido alfa-cetoglutárico y hierro

en forma iónica ferrosa. Cada ión ferroso tiene capacidad de unirse a una molécula de

oxigeno de manera reversible. Al unirse la molécula de O2 al ión ferroso la molécula de Hb

queda saturada. Un gramo de Hb tiene la capacidad de unir 1.39 ml de oxígeno y

transportarlo (Hb oxidada). Como una pequeña parte del total de la Hb está en formas que

no permiten el transporte adecuado de O2 (ejemplo metahemoglobina y

carboxihemoglobina), se disminuye el valor de 1.39 a 1.34. Una mínima parte del oxígeno

va disuelta en el plasma obedeciendo la ley de Henrry: el oxígeno disuelto es proporcional

a la Presión de oxígeno, en 0,03 vol%. La afinidad del O2 por la Hb es muy alta y su

diagrama en el plano cartesiano de la saturación de la Hb por el O2 contra la PaO2 origina

una curva sigmoidea típicamente llamada curva de afinidad o disociación del oxígeno. La

cantidad hemoglobina está directamente relacionada con la masa eritrocítica del individuo

(Hematocrito) y la capacidad de síntesis proteica al interior del glóbulo rojo (Concentración

de Hb eritrocítica). La funcionalidad de la Hb, dada por su capacidad de ligar O2 a nivel del

capilar alveolar y liberarlo a nivel del capilar tisular, está determinada por una correcta

estructura química y de factores del microambiente celular principalmente el pH

intracelular como lo expuso Christian Bohr en 1904. En un medio ácido la afinidad Hb-O2

disminuye, esto permite que a nivel tisular donde hay un medio ácido debido en parte a la

alta concentración de CO2 producto del metabolismo celular, el O2 sea fácilmente liberado

de la Hb para que pueda disponerse por la mitocondria. De paso esta Hb desoxigenada

capta protones libres (H+) y actúa como uno de los principales Buffer tisulares. A nivel

pulmonar donde el CO2 es exhalado, el pH aumenta y nuevamente se aumenta la afinidad

O2-Hb para un nuevo transporte.

La posición de la curva de oxi-Hb se describe mejor como el nivel de PO2 al cual la Hb se

satura en un 50% y se conoce como P50. En un adulto normal la P50 = 26.7 mmHg. A

niveles de PaO2 normal (70 a 100 mmHg) la curva se horizontaliza de tal manera que

cambios pequeños en la PaO2 no alteran grandemente el porcentaje de saturación de la

hemoglobina (% Sat.Hb). En los valores de presión venosa de O2 (PvO2) (hacia la

izquierda) la curva es mas inclinada y cambios en la PO2 implica mayores cambios del %

Sat. Hb. Una P50 menor de 27 implica un desplazamiento de la curva a la izquierda y que

la Hb tiene una gran afinidad por el oxigeno, de tal forma que a un determinado valor de

PO2 hay mayor saturación de la Hb pero con dificultades para oxigenar las células pues el

O2 se “suelta” mas difícilmente y en estas condiciones se requiere un aumento en la

perfusión tisular para descargar la cantidad de oxigeno requerida. La curva puede ser

llevada a la izquierda por la alkalosis (efecto Bhor), hipotermia, Hb fetal, Hb anormales,

carboxiHb, metaHb y una disminución en la concentración del 2,3 difosfoglicerato

eritrocitario (el cual puede ocurrir por la transfusión de sangre almacenada que con el

tiempo van causando consumo del 2,3 DFG). Una P50 mayor de 27 describe una curva a la

derecha implicando que a una determinada PO2 existe una menor saturación de la Hb,

favoreciendo la descarga periférica de oxigeno. Las causas de una curva a la derecha son la

acidosis (efecto Bhor), hipertermia, Hb anormales, incremento en la cantidad de 2,3 DFG

eritrocitario y la inhalación de anestésicos. Anormalidades ácido-básicas conllevan una

alteración en el metabolismo del 2,3 DFG y desplazamientos de la curva. Estos cambios

compensatorios del 2,3 DFG requieren de 24 a 48 horas para estabilizarse; un cambio

agudo del estado ácido-básico desplaza la curva, pero uno lento o crónico llevara la curva

nuevamente hacia la normalidad.

La inhalación de agentes anestésicos ha mostrado desplazamientos de la curva de

disociación oxi-Hb a la derecha facilitando la oxigenación en la microcirculación. De otro

lado altas dosis de fentanyl, morfina y meperidina no alteran la posición de la curva lo cual

es favorable por ser frecuente la utilización de estas infusiones en el paciente crítico.

