Fisiología del sistema respiratorio: actividad, reflejos, mecanismos de defensa.

Fisiología del sistema respiratorio
El aparato respiratorio. (Cancer Research UK)


El sistema respiratorio tiene como función principal el intercambio gaseoso, sin embargo, también podemos nombrar una función de defensa, pues las vías aéreas son una barrera entre el medio interno y externo. Los procesos básicos que dan cuenta de esta actividad son:
  1. Ventilación: Es un proceso eminentemente mecánico. Es esencial, los demás procesos dependen de éste. Es el movimiento de aire hacia los pulmones. Se cuantifica por la fórmula Ventilación = Frecuencia x Volumen, entonces da cuenta del volumen ventilado por minuto, por lo que es análogo al gasto cardiaco.
  2. Difusión: Se acota al intercambio de gases, el intercambio de CO2 y O2 por difusión simple. Sigue la ley de Fick J = D*dP/dX dependerá de la diferencia de presión que se divide por la resistencia (dada por el diámetro de vías aéreas). La distancia de la pared (endotelio capilar, epitelio alveolar) en donde ocurre el intercambio es muy discreta, y esto favorece el intercambio. En patologías respiratorias ocurre un engrosamiento de estas paredes por inflamación, moco, etc, lo que provoca un intercambio disminuido.
  3. Perfusión: El proceso de bombeo de un fluido, como la sangre, sobre un tejido u órgano. Depende del gasto cardiaco y de la presión pulsátil. Existe una razón de Ventilación (V) / Perfusión Pulmonar (Q), en cuyo nivel más óptimo es 1.
  4. Regulación: Control neuroendocrino, principalmente autonómico, que regulan la actividad ventilatoria para generar ajustes homeostáticos por cambios del metabolismo.
Las patologías respiratorias se pueden clasificar viendo cuál/es de los procesos nombrados se ven afectados.
Anatómicamente el sistema respiratorio se suele dividir en:
  1. Sistema respiratorio superior: Comprende boca, cavidad nasal, faringe y laringe.
  2. Sistema respiratorio inferior: Comprende traquea, bronquios, y pulmones. Aquí toma relevancia el mecanismo de defensa pues a este nivel ocurre el intercambio gaseoso.
Por sus características de temperatura (37°), alta irrigación, etc, éste sistema es muy susceptible ante patógenos.
Para sustentar la gran demanda de oxígeno se hace menester una gran superficie de intercambio que es aportada principalmente por los alveolos. Si bien un pulmón tiene una capacidad de 4 litros, tiene 85 m2 de superficie.
La gran ramificación de las vías aéreas permite entender que el área transversal total aumente muchísimo, lo que desploma la resistencia favoreciendo el flujo.
La diferencia de presión entre el ambiente y la presión intrapulmonar necesaria para el ingreso de aire es causada por aumento de volumen torácico. Recordemos que la presión es la fuerza impulsora que permite entender la dirección del flujo. En mismas condiciones si aumenta el volumen, disminuye la presión, favoreciendo el ingreso de oxígeno.
La hiperventilación refleja es autonómica y se desencadena como respuesta a aumento de CO2, por lo que alguien no se puede suicidar aguantando la respiración.
Los bronquiolos están altamente inervados por sistema autonómico, tienen una gran cantidad de musculatura lisa en función a totalidad de bronquiolos, lo que permite entender que existan cambios importantes en el área que va a impactar en el flujo.
La distensibilidad se da en los alveolos, gracias a elastina que se encuentra en el tejido conectivo adyacente. No existe un gran estrés mecánica del aire sobre los bronquios o bronquiolos.
Los alveolos son la unidad funcional del sistema, y tienen, como mencionamos, la mayor parte de la superficie de ésta. Aquí encontraremos a tres tipos de células que se encuentran en números semejantes:
1. Células tipo 1: Células aplanadas, tienen una gran superficie en un volumen discreto, recubren el 90% del alveolo. Su función es el intercambio gaseoso.
