SUMMARY
Gravity is known to cause ventilation- perfusion inequality. Nongravitational factors are also recognized, but their relative contribution is not understood. We make a discution of the theme and a literature's review.
PALABRAS CLAVES:
RELACION VENTILACION-PERFUSION-DESIGUALDAD
DE LA RELACION VENTILACION-PERFUSION.
KEY WORDS.
VENTILATION.-PERFUTION RELATION.
VENTILATION-PERFUTION INEQUALITY.
INTRODUCCIÓN
Los trabajos pioneros de Fenn, Rahan y Otis por un lado, y los de Riley y Coumand por otro, mejoraron nuestro conocimiento de las anormalidades del intercambio gaseoso en la enfermedad pulmonar. El análisis de Riley dividía el pulmón enfermo en tres compartimientos: uno " ideal " en el cual el intercambio de gases era óptimo; otro con alveolos subperfundidos pero ventilados (espacio muerto) y el tercero con alveolos subventilados pero perfundidios (cortocircuito intrapulmonar derecha-izquierda). Sin embargo la distribución de la relación ventilaciónperfusión es mucho más heterogénea y compleja que la que plantea este modelo, el cuál está muy lejos de la realidad (35). Kelman (16, 17) y Olszowka y Farhi (19) introdujeron procedimientos numéricos para describir las curvas de disociación del Oxígeno y el Dióxido de Carbono y sus interrelaciones, y éstas fueron usadas para describir la conducta del intercambio gaseoso como resultado de la desigualdad de la relación ventilación-perfusión y fueron integrados en modelos computarizados del pulmón (26). La simplicidad intrínsica de los gases no respiratorios (inertes) que obedecen a la ley de Henry (concentración linealmente relacionada a la presión parcial, a diferencia de las interrelaciones para O2 y CO2) hizo posible que algunos investigadores tempranamente examinaran su uso potencial como medio de estudiar la distribución de la relación ventilación-perfusión. Farhi y Yokoyama (6) fueron los primeros en utilizar una mezcla de gases inertes para investigar la distribución de la relación ventilación-perfusión en el pulmón. Lo más importante de su trabajo fue definir el concepto de que la solubilidad de los gases inertes era crítica, como ya se había anunciado en el monumental trabajo de Seymour Kety, en 1951 en Pharmacology Reviews (15). La técnica de MIGET (técnica de eliminación múltiple de gases inertes en Inglés) fue desarrollada en San Diego, California, U.S.A. tan temprano como en 1970 (25), y consiste en infundir en una vena una mezcla de gases inertes con un variado rango de solubilidad (que van desde el hexafluoruro de azufre hasta la acetona) y medir la concentración del gas en la sangre arterial y el aire espirado. Ello permitió investigar más y mejor la relación ventilación-perfusión. Toda esta información fue brillantemente utilizada por el Dr. J.B. West quien puso en manos de la práctica médica la relación ventilación-perfusión como uno de los mecanismos más frecuentes de los trastornos gasométricos y de insuficiencia respiratoria en la práctica clínica (27, 33). Sus explicaciones claras, nítidas y concisas permitieron entender como las alteraciones de la relación ventilación-perfusión explicaban la hipoxemia y la hipercapnia en la mayoría de las Patologías Respiratorias de los pacientes que acudían a los hospitales. Desde sus primeras publicaciones en 1975, hasta la 5ta edición en 1995 (27, 33) los libros del Dr. West han sido traducidos al menos en doce idiomas (33). Ello, y sus trabajos posteriores acerca del intercambio gaseoso hacen casi mandatorio que se le cite frecuentemente en esta revisión y conformen un alto porcentaje de la bibliografía.
METODOLOGÍA
Siendo un trabajo de revisión de un tema, la metodología es obviamente de carácter bibliográfico y retrospectivo. Evidentemente se utilizaron los libros de texto que los autores tienen a su mano y los trabajos que en nuestro país existen sobre el tema. Sin embargo como muchas de las investigaciones están publicadas en revistas que no vienen a Costa Rica (por ejemplo: Am. J. Physiol.; Respir. Physiol. ; J. Appl. Physiol.) fue necesario revisar artículos citados en Medline y traerlos a través de Internet. Si algún trabajo fuese considerado a consultar por los lectores, favor comunicarse con los autores.
