Fisiología Pulmonar

Nombre: Juan Pablo Chávez Mercado

Fecha: 4 de septiembre de 2016

Profesor Titular: Jaime Charfen

Introducción.

La anatomía y fisiología pulmonar juega un papel importante en la atención de pacientes con alguna complicación respiratoria aguda o crónica. El conocimiento de sus estructuras, tamaños, capacidades y funciones ayudará de gran manera para la resolución de los problemas presentados. A continuación lograremos conocer un poco de dichas estructuras y, sobre todo, de su función.

Dentro de los apartados que se estarán tratando en el siguiente trabajo, encontraremos ventilación pulmonar, la cual se explica de manera simple como la entrada de aire atmosférico hacia los pulmones (más específico, en los alveolos) y su salida de estos de regreso a la atmósfera, todo esto logrado gracias a la ayuda de ciertos músculos accesorios, conocidos como inspiratorios y espiratorios,  como el diafragma –músculo imprescindible de la respiración–  y de algunos otras como los intercostales internos y externos, por mencionar algunos.

De igual forma, a parte del proceso ventilatorio, se mencionarán las diferentes capacidades pulmonares que tiene el ser humano adulto promedio, dato muy relevante para el manejo de ventilación mecánica de un paciente en estado crítico, esto con el fin de no causar más daño al pulmón en caso de lesión.

Se abordarán también los diferentes procesos de difusión de los gases que intervienen en la respiración a nivel alveolar con la sangre y de la sangre a los tejidos, procesos que aseguran este  intercambio gaseoso para la adecuada oxigenación de las células del organismo y la excreción del dióxido de carbono para mantener una homeostasis en todo momento. 

Fisiología Pulmonar.

La respiración proporciona oxígeno a los tejidos y retira el dióxido de carbono. Las cuatro funciones principales de la respiración son: 1. Ventilación pulmonar, que se refiere al flujo de entrada y salida de aire entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares; 2. Difusión  de oxígeno y de dióxido de carbono entre los alvéolos y la sangre; 3. Transporte  de oxígeno y de dióxido de carbono en la sangre y los líquidos corporales hacia las células de los tejidos corporales y desde las mismas, y 4. Regulación de la ventilación y otras facetas de la respiración.

Mecánica de la ventilación pulmonar

Músculos que causan la expansión y contracción pulmonar

Los pulmones se pueden expandir y contraer de dos maneras:

1) Mediante el movimiento hacia abajo y hacia arriba del diafragma para alargar o acortar la cavidad torácica

2) Mediante la elevación y el descenso de las costillas para aumentar y reducir el diámetro anteroposterior de la cavidad torácica

La respiración tranquila normal se consigue casi totalmente por el primer mecanismo, es decir, por el movimiento del diafragma. Durante la inspiración la contracción del diafragma tira hacia abajo de las superficies inferiores de los pulmones. Después, durante la espiración el diafragma simplemente se relaja, y el retroceso elástico de los pulmones, de la pared torácica y de las estructuras abdominales comprime los pulmones y expulsa el aire.

El segundo método para expandir los pulmones es elevar la caja torácica. Esto expande los pulmones porque, en la posición de reposo natural, las costillas están inclinadas hacia abajo lo que permite que el esternón se desplace hacia abajo y hacia atrás, hacia la columna vertebral. Sin embargo, cuando la caja costal se eleva, las costillas se desplazan hacia adelante casi en línea recta, de modo que el esternón también se mueve hacia delante, alejándose de la columna vertebral y haciendo que el diámetro anteroposterior del tórax sea aproximadamente un 20% mayor durante la inspiración máxima que durante la espiración. Por tanto, todos los músculos que elevan la caja torácica se clasifican como músculos inspiratorios y los músculos que hacen descender la caja torácica se clasifican como músculos espiratorios. Los músculos más importantes que elevan la caja torácica son los intercostales externos, aunque otros músculos que contribuyen son:

1) Los músculos esternocleidomastoideos, que elevan el esternón;

2) Los serratos anteriores, que elevan muchas de las costillas, y

3) Los escalenos, que elevan las dos primeras costillas.

