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Mecánica y Dinámica pulmonar Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de GasesTransporte de Gases
Mecánica y Dinámica pulmonar Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de GasesTransporte de Gases
Fabiola León-Velarde, DSc.Fabiola León-Velarde, DSc.
Departamento de Ciencias Biológicas y FisiológicasLaboratorio de Transporte de Oxígeno (LDTA-LID)
Instituto de Investigaciones de la Altura (IIA)Universidad Peruana Cayetano Heredia
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20
60
100
140
INSP ALV ART CAP VEN-M
NA
NNM
Gradiente de presión de O2 del ambiente hastalos tejidos.
4,500 m PO
2
(mm
Hg
)
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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
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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.
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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.
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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
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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
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Ventilación
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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.
CO H O H CO H HCO2 2 2 3 3 Carbonic Anhydrase
pHHCO
PCO
6 1
0 033
2
. log[ ]
( . )
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La acción inmediata de la hipoxia de altura :
La estimulación de los quimioreceptores carotídeos
con dos consecuencias ...
- hiperventilación
- activación del sistema adrenérgico
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Depresión Ventilatoria Hipóxica (DVH)
•Es la disminución de la respuesta ventilatoria a la hipoxia cuando ésta se prolonga de 5 – 30 min..
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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
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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)
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40 80 120 PETO2 , mm Hg
10
20
30
40
PETCO2 , mm Hg
NANNM
Cambios en el PCO2 en respuesta a la hipoxia.
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Volúmenes
Pulmonares
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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
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NNM NA
2
4
6
8
Volúmenes pulmonares, l BTPS
CV VR
EN HIPOXIA CRóNICA: Capacidad vital (CV) y volumen residual (VR)
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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 2-adrenérgico y
colinérgico
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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.
![Page 21: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/21.jpg)
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)
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Difusión del O2 entre los alveolos y la sangre
![Page 23: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/23.jpg)
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
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Limitado por PerfusiónTRANSFERENCIA DE GASES
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Difusión de O2 en Normoxia
![Page 26: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/26.jpg)
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)
PcO2 en función de la longitud del capilar pulmonar
![Page 27: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/27.jpg)
Variables relacionadas a la circulación pulmonar en nativos de nivel del mar y de altura (4,500 m)
PA, Torr 95 46.7Pv, Torr 40 34.8, ml/Torr 0.91 4.2D, ml/min/Torr 60 72Q, l/min 5 5D/Q 13.2 3.4
Monge C. y León-Velarde, 2003
Nivel del mar Altura
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TRANSFERENCIA DE GASES
Limitado por Difusión Limitado por Perfusión
Palv. Palv.
Pa Pa
En pulmón
refleja anormalidad 50
Inicio (long. Capilar) Fin Inicio (long. Capilar Fin
100 mm Hg100 mm Hg
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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.
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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
![Page 31: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/31.jpg)
Diferencia Alveolo - Arterial
normal
No disminuye en hipoxia aguda debido a: -Taquicardia-Aumento del GC-Vasoconstricción
-pulmonar-Limitación por difusión- Edema subclínico
![Page 32: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/32.jpg)
Transporte de O2 en la sangre
![Page 33: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/33.jpg)
10 50 100 PO2 , Torr
20
40
60
80
100
SaO2, %
4, 500 m
NM
Curva de afinidad de la Hb por el O2
![Page 34: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/34.jpg)
Respuesta ventilatoria a la hipoxia
RVH= VE/Sa.
![Page 35: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/35.jpg)
Variables diagnósticas en nativos normales de Altura (4,540 m) y sujetos con MMC
Hb, g/dl 20.8 20.8 – 28.4No. GR, mill/mm3 6.2 6.5 – 10.0Hcto, % 59.9 55.0 – 93.8SaO2, % 81.4 59.6 – 80.0PACO2, mm Hg 32.5 35.0 – 45.6HCO3
-, mM/l 20.9 23.4 – 28.4pH, arterial 7.43 7.39 – 7.46
Monge M. y Monge C, 1966
![Page 36: Mecánica y Dinámica pulmonar Transporte de Gases Fabiola León-Velarde, DSc. Departamento de Ciencias Biológicas y Fisiológicas Laboratorio de Transporte](https://reader036.vdocumento.com/reader036/viewer/2022062322/5665b4901a28abb57c923519/html5/thumbnails/36.jpg)
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
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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 barometricaPH2O = presion de vapor de aguaFIO2 = concentración fraccional de oxígeno inspirado
PaCO2 = presion arterial de anhidrido carbonico
RQ = 0. 8 = cuociente respiratorio
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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
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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 sangreLa concentración de hemoglobinaEl gasto cardiaco
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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.
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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.
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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.
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5 15 25 GC, l/min
40
80
120
160
CaO2 – Cv02 , ml/L
NANNM
Diferencia a-v en función del gasto cardiaco (GC) en ejercicio.
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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.
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Variables diagnósticas en nativos normales de Altura (4,540 m) y sujetos con MMC
Hb, g/dl 20.8 20.8 – 28.4No. GR, mill/mm3 6.2 6.5 – 10.0Hcto, % 59.9 55.0 – 93.8SaO2, % 81.4 59.6 – 80.0PACO2, mm Hg 32.5 35.0 – 45.6HCO3
-, mM/l 20.9 23.4 – 28.4pH, arterial 7.43 7.39 – 7.46
Monge M. y Monge C, 1966