Fisiologia Medica - Ganong 23ed-2_Respiração

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CAPÍTULO 35 Función pulmonar

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SECCIÓN VII FISIOLOGÍA RESPIRATORIA

C A P Í T U L O

35

Función pulmonar O B J E T I VO S Después de revisar este capítulo, el lector será capaz de: ■

Definir y calcular la presión parcial de cada uno de los gases importantes en la atmósfera al nivel del mar.

■

Listar las vías por las cuales pasa el aire desde el exterior a los alvéolos y describir las células que las recubren.

■

Mencionar los principales músculos implicados en la respiración y señalar la función de cada uno.

■

Definir las medidas básicas del volumen pulmonar y mencionar los valores aproximados para cada una en el adulto normal.

■

Definir la distensibilidad y presentar ejemplos de enfermedades en las cuales ésta se encuentra alterada.

■

Describir la composición química y la función del factor surfactante.

■

Listar los factores que determinan la ventilación alveolar.

■

Definir la capacidad de difusión, y comparar la difusión de oxígeno con la de dióxido de carbono en los pulmones.

■

Comparar las circulaciones pulmonar y sistémica, y listar las diferencias principales entre ellas.

■

Describir las funciones pulmonares básicas de defensa y metabólicas.

INTRODUCCIÓN La respiración, como se usa generalmente el término, incluye dos procesos: respiración externa, la absorción de oxígeno (O2) y eliminación de dióxido de carbono (CO2) del organismo como un todo, y la respiración interna, la cual se refiere a la utilización de oxígeno y producción de dióxido de carbono en las células, así como los intercambios gaseosos entre las células y su medio líquido. Los aspectos de la fisiología respiratoria externa

se presentan en toda esta sección. En este capítulo, se exploran los procesos encargados de la captación de oxígeno y la excreción de dióxido de carbono en los pulmones. En el capítulo 36, se analiza el transporte de ambos gases hacia y desde los tejidos. En el capítulo final de esta sección se examinan algunos factores clave que regulan la respiración. En cada capítulo, se presentan las implicaciones clínicas de la fisiología específica.

587

588

SECCIÓN VII Fisiología respiratoria

PROPIEDADES DE LOS GASES La presión de un gas es proporcional a su temperatura y al número de molas por volumen: P=

nRT

(de la ecuación del estado del gas ideal)

CUADRO 351 Condiciones estándar según las cuales se corrigen las mediciones de los volúmenes gaseosos STPD

0°C, 760 mmHg, seco (temperatura y presión estándar, seco)

BTPS

Temperatura y presión corporales, saturado con vapor de agua

ATPD

Temperatura y presión ambientales, seco

ATPS

Temperatura y presión ambientales, saturado con vapor de agua

V donde P = presión n = número de molas R = constante gaseosa T = temperatura absoluta V = volumen

PRESIONES PARCIALES A diferencia de los líquidos, los gases se expanden hasta llenar el volumen disponible, y el volumen ocupado por un número determinado de moléculas de gas a una temperatura y presión definidas es (de manera idónea) el mismo sin importar la composición del gas. Por tanto, la presión que ejerce un gas en una mezcla de gases (su presión parcial) es igual a la presión total por la fracción de la cantidad total de gas que representa. La composición del aire seco es 20.98% de oxígeno, 0.04% de dióxido de carbono, 78.06% de nitrógeno (N2) y 0.92% de otros constituyentes inertes, como el argón y el helio. La presión barométrica (PB) al nivel del mar es de 760 mmHg (una atmósfera). Por consiguiente, la presión parcial (indicada por el símbolo P) del oxígeno en el aire seco es de 0.21 × 760, o 160 mmHg al nivel del mar. La presión de nitrógeno (Pn2) y de los otros gases inertes es de 0.79 × 760, o 600 mmHg, y la Pco2 es de 0.0004 × 760, o 0.3 mmHg. El vapor de agua en el aire de la mayoría de los climas disminuye un poco estos porcentajes y, por ende, las presiones parciales. El aire equilibrado con agua se halla saturado con vapor de agua, y el aire inspirado está saturado para cuando llega a los pulmones. La presión de agua (Ph2o) a temperatura corporal (37°C) es de 47 mmHg. Por tanto, las presiones parciales al nivel del mar de los otros gases en el aire que llega a los pulmones son Po2, 149 mmHg; Pco2, 0.3 mmHg y Pn2 (incluidos los otros gases inertes), 564 mmHg. El gas se difunde desde las áreas de presión alta a las de baja presión, y la velocidad de difusión depende del gradiente de concentración y la naturaleza de la barrera entre las dos regiones. Cuando una mezcla de gases está en contacto con un líquido y se le permite equilibrarse con éste, cada gas de la mezcla se disuelve en el líquido en la medida determinada por su presión parcial y su solubilidad en el líquido. La presión parcial de un gas en un líquido es la presión que, en la fase gaseosa en equilibrio con el líquido, produciría la concentración de moléculas de gas que se encuentra en el líquido.

con la temperatura y la presión, y ya que la cantidad de vapor de agua en ellos varía, estos dispositivos tienen la habilidad de corregir las mediciones respiratorias que involucran volumen hasta un conjunto determinado de situaciones generales. Los cuatro estándares más usuales y sus abreviaturas se muestran en el cuadro 35-1. Es indispensable señalar que las mediciones correctas dependen mucho de la habilidad del médico para alentar de modo apropiado al paciente para que utilice al máximo el dispositivo. Las técnicas modernas de análisis de gases hacen posible mediciones rápidas y confiables de la composición de mezclas gaseosas y del contenido gaseoso de los líquidos corporales. Por ejemplo, pueden insertarse electrodos para oxígeno y dióxido de carbono (pequeñas sondas sensibles a O2 y CO2) en la vía respiratoria, vasos sanguíneos o tejidos con el propósito de obtener registros continuos de Po2 y Pco2. La valoración a largo plazo de la oxigenación se lleva a cabo de manera incruenta con el oxímetro de pulso, el cual casi siempre se conecta a la oreja.

ANATOMÍA DE LOS PULMONES SISTEMA RESPIRATORIO Éste se encuentra formado por un órgano que intercambia gases (los pulmones) y una “bomba” que ventila los pulmones. La bomba se compone de pared torácica; músculos respiratorios, los cuales aumentan o disminuyen el tamaño de la cavidad torácica; áreas del cerebro que controlan los músculos y haces y nervios que conectan el cerebro con los músculos. En reposo, el ser humano normal respira 12 a 15 veces por minuto. Se inspiran y espiran cerca de 500 ml de aire en cada respiración, o 6 a 8 L/min. Este aire se mezcla con el gas presente en los alvéolos y, por difusión simple, el oxígeno entra en la sangre de los capilares pulmonares mientras el dióxido de carbono ingresa a los alvéolos. De esta manera, 250 ml de oxígeno entran en el organismo cada minuto y se excretan 200 ml de dióxido de carbono. En el aire espirado también se encuentran trazas de otros gases, como el metano proveniente del intestino. El alcohol y la acetona se espiran cuando se hallan en cantidades apreciables en el cuerpo. De hecho, se han identificado más de 250 sustancias volátiles distintas en el aliento humano.

MÉTODOS PARA CUANTIFICAR LOS FENÓMENOS RESPIRATORIOS

VÍAS RESPIRATORIAS

Los espirómetros modernos permiten medir de manera directa el ingreso y la salida de gas. Como los volúmenes de gas varían

Después de pasar por las cavidades nasales y la faringe, donde se calienta y capta vapor de agua, el aire inspirado pasa por la trá-

CAPÍTULO 35 Función pulmonar

589

Tráquea Arteria pulmonar izquierda Venas pulmonares Bronquiolo Bronquio principal izquierdo Corazón

Bronquiolo terminal Rama de la vena pulmonar Rama de la arteria pulmonar

Músculo liso

A

Bronquiolo respiratorio

Alvéolos

Capilar

B

FIGURA 351 Estructura del sistema respiratorio. A) Se presenta un diagrama de dicho sistema con un pulmón transparente para resaltar el flujo del aire que entra en el sistema y sale de él. B) El aumento del área señalada en (A) muestra la transición de las vías respiratorias de conducción a las respiratorias, con énfasis en la anatomía de los alvéolos. Los colores rojo y azul representan la sangre oxigenada y desoxigenada, respectivamente. (Continúa.)

quea y los bronquiolos, los bronquiolos respiratorios y los conductos alveolares hasta los alvéolos, donde ocurre el intercambio gaseoso (fig. 35-1). Entre la tráquea y los sacos alveolares, las vías respiratorias se dividen 23 veces. Las primeras 16 generaciones de vías forman la zona de conducción de las vías respiratorias y transportan gas al interior y al exterior. Ellas están conformadas por bronquios, bronquiolos y bronquiolos terminales. Las siete generaciones restantes constituyen las zonas de transición y respiratoria, en las cuales se lleva a cabo el intercambio gaseoso; tales generaciones están conformadas por bronquiolos respiratorios, conductos alveolares y alvéolos. Estas múltiples divisiones au-

mentan mucho el total de superficie transversal de las vías respiratorias, de 2.5 cm2 en la tráquea a 11 800 cm2 en los alvéolos (fig. 35-2). Por consiguiente, la velocidad del flujo del aire en las vías respiratorias pequeñas disminuye a valores muy bajos. Los alvéolos están rodeados por capilares pulmonares (fig. 35-1). En la mayoría de las áreas, el aire y la sangre están separados sólo por el epitelio alveolar y el endotelio capilar; por ello se hallan a una distancia de 0.5 μm (fig. 35-3). Los seres humanos tienen 300 millones de alvéolos, y la superficie total de las paredes alveolares en contacto con los capilares de ambos pulmones es cercana a 70 m2.