Así mismo, los músculos que tiran hacia abajo de la caja costal durante la espiración son principalmente:

1) Los rectos del abdomen (que tienen el potente efecto de empujar hacia abajo las costillas inferiores al mismo tiempo que ellos y otros músculos abdominales también comprimen el contenido abdominal hacia arriba contra el diafragma).

2) Los intercostales internos (el mecanismo mediante el que actúan los intercostales externos e internos para producir la inspiración y la espiración es el siguiente, durante la espiración las costillas están anguladas hacia abajo, y los intercostales externos están alargados hacia delante y hacia abajo. Cuando se contraen tiran de las costillas superiores hacia delante en relación con las costillas inferiores y actúan como una palanca sobre las costillas para levantarlas hacia arriba, produciendo de esta manera la inspiración. Los intercostales internos funcionan de manera exactamente opuesta, y actúan como músculos respiratorios porque se angulan entre las costillas en dirección opuesta y producen una palanca contraria.

Lo antes mencionado se puede apreciar en la siguiente imagen, donde se muestran ambas fases, la inspiración y espiración.

Volúmenes y capacidades pulmonares

Registro de las variaciones del volumen pulmonar: espirometría

La ventilación pulmonar puede estudiarse registrando el movimiento del volumen del aire que entra y sale de los pulmones, un método que se denomina espirometría. Un espirograma que indica los cambios del volumen pulmonar en diferentes condiciones de respiración. Para facilitar la descripción de los acontecimientos de la ventilación pulmonar, el aire de los pulmones se ha subdividido en este diagrama en cuatro volúmenes y cuatro capacidades, que son el promedio de un varón adulto joven.

Volúmenes pulmonares

A continuación, se presentan cuatro volúmenes pulmonares que, cuando se suman, son iguales al volumen máximo al que se pueden expandir los pulmones. El significado de cada uno de estos volúmenes es el siguiente:

1. El volumen corriente es el volumen de aire que se inspira ose espira en cada respiración normal; es igual a aproximadamente 500 ml en el varón adulto.

2. El volumen de reserva inspiratoria es el volumen adicional de aire que se puede inspirar desde un volumen corriente normal y por encima del mismo cuando la persona inspira con una fuerza plena; habitualmente es igual a aproximadamente 3.000 ml.

3. El volumen de reserva espiratoria es el volumen adicional máximo de aire que se puede espirar mediante una espiración forzada después del final de una espiración a volumen corriente normal; normalmente es igual a aproximadamente 1.100 ml.

4. El volumen residual es el volumen de aire que queda enlos pulmones después de la espiración más forzada; este volumen es en promedio de aproximadamente 1.200 ml.

Capacidades pulmonares

En la descripción de los acontecimientos del ciclo pulmonar a veces es deseable considerar dos o más de los volúmenes combinados. Estas combinaciones se denominan capacidades pulmonares, que se pueden describir como se señala a continuación:

1. La capacidad inspiratoria es igual al volumen corriente más el volumen de reserva inspiratoria. Esta es la cantidad de aire (aproximadamente 3.500 mi) que una persona puede inspirar, comenzando en el nivel espiratorio normal y distendiendo los pulmones hasta la máxima cantidad.

2. La capacidad residual funcional es igual al volumen de reserva espiratoria más el volumen residual. Es la cantidad de aire que queda en los pulmones al final de una espiración normal (aproximadamente 2.300 ml).

3. La capacidad vital es igual al volumen de reserva inspiratoria más el volumen corriente más el volumen de reserva espiratoria. Es la cantidad máxima de aire que puede expulsar una persona desde los pulmones después de llenar antes los pulmones hasta su máxima dimensión y después espirando la máxima cantidad (aproximadamente 4.600 mi).

4. La capacidad pulmonar total es el volumen máximo al que se pueden expandir los pulmones con el máximo esfuerzo posible (aproximadamente 5.800 mi); es igual ala capacidad vital más el volumen residual.