DISCUSIÓN
A) LOS CONCEPTOS CLASICOS.
Los primeros conceptos ya expuestos como hechos reales surgieron de tres disertaciones que dio West en el Westminster Hospital Medical School, en el otoño de 1964. Ello dio origen a una monografía que se convirtió en un libro clásico (28). En este trabajo y en el de Fisiología Respiratoria (27, 33) West dejó muy claro que existían cinco (26) mecanismos de hipoxemia: la hipoventilación, los trastornos de la difusión, el cortocircuito intrapulmonar derecha-izquierda, una presión inspirada de oxígeno disminuida y la desigualdad de la relación ventilación-perfusión, la cual fue considerada como el mecanismo fisiopatológico más frecuente de anormalidad del intercambio gaseoso en enfermedades broncopulmonares (33). Concretamente en este tópico West fue muy claro de que la principal diferencia que existía en ambos parámetros entre los ápices y las bases pulmonares de animales y humanos en bipedestación era la gravedad (33).
1- La distribución
del flujo sanguíneo.
El tema de la distribución
del flujo sanguíneo es antiguo y moderno a la vez. Antiguo porque
ya en 1882, Johannes Orth consideraba que el peso de la columna de sangre
en los pulmones erectos podía ocasionar anemia biapical, y moderno
porque solo con la introducción de los gases radioactivos fue posible
realizar mediciones del flujo sanguíneo regional. Ya sea con CO2
marcado con Oxígeno radioactiva (ciclotrón con una vida media
de 2 minutos) inhalado o con Xenón 133 producido por un reactor
(vida media. 5 días) inyectados en la vena cava superior los resultados
son los mismos: una disminución constante del flujo sanguíneo
POR UNIDAD DE VOLUMEN en relación con el número de costillas,
y por lo tanto con la distancia desde la parte inferior a la parte superior
del pulmón, y en los vértices (ápices) teóricamente
nulo. Más aún, al acostar a los sujetos en decúbito
supino la distribución se hace uniforme del vértice a la
base y el flujo de las regiones posteriores (gravedad-dependiente) exceden
el de las regiones anteriores, y si los pacientes son suspendidos de arriba
a abajo (boca abajo) el flujo apical excede en mucho el flujo basal en
esta posición ( 28 ). Debido a que la circulación
pulmonar es un sistema de baja presión está afectado significativamente
por la gravedad. La gravedad afecta la presión hidrostática
dentro de los vasos. La presión transmural ( presión de distensión
) es relativamente alta en los vasos de la base del pulmón y por
lo tanto son vasos distendibles (baja resistencia). Al contrario, la presión
hidrostática dentro de los vasos de los ápices pulmonares
es baja y por lo tanto lo es la presión de distensión, luego
son vasos más estrechos (alta resistencia). El otro hecho significativo
es que están rodeados de espacios alveolares aéreos y por
lo tanto influenciados por la presión alveolar especialmente cuando
la presión capilar es baja (28).
El pulmón ha sido dividido en cuatro zonas de acuerdo a la magnitud de las tres presiones que determinan el flujo: la presión arterial pulmonar, la presión venosa pulmonar, y la presión alveolar. En el ápice del pulmón está la zona 1, en la cual la presión alveolar (PA ) es mayor que la presión en la arteria pulmonar ( Pa ) y teóricamente no habría flujo. Luego tendríamos la zona 2, en la cual la presión en la arteria pulmonar es mayor que la alveolar. Esta a su vez es mayor que la presión venosa pulmonar (PV). En esta situación la presión que maneja el flujo es la diferencia de presión entre la presión arterial pulmonar y la presión alveolar (Pa- PA). El flujo es independiente de la presión venosa pulmonar. Como la presión alveolar (PA) es constante a través del pulmón y el flujo sanguíneo aumenta hacia las bases pulmonares a medida que descendemos hacia éstas, aumenta la presión arterial pulmonar (Pa) y por lo tanto la presión hidrostática y la presión transmural. En la siguiente zona, la 3, la presión en la arteria pulmonar es mayor que la presión venosa pulmonar y ésta mayor que la alveolar. La presión que maneja el flujo es constante (PA-PV) porque ambas se incrementan hacia las bases del pulmón. La discutible zona 4 en el extremo de las bases es incierta y se supone causa un flujo sanguíneo reducido. Esta limitación del flujo es producida (se asume) por pérdida de líquido desde los vasos y presión intersticial aumentada alrededor de los pequeños vasos. Se ha sugerido que la hipoxia secundaria al cierre de las vías aéreas (supuestamente dependientes de la gravedad) puede contribuir al reducido flujo en dicha región.