590

SECCIÓN VII Fisiología respiratoria

Nombre de las ramas Tráquea

500

Número de tubos en la rama 1

400

2

4 8 Bronquiolos

16 32

Bronquiolos terminales

6 × 104

Superficie transversal total (cm2)

Zona de conducción

Bronquios

300

200 Zona respiratoria

Zona de conducción

Zona respiratoria

Bronquiolos respiratorios 100

5 × 105 Bronquiolos terminales

Conductos alveolares 0

Sacos alveolares

8×

106

C

FIGURA 351 (Continuación) C) Se presentan los patrones de ramificación de la vía respiratoria durante la transición de las vías de conducción a las respiratorias (no se plasman todas las divisiones, los dibujos no están a escala). Los alvéolos están recubiertos por dos tipos de células epiteliales. Las células tipo I son células planas con grandes extensiones citoplásmicas y son las principales células de recubrimiento de los alvéolos, las cuales se encuentran sobre casi 95% de la superficie epitelial alveolar. Las células tipo II (neumocitos granulares) son más gruesas y poseen muchos cuerpos de inclusión laminares. Una función principal de estas células es secretar factor surfactante, pero también son importantes para la reparación alveolar y en otros aspectos de la fisiología celular. Aunque estas células constituyen cerca de 5% de la superficie, constituyen casi 60% de las células epiteliales de los alvéolos. Éstos también poseen otras células especializadas, incluidos macrófagos alveolares pulmonares (PAM), linfocitos, células plasmáticas, células neuroendocrinas y mastocitos. Estos últimos portan heparina, varios lípidos, histamina y algunas proteasas que participan en las reacciones alérgicas (cap. 3).

BRONQUIOS Y SU INERVACIÓN La tráquea y los bronquios tienen cartílago en las paredes, pero relativamente poco músculo liso; están recubiertos por un epitelio ciliado que contiene glándulas mucosas y serosas. Existen cilios hasta los bronquiolos respiratorios, pero las glándulas es-

5

10

15

20

23

Generación de vía respiratoria

FIGURA 352 Superficie transversal total de las vías respiratorias en función de la generación de estas mismas. Nótese el aumento extremadamente rápido en la superficie transversal total en la zona respiratoria. Como resultado, la velocidad anterógrada del gas durante la inspiración cae a un nivel muy bajo en esta zona. (Con autorización de West JB: Respiratory Physiology: The Essentials, 4th ed. Williams & Wilkins, 1991.)

tán ausentes desde el epitelio de los bronquiolos y los bronquiolos terminales; además, sus paredes no presentan cartílago. Sin embargo, sus paredes contienen más músculo liso, del cual la mayor cantidad en relación con el grosor de las paredes se encuentra en los bronquiolos terminales. Las paredes de bronquios y bronquiolos se hallan inervadas por el sistema nervioso autónomo. Los receptores muscarínicos son abundantes y la descarga colinérgica genera broncoconstricción. El epitelio bronquial y el músculo liso poseen receptores adrenérgicos β2. Muchos de éstos no se encuentran inervados. Algunos se ubican en terminaciones colinérgicas, donde inhiben la liberación de acetilcolina. Los receptores β2 median la broncodilatación; aumentan la secreción bronquial, mientras los receptores adrenérgicos α1 impiden la secreción. Además, hay inervación no colinérgica, no adrenérgica de los bronquiolos, la cual genera broncodilatación; se cuenta con evidencia indicadora de que el polipéptido intestinal vasoactivo (VIP) es el mediador de la dilatación.

ANATOMÍA DEL FLUJO SANGUÍNEO EN LOS PULMONES Tanto la circulación pulmonar como la circulación bronquial contribuyen al flujo sanguíneo de los pulmones. En la circu-

CAPÍTULO 35 Función pulmonar

591

Capilares

Bronquiolo respiratorio Alvéolo

Conducto alveolar

Alvéolo

Poro alveolar

Alvéolo

ma A Endotelio capilar

Aire alveolar

Célula tipo II

Membrana basal

cf

a en

Eritrocito

Intersticio

Plasma en el capilar

a

epI

cap cf

Eritrocito

B

Célula tipo I

Aire alveolar

C

FIGURA 353

Porción de un tabique interalveolar en el pulmón del adulto humano. A) Un corte transversal de la zona respiratoria muestra la relación entre capilares y el epitelio de la vía respiratoria. Sólo cuatro de los 28 alvéolos están señalados. B) Aumento del área delimitada en (A) que muestra la relación esencial entre los capilares, el intersticio y el epitelio alveolar. C) Micrografía electrónica que muestra el área señalada en (B). El capilar pulmonar (cap) en el tabique contiene plasma con eritrocitos en aposición a las células epiteliales delgadas que recubren los alvéolos. Nótense la pared endotelial y el epitelio pulmonar en estrecha aposición, separados en algunos sitios por fibras de tejido conjuntivo (cf); en, núcleo de la célula endotelial; epI, núcleo de la célula epitelial alveolar tipo I; a, espacio alveolar; ma, macrófago alveolar. (Con autorización de (A, B) Widmaier EP, Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology: The Mechanisms of Body Function, 11th ed. McGraw-Hill, 2008, y

(C) Burri PA: Development and growth of the human lung. En: Handbook of Physiology, Section 3, The Respiratory System. Fishman AP; Fisher AB [eds.]. American Physiological Society, 1985.)

lación pulmonar, casi toda la sangre del cuerpo pasa a través de la arteria pulmonar hacia el lecho capilar pulmonar, donde se oxigena y regresa a la aurícula izquierda por las venas pulmonares (fig. 35-4). La circulación bronquial, separada y mucho más pequeña, incluye las arterias bronquiales que provienen de arterias sistémicas. Forman capilares, los cuales drenan en las venas bronquiales o forman anastomosis con los capilares o las venas pulmonares (fig. 35-5). Las venas bronquiales se descargan en la vena ácigos. La circulación bronquial nutre desde la tráquea hasta los bronquiolos terminales; asimismo, riega la pleura y los ganglios linfáticos hiliares. Es necesario señalar que los vasos linfáticos son más abundantes en los pulmones en comparación con cualquier otro órgano.

MECÁNICA DE LA RESPIRACIÓN INSPIRACIÓN Y ESPIRACIÓN Los pulmones y la pared torácica son estructuras elásticas. En condiciones normales, no existe más que una película delgada de líquido entre los pulmones y la pared torácica (espacio intrapleural). Los pulmones se deslizan con facilidad sobre dicha pared, pero se resisten a separarse de ella de la misma forma que dos fragmentos húmedos de vidrio se deslizan uno sobre otro, pero se resisten a la separación. La presión en el “espacio” entre los pulmones y la pared torácica (presión intrapleural) es subatmosférica (fig. 35-6). Los pulmones se estiran cuando se expanden al nacer y, al final de la espiración tranquila, la tendencia de éstos

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SECCIÓN VII Fisiología respiratoria

12

Inspiración

12

+2

Presión en los alvéolos

12

12

Espiración

+1

14

14

120 /80 24 9

2

25 0

0

8

–1

120 0

–2

Presión intrapleural

Presión (mmHg)

–3 –4 –5

120 80

–6

20

0.6

Volumen de la respiración

30

10

0.4

Volumen (L)

0.2

FIGURA 354 Circulaciones pulmonar y sistémica. Las áreas representativas del flujo sanguíneo están marcadas con la presión sanguínea correspondiente (mmHg). (Modificada de Comroe JH Jr.: Physiology of Respiration, 2nd ed. Year Book, 1974.)

0 0

1

2

3

4

Tiempo (s)

FIGURA 356 Presión en los alvéolos y el espacio pleural en a retroceder de la pared torácica se equilibra con la tendencia de esta última a retroceder en el sentido contrario. Si se abre la pared torácica, los pulmones se colapsan, y si éstos pierden su elasticidad, el tórax se expande y adquiere forma de barril. La inspiración es un proceso activo. La contracción de los músculos inspiratorios aumenta el volumen intratorácico. La presión intrapleural en la base de los pulmones, la cual en si-

Arteria pulmonar

A

Vena pulmonar

C

B

Anastomosis arterial broncopulmonar Vena broncopulmonar

D Arteria bronquial

Vena bronquial

Vena ácigos

FIGURA 355 Relación entre las circulaciones bronquial y pulmonar. La arteria pulmonar riega la red capilar pulmonar. A. La arteria bronquial alimenta las redes capilares B, C y D. Las áreas de color azul representan la sangre con bajo contenido de oxígeno. (Con autorización de Murray JF: The Normal Lung. Saunders, 1986.)

relación con la presión atmosférica durante la inspiración y la espiración. La línea punteada indica cuál sería la presión intrapleural en ausencia de resistencia de la vía respiratoria y del tejido; la curva real (línea continua) está desviada a la izquierda por la resistencia. Se grafica el volumen de respiración durante la inspiración/espiración como comparación.

tuaciones habituales es menor de 2.5 mmHg (en relación con la atmosférica) al principio de la inspiración, disminuye hasta cerca de –6 mmHg. Esto tira de los pulmones a una posición más expandida. La presión en la vía respiratoria se torna un poco negativa y el aire fluye hacia los pulmones. Al final de la inspiración, el retroceso pulmonar empieza a tirar de regreso al tórax a la posición espiratoria, donde las presiones de retroceso de los pulmones y el tórax se equilibran. La presión en la vía respiratoria se vuelve un poco positiva, y el aire fluye fuera de los pulmones. La espiración durante la respiración tranquila es pasiva en cuanto a que no se contraen músculos que disminuyan el volumen intratorácico. Sin embargo, existe alguna contracción de los músculos inspiratorios en la parte inicial de la espiración. Esta contracción ejerce una acción de freno a las fuerzas de retroceso y hace más lenta la espiración. Los esfuerzos inspiratorios intensos reducen la presión intrapleural hasta valores tan bajos como menos de 30 mmHg, lo cual genera grados más altos correspondientes de inflación pulmonar. Cuando la ventilación aumenta, la magnitud de la deflación pulmonar también lo hace por la contracción activa de los músculos espiratorios que disminuyen el volumen intratorácico.