Todos los volúmenes y capacidades pulmonares son aproximadamente un 20-25% menores en mujeres que en varones, y son mayores en personas de constitución grande y atléticas que en personas de constitución pequeña y asténicas.

Principios físicos del intercambio gaseoso; difusión de oxígeno y dióxido de carbono a través de la membrana respiratoria

Después de que los alvéolos se hayan ventilado con aire limpio, la siguiente fase del proceso respiratorio es la difusión del oxígeno desde los alvéolos hacia la sangre pulmonar y la difusión del dióxido de carbono en la dirección opuesta, desde la sangre. El proceso de difusión es simplemente el movimiento aleatorio de moléculas en todas las direcciones a través de la membrana respiratoria y los líquidos adyacentes. Sin embargo, en fisiología respiratoria no sólo interesa el mecanismo básico mediante el que se produce la difusión, sino también la velocidad a laque ocurre; este es un problema mucho más complejo, que precisa un conocimiento más profundo de la física de la difusión y del intercambio gaseoso.

Física de la difusión gaseosa y presiones parciales de gases

Base molecular de la difusión gaseosa

Todos los gases importantes en fisiología respiratoria son moléculas simples que se mueven libremente entre sí, que es el proceso que se denomina «difusión». Esto también se aplica a los gases que están disueltos en los líquidos y en los tejidos del cuerpo.

Para que se produzca la difusión debe haber una fuente de energía. Esta procede del movimiento cinético de las propias partículas. Excepto a la temperatura del cero absoluto, todas las moléculas de toda la materia están experimentando movimiento de manera continua y se mueven de manera rápida y aleatoria entre sí.

Difusión neta de un gas en una dirección: efecto de un gradiente de concentración. Si una cámara de gas o una solución tiene una concentración elevada de un gas particular en un extremo de la cámara y una concentración baja en el otro extremo, como se muestra en la figura siguiente, donde se producirá difusión neta del gas desde la zona de concentración elevada hacia la zona de concentración baja. La razón es evidente: hay muchas más moléculas en el extremo A de la cámara para difundir hacia el extremo B. Por tanto, las velocidades de difusión en cada una delas dos direcciones son diferentes proporcionalmente, como se muestra por las longitudes de las flechas de la figura.

Presiones gaseosas en una mezcla de gases: «presiones parciales» de gases individuales

La presión está producida por múltiples impactos de partículas en movimiento contra una superficie. Por tanto, la presión de un gas que actúa sobre las superficies de las vías respiratorias y de los alvéolos es proporcional a la suma de las fuerzas de los impactos de todas las moléculas de ese gas que chocan contrala superficie en cualquier momento dado. Esto significa que la presión es directamente proporcional a la concentración de las moléculas delgas.

En fisiología respiratoria se manejan mezclas de gases, principalmente de oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono. La velocidad de difusión de cada uno de estos gases es directamente proporcional a la presión que genera ese gas solo, que se denomina presión parcial de ese gas. El concepto de presión parcial se puede explicar de la siguiente manera. Considérese el aire, que tiene una composición aproximada del 79% de nitrógeno y el 21% de oxígeno. La presión total de esta mezcla al nivel del mar es en promedio de 760 mmHg. A partir de la descripción previa de la base molecular de la presión es evidente que cada uno de los gases contribuye a la presión total en proporción directa a su concentración. Por tanto, el 79% delos 760 mmHg está producido por el nitrógeno (600 mmHg) y el 21% por el oxígeno (160 mmHg). Así, la «presión parcial» del nitrógeno en la mezcla es de 600 mmHg y la «presión parcial» del oxígeno es de 160 mmHg; la presión total es de 760 mmHg, la suma de las presiones parciales individuales. Las presiones parciales de los gases individuales en una mezcla se señalan por los símbolos Po2, Pco2, Pn2, Ph2o, PHe, etc.