La capacidad del sistema cardiovascular para producir circulación del flujo sanguíneo está

determinada por los factores que determinan el gasto cardiaco (GC= Volumen sistólico x

frecuencia cardiaca) y de manera didáctica los resumimos en cuatro: Frecuencia cardiaca,

Precarga, Postcarga y Contractilidad. La precarga es la tensión de la pared ventricular al

final de la diástole y es una medida directamente proporcional a la volemia del paciente. La

postcarga es la resistencia a la salida de flujo del ventrículo izquierdo traducida en tensión

de la pared ventricular durante la sístole y es proporcional a la resistencia vascular

sistémica que determina en gran parte la tensión arterial diastólica y a la rigidez que

mantenga la pared de la aorta durante el flujo sanguíneo en sístole. La contractilidad

determina la fuerza contráctil del miocardio, llamada inotropía y depende de la integridad

del miocardio y el balance aporte-consumo de O2. La frecuencia cardiaca (FC) es

comandada normalmente por el nódulo sinusal y determina de forma importante la

producción de flujo por minuto; como factor independiente la FC es el principal

determinante del consumo miocárdico de oxígeno (VMO2) . El gasto cardiaco normal es de

70 ml por kilo de peso por minuto, es decir aproximadamente 5 litros por minuto en un

paciente de 70 kilos y en reposo. Un gasto cardiaco adecuado permite que la Hb transporte

el oxígeno hasta el lecho capilar.

4. INTEGRACION EN APORTE TISULAR DE OXIGENO.

Diseños experimentales permiten llevar los aspectos fisiológicos descritos a fórmulas

matemáticas cuantificando el aporte tisular de oxígeno (DO2):

DO2 = Oxigeno contenido en lecho arterial x Flujo sanguíneo.

= CaO2 x Q.

El oxígeno contenido en la sangre se encuentra en dos formas: Unido a la hemoglobina la

principal parte y disuelto una mínima parte. El Gasto cardiaco (Q) es determinado por el

volumen sistólico (Vs) multiplicado por la frecuencia cardiaca (FC) en un minuto. Entonces

tenemos:

DO2 = (O2 disuelto) + (O2 unido a Hb) x (Vs x FC).

= (PaO2 x 0.03) + (Hb x 1.34 x SaO2) x Q x 10

Las unidades de presión se dan en mmHg. La Hb se expresa en gr/100 ml. El gasto cardiaco

debe ser llevado a ml por minuto por tal razón se multiplica por 10.

Con una Hb de 14 gr/dl, una SaO2: 98% y un Gasto cardiaco de 5 litros por minuto se

obtiene un aporte de oxígeno de 920 ml O2 / min.

En la práctica clínica el gasto cardiaco no se determina por la fórmula de volumen sistólico

por frecuencia cardiaca, si no que se infiere por cálculos realizados a través de diferentes

procedimientos como la termo dilución (con catéter ubicado en la arteria pulmonar),

ecocardiografia, impedanciometría o ultrasonido de flujo aórtico ubicado en esófago medio,

entre otros métodos. El detalle de estas técnicas no está al alcance de esta revisión pero

puede ser consultado en los textos de cardiología y cuidados intensivos.

De los casi 1000 ml O2/minuto que van a los tejidos, 200 no pueden ser extraídos por que

esta cifra representa el mínimo valor al cual tejidos como el cerebro pueden sobrevivir ya

que equivalen a una PO2 de 20 mmHg donde valores menores no producirían gradiente de

difusión, de tal manera que lo disponible realmente para el tejido es de 800 mlO2/min. Esta

cantidad es de 3 a 4 veces mayor que el consumo corporal normal de O2 (VO2 = 275 ml

O2/min). Cuando la saturación arterial de O2 es menor de 50% y el gasto cardiaco

permanece igual, el aporte a los tejidos es de 400 ml O2 / min, de los cuales solo 200 están

disponibles lo que implica que el aporte iguala las demandas. Las demandas pueden ser

suplidas de manera inmediata por un aumento del gasto cardiaco o a largo término por un

aumento en la concentración de Hb. El organismo también hace una derivación de la

microcirculación favoreciendo flujo a zonas vitales como cerebro y corazón a expensas de

sacrificar otras áreas como el lecho esplácnico o la perfusión de piel y faneras. De ahí la

importancia de una evaluación clínica tan sencilla pero significativa como el llenado capilar

distal.

5. FOSFORILACION OXIDATIVA.

Una vez liberada la molécula de O2 a nivel tisular, difunde siguiendo el gradiente de

concentración hacia el citoplasma y de allí al interior mitocondrial para realizar la

fosforilación oxidativa, encargada por transferencia de electrones con el oxígeno como

sustrato, de producir energía en forma de ATP a partir del ADP. Para tal efecto se requiere

además de la glicólisis aeróbica. El ATP a nivel citoplasmático libera un fosfato de alta

energía y ADP, produciéndose 7300 calorías por mol de ATP. El ADP resultante ingresa

nuevamente a la cadena oxidativa y se repite el ciclo. La vida a cualquiera de sus niveles

puede interpretarse como el balance energético entre la oferta y la demanda.