CAPÍTULO 35 Función pulmonar

que puede expulsarse después de un esfuerzo inspiratorio máximo, a menudo se mide en clínica como un índice de la función pulmonar. Aporta información útil acerca de la fuerza de los músculos respiratorios y otros aspectos de la función pulmonar. La fracción de la capacidad vital espirada durante el primer segundo de una espiración forzada se conoce como FEV1 (antes llamada capacidad vital cronometrada) (fig. 35-8). El cociente entre FEV1 y la capacidad vital forzada (FEV1/FVC) es una herramienta útil para el diagnóstico de la enfermedad de vías respiratorias (recuadro clínico 35-1). La cantidad de aire inspirado por minuto (ventilación pulmonar, volumen respiratorio por minuto) normal es de 6 L (500 ml por respiración por 12 respiraciones por minuto). La ventilación voluntaria máxima (MVV) corresponde al volumen más grande de gas que puede desplazarse dentro y fuera de los pulmones en un minuto mediante un esfuerzo voluntario. La ventilación voluntaria máxima normal es de 125 a 170 L/min.

VOLÚMENES PULMONARES

Inspiración

La cantidad de aire que ingresa a los pulmones con cada inspiración (o la cantidad que sale con cada espiración) se llama volumen de ventilación pulmonar (volumen corriente). En un esfuerzo inspiratorio máximo, el aire inspirado adicional al volumen de ventilación pulmonar corresponde al volumen de reserva inspiratoria. El volumen expulsado en un esfuerzo espiratorio activo después de la espiración pasiva es el volumen de reserva espiratoria, y el aire que queda en los pulmones luego del esfuerzo espiratorio máximo es el volumen residual. En la figura 35-7, se presentan los valores normales de estos volúmenes pulmonares y los nombres aplicados a sus combinaciones. El espacio en la zona de conducción de las vías respiratorias ocupado por gas que no se intercambia con la sangre en los vasos pulmonares es el espacio muerto respiratorio. La capacidad vital forzada (FVC), la mayor cantidad de aire

Volumen pulmonar (ml)

Espacio muerto

RV

ERV TV

Máxima inspiración posible

6 000

5 000

2

Volumen de reserva inspiratoria

5

Capacidad vital

6

Capacidad inspiratoria

4 000

8

3 000

2 000

IRV

Espiración

593

1 000

0

Capacidad pulmonar total 1

Volumen de ventilación pulmonar

Espiración voluntaria máxima

3

Volumen de reserva espiratoria 4

Volumen residual

Capacidad funcional residual 7

Volúmenes y capacidades respiratorios para un varón adulto promedio Medición

Valor típico

Definición Volúmenes respiratorios

1 2

Volumen de ventilación pulmonar (TV) Volumen de reserva inspiratoria (IRV)

500 ml

Cantidad de aire inhalado o espirado en una respiración durante la respiración tranquila y relajada

3 000 ml 1 200 ml

Cantidad de aire en exceso a la inspiración corriente que puede inhalarse con un esfuerzo máximo Cantidad de aire en exceso a la inspiración corriente que puede espirarse con un esfuerzo máximo

1 200 ml

Cantidad de aire restante en los pulmones después de la espiración máxima; mantiene los alvéolos inflados entre respiraciones y mezcla el aire fresco de la siguiente inspiración

4

Volumen de reserva espiratoria (ERV) Volumen residual

5

Capacidad vital (VC)

4 700 ml

Cantidad de aire que puede espirarse con un esfuerzo máximo después de la inspiración máxima (ERV + TV + IRV); se usa para valorar la fuerza de los músculos torácicos y la función pulmonar

6 7

Capacidad inspiratoria (IC) Capacidad funcional residual (FRC)

8

Capacidad pulmonar total (TLC)

3 500 ml 2 400 ml 5 900 ml

Cantidad máxima de aire que puede inhalarse después de una espiración corriente normal (TV + IRV) Cantidad de aire restante en los pulmones después de una espiración corriente normal (RV + ERV) Cantidad máxima de aire que pueden contener los pulmones (RV + VC)

3

Capacidades respiratorias

FIGURA 357 Volúmenes pulmonares y mediciones de la capacidad. Arriba a la izquierda: una representación del espacio pulmonar dividido en volúmenes pulmonares. El espacio muerto se refiere a las áreas en las cuales no hay intercambio gaseoso; todos los demás espacios se definen en el cuadro anexo. Arriba a la derecha: se muestran los registros del espirómetro con indicación de los volúmenes y las capacidades pulmonares. El cuadro inferior expone las mediciones individuales y los valores de las gráficas superiores. Nótese que el volumen residual, la capacidad pulmonar total y la capacidad residual funcional no pueden medirse con un espirómetro. (Figura derecha reproducida con autorización de Widmaier EP; Raff H, Strang KT: Vander’s Human Physiology: The Mechanisms of Body Function, 11th ed. McGraw-Hill, 2008.)

594

SECCIÓN VII Fisiología respiratoria 6

Volumen (L)

5 4 3

VC FEV1

2 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tiempo (s)

FIGURA 358 Volumen de gas espirado por un varón adulto normal durante una espiración forzada, se demuestra el volumen espiratorio forzado en 1 s (FEV1) y la capacidad vital (VC) total. (Con autorización de Crapo RO: Pulmonary-function testing. N Engl J Med 1994;331:25. Copyright © 1994, Massachusetts Medical Society.)

MÚSCULOS RESPIRATORIOS El movimiento del diafragma explica casi 75% del cambio en el volumen intratorácico durante la inspiración tranquila. Insertado alrededor de la parte inferior de la caja torácica, este músculo forma un arco sobre el hígado y se mueve hacia abajo como un pistón cuando se contrae. La distancia que se desplaza varía entre 1.5 y 7 cm con la inspiración profunda (fig. 35-9). El diafragma tiene tres partes: la porción costal, formada por fibras musculares insertadas en las costillas alrededor de la base de la caja torácica; la porción crural, constituida por fibras unidas a los ligamentos a lo largo de las vértebras y, el tendón central, en el cual se insertan las fibras costales y crurales. El tendón central también es la parte inferior del pericardio. Las fibras crurales pasan a ambos lados del esófago y pueden comprimirlo cuando se contraen. Las regiones costal y crural están inervadas por distintas partes del nervio frénico y pueden contraerse por separado. Por ejemplo, durante el vómito y los eructos, la presión intraabdominal aumenta por la contracción de las fibras costales, pero las fibras crurales permanecen relajadas, lo cual hace posible que el material pase del estómago al esófago. Los otros músculos inspiratorios importantes son los músculos intercostales externos, los cuales transcurren en sentido oblicuo hacia abajo y al frente de una costilla a la otra. Las costillas se mueven como si formaran una bisagra en la espalda; por ello cuando los intercostales externos se contraen, se elevan las costillas inferiores. Esto empuja al esternón hacia fuera y aumenta el diámetro anteroposterior del tórax. El diámetro transversal también se incrementa, pero en menor medida. Ya sea el diafragma o los músculos intercostales externos pueden mantener la ventilación adecuada por sí solos en reposo. La sección de la médula espinal por arriba del tercer segmento cervical es letal sin respiración artificial, no así la sección debajo del quinto segmento cervical, ya que deja intactos los nervios frénicos que inervan el diafragma; estos últimos nervios derivan de los segmentos cervicales 3-5. Por el contrario, en pacientes con pa-

rálisis bilateral del nervio frénico, pero con inervación intacta de los músculos intercostales, la respiración es un poco laboriosa, pero adecuada para conservar la vida. Los músculos escaleno y esternocleidomastoideo en el cuello son inspiratorios accesorios que ayudan a elevar la caja torácica durante la respiración laboriosa profunda. Cuando los músculos espiratorios se contraen, disminuye el volumen intratorácico y se produce la espiración forzada. Los intercostales internos tienen esta acción porque pasan en sentido oblicuo hacia abajo y atrás de una costilla a otra; por esta razón, tiran de la caja torácica hacia abajo cuando se contraen. Las contracciones de los músculos de la pared abdominal anterior también ayudan a la espiración porque jalan la caja torácica hacia abajo y adentro, y aumentan la presión intraabdominal, lo cual empuja el diafragma hacia arriba.

GLOTIS Los músculos abductores de la laringe se contraen al principio de la inspiración; esto separa las cuerdas vocales y abre la glotis. Durante la deglución y la náusea, la contracción refleja de los músculos aductores cierra la glotis e impide la aspiración de alimento, líquido o vómito hacia los pulmones. En pacientes inconscientes o anestesiados, tal vez el cierre de la glotis sea incompleto y el vómito entre en la tráquea, lo cual causa una reacción inflamatoria pulmonar (neumonía por aspiración). Los músculos laríngeos están inervados por los nervios vagos. Cuando los abductores se paralizan, se escucha estridor inspiratorio. Cuando los aductores se paralizan, el alimento y el líquido ingresan a la tráquea, lo cual origina neumonía por aspiración y edema. La vagotomía cervical bilateral en animales induce el desarrollo lento de congestión y edema pulmonares letales. El edema se debe a la aspiración, al menos en parte, aunque surge cierto edema incluso si se realiza una traqueostomía antes de la vagotomía.

TONO BRONQUIAL En general, el músculo liso de las paredes bronquiales ayuda a la respiración. Los bronquios se dilatan durante la inspiración y se constriñen en el curso de la espiración. La dilatación aparece por descarga simpática y, la constricción, por descarga parasimpática. La estimulación de los receptores sensitivos de las vías respiratorias por irritantes y sustancias, como el dióxido de azufre, produce broncoconstricción refleja, mediada por las vías colinérgicas. El aire frío también causa broncoconstricción, al igual que el ejercicio, tal vez porque el aumento de la respiración relacionado con éste, enfría las vías respiratorias. Además, los músculos bronquiales protegen los bronquios durante la tos. El tono bronquial posee un ritmo circadiano, con constricción máxima alrededor de las 6:00 a,m, y dilatación máxima cerca de las 6:00 p,m. Muchas sustancias químicas, como péptido intestinal vasoactivo, sustancia P, adenosina, muchas citocinas y reguladores inflamatorios, influyen en el tono bronquial, aunque todavía no se conoce por completo su función en el control fisiológico del tono bronquial.