Presiones de gases disueltos en agua y tejidos

Los gases disueltos en agua o en los tejidos corporales también ejercen una presión, porque las moléculas de gas disuelto se mueven de manera aleatoria y tienen energía cinética. Además, cuando el gas disuelto en el líquido entra en contacto con una superficie, como la membrana de una célula, ejerce su propia presión parcial de la misma manera que un gas en la fase gaseosa. Las presiones parciales de diferentes gases disueltos se denominan de la misma manera que las presiones parciales en estado gaseoso, es decir, Po2, Pco2, Pn2, PHe, etc.

Factores que determinan la presión parcial de un gas disuelto en un líquido. La presión parcial de un gas en una solución está determinada no sólo por su concentración, sino también por el coeficiente de solubilidad del gas. Es decir, algunos tipos de moléculas, especialmente el dióxido de carbono, son atraídas física o químicamente por las moléculas de agua, mientras que otras son repelidas. Cuando las moléculas son atraídas se pueden disolver muchas más sin generar un exceso de presión parcial en el interior de la solución. Por el contrario, en el caso de las que son repelidas se generará una presión parcial elevada con menos moléculas disueltas. Estas relaciones se expresan mediante la fórmula siguiente, que es la ley de Henry:

Cuando la presión parcial se expresa en atmósferas (una presión de 1 atmósfera es equivalente a 760 mmHg) y la concentración se expresa en volumen de gas disuelto en cada volumen de agua, los coeficientes de solubilidad de gases respiratorios importantes a temperatura corporal son los siguientes:

Oxígeno 0,024

Dióxido de carbono 0,57

Monóxido de carbono 0,018

Nitrógeno 0,012

Helio 0,008

A partir de esta tabla se puede ver que el dióxido de carbono es más de 20 veces más soluble que el oxígeno.

Presión de vapor de agua

Cuando se inhala aire no humidificado hacia las vías respiratorias, el agua se evapora inmediatamente desde las superficies de estas vías aéreas y humidifica el aire. Esto se debe al hecho de que las moléculas de agua, al igual que las moléculas de los diferentes gases disueltos, están escapando continuamente de la superficie del agua hacia la fase gaseosa. La presión parcial que ejercen las moléculas de agua para escapar a través de la superficie se denomina la presión de vapor del agua. A la temperatura corporal normal, 37 °C, esta presión de vapor es de 47 mmHg. Por tanto, una vez que la mezcla de gases se ha humidificado totalmente(es decir, una vez que está en «equilibrio» con el agua), la presión parcial del vapor de agua en la mezcla de gases es de 47mmHg.

Esta presión parcial, al igual que las demás presiones parciales, se denomina PH2O .

La presión de vapor de agua depende totalmente de la temperatura del agua. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la actividad cinética de las moléculas y, por tanto, mayor será la probabilidad de que las moléculas de agua escapen de la superficie del agua hacia la fase gaseosa. Por ejemplo, la presión de vapor de agua a 0°C es de 5 mmHg, y a 100 °C es de 760 mmHg. Pero el valor más importante que se debe recordares la presión de vapor de agua a temperatura corporal, 47 mmHg.

Concentración y presión parcial de oxígeno en los alvéolos

El oxígeno se absorbe continuamente desde los alvéolos hacia la sangre de los pulmones, y continuamente se respira oxígeno nuevo hacia los alvéolos desde la atmósfera. Cuanto más rápidamente se absorba el oxígeno, menor será su concentración en los alvéolos; por el contrario, cuanto más rápidamente se inhale nuevo oxígeno hacia los alvéolos desde la atmósfera, mayor será su concentración. Por tanto, la concentración de oxígeno en los alvéolos, y también su presión parcial, está controlada por: 1) la velocidad de absorción de oxígeno hacia la sangre, y 2) la velocidad de entrada de oxígeno nuevo a los pulmones por el proceso ventilatorio.

Difusión de gases a través de la membrana respiratoria

Unidad respiratoria.