2. Células tipo 2: Secretan surfactante alveolar, que son una serie de compuestos anfipáticos lipoproteicos que rompen la tensión superficial sangre-aire favoreciendo el intercambio.
3. Macrófagos: Macrófagos estacionarios, están siempre ahí, no es que inmigren.
Los alveolos están muy irrigados con gran ramificación de capilares.
El citoplasma de la célula tipo 1, el intersticio, y el endotelio del capilar conforman el espacio aéreo alveolar de aproximadamente 1,5 micrómetros, que es el que mencionamos podría ensancharse en patologías por acumulación de moco u otras razones.
Las vías aéreas, particularmente pulmones y alveolos, son sitios ideales para muchos patógenos. Por ello es que tenemos mecanismos de defensa:
1. Sistema de transporte mucociliar: En los bronquios primarios encontramos un epitelio que se constituye de varios tipos celulares; entre ellos células ciliadas, que movilizan la capa de moco simétricamente; células Goblet, que secretan la mucina y agua generando la capa de moco que protege el epitelio; y células enterocromafines, que secretan serotonina que promueve el batido ciliar y la producción de moco por las células Goblet.
2. Reflejo tusígeno: Se observa que insertos en estos tipos celulares hay aferencias eminentemente vagales (a nivel de bifurcación y bronquios primarios, también hay algunas aferencias glosofaríngeas) con mecano y quimo receptores, entonces en respuestas a cambios mecánicos y químicos señaliza por tracto solitario y genera a nivel de tronco encéfalo el reflejo de toser, que es una contracción intensa del torax.
3. Macrófagos: Generan una respuesta fagocitaria y/o liberación de citoquinas (procesos anti inflamatorios).
La inervación pulmonar está dada por motoneuronas parasimpáticas vagales excitatorios colinérgicas, con cuerpo en el ganglio yugular como nodoso, y con cotransimisón de sustancia P, mientras que las motoneruonas parasimpáticas inhibitorias contienen dinorfina y VIP. La inervación simpática adrenérgica básicamente promueve vasodilatación, no incluye musculatura lisa pulmonar.
Hay dos grandes parámetros en el control de la respiración, químicos (O2, CO2) y mecánicos. El monitoreo de la sangre arterial a través de quimiorreceptores arteriales, principalmente cuerpo carotideo, aunque también existen en la región del bulbo raquideo ventrolateral (Complejo pre-Bötzinger) y dorsorostrales del puente. El monitoreo mecánico da cuenta de la distención de las paredes pulmonares y toda la región torácica que señaliza a través de tracto solitario y bulbo raquídeo, permitiendo respuesta refleja.
En el reflejo ventilatorio la respuesta es una hiperventilación ante un bajo intercambio, entonces en una hipoxemia gatilla un reflejo ventilatorio que es la ventilación refleja. En general los receptores periféricos son estimulados principalmente por cambios en la presión parcial de oxígeno, mientras que los centrales que responden más fuertemente a los cambios en la tensión de CO2. El estímulo de CO2 prevalece por sobre el de oxígeno.
La mecánica ventilatoria descansa en la ley de Boyle (P1V1 = K), que propone una relación indirectamente proporcional entre presión y volumen. De esta ecuación se deriva P1V1 = P2V2, así si la presión baja en el medio interno aumenta el volumen manteniendo la constante, ergo la igualdad propuesta en la ley.
El músculo diafragma es el principal musculo que genera un aumento del volumen pulmonar, y con ello un desplome de la presión. La presión depende del volumen, lo que genera que la presión atmosférica sea mayor favoreciendo el flujo.


Los pulmones son órganos colapsables contenidos en una caja que tiende a aumentar de volumen. Los pulmones están recubiertos por las pleuras, tanto la membrana visceral y parietal están conectadas, y la fuerza retráctil del pulmón y expansiva torácica genera una presión negativa en el espacio pleural con respecto a la presión atmosférica. Cuando hay neumotórax, rotura de la pleura, observamos colapso de regiones pulmonares e infecciones.