2- Distribución
de la ventilación.
La ventilación POR
UNIDAD DE VOLUMEN disminuye hacia la parte superior del pulmón,
al igual que el flujo sanguíneo, pero la velocidad de variación
de la ventilación es mucho menor (aproximadamente un tercio de la
del flujo sanguíneo) (28). Obviamente la gravedad
influye, pero también la diferente densidad del aire y de la sangre.
Los cambios de posición también alteran la distribución
de la ventilación, al igual que la del flujo sanguíneo. En
posición supina no hay diferencias entre ápices y bases pulmonares
y en el pulmón invertido el vértice ventila mejor que la
base. Esta distribución desigual se supone producida por la gravedad.
La presión intrapleural es menos negativa en la base que en el vértice
del pulmón porque el peso del mismo se sustenta parcialmente en
la pared torácica y el diafragma. La presión gravitacional
aumenta hacia abajo en 0.25 cm de H2O la presión pleural por cm
de altura pulmonar. Por lo tanto un pulmón normal con una altura
de 30 cm tendrá aumentada su presión pleural en 7.5 cm de
H2O en la base con respecto al ápice. A capacidad funcional residual
(posición espiratoria de reposo o volumen de gas intratorácico
ITGV en Inglés) si la presión en los ápices es de
- 10 cm de H2O, en la base será de -2.5 cm de H2O. Este gradiente
ha sido claramente demostrado con la inhalación de Xenón
radioactivo (2).
3- Desigualdad de la relación
Ventilación-Perfusión.
A estas alturas de la discusión
es obvio que tanto la ventilación como la perfusión disminuyen
hacia la parte superior del pulmón en posición vertical "
SOLO QUE POR UNIDAD DE VOLUMEN ". EL CAMBIO DE LA VENTILACION ES MUCHO
MENOR QUE EL DEL FLUJO LO QUE CONLLEVA A QUE LOS ALVEOLOS DE LA BASE PULMONAR
ESTEN MEJOR PERFUNDIDOS QUE VENTILADOS Y LOS DEL APICE PULMONAR MEJOR VENTILADOS
QUE PERFUNDIDOS (28). La figura 1 muestra que el índice
es anormalmente bajo en la base del pulmón (alrededor de 0.6) y
luego va aumentando a medida que ascendemos en el pulmón, lentamente
al principio, y luego con rapidez, hasta alcanzar valores elevados (mayor
de 3 en el vértice). ES ESTA RELACION LA QUE DETERMINA EL INTERCAMBIO
DE GASES EN CUALQUIER UNIDAD 0 REGION DEL PULMON. Los estudios de gente
sana con la técnica de MIGET demuestra que el rango de la relación
ventilación-perfusión puede ir desde 0.1 hasta 10 pero la
mayor parte del flujo sanguíneo y de la ventilación van hacia
unidades con relación ventilación-perfusión cercanos
a 1 (2) (Fig.2). Realmente el valor
promedio para la totalidad del pulmón es 0.85 (28).
Ello asumiendo una ventilación alveolar de 4 litros/ minuto y un
flujo sanguíneo de 5 litros por minuto (2). En
este momento es importante dejar claro a manera de resumen dos conceptos:
primero, la desigualdad de la relación ventilación-perfusión
obedece al efecto que la gravedad tiene sobre el aire (ventilación)
y la sangre (perfusión), las cuales se comportan diferente ante
la ley descrita por Newton debido a sus diferentes densidades. Segundo,
la desigualdad de esta relación es el mecanismo fisiopatológico
que más frecuentemente está involucrado en la insuficiencia
respiratoria de los pacientes que acude a los servicios médicos
de clínicas y hospitales.