CAPÍTULO 35 Función pulmonar

595

RECUADRO CLÍNICO 35-1 Enfermedades de las vías respiratorias que alteran el flujo de aire Enfermedad obstructiva: asma El asma se caracteriza por presencia episódica o crónica de sibilancias, tos y sensación de opresión en el tórax a causa de broncoconstricción. Aunque la enfermedad no se comprende del todo, existen tres alteraciones en el sistema respiratorio: obstrucción de la vía respiratoria que es al menos reversible, inflamación de la vía respiratoria y aumento en la respuesta de dicha vía a varios estímulos. Desde hace mucho, se reconoce un vínculo con la alergia, y los valores de IgE plasmática a menudo son altos. Las proteínas liberadas de los eosinófilos en la reacción inflamatoria pueden dañar el epitelio de la vía respiratoria y contribuir al aumento en la capacidad de respuesta. Se liberan leucotrienos de los eosinófilos y los mastocitos, y aquéllos intensifican la broncoconstricción. Muchas otras aminas, neuropéptidos, quimiocinas e interleucinas tienen efectos en el músculo liso bronquial o genera inflamación y pueden evolucionar en asma. Como los receptores adrenérgicos β2 median la broncodilatación, desde hace tiempo los agonistas adrenérgicos β2 son la base del tratamiento para los episodios de asma leves a moderados. Los esteroides inhalados y sistémicos se usan incluso en casos leves a moderados para disminuir la inflamación; son muy eficaces, pero sus efectos colaterales resultan un problema. Los agentes que bloquean la síntesis de leucotrienos o a su receptor CysLT1 también son útiles en algunos casos.

Enfermedad restrictiva: enfisema El enfisema es una enfermedad pulmonar degenerativa y potencialmente letal, la cual se caracteriza por la pérdida de elasticidad pulmonar y reemplazo de los alvéolos por grandes sacos aéreos. Esta pérdida de elasticidad impide la expansión completa de los pulmones, o restricción de la vía respiratoria, durante la respiración. La causa más frecuente de enfisema es el tabaquismo intenso. El humo induce un aumento de los macrófagos alveolares pulmonares, los cuales liberan una sustancia que atrae a los leucocitos a los pulmones. A su vez, los leucocitos liberan proteasas

DISTENSIBILIDAD DE LOS PULMONES Y LA PARED TORÁCICA La interacción entre el retroceso pulmonar y el de la pared torácica puede demostrarse en sujetos vivos mediante un espirómetro que tenga una válvula justo después de la boquilla. Esta última contiene un dispositivo que mide la presión. Después que el sujeto inhala una cantidad determinada, la válvula se cierra; ello bloquea la vía respiratoria. Luego, los músculos respiratorios se relajan mientras se registra la presión en la vía respiratoria. El procedimiento se repite después de inhalar o espirar de manera activa varios volúmenes. La curva de presión en la vía respiratoria obtenida de este modo, graficada en contraposición con el volumen, es la curva de presión de relajación del sistema respiratorio total (fig. 35-10). La presión es de cero con un volumen pulmonar que corresponda a la cantidad de gas en los pulmones al final de la espiración tranquila (capacidad funcional residual [FRC]; también conocida como volumen de relajación). Ésta es

que incluyen elastasa, que actúa sobre el tejido elástico pulmonar. Al mismo tiempo, se inhibe la antitripsina α1, una proteína plasmática que en situaciones normales desactiva la elastasa y otras proteasas. La antitripsina α1 es desactivada por radicales oxígeno, los cuales son liberados por los leucocitos. El resultado final es un desequilibrio proteasa-antiproteasa con aumento de la destrucción del tejido pulmonar. Puede haber un desequilibrio proteasa-antiproteasa similar por la deficiencia congénita de antitripsina α1.

Mediciones del flujo aéreo en la enfermedad obstructiva y restrictiva En un varón adulto normal, la capacidad vital forzada es cercana a 5.0 L, el volumen espiratorio forzado en 1 s es de casi 4.0 L y, por tanto, la relación FEV1/FVC calculada es de 80%. Como es de esperar, los pacientes con enfermedades obstructivas o restrictivas tienen disminución de la capacidad vital forzada, la cual corresponde a casi 3.0 L; esta medición sola no distingue entre ambos tipos de trastornos. Sin embargo, la medición del volumen espiratorio forzado en 1 s varía mucho entre los dos tipos de padecimientos. En los trastornos obstructivos, los pacientes tienden a manifestar una pendiente constante y lenta de la capacidad vital forzada, lo cual deriva en un volumen espiratorio forzado en 1 s bajo, cercano a 1.3 L. Sin embargo, en sujetos con trastorno restrictivo, el flujo del aire tiende a ser rápido al principio y luego se nivela pronto por la pérdida de elasticidad para aproximarse a la capacidad vital forzada. El volumen espiratorio forzado en 1 s resultante es mucho mayor, cercano a 2.8 L, aunque la capacidad vital forzada es equivalente. Un cálculo rápido de FEV1/FVC para pacientes con enfermedad obstructiva (24%) comparados con aquéllos con enfermedad restrictiva (90%) define las mediciones características para valorar estos dos padecimientos. Los trastornos obstructivos generan un descenso más marcado de la capacidad vital forzada y de FEV1/FVC, mientras que los trastornos restrictivos originan disminución de la capacidad vital forzada sin disminución de FEV1/FVC.

positiva con cantidades mayores y negativa con volúmenes menores. El cambio en el volumen pulmonar por cambio unitario en la presión de la vía respiratoria (ΔV/ΔP) es la distensibilidad (capacidad de estiramiento) de los pulmones y la pared torácica. Por lo general, se mide en el intervalo de presión en el cual la curva de presión de relajación es más empinada y el valor normal es cercano a 0.2 L/cmH2O. Sin embargo, la distensibilidad depende del volumen pulmonar; una persona que sólo tiene un pulmón posee casi la mitad de ΔV, para un ΔP determinado. Asimismo, la distensibilidad es un poco mayor cuando se mide durante la deflación comparada con la medición durante la inflación. Por consiguiente, aporta más información para examinar la curva de presión-volumen completa. La curva se desplaza hacia abajo y a la derecha (disminuye la distensibilidad) con la congestión pulmonar y la fibrosis pulmonar intersticial (fig. 35-11). La fibrosis pulmonar es una enfermedad restrictiva progresiva de las vías respiratorias de causa desconocida, en la cual hay rigidez y cicatrización de los pulmones. La curva se desvía hacia arriba

596

SECCIÓN VII Fisiología respiratoria

FIGURA 359 Radiografía torácica en espiración completa (izquierda) y en inspiración completa (derecha). La línea punteada en la derecha es un esbozo de los pulmones en espiración completa. Nótese la diferencia en el volumen intratorácico. (Con autorización de Comroe JH Jr.: Physiology of respiration, 2nd ed. Year Book, 1974.)

y a la izquierda (aumenta la distensibilidad) en el enfisema. Es indispensable señalar que la distensibilidad es una medida estática del retroceso pulmonar y torácico. La resistencia de los pulmones y el tórax es la diferencia de presión necesaria para una unidad de flujo aéreo; esta medición, que es dinámica y no estática, también toma en cuenta la resistencia al flujo del aire en las vías respiratorias.

TENSIÓN SUPERFICIAL ALVEOLAR Un factor importante que afecta la distensibilidad pulmonar es la tensión superficial de la película de líquido que recubre los alvéolos. La magnitud de este componente en varios volúmenes pulmonares puede medirse si se retiran los pulmones del cuerpo de un animal de experimentación y se distienden de manera

Cambio en el volumen de reposo

Litros

Litros 6 Curva de presión de relajación

+3

5

+2 Curva inspiratoria máxima

+1

4

Curva espiratoria máxima

3

Volumen de relajación

0

2 Capacidad vital

–1

–2 –120

1

–80

–40

0 40 80 120 Presión intrapulmonar (mmHg)

Capacidad pulmonar total

160

Capacidad funcional residual Volumen residual

200

FIGURA 3510 Relación de la presión intrapulmonar y el volumen; curva de presión de relajación. La curva intermedia es la curva de presión de relajación del sistema respiratorio total; o sea, la curva de presión estática de los valores obtenidos cuando los pulmones se inflan o desinflan con varias cantidades, y la presión intrapulmonar se mide con la vía respiratoria cerrada (presión de recuperación elástica). El volumen de relajación es el punto en que se equilibran la recuperación torácica y la recuperación pulmonar. La pendiente de la curva es la distensibilidad de los pulmones y la pared torácica. Las curvas inspiratoria y espiratoria máximas son las presiones de la vía respiratoria que pueden desarrollarse durante los esfuerzos inspiratorios y espiratorios máximos.