 La unidad respiratoria (también denominada «lobulillo respiratorio»), que está formada por un bronquíolo respiratorio, los conductos alveolares, los atrios y los alvéolos. Hay aproximadamente 300 millones de alvéolos en los dos pulmones, y cada alvéolo tiene un diámetro medio de aproximadamente 0,2mm. Las paredes alveolares son muy delgadas y entre los alvéolos hay una red casi sólida de capilares interconectados. De hecho, debido a lo extenso del plexo capilar, se ha descrito que el flujo de sangre en la pared alveolar es una «lámina» de sangre que fluye. Así, es evidente que los gases alveolares están muy próximos a la sangre delos capilares pulmonares. Además, el intercambio gaseoso entre el aire alveolar y la sangre pulmonar se produce a través de las membranas de todas las porciones terminales de los pulmones, no sólo en los propios alvéolos. Todas estas membranas se conocen de manera colectiva como la membrana respiratoria, también denominada membrana pulmonar.

A pesar del elevado número de capas, el grosor global dela membrana respiratoria en algunas zonas es tan pequeño como 0,2 µm, y en promedio es de aproximadamente 0,6 µm, excepto donde hay núcleos celulares. A partir de estudios histológicos se ha estimado que el área superficial total dela membrana respiratoria es de aproximadamente 70m2 en el varón humano adulto normal. Esto es equivalente al área del suelo de una habitación de 7 x 10 m. La cantidad total de sangre en los capilares de los pulmones en cualquier instante dado es de 60 a 140ml. Imagine ahora esta pequeña cantidad de sangre extendida sobre toda la superficie de un suelo de

7 x 10 m, y es fácil comprender la rapidez del intercambio respiratorio de oxígeno y de dióxido de carbono.

El diámetro medio de los capilares pulmonares es de sólo aproximadamente 5 µm, lo que significa que los eritrocitos se deben comprimir a través de ellos. La membrana del eritrocito habitualmente toca la pared capilar, de modo que no es necesario que el oxígeno y el dióxido de carbono atraviesen cantidades significativas de plasma cuando difunden entre el alvéolo y el eritrocito. Esto también aumenta la rapidez de la difusión.

Factores que influyen en la velocidad de difusión gaseosa a través de la membrana respiratoria

Así, los factores que determinan la rapidez con la que un gas atraviesa la membrana son: 1) el grosor de la membrana; 2) el área superficial de la membrana; 3) el coeficiente de difusión del gas en la sustancia de la membrana, y 4) la diferencia de presión parcial del gas entre los dos lados de la membrana.

De manera ocasional se produce un aumento del grosor dela membrana respiratoria, por ejemplo como consecuencia de la presencia de líquido de edema en el espacio intersticial dela membrana y en los alvéolos, de modo que los gases respiratorios deben difundir no sólo a través de la membrana, sino también a través de este líquido. Además, algunas enfermedades pulmonares producen fibrosis de los pulmones, que puede aumentar el grosor de algunas partes de la membrana respiratoria. Como la velocidad de difusión a través dela membrana es inversamente proporcional al grosor de la membrana, cualquier factor que aumente el grosor a más de dos a tres veces el valor normal puede interferir de manera significativa con el intercambio respiratorio normal de gases.

Transporte de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre y los líquidos tisulares

Transporte de oxígeno de los pulmones

a los tejidos del organismo

El  oxígeno difunde desde los alvéolos hacia la sangre capilar pulmonar porque la presión parcial de oxígeno (Po2) en los alvéolos es mayor que la Po2 en la sangre capilar pulmonar. En los otros tejidos del cuerpo, una mayor Po2 en la sangre capilar que en los tejidos hace que el oxígeno difunda hacia las células circundantes.

Por el contrario, cuando el oxígeno se ha metabolizado en las células para formar dióxido de carbono, la presión de dióxido de carbono (Pco2) intracelular aumenta hasta un valor elevado, lo que hace que el dióxido de carbono difunda hacia los capilares tisulares. Después de que la sangre fluya hacia los pulmones, el dióxido de carbono difunde desde la sangre hacia los alvéolos, porque la PCo2 en la sangre capilar pulmonar es mayor que en los alvéolos. Así, el transporte del oxígeno y del dióxido de carbono en la sangre depende tanto de la difusión como del flujo de sangre.