B) LA TRANSICION.
Desde sus primeros libros
(27) ya el Dr. West escribía un capítulo
dedicado a la función respiratoria en ambientes fuera de lo común.
Desde entonces el tema de la Enfermedad por descompresión, la narcosis
por gases inertes (básicamente el N2 en los buzos a grandes profundidades),
la toxicidad del O2 y la terapia hiperbárica con oxígeno
ocupaban un lugar en sus libros de Fisiología Respiratoria. Sin
embargo el trabajo monumental estaba por llegar. La posibilidad de realizar
las primeras mediciones fisiológicas en la cima del Monte Everst
fueron realizadas en 1981 por la American Medical Research Expedition to
Everst (AMREE). Los resultados de la expedición Silver Hut y sus
subsecuentes análisis teóricos mostró que los factores
críticos para que los humanos llegaran a la cima (30)
sin oxígeno suplementario eran la presión barométrica,
la exagerada hiperventilación y la captación máxima
de oxígeno. Las tres mediciones fueron exitosamente obtenidas durante
la AMREE (31). La primera medida de presión barométrica
en la cima dio un valor de 253 mmHg, la cual como había sido precedido
por Pugh y otros, fueron más elevados que el dado por los " standar
" atmosféricos. El hecho de que la presión exceda en 17 mmHg
los " modelos" explican como el ascenso sin oxígeno suplementario
fue posible. El grado de hiperventilación también fue mayor
del esperado, Christopher Pizzo, M. D. coleccionó su gas alveolar
en la cima y tuvo una pa CO2 entre 7-8 mmHg, y un valor promedio de 27
mediciones en 4 sujetos a una altitud de8.050 m, de 11mmHg. Estos valores
extremos enfatizan el extraordinario grado de hiperventilación necesario
para llegar a dicha altitud. El consumo de oxígeno fue medido, no
en la cima, pero sí a 6.300 m, en sujetos extremadamente bien aclimatados,
respirando la misma PO2 inspirada que en la cima. Los resultados fueron
alrededor de 1 litro/minuto, un valor miserablemente bajo, pero justo el
suficiente para explicar el ascenso sin oxígeno de Messner y Habeler.
Cuatro años despúes un ascenso simulado al Monte Everst en
una cámara de baja presión, llamada Operation Everst II,
agregó bastante información, especialmente en la circulación
pulmonar, en el intercambio pulmonar de gases y los cambios en el músculo
esquelético por biopsia (14). Las miserias y grandezas
de una expedición en el Everst están recogidas en un trabajo
bellísimo y clásico de West (32) donde
se relata desde lo importante que es leer La Montaña Mágica
de Thomas Mann (un libro que debería ser obligado para cualquier
médico involucrado en el tórax), la salida de Kathmandu (capital
de Nepal), los campamentos y laboratorios que se fueron estableciendo,
hasta la foto del Dr. Christopher Pizzo, tomando muestras de su propio
gas alveolar en la cima del Monte Everst, el 24 de octubre de 1981. Este
trabajo definió que la presión inspirada de Oxígeno
en el Everst (8 848 m ó 29 028 pies) es de solo 43 mmHg y la Pa
O2 de 35 mmHg. Dicho trabajo permitió establecer algunos de los
más importantes cambios del proceso de aclimatización a altitudes
extremas. A pesar de que la hipoxia se asocia con la altitud, alrededor
de 15 millones de personas viven arriba de los 3.050 m (10.000 pies), y
residentes permanentes viven arriba de los 4.900 m (16.000 pies) en los
Andes (33). Es por ello vital entender los procesos de
aclimatización, máxime que la población mundial crece,
la especie humana ha alterado impresionantemente el planeta y al calentarse
en la próxima centuria, es posible que las especies que lo habitan
busquen residencia en las alturas (1).