CAPÍTULO 35 Función pulmonar 8

597

CUADRO 352 Composición aproximada del factor

Enfisema

surfactante

Volumen pulmonar (L)

7 6

Componente

Normal

Composición porcentual

5

Dipalmitoilfosfatidilcolina

4

Fosfatidilglicerol

5

Otros fosfolípidos

10

Lípidos neutros

13

Fibrosis

3 2 1 0

10 20 30 Presión transpulmonar (cmH2O)

40

FIGURA 3511 Curvas de presión espiratoria estática-volumen de los pulmones en sujetos normales y en individuos con enfisema grave y fibrosis pulmonar. (Modificada con autorización de Pride NB, Macklem PT: Lung mechanics in disease. En: Handbook of Physiology. Section 3, The Respiratory System, Vol III, part 2. Fishman AP [ed.]. American Physiological Society, 1986.)

alternada con solución salina y aire, mientras se mide la presión intrapulmonar. Como la solución salina disminuye la tensión superficial casi a cero, la curva de presión-volumen obtenida con solución salina cuantifica sólo la elasticidad del tejido (fig. 35-12), en tanto la curva obtenida con aire mide tanto la elasticidad del tejido como la tensión superficial. La diferencia entre ambas curvas, la elasticidad debida a la tensión superficial, es mucho más pequeña con volúmenes bajos que altos. La tensión superficial también es mucho menor en comparación con la tensión superficial esperada en una interfase agua-aire de las mismas dimensiones. Solución salina

Volumen (% inflación máxima)

100

Aire

Def

50

Inf

0

10

20

30

40

Presión (cm H2O)

FIGURA 3512 Relaciones presión-volumen en los pulmones de un gato después de retirarlos del cuerpo. Solución salina: los pulmones se inflan y desinflan con solución salina para reducir la tensión superficial, lo cual hace posible medir la elasticidad del tejido. Aire: los pulmones inflados (Inf) y desinflados (Def) con aire permiten medir la elasticidad del tejido y la tensión superficial. (Con autorización de Morgan TE: Pulmonary surfactant. N Engl J Med 1971;284:1185.)

62

Proteínas

8

Carbohidrato

2

FACTOR SURFACTANTE La tensión superficial baja de los alvéolos cuando éstos son pequeños se debe a la presencia de un líquido que los recubre, o factor surfactante, un lípido que reduce la tensión superficial. Dicho factor es una mezcla de dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), otros lípidos y proteínas (cuadro 35-2). Si la tensión superficial no se mantiene baja cuando los alvéolos se reducen de tamaño durante la espiración, éstos se colapsan según indica la ley de Laplace. En las estructuras esféricas, como los alvéolos, la presión de distensión es igual a dos veces la tensión dividida entre el radio (P = 2T/r); si T no disminuye conforme r lo hace, la tensión rebasa la presión de distensión. El factor surfactante también ayuda a prevenir el edema pulmonar. Se calcula que si no existiera, la tensión superficial sin oposición generaría una fuerza de 20 mmHg a favor de la trasudación de líquido de la sangre a los alvéolos. El factor surfactante se produce en las células epiteliales alveolares tipo II (fig. 35-13). Los cuerpos laminares típicos, organelos unidos a la membrana que contienen espirales de fosfolípido, se forman en estas células y se secretan a la luz alveolar mediante exocitosis. Los tubos de lípidos llamados mielina tubular se forman a partir de los cuerpos laminares expulsados y, a su vez, la mielina tubular constituye la película de fosfolípido. Después de su secreción, los fosfolípidos del factor surfactante se alinean en los alvéolos con los extremos de ácido graso hidrófobo hacia la luz alveolar; la tensión superficial preserva una proporción inversa con su concentración por unidad de superficie. Las moléculas de factor surfactante se separan más conforme los alvéolos se agrandan durante la inspiración y la tensión superficial aumenta, pero ésta disminuye si se aproximan en el curso de la espiración. Las células alveolares tipo II captan algunos de los complejos proteína-lípido del factor surfactante por endocitosis y los reciclan. La formación de la película de fosfolípido se facilita mucho con las proteínas que tiene el factor surfactante. Este material presenta cuatro proteínas únicas: proteína surfactante (SP) A, B, C y D (SP-A, SP-B, SP-C y SP-D). La proteína surfactante A es una glucoproteína grande con un dominio similar al de la colágena en su estructura; posee múltiples funciones, incluida la regulación de la captación por retroalimentación del factor surfactante por las células epiteliales alveolares tipo II que lo secretan. La proteína

598

SECCIÓN VII Fisiología respiratoria Espacio aéreo

RECUADRO CLÍNICO 35-2

SF TM

N

Factor surfactante N

LB

Macrófago alveolar CB

Célula tipo II

Golgi N

RER

Célula tipo I Ácidos grasos Colina Glicerol Aminoácidos Otros

FIGURA 3513

Formación y metabolismo del factor surfactante. Los cuerpos laminares (LB) se forman en las células epiteliales tipo II y se secretan por exocitosis al líquido que recubre los alvéolos. El material liberado del cuerpo laminar se convierte en mielina tubular (TM), la cual es la fuente de la película superficial (SF) de fosfolípido. El factor surfactante es captado por los macrófagos alveolares y las células epiteliales tipo II por endocitosis. N, núcleo; RER, retículo endoplásmico rugoso; CB, cuerpo compuesto. (Con autorización de Wright JR: Metabolism and turnover of lung surfactant. Am Rev Respir Dis, 1987;136:426.)

surfactante B y la C son proteínas más pequeñas que facilitan la formación de la película monomolecular de fosfolípido. Hay informes de una mutación en la proteína surfactante C relacionada con la enfermedad pulmonar intersticial familiar. Como la proteína surfactante A, la D es una glucoproteína. Se desconoce su función completa, pero ambas son miembros de la familia proteínica de la colectina, la cual participa en la inmunidad innata en las vías respiratorias de conducción y en los alvéolos. Para conocer otras funciones del factor surfactante, véase el recuadro clínico 35-2.

El factor surfactante es importante al nacer. El feto efectúa movimientos respiratorios en el útero, pero los pulmones permanecen colapsados hasta el nacimiento. Después de nacer, el lactante realiza movimientos inspiratorios fuertes y los pulmones se expanden. El surfactante impide que se colapsen de nuevo. La deficiencia de dicho factor es una causa importante de síndrome de insuficiencia respiratoria infantil (IRDS; también llamado enfermedad por membrana hialina), la enfermedad pulmonar grave que se desarrolla en los lactantes que nacen antes que el sistema de factor surfactante sea funcional. La tensión superficial en los pulmones de estos niños es alta y los alvéolos se colapsan en muchas áreas (atelectasias). Un factor adicional en el síndrome de insuficiencia respiratoria infantil es la retención de líquido en los pulmones. Durante la vida fetal, las células epiteliales pulmonares secretan cloro con líquido. Al nacer, estas células cambian a la absorción de iones sodio mediante conductos epiteliales de sodio (ENaC), y se absorbe líquido con el sodio. La inmadurez prolongada de dichos conductos contribuye a las alteraciones pulmonares en el síndrome de insuficiencia respiratoria infantil. Asimismo, la atelectasia en parches se relaciona con deficiencia de factor surfactante en pacientes que fueron objeto de cirugía cardiaca, durante la cual se haya usado un oxigenador por bomba, con interrupción de la circulación pulmonar. Además, es factible que la deficiencia de factor surfactante participe en algunas de las anomalías que aparecen luego de la oclusión de un bronquio principal, de una arteria pulmonar o por inhalación prolongada de oxígeno al 100%. El tabaquismo también disminuye el factor surfactante pulmonar.

6

Éste lo realizan los músculos respiratorios para estirar los tejidos elásticos de la pared torácica y los pulmones (trabajo elástico, casi 65% del trabajo total), lo cual desplaza los tejidos carentes de elasticidad (resistencia viscosa, 7% del total) así como el aire por las vías respiratorias (resistencia de la vía respiratoria, 28% del total). Como la presión multiplicada por el volumen (g/cm2 × cm3 = g × cm) tiene las mismas dimensiones que el trabajo (fuerza × distancia), el trabajo respiratorio puede calcularse a partir de la curva de presión de relajación (figs. 35-10 y 35-14). El trabajo elástico total necesario para la inspiración se representa por medio del área ABCA en la figura 35-14. Nótese que la curva de presión de relajación del sistema respiratorio total difiere de la de los pulmones solos. El trabajo elástico real requerido para aumentar el volumen de los pulmones solos es el área ABDEA. La magnitud del trabajo elástico requerido para inflar el sistema respiratorio completo es menor comparada con la cantidad necesaria para inflar los pulmones solos porque parte del trabajo deriva de la energía elástica almacenada en el tórax. La energía elástica que se pierde del tórax (área AFGBA) es igual a la ganada por los pulmones (área AEDCA).

Volumen pulmonar (L)

TRABAJO RESPIRATORIO

PW

PL

PTR 4 H G 2

0 –20

B C

F A

D E

0 Presión transmural (cmH2O)

+20

FIGURA 3514 Curvas de presión de relajación en el pulmón. Las curvas de presión de relajación del sistema respiratorio total (PTR), los pulmones (PL) y el tórax (PW) se grafican juntos con volúmenes estándar para capacidad residual funcional y volumen de ventilación pulmonar. La presión transmural corresponde a la presión intrapulmonar menos la presión intrapleural en caso de los pulmones; la presión intrapleural menos la presión exterior (barométrica) en el caso de la pared torácica, y la presión intrapulmonar menos la presión barométrica en el caso del sistema respiratorio total. Con base en estas curvas, es posible obtener el trabajo elástico total y real relacionado con la respiración (véase texto). (Modificada de Mines AH: Respiratory Physiology, 3rd ed. Raven Press, 1993.)

CAPÍTULO 35 Función pulmonar

500

C

599

–10 cmH2O

B

–2.5 cmH2O

Z

100%

Y X

0

–2 A –4 Presión intrapleural (mmHg)

50%

–6

FIGURA 3515 Relaciones entre presión y volumen en la respiración. Representación diagramática de los cambios en la presión y el volumen durante la inspiración (línea AXB) y la espiración (líneas BZA) tranquilas. La línea AYB es la línea de distensibilidad.