El proceso de flujo aéreo o intercambio gaseoso se relaciona con la presión intrapleural, pues se condice muy bien con la expansión de los alveolos. Cuando disminuye la presión negativa es porque estamos en el peak del flujo máximo.
En la espirometría se le pide al paciente respirar normalmente a través del espirómetro determinando el volumen corriente (VT), que es el volumen de aire desplazado en un ciclo respiratorio. Luego se pide una inhalación máxima y una exhalación máxima, así se determina la capacidad vital (VC), que es el volumen en una inspiración máxima menos el volumen residual. El volumen residual es el aire que queda luego de una exhalación máxima. La capacidad pulmonar total es el volumen de aire presente en los pulmones luego de una inspiración máxima. Finalmente el volumen residual funcional, es un volumen de aire luego de la exhalación en reposo, se calcula asumiendo un volumen total.
La razón entre el volumen residual y la capacidad pulmonar total (RV/TLC) se utiliza para distinguir entre patologías pulmonares, en personas sanas la razón es aproximadamente de 0.25.
El compliance pulmonar es cuanto cambia el volumen del pulmón en función de la presión transpulmonar. La presión transpulmonar corresponde a la resta entre la presión intrapleural y la alveolar. Naturalmente entre más volumen tiene el pulmón, más presión se necesita para que su volumen aumente en iguales dimensiones. La mayor parte del trabajo ventilatorio es vencer la resistencia al estiramiento ejercido por los componentes elásticos de pulmones y caja torácica, además de vencer la resistencia propia de las vías aéreas. Se puede cuantificar con la fórmula CP = ∆V / ∆P, entonces observamos que a mayor cambio en la distención, mayor compliance. En enfisema, destrucción de septum alveolar y/o lecho capilar, se destruye tejido elástico que da la resistencia mecánica, en reposo estaría más distendido. En contraposición en fibrosis pulmonar aumenta el colágeno, disminuyendo la distensibilidad.

La tensión superficial es una fuerza cohesiva entre moléculas de agua, ofrece una gran resistencia para que moléculas disueltas en aire llegue al medio acuoso. Ergo, ofrece una resistencia que se opone a la difusión, por lo que en fisiología esta interfase es la mayor barrera, en patología es la presencia de moco. El moco, el surfactante, reduce la tensión superficial, y el aumento de éste a niveles patológicos puede ocasionar aumento del espacio aéreo alveolar.
A igual tensión superficial, cuanto menor superficie tenga el alveolo, mayor presión se ejerce sobre él. Entonces si hay una diferencia de presión suficiente podríamos observar cómo el aire fluiría de los alveolos pequeños a los más grandes.
Los surfactantes pulmonares son moléculas anfipáticas secretadas por las células tipo dos, a través de la clásica secreción regulada por calcio. Intervienen entre las moléculas de agua evitando que éstas interactúen entre sí, disminuyendo la fuerza de cohesión, hace al moco más viscoso, así se disminuye también el trabajo requerido por los alveolos. Además tienden a aumentar el diámetro alveolar, contrarrestando la presión colapsante, evitando atelectasis (colapso). En niños neonatos puede ocurrir que por falta de surfactante no se expandan los pulmones óptimamente
Los principales surfactantes son: el dipalmitoilfosfatidilcolina, que corresponde al 75% y disminuye la tensión superficial; fosfatidilglicerol, correspondiente a 1-10%, dispersador surfactante principalmente por efectos electrostáticos; y apoproteínas, son aprox. el 5% y regula el ciclo de vida surfactante, secreción y absorción.       
En general en los alveolos pequeños hay mayor concentración de surfactantes, esto tiene que ver con que hay mayor proporción de células tipo 2, por lo que reduce el flujo jerarquico lateral. Los alveolos están en racimos, cuando uno colapsa lo demás se estiran “cubriendo” el espacio que dejó.