C) LO ACTUAL.
Errar es de humanos y rectificar
es de sabios reza un antiguo refrán. West es sabio pues cambió
sus propias ideas acerca, de la relación ventilación-perfusión
con respecto a su dependencia exclusiva de la gravedad. Un investigador
que muere defendiendo a ultranza sus hipótesis sobre un fenómeno
y ciega los ojos ante las evidencias que el conocimiento y el avance en
la investigación le colocan de frente no es un buen investigador.
Los mejores son aquellos que buscan nuevas y mejores explicaciones ante
los fenómenos que analizan o estudian. El procedimiento analítico
fractal (de fracciones) es un modelo tomográfico que permite estudiar
el flujo sanguíneo pulmonar (7). Dicho modelo ha
demostrado que el flujo sanguíneo es desigual y heterogéneo
y no dependiente de la gravedad (propiedades fractales del pulmón).
También parece estar suficientemente demostrado que la conductancia
vascular (la capacidad de conducir, en este caso, la sangre) está
relacionada con la anatomía y no con la gravedad ni la desigualdad
en la expansión pulmonar, el edema o la vasoconstricción
hipóxica (3). Además existe un gradiente
del centro del pulmón a la periferia que no es dependiente de la
gravedad que no desaparece al aumentar el gasto cardíaco ni por
reguladores vasoactivos (8) y que si depende de las propiedades
anatómicas del árbol vascular pulmonar (12)
tales como la longitud, el diámetro y el patrón de ramificación
vascular (13). Luego, parece que la zona 4 (flujo muy
reducido) es independiente de la gravedad (11) y que
en la zona 3 la perfusión no depende ni de la gravedad ni del gradiente
centro-periferia (8). Desde los inicios de los estudios
en ambientes de ingravidez se demuestran cambios sustanciales en el volumen
pulmonar y en la configuración toracoabdominal, además de
un incremento en la contribución del abdomen al aire corriente,
sin cambio en el patrón respiratorio (20). En
el ambiente de microingravidez existe un marcado cambio en los fluidos
corporales con una pérdida de fluidos, redistribución de
los fluidos en sentido craneal, con aumento de la perfusión pulmonar
y del volumen sanguíneo pulmonar capilar, pero sin inducir edema
pulmonar intersticial (24). Los estudios realizados durante
los vuelos espaciales han demostrado que en estas condiciones la disminución
del peso corporal produce relajamiento de la pared torácica, con
cambios concomitantes que incrementan el volumen de la cavidad torácica
lo que disminuye la presión intrapleural. Esto produce un aumento
de sangre hacia los vasos del tórax, lo cual aumenta la presión
transmural del corazón y disminuye la presión venosa central.
El incremento en la presión transmural del corazón es responsable,
a través de un mecanismo tipo Starling, del incremento observado
en el corazón, del volumen telediastólico del ventrículo
izquierdo, volumen latido y del gasto cardíaco (11).