La resistencia por fricción al movimiento del aire es relativamente pequeña durante la respiración tranquila, pero genera cambios en la presión intrapleural, los cuales originan variaciones en el volumen pulmonar durante la inspiración y la espiración (fig. 35-6); esto produce una curva de histéresis en lugar de una línea recta cuando se grafica la presión contra el volumen (fig. 35-15). En este diagrama, el área AXBYA representa el trabajo efectuado para vencer la resistencia de la vía respiratoria y la viscosidad pulmonar. Si el flujo del aire se vuelve turbulento durante la respiración rápida, la energía necesaria para desplazar el aire es mayor que cuando el flujo es laminar. Los cálculos del trabajo total de la respiración tranquila varían desde 0.3 a 0.8 kg-m/min. El valor se eleva mucho durante el ejercicio, pero el costo energético de la respiración en personas normales representa menos de 3% del gasto energético total durante el ejercicio. El trabajo respiratorio aumenta mucho en enfermedades, como enfisema, asma e insuficiencia cardiaca congestiva con disnea y ortopnea. Los músculos respiratorios tienen relaciones longitud-tensión como las de los músculos esquelético y cardiaco y, cuando se estiran mucho, se contraen con menor fuerza. Asimismo, ellos pueden fatigarse y fallar (falla de bomba), lo cual causa ventilación inadecuada.

DIFERENCIAS EN LA VENTILACIÓN Y EL FLUJO SANGUÍNEO EN DISTINTAS PARTES DEL PULMÓN En la posición vertical, la ventilación por unidad de volumen es mayor en la base del pulmón que en el vértice. La razón es que al principio de la inspiración, la presión intrapleural es menos negativa en la base que en el vértice (fig. 35-16) y, como la diferencia en la presión intrapulmonar e intrapleural es menor que en el vértice, el pulmón se expande menos. Por el contrario, en el vértice, esta última se halla más expandida; o sea, el porcentaje de volumen pulmonar máximo es mayor. A causa de la rigidez pulmonar, el incremento en el volumen pulmonar por unidad de aumento en la presión es menor si el pulmón está más ex-

+10

0

–10

–20

Volumen pulmonar

Volumen corriente (ml)

Presión intrapleural

0 –30

Presión intrapleural (cmH2O)

FIGURA 3516 Presiones intrapleurales en posición vertical y su efecto en la ventilación. Nótese que como la presión intrapulmonar es la atmosférica, la presión intrapleural más negativa en el vértice mantiene el pulmón en posición más expandida al inicio de la inspiración. Los aumentos adicionales en el volumen por unidad de incremento en la presión intrapleural son más pequeños que en la base porque el pulmón expandido es más rígido. (Con autorización de West JB: Ventilation/ Blood Flow and Gas Exchange, 3rd ed. Blackwell, 1977.)

pandido al principio y, por consiguiente, la ventilación es mayor en la base. El flujo sanguíneo también es más alto en la base, comparado con el del vértice. El cambio relativo en el flujo sanguíneo desde el vértice a la base es mayor que el cambio relativo en la ventilación; por ello, la proporción ventilación/perfusión es baja en la base y alta en el vértice. Las diferencias en la ventilación y la perfusión entre el vértice y la base de los pulmones casi siempre se atribuyen a la gravedad; tienden a desaparecer en posición supina y se esperaría que el peso de los pulmones hiciera que la presión intrapleural fuera menor en la base en posición vertical. Sin embargo, se encontró que las desigualdades de la ventilación y el flujo sanguíneo en los seres humanos persisten en gran medida en el ambiente sin peso del espacio. Por tanto, hay otros factores que influyen en la generación de estas diferencias.

ESPACIO MUERTO Y VENTILACIÓN DESIGUAL Como el intercambio gaseoso en el sistema respiratorio ocurre sólo en las porciones terminales de las vías respiratorias, el gas que ocupa el resto del sistema no está disponible para el intercambio gaseoso con la sangre capilar pulmonar. En condiciones normales, el volumen (en mililitros) de este espacio muerto anatómico es casi igual al peso corporal en libras. Por ejemplo, en un varón que pesa 150 libras (68 kg), sólo los primeros 350 ml de los 500 ml inspirados en cada respiración en reposo se mezcla con el aire de los alvéolos. Por el contrario, con cada espiración, los primeros 150 ml espirados representan el gas que ocupaba el espacio muerto y sólo los últimos 350 ml corresponden al gas de los alvéolos. Por consiguiente, la ventilación alveolar; o sea, la cantidad de aire que llega a los alvéolos cada minuto es menor

600

SECCIÓN VII Fisiología respiratoria

CUADRO 353 Efecto de las variaciones en la frecuencia y la profundidad respiratorias en la ventilación alveolar Frecuencia respiratoria

30/min

10/min

Volumen de ventilación pulmonar

200 ml

600 ml

Volumen por minuto

6L

6L

Ventilación alveolar

(200 – 150) 30 = 1 500 ml

(600 – 150) 10 = 4 500 ml

al volumen respiratorio por minuto. Nótese también que a causa del espacio muerto, la respiración rápida superficial produce ventilación alveolar mucho menor en comparación con la respiración lenta y profunda con el mismo volumen respiratorio por minuto (cuadro 35-3). Es importante distinguir entre el espacio muerto anatómico (volumen del sistema respiratorio con excepción de los alvéolos) y el espacio muerto total (fisiológico) (volumen de gas que no se equilibra con la sangre; o sea, ventilación desperdiciada). En los individuos sanos, los dos espacios muertos son idénticos y pueden calcularse con el peso corporal. Sin embargo, en algunas enfermedades no hay intercambio entre el gas de algunos alvéolos y la sangre, además que una cantidad de alvéolos está demasiado ventilada. El volumen de gas en los alvéolos sin perfusión y cualquier volumen de aire en los alvéolos mayor del necesario para convertir la sangre en sangre arterial en los capilares pulmonares son parte del volumen gaseoso del espacio muerto (sin equilibrio gaseoso). El espacio muerto anatómico es susceptible de medirse mediante el análisis de las curvas de nitrógeno en una sola respiración (fig. 35-17). A partir de la inspiración media, el sujeto realiza la respiración más profunda posible de oxígeno puro y luego espira de manera constante mientras se mide continuamente el contenido de nitrógeno en el gas espirado. El gas espirado inicial (fase I) corresponde al que llenaba el espacio muerto y, por consiguiente, no contiene nitrógeno. Luego sigue una mezcla del gas del espacio muerto y el alveolar (fase II) y al final el gas alveolar (fase III). El volumen del espacio muerto es la cantidad del gas espirado desde la inspiración máxima a la parte media de la fase II.

Concentración de N2 (%)

6

0

Volumen pulmonar (L)

30

El término Pico2 × VD es tan pequeño que puede ignorarse y la ecuación se resuelve para el volumen del espacio muerto. Si por ejemplo, Peco2 = 28 mmHg Paco2 = 40 mmHg VT = 500 ml, entonces VD = 150 ml La ecuación también puede usarse para medir el espacio muerto anatómico si se sustituye la Paco2 por la Pco2 alveolar (Paco2), que es la Pco2 de los últimos 10 ml de gas espirado. La Pco2 es un promedio del gas de distintos alvéolos en proporción con su ventilación, sin importar si tienen perfusión. Esto contrasta con la Paco2, que es el gas equilibrado sólo en los alvéolos con perfusión y, por consiguiente, en personas con alvéolos sin perfusión es mayor que la presión parcial de dióxido de carbono.

INTERCAMBIO GASEOSO EN LOS PULMONES

II I DS

Peco2 × VT = Paco2 × (VT – VD) + Pico2 × VD

IV

III

0

La fase III de la curva de nitrógeno en una sola respiración termina con el volumen de cierre (CV) y va seguida por la fase IV, durante la cual aumenta el contenido de nitrógeno en el gas espirado. El volumen de cierre es el volumen pulmonar sobre el volumen residual en el cual las vías respiratorias de las partes inferiores de los pulmones empiezan a cerrarse por la presión transmural menor en estas regiones. El gas en las porciones superiores de los pulmones es más rico en nitrógeno comparado con el gas en las regiones inferiores, en declive, porque los alvéolos de las partes superiores se hallan más distendidos al principio de la inspiración de oxígeno y, por ende, el nitrógeno que hay en ellos se encuentra menos diluido con oxígeno. Cabe señalar que en la mayoría de las personas normales, la fase III presenta una ligera pendiente positiva, incluso antes de llegar a la fase IV. Esto indica que incluso durante la fase III, hay un aumento gradual en la proporción de gas espirado, la cual proviene de las porciones superiores de los pulmones, relativamente ricas en nitrógeno. El espacio muerto total puede calcularse a partir de la Pco2 del aire espirado, la Pco2 de sangre arterial y el volumen de ventilación pulmonar. El volumen de ventilación pulmonar (VT) multiplicado por la Pco2 del gas espirado (Peco2) es igual a la Pco2 arterial (Paco2) multiplicada por la diferencia entre el volumen de ventilación pulmonar y el espacio muerto (VD) más la Pco2 del aire inspirado (Pico2) multiplicada por el volumen del espacio muerto (ecuación de Bohr):

CV

RV

MUESTREO DE AIRE ALVEOLAR

FIGURA 3517 Curva de respiración individual de nitrógeno (N2). A partir de la inspiración media, el sujeto hace una respiración profunda de oxígeno puro, luego espira de manera constante. Se muestran los cambios en la concentración de nitrógeno en el gas espirado, con las diversas fases de la curva indicadas por números romanos. Es notable que la región I es representativa del espacio muerto (DS); las fases I a III constituyen una mezcla de espacio muerto y gas alveolar; la transición de III a IV es el volumen de cierre (CV) y el final de IV es el volumen residual (RV).