Difusión de oxígeno de los alvéolos a la sangre capilar pulmonar

La Po2 del oxígeno gaseoso del alvéolo es en promedio de 104 mmHg, mientras que la Po2de la sangre venosa que entra en el capilar pulmonar en su extremo arterial es en promedio de sólo 40 mmHg porque se extrajo una gran cantidad de oxígeno desde esta sangre cuando pasó por los tejidos periféricos. Por tanto, la diferencia inicial de presión que hace que el oxígeno difunda hacia el capilar pulmonar es de 104 - 40, o 64 mmHg. En el gráfico de la parte inferior de la figura la curva muestra el rápido aumento de la Po2 sanguínea cuando la sangre atraviesa el capilar; la Po2 sanguínea ha aumentado casi hasta la del aire alveolar en el momento en el que la sangre ya ha atravesado un tercio de la distancia del capilar, llegando a hacerse de casi 104 mmHg.

Conclusiones

Como se había mencionado al principio, la anatomía y fisiología pulmonar juega un papel muy importante durante la atención de un paciente en estado crítico o con alguna complicación crónica que altere la homeostasis del cuerpo, ya sea un edema pulmonar o una lesión a alguno de los músculos encargados de la respiración, algo que llegase a fallar en este proceso se verá reflejado en una dificultad respiratoria o una falla mayor donde la captación del oxígeno no llegue a los tejidos o a la sangre transportadora y esto desencadenar un problema serio.

El aparato respiratorio, en conjunto con el sistema cardiovascular son piezas fundamentales para asegurar que esa parte proporcional de oxígeno captada de la atmosfera y absorbida por las células se aprovechen al cien por ciento, para lograr que la homeostasis corporal sea efectiva y con esto garantizar que el cuerpo continúe con un metabolismo aeróbico, eficaz para ciertas funciones celulares.

El entendimiento de esto, dará como resultado un mejor manejo a un paciente que necesite apoyo ventilatorio o de oxígeno suplementario, ya que, enfocándonos en una transportación aeromédica, dicho paciente será expuesto a ambientes adversos para su salud física, lo cual desencadenará como resultado mal funcionamiento de los procesos ventilatorios, disminución de volumen pulmonar, disminución de la capacidad pulmonar y un mal intercambio gaseoso, obviamente ante este probable escenario, el resultado (si no se interviene como se debe) puede ser catastrófico.

Opinión personal.

Para mi el sistema respiratorio siempre me ha parecido uno de los temas más apasionantes de la fisiología humana, el proceso de entrada y salida de aire dentro del cuerpo y a su vez de la sangre a las células por medio de presiones o el hecho de que una simple alteración en el proceso de intercambio gaseoso o una lesión a alguno de los músculos respiratorios que puede alterar la homeostasis y saber que uno como personal de la salud puede ayudar a solucionar ese problema me gusta demasiado.

Hay muchas literaturas que me llaman la atención, como Tortora-Grabowsky o Tortora-Derrickson, sin embargo Guyton, libro en el cual me base completamente, representa ese compilado de lo simple y lo complejo, es decir, lo simple que resulta explicar algo complejo, en este caso la fisiología pulmonar.

Es entendible que si existe alguna falla en alguno de los demás sistemas del cuerpo se alterará la homeostasis y esto puede desencadenar un proceso difícil, sin embargo, a pesar de ello, si el paciente llegase a colapsar, es decir, que se presentara un paro cardiorrespiratorio, precisamente uno de los principales sistemas a iniciar la reanimación es el pulmonar, para asegurarnos que el oxígeno llegue a todo el cuerpo, claro, tomando en cuenta las causas reversibles que causaron ese paro obviamente y atendiéndolas como es debido.

En conclusión, el manejo de la vía aérea de un paciente juega un papel sumamente importante para la reanimación exitosa del mismo, desde colocar un dispositivo de oxígeno, hasta la intubación endotraqueal, más si este paciente es llevado a un ambiente donde las condiciones son adversas.

Bibliografía.

Guyton, A. & Hall, J.. (2001). Unidad 7 Respiración. En Tratado de Fisiología Médica (pp.525-562). México: McGraw-Hill.