Intracelularmente hay producción de trabajo para mantener la homeostasis; miofibrillas,

bombas iónicas, ATPasas y diferentes procesos enzimáticos se encargan de realizar esta

labor. La transformación del ATP (Adenosín trifosfato) en ADP libera Fosfatos de alta

energía e hidrogeniones. Para que el organismo pueda producir ATP y mantenga fuentes

energéticas requiere de sustratos, conocidos como nutrientes: Glucosa, grasas y proteínas.

Estos sustratos se adaptan a cadenas metabólicas aeróbicas (Requerimiento de un adecuado

aporte de O2) conformando un mecanismo eficaz que termina en una vía común: la

producción de Acetil coenzima A, esta entra al ciclo de Krebs para proveer los sustratos de

la fosforilación oxidativa: Pares de electrones (NADH – FADH2). La oxidación total de la

molécula de glucosa con el sistema completamente acoplado produce 38 moléculas de

ATP, calor, CO2 y agua.

Todos los procesos celulares que requieren consumo energético dependen de este proceso

mitocondrial. En términos sencillos el generador eléctrico a nivel celular y subcelular es la

mitocondria. Uno de los primeros procesos que colapsa ante la falta de energía son las

bombas iónicas ubicadas en la membrana celular y que con su actividad constante permiten

mantener el equilibrio dinámico iónico que explica el fenómeno de Gibbs Donan por el cual

en equilibrio, las concentraciones de iones son diferentes a cada lado de la membrana

celular. Al dejar de funcionar las bombas iónicas, principalmente la bomba Sodio-Potasio

ATPasa (Na-K-ATPasa), los iones sodio y potasio quedan a la deriva de los factores de

difusión moviéndose masivamente a favor de su gradiente de concentración, de tal manera

que el sodio ingresa masivamente a la célula y el potasio sale. La entrada de sodio arrastra

consigo agua para mantener el equilibrio de concentraciones, ocasionando un edema celular

ATP ADP + Pi + H+.

severo con muerte celular por ruptura de estructuras (lisis). De otro lado, el calcio también

se moviliza masivamente al interior celular y ocasiona lesión subcelular directa.

6. COMO INTERVENIR? Variables modificables.

Todos los estados de hipoperfusión tisular reciben genéricamente el nombre de Choque

(Shock). Independientemente de la causa o el tipo de choque, todos se caracterizan por un

bajo aporte de oxígeno (DO2) y/o serias dificultades para su utilización llevando a un

proceso continuo de lesión celular que lleva a la muerte, pasando por fenómenos de

hipoxia, acidosis, producción de metabolitos reactivos del oxígeno (antiguamente y mal

llamados radicales libres) y alteración de la estructura celular. Identificando el tipo de

choque hay que corregir la causa que lo desencadena. Además, según lo expuesto, y a

manera de conclusión podemos intervenir en aspectos claves modificables que a

continuación se describen:

A nivel respiratorio:

- Fracción Inspirada de Oxígeno: Oxigenoterapia.

- Ventilación: Soporte ventilatorio.

- Difusión alveolo-capilar: Disminuyendo el edema pulmonar.

- Relación Ventilación – Perfusión: Cambios de posición, mejorando presión arterial,

ajustando el PEEP en la ventilación mecánica.

A nivel Cardiovascular:

- Nivel de hemoglobina: Transfundiendo.

- Precarga: Administrando líquidos intravenosos o restringiéndolos según las

presiones de llenado.

- Postcarga: Adecuando la resistencia arterial periférica reflejada a groso modo en la

presión arterial: Vasopresores o inodilatadores.

- Frecuencia cardiáca: Ajustándola según el consumo miocárdico y el gasto cardiaco:

Atropina, isoproterenol, beta-bloqueadores.

- Contractilidad: Inotrópicos.

A nivel Celular:

- Disminuir el consumo de Oxígeno: Reposo absoluto, control de la fiebre, control de

la frecuencia cardiáca, control de la frecuencia respiratoria. Acciones específicas a

protección de órganos: Furosemida, Stilamín, Beta bloqueadores, coma inducido,

etc.

- Disminuyendo el cortocircuito periférico: Vasodilatadores, inhibidores de la ECA a

bajas dosis, calor local.

Un análisis más a fondo de cada uno de los procesos normales aquí esbozados debe ser

realizado ante cada complicación o situación clínica particular. El tratamiento adecuado de

las diferentes condiciones críticas exige del médico un entendimiento cabal de las funciones

celulares y moleculares en estado normal y alterado.

BIBLIOGRAFÍA: (Falta ajustar por cambios de la versión de

office que me alteró todo).