En teoría, todo salvo los primeros 150 ml espirados de un varón sano que pesa 150 libras (68 kg) (o sea, el espacio muerto) de cada espiración es el gas que se encontraba en los alvéolos (aire alveolar), pero siempre ocurre cierta mezcla en la interfase entre el gas del espacio muerto y el aire alveolar (fig. 35-17). Por tanto, un porcentaje ulterior del gas espirado es la porción que se toma para el análisis. Con los aparatos modernos, los cuales

CAPÍTULO 35 Función pulmonar Gas espirado

O2 158.0 CO2 0.3 H2O 5.7 N2 596.0

O2 116.0 CO2 32.0 H2O 47.0 N2 565.0

Espacio muerto Alvéolos Hemicardio derecho

O2 CO2 H2O N2

100.0 40.0 47.0 573.0

O2 40.0 CO2 46.0 Venas H2O 47.0 N2 573.0 Capilares

Derivación fisiológica Hemicardio izquierdo 95.0 O2 CO 2 40.0 Arterias H2O 47.0 N2 573.0

40.0– O2 CO2 46.0+ H2O 47.0 N2 573.0 Tejidos

FIGURA 3518 Presiones parciales de los gases (mmHg) en varias partes del aparato respiratorio y en el sistema circulatorio. poseen una válvula automática adecuada, es posible recolectar los últimos 10 ml espirados durante la respiración tranquila. En la figura 35-18, se compara la composición del gas alveolar con la del aire inspirado y espirado. La Pao2 también puede calcularse a partir de la ecuación de gas alveolar: 1 – FIO2 R

(

(

PAO2 = PIO2 – PACO2 FIO2 +

donde Fio2 es la fracción de moléculas de oxígeno en el gas seco, Pio2 es la Po2 inspirada y R es el índice de intercambio respiratorio; o sea, el flujo de moléculas de dióxido de carbono a través de la membrana alveolar por minuto dividido por el flujo de moléculas de oxígeno a través de la membrana por minuto.

COMPOSICIÓN DEL AIRE ALVEOLAR El oxígeno difunde de manera continua desde el gas en los alvéolos hacia la sangre; asimismo, el dióxido de carbono difunde de modo constante desde la sangre a los alvéolos. En el estado estable, el aire inspirado se mezcla con el gas alveolar, con lo cual se repone el oxígeno que entró en la sangre y se diluye el dióxido de carbono que ingresó a los alvéolos. Parte de esta mezcla se espira. El contenido de oxígeno del gas alveolar cae y su contenido de dióxido de carbono se eleva hasta la siguiente inspiración. Como el volumen del gas en los alvéolos es cercano a 2 L al final de la espiración (capacidad funcional residual), cada incremento de 350 ml en el aire inspirado y espirado tiene un efecto relativamente pequeño en la Po2 y la Pco2. De hecho, la composición del gas alveolar se mantiene bastante constante, no sólo en reposo sino también en diversas situaciones más.

DIFUSIÓN A TRAVÉS DE LA MEMBRANA ALVEOLOCAPILAR Los gases difunden de los alvéolos a la sangre en los capilares pulmonares o viceversa a través de la delgada membrana alveolocapilar formada por el epitelio pulmonar, el endotelio capilar y sus membranas basales fusionadas (fig. 35-3). El que las sustancias que pasan de los alvéolos a la sangre capilar alcancen un equilibrio en los 0.75 s que tarda la sangre en atravesar los capilares pulmonares en reposo, depende de su reacción con sustancias en la sangre. Por ejemplo, el gas anestésico óxido nitroso (N2O) no reacciona y alcanza el equilibrio en cerca de 0.1 s (fig. 35-19). En esta situación, la cantidad de óxido nitroso captada no se limita por la difusión, sino por la cantidad de sangre que fluye por los capilares pulmonares; o sea, aquélla está limitada por el flujo. Por otro lado, el monóxido de carbono (CO) se une con la hemoglobina de los eritrocitos a una velocidad tan alta que la presión parcial de dicho gas en los capilares se conserva muy baja y no se llega al equilibrio en los 0.75 s que permanece la sangre en los capilares pulmonares. Por tanto, la transferencia de monóxido de carbono no está mermada por la perfusión en reposo, sino que se encuentra limitada por la difusión. El oxígeno tiene un comportamiento intermedio entre el óxido nitroso y el monóxido de carbono; la hemoglobina capta el oxígeno, pero con mucho menor avidez que el monóxido de carbono, y consigue el equilibrio con la sangre capilar en cerca de 0.3 s. Por ende, su captación está limitada por la perfusión. La capacidad de difusión de los pulmones para un gas determinado es directamente proporcional a la superficie de la membrana alveolocapilar e inversamente proporcional a su grosor. La capacidad de difusión del monóxido de carbono (Dlco) se mide como un índice de la capacidad de difusión porque la captación de este gas está limitada por la difusión. La Dlco es proporcional a la cantidad de monóxido de carbono que ingresa a la sangre (Vco) dividida por la presión parcial de este gas en

Nivel alveolar

N2O Presión parcial

Aire inspirado

601

O2

CO

0

0.25

0.50

0.75

Tiempo en el capilar (s)

FIGURA 3519 Captación de varias sustancias durante los 0.75 s que tarda el tránsito por un capilar pulmonar. El óxido nitroso (N2O) no está unido en la sangre, por lo cual su presión parcial en sangre se eleva con rapidez hasta su presión parcial en los alvéolos. Por el contrario, los eritrocitos captan el monóxido de carbono (CO) con avidez, por lo que su presión parcial alcanza sólo una fracción de su presión parcial en los alvéolos. El oxígeno es intermedio entre ambos.

602

SECCIÓN VII Fisiología respiratoria

los alvéolos menos la presión parcial del mismo en la sangre que entra en los capilares pulmonares. Salvo por los fumadores habituales, este último término es cercano a cero, por lo cual puede ignorarse y la ecuación es: •

DLCO =

VCO PACO

El valor normal de la capacidad de difusión del monóxido de carbono en reposo es de 25 ml/min/mmHg. Ésta aumenta hasta el triple durante el ejercicio por la dilatación capilar y un incremento en el número de capilares activos. La Po2 normal del aire alveolar es 100 mmHg (fig. 35-18) y la Po2 de la sangre que ingresa a los capilares pulmonares es de 40 mmHg. La capacidad de difusión para el oxígeno, como la del monóxido de carbono en reposo, es cercana a 25 ml/min/ mmHg y la Po2 sanguínea se eleva a 97 mmHg, un valor apenas mayor que la Po2 alveolar. Esta cifra disminuye a 95 mmHg en la aorta por la derivación fisiológica. La capacidad de difusión del oxígeno (Dlo2) aumenta a 65 ml/min/mmHg o más durante el ejercicio y se reduce en enfermedades, como sarcoidosis e intoxicación por berilio (beriliosis) que producen fibrosis de las paredes alveolares. La Pco2 de la sangre venosa es de 46 mmHg, mientras la del aire alveolar corresponde a 40 mmHg, y el dióxido de carbono difunde desde la sangre a los alvéolos a favor de este gradiente. La Pco2 de la sangre que sale de los pulmones es de 40 mmHg. El dióxido de carbono pasa por todas las membranas biológicas con facilidad y la capacidad de difusión pulmonar para este gas es mucho mayor que la capacidad para el oxígeno. Por esta razón, la retención de dióxido de carbono rara vez constituye un problema en pacientes con fibrosis alveolar, incluso con disminución grave en la capacidad para la difusión de oxígeno.

CIRCULACIÓN PULMONAR VASOS SANGUÍNEOS PULMONARES El lecho vascular pulmonar se parece al sistémico, excepto que las paredes de la arteria pulmonar y sus ramas grandes tienen 30% del grosor de la pared aórtica, y que los vasos arteriales pequeños, a diferencia de las arteriolas sistémicas, son tubos endoteliales con relativamente poco músculo en sus paredes. Las paredes de los vasos poscapilares también presentan algo de músculo liso. Los capilares pulmonares son grandes y poseen múltiples anastomosis, por lo cual cada alvéolo está asentado en una canasta capilar.

PRESIÓN, VOLUMEN Y FLUJO Con dos excepciones cuantitativamente menores, la sangre que expulsa el ventrículo izquierdo regresa a la aurícula derecha y la expulsa el ventrículo derecho, lo cual hace que la vasculatura pulmonar sea única porque recibe un flujo sanguíneo casi igual al de todos los demás órganos del cuerpo. Una de las excepciones corresponde a una parte del flujo sanguíneo bronquial. Como se muestra en la figura 35-5, existen anastomosis entre los capilares bronquiales, así como entre los capilares y las venas pulmonares; aunque parte de la sangre bronquial ingresa a las venas bronquiales, otra parte entra en capilares y venas pulmonares;

esto evita el paso por el ventrículo derecho. La otra excepción es la sangre que fluye de las arterias coronarias a las cavidades izquierdas del corazón. A causa de la pequeña derivación fisiológica creada por estas dos excepciones, la sangre de las arterias sistémicas tiene una Po2 unos 2 mmHg menor comparada con la de la sangre que se equilibró con el aire alveolar; además, la saturación de hemoglobina es 0.5% menor. En la figura 35-4, se muestra la presión de las diversas partes de la porción pulmonar de la circulación de los pulmones. El gradiente de presión en el sistema pulmonar es cercano a 7 mmHg, comparado con el gradiente de casi 90 mmHg en la circulación sistémica. La presión capilar pulmonar es de 10 mmHg, mientras la presión oncótica es de 25 mmHg; por ello, un gradiente de presión de unos 15 mmHg dirigido al interior mantiene los alvéolos libres de todo líquido, salvo una delgada película. Cuando la presión capilar pulmonar es mayor de 25 mmHg, como ocurriría por ejemplo en la “insuficiencia retrógrada” del ventrículo izquierdo, se producen congestión y edema pulmonar. El volumen de sangre en los vasos pulmonares en cualquier momento determinado es cercano a 1 L, del cual menos de 100 ml se encuentran en los capilares. La velocidad promedio de la sangre en la raíz de la arteria pulmonar es la misma que en la aorta (unos 40 cm/s). Aquélla disminuye con rapidez, luego se eleva un poco de nuevo en las venas pulmonares más grandes. Un eritrocito tarda 0.75 s para atravesar los capilares pulmonares en reposo y 0.3 s o menos durante el ejercicio.