También los trabajos muy tempranos trataban de explicar que la desigualdad de la ventilación en sujetos normales dependen, entre otros factores, de fenómenos de convección y difusión en la periferia del pulmón y solo de la convección aérea en las ramificaciones más centrales (4). Incluso ya desde 1981 (21) el estudio de la desigualdad de la fase 111 del lavado de N2 en el pulmón de los mamíferos se achacaba por los investigadores a dos hechos: primero a la asimetría de las vías aéreas intra-acinares y segundo, a procesos físicos bien definidos tales como la convección y la difusión gaseosa, sin que fuese necesario invocar la gravedad para explicar la desigualdad de la ventilación (21). Sin embargo, de nuevo, el trabajo que asombraría a quienes seguimos de cerca la Fisiopatología Respiratoria, y la relación Ventilación-Perfusión vuelve a provenir de West. Esta vez la sección Special Communication de la revista JAMA le publicaba al Dr. West sus investigaciones de la función pulmonar en el espacio (34). Dichas investigaciones utilizaron los resultados obtenidos durante los últimos 4 años de los exitosos vuelos del Space-Labs Life Science 1 and 2 (SLS-1 y SLS-2) los cuales arrojaron los primeros datos comprensivos en la función pulmonar en microgravedad sostenida (10, 22, 23). Algunos estudios previos de función pulmonar en microgravedad fueron realizados por medio de vuelos parabólicos (5, 18), pero la interpretación de los resultados está limitado por el corto período de microgravedad (20-25 segundos) y el hecho de que dicho período es inmediatamente precedido y seguido por períodos de aumento de la gravedad. Estos estudios (SLS1 y SLS-2) fueron realizados en Laboratorio Espacial de la NASA (National Aeronautics and Space Administration. U.S.A.). Dichos laboratorios contaban con ambientes de microgravedad. El primer vuelo se inició en 1983 pero el accidente del Challenger en 1986 retardó significativamente el programa. Los laboratorios espaciales SLS-1 y SIS-2 volaron en Junio de 1991 y Octubre de 1993 con una duración del vuelo de 9 y 14 días respectivamente. Extenderse en la metodología va más allá del objetivo y del espacio disponible en un artículo. Baste decir que los estudios fueron realizados en 9 astronautas y que en ambos vuelos se realizaron 9 estudio realizados en microgravedad o ausencia de la gravedad en una cabina de cada laboratorio espacial diseñada para escoger la presión barométrica y la composición del aire ambiental y los resultados fueron comparados con las mediciones hechas ANTES Y DESPUES de los vuelos en el NASA-Jhonson Space Center, en tierra. Si bien es cierto los resultados de todas estas variables cardiovasculares y respiratorias son muy interesantes, el dato vital para esta discusión es que en este trabajo es absolutamente claro que la distribución del flujo sanguíneo y la ventilación a través del pulmón fue más uniforme en el espacio, pero algún grado de desigualdad persiste. Por lo tanto es la primera vez que se logra demostrar en un ambiente real (no simulado) de ingravidez que existe un porcentaje de la relación Ventilación.-Perfusión (34) que depende de una falta de homogeneidad intrínseca de la relación dentro del pulmón y no solo de la gravedad. West invoca los mecanismos ya discutidos (diferencia en la conductancia regional, el gradiente centro-periferia en el flujo y las propiedades fractales). Si bien es cierto el objetivo de la NASA era averiguar si los cambios en la función respiratoria limitaban a largo plazo la permanencia en el espacio, la información obtenida permitió definir como la gravedad y otros factores afectan la función pulmonar en la Tierra.
D) EL FUTURO.
No debe extrañamos
que los científicos que siguen a West nos vayan iluminando el camino
con nuevas luces y nuevas hipótesis y sobretodo con nuevas explicaciones,
muchas de las cuales nacerán de sus ideas y de la tecnología
que tengan a mano.
Por ejemplo, deberá encontrarse una explicación para el hecho absolutamente inesperado de que el VOLUMEN DE CIERRE, una prueba de pequeña vía aérea, que se ha considerado que ocurre cerca de las bases pulmonares (gravedad-dependiente) sea el mismo en ambientes de microgravedad que en gravedad normal (34). Deberán encontrarse nuevas y diferentes explicaciones al fenómeno de la relación Ventilación-Perfusión, pues hasta el momento las explicaciones como la gravedad y los factores no-gravitacionales no la explican en su complejidad. Es más, no es claro cual es el porcentaje de cada factor conocido en la totalidad del evento. La manera más amena en que uno puede revisar el pensamiento de West, a vuelo de pájaro, es revisar desde sus inicios cuando en Adelaide (un sanatorio) en 1952 ayudaba a rellenar los neumotórax artificiales (32), hasta uno de sus últimos trabajos para un suplemento del Am. J Respir. Crit. Care Med. hace 2 años donde se celebraban los 50 años del NHLBI (National Hearth Lung and Blood Institute) (35).
RESUMEN
Es conocido que la gravedad causa una desigualdad de la ventilación y de la perfusión. Sin embargo, factores no gravitacionales también han sido reconocidos, aunque la contribución de cada uno de ellos no es entendida o comprendida claramente. Nosotros procedemos a realizar una discusión del tema y una revisión de la literatura.
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