Los poros de Kohn conectan los alveolos y los canales de Lambert tienden a homogeneizar pequeños cambios de presión.
Algunos términos de importancia en patología pulmonar son:
1.Enfisema: La destrucción del alveolo significa menos área de intercambio.
2.Fibrosis: La membrana alveolar se ensancha enlenteciendo el intercambio gaseoso.
3.Edema pulmonar: Aumento del fluido intersticial aumenta la distancia del espacio de difusión.
4.Asma: El incremento de la resistencia en las vías respiratorias disminuye la ventilación
“La presión total ejercida por una mezcla de gases es la suma  de las presiones ejercidas por los gases individuales “– Dalton
La presión atmosférica es la suma de muchas presiones individuales de distintos gases, a nivel del mar es de 760 mmHg. Una diferencia con la presión en nuestras vías aéreas, es que en ellas encontramos gran cantidad de vapor de agua (47 mmHg).
La presión parcial de oxígeno corresponde al 21% del total, por lo que es 160 mmHg, mientras que en el pulmón es
(760-47) x 0.21 = 150 mmHg.
La ventilación alveolar la definimos como VA = f x (VT – VD); VD = ventilación muerta.
El aire es una mezcla de gases compuesto en un 78,1% de nitrógeno, un 20,9% de oxígeno. En altura la presión de oxígeno cae, por lo que se desencadena la respuesta ventilatoria refleja y eventual aumento de hematocrito.
Al inspirar el aire que ingresa se satura de vapor de agua, lo que diluye la presión parcial de los gases del aire. Entonces para medir la presión parcial se debe restar la atmosférica con la de vapor de agua, al resultado se le multiplica por el porcentaje del gas, en el caso de la presión de oxígeno: PTRAQUEAO2 = (Pb – PH20) x FO2 = PTRAQUEAO2 = (760 – 47 mmHg) x 0.21 PTRAQUEAO2 = 150 mmHg.

El aumento de la tasa metabólica genera mayor producción de CO2, y con ello puede producir acidosis respiratoria, que es un pH menor a 7,35 (el bicarbonato ayuda a amortiguar el pH). En contraposición, una disminución en la producción podría causar alcalosis respiratoria.
Si baja mucho la concentración de CO2 en sangre (hipocapnia), podría consumirse el oxígeno y no generarse la respuesta ventilatoria refleja. Si se genera una mayor resistencia al flujo aéreo, estará hipoperfundido, habrá menos compresión alveolar de oxígeno, por tanto una desigual distribución del oxígeno arterial. Entonces generará hipoxemia en territorios locales, esto es lo complejo en patologías restrictivas. En condiciones normales el O2 arterial y alveolar no divergen.
El 1% del oxígeno se transporta disuelto en la sangre, pero el grueso se transporta acomplejado con la hemoglobina, que es una proteína principalmente encontrada en eritrocitos. Tiene una alta afinidad que, dependiendo de la presión parcial de oxígeno, favorece que se transporte a regiones distantes. La hemoglobina tiene cuatro grupos heme, lugares donde nitrógeno se acompleja con el hierro, que es el sitio donde a su vez se acompleja el oxígeno formando la oxihemoglobina. La unión de la primera molécula de oxígeno favorece que se una la segunda, la segunda a que se una la tercera, y así sucesivamente. Esta unión además provoca un cambio en la absorción de luz, produciendo un color más rojizo intenso en la sangre arterial. Otras moléculas como el monóxido de carbono y cianuro se pueden unir al hierro reduciendo la afinidad con el oxígeno, terminan compitiendo, además ocurre la misma mecánica del oxígeno, la primera molécula de carbono o cianuro favorece que se unan las otras. La principal forma de transporte de dióxido de carbono es por bicarbonato, aunque también se transporta como carboxihemoglobina.


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