EFECTO DE LA GRAVEDAD La gravedad tiene un efecto relativamente marcado en la circulación pulmonar. En posición vertical, las porciones superiores de los pulmones están por arriba del nivel del corazón y las bases se hallan al nivel o por debajo de éste. Por consiguiente, en la parte superior de los pulmones el flujo sanguíneo es menor, los alvéolos son más grandes y la ventilación es más reducida que en la base (fig. 35-20). La presión en los capilares de la parte superior de los pulmones es cercana a la presión atmosférica en los alvéolos. En situaciones normales, la presión arterial pulmonar es apenas suficiente para mantener la perfusión, pero si se reduce o la presión alveolar aumenta, algunos de los capilares se colapsan. En estas circunstancias, no hay intercambio gaseoso en los alvéolos afectados y se convierten en parte del espacio muerto fisiológico. En las porciones intermedias de los pulmones, la presión arterial pulmonar y la presión capilar rebasan la presión alveolar, pero la presión de las vénulas pulmonares podría ser menor que la presión alveolar durante la espiración normal, por lo cual aquéllas se colapsan. En estas circunstancias, el flujo sanguíneo depende de la diferencia de presión entre la arteria pulmonar y los alvéolos, y no de la diferencia entre arteria pulmonar y vena pulmonar. Más allá de la constricción, la sangre “cae” en las venas pulmonares, las cuales son elásticas y captan cualquier cantidad de sangre que la constricción permite llegar. A esto se le llama efecto en cascada. Es obvio que la compresión de los vasos generada por la presión alveolar disminuye y el flujo sanguíneo pulmonar aumenta conforme la presión arterial se incrementa hacia la base de los pulmones. En las porciones inferiores de estos últimos, la presión alveolar es menor que la presión en todas las partes de la circu-

CAPÍTULO 35 Función pulmonar

En el vértice Presión intrapleural más negativa Presión transmural mayor Alvéolos grandes Presión intravascular menor Menor flujo sanguíneo Por tanto, menor ventilación y perfusión

FIGURA 3520 Diagrama de las diferencias normales en la ventilación y la perfusión del pulmón en la posición vertical. Las áreas delineadas representan los cambios en el tamaño alveolar (no es el tamaño real). Se señalan las diferencias características de los alvéolos en el vértice del pulmón. (Modificada de Levitsky, MG: Pulmonary Physiology, 6th ed. McGraw-Hill, 2003.)

lación pulmonar, y el flujo sanguíneo depende de la diferencia arteriovenosa en la presión. En el recuadro clínico 35-3, se presentan ejemplos de las enfermedades que afectan la circulación pulmonar.

ÍNDICES DE VENTILACIÓN:PERFUSIÓN La proporción entre la ventilación pulmonar y el flujo sanguíneo pulmonar para el pulmón completo en reposo, se aproxima a 0.8 (4.2 L/min de ventilación dividida por 5.5 L/min de flujo sanguíneo). Sin embargo, hay diferencias relativamente marcadas en este índice de ventilación:perfusión en varias partes del pulmón normal como resultado del efecto de la gravedad, y en la enfermedad es frecuente que haya cambios locales en el índice de ventilación:perfusión. Si la ventilación en un alvéolo disminuye con respecto a su perfusión, la Po2 del mismo cae porque recibe menos oxígeno y la Pco2 se eleva porque espira menos dióxido de carbono. Por el contrario, si la perfusión se reduce con respecto a la ventilación, la Pco2 se desploma porque llega menos dióxido de carbono y la Po2 se eleva a causa de la entrada disminuida de oxígeno en la sangre. Estos efectos se resumen en la figura 35-21. Como se explicó antes, la ventilación y la perfusión en posición vertical disminuyen de modo lineal desde las bases a los vértices pulmonares. Sin embargo, los índices de ventilación:perfusión son altos en las porciones altas de los pulmones. Cuando es diseminada, la discrepancia entre ventilación y perfusión en los pulmones puede causar retención de dióxido de carbono y descenso de la Po2 arterial sistémica.

RESERVORIO PULMONAR Por su distensibilidad, las venas pulmonares constituyen un reservorio sanguíneo importante. Cuando una persona normal se

603

RECUADRO CLÍNICO 35-3 Enfermedades que afectan la circulación pulmonar Hipertensión pulmonar La hipertensión pulmonar primaria puede surgir a cualquier edad. Como la hipertensión arterial sistémica, es un síndrome con múltiples causas. Sin embargo, éstas son distintas de las que generan hipertensión sistémica e incluyen hipoxia; inhalación de cocaína; tratamiento con dexfenfluramina y fármacos relacionados supresores del apetito que aumentan la serotonina extracelular, y lupus eritematoso sistémico. Algunos casos son familiares y parecen relacionarse con mutaciones que aumentan la sensibilidad de los vasos pulmonares a los factores de crecimiento o que causan deformaciones en el sistema vascular pulmonar. Todos estos trastornos incrementan la resistencia vascular pulmonar. Si no se inicia el tratamiento apropiado, al final el incremento de la poscarga ventricular derecha conduce a la insuficiencia cardiaca derecha y la muerte. Es eficaz el tratamiento con vasodilatadores, como prostaciclina y análogos de la prostaciclina. Hasta hace poco, éstos debían proporcionarse por medio de infusión intravenosa continua, pero ya existen preparaciones en aerosol que parecen ser útiles.

Embolia pulmonar Una de las funciones pulmonares es filtrar los pequeños coágulos, lo cual ocurre sin síntoma alguno. Cuando un émbolo bloquea ramas más grandes de la arteria pulmonar, se produce un aumento de la presión arterial pulmonar, con respiración rápida y superficial (taquipnea). El incremento de la presión arterial pulmonar puede ser resultado de la vasoconstricción refleja por las fibras nerviosas simpáticas, pero parece que no hay vasoconstricción refleja cuando se bloquean las ramas grandes de la arteria pulmonar. La taquipnea es una respuesta refleja a la activación de los receptores pulmonares inervados por el vago cercanos a las paredes vasculares. En apariencia, éstos se activan en el sitio de la embolia.

acuesta, el volumen sanguíneo pulmonar aumenta hasta 400 ml; si ésta se pone de pie, dicha sangre se descarga a la circulación general. Este cambio es la causa del descenso en la capacidad vital en la posición supina y explica la ortopnea en la insuficiencia cardiaca.

REGULACIÓN DEL FLUJO SANGUÍNEO PULMONAR Aún no se establece si las venas pulmonares y las arterias pulmonares se regulan por separado, aunque la constricción de las venas aumenta la presión capilar pulmonar y la constricción de las arterias pulmonares eleva la carga al lado derecho del corazón. El flujo sanguíneo pulmonar se modifica por factores activos y pasivos. Los vasos pulmonares tienen una inervación autonómi-

604

SECCIÓN VII Fisiología respiratoria

en las arterias y las venas pulmonares O

A Normal •

VA/Q descendente

VA/Q ascendente

0

Subtipo

Respuesta

Dependencia de endotelio

α1

Contracción

No

α2

Relajación

Sí

β2

Relajación

Sí

Muscarínico

M3

Relajación

Sí

Purinérgico

P2x

Contracción

No

P2y

Relajación

Sí

NK1

Relajación

Sí

NK2

Contracción

No

VIP

?

Relajación

?

CGRP

?

Relajación

No

A1

Contracción

No

A2

Relajación

No

Angiotensina II

AT1

Contracción

No

ANP

ANPA

Relajación

No

ANPB

Relajación

No

B1 ?

Relajación

Sí

B2

Relajación

Sí

ETA

Contracción

No

ETB

Relajación

Sí

H1

Relajación

Sí

H2

Relajación

No

5-HT1

Contracción

No

5-HT1C

Relajación

Sí

Tromboxano

TP

Contracción

No

Vasopresina

V1

Relajación

Sí

Receptor

•

50

•

_ V

•

PCO2 (mmHg)

CUADRO 354 Receptores que afectan el músculo liso

50

100

Autónomo 150 Adrenérgico

PO2 (mmHg)

FIGURA 3521

Efectos de .la disminución o el aumento en el . índice ventilación/perfusión (VA/Q) en las presiones parciales de dióxido de carbono (PCO2) y de oxígeno (PO2) en un alvéolo. Los dibujos sobre la curva representan un alvéolo y un capilar pulmonar; las áreas en color rojo oscuro indican los sitios de bloqueo. Con la obstrucción completa del alvéolo, la PCO2 y la PO2 se aproximan a – los valores de la sangre venosa mixta (V ). Con el bloqueo completo de la perfusión, la PCO2 y la PO2 se aproximan a los valores del aire inspirado. (Con autorización de West JB: Ventilation/Blood Flow and Gas Exchange, 3rd ed. Blackwell, 1977.)

ca extensa, y la estimulación de los ganglios simpáticos cervicales reduce el flujo sanguíneo pulmonar hasta 30%. Los vasos también reaccionan a los agentes humorales circulantes. En el cuadro 35-4, se resumen varios de los receptores implicados y su efecto en el músculo liso pulmonar. Muchas de las respuestas dilatadoras dependen del endotelio y se supone que éstas operan mediante la liberación de óxido nítrico (NO). Los factores pasivos, como el gasto cardiaco y las fuerzas gravitacionales, también tienen efectos importantes en el flujo sanguíneo pulmonar. Los ajustes locales de perfusión a ventilación dependen de los efectos locales del oxígeno (o la falta del mismo). Con el ejercicio, el gasto cardiaco se incrementa y la presión arterial pulmonar se eleva de manera proporcional, con poca o ninguna vasodilatación. Más eritrocitos pasan por los pulmones sin reducción alguna en la saturación de oxígeno de la hemoglobina que contienen; por consiguiente, la cantidad total de oxígeno aportada a la circulación general aumenta. Los capilares se dilatan y se “reclutan” capilares que antes tenían poca perfusión para que transporten sangre. El efecto neto es un aumento marcado en el flujo sanguíneo pulmonar con pocas alteraciones, si acaso las hay, en las señales autonómicas a los vasos pulmonares. Cuando se obstruye un bronquio o un bronquiolo, aparece hipoxia en los alvéolos hipoventilados distales a la obstrucción. Parece que la deficiencia de oxígeno actúa de manera directa sobre el músculo liso vascular en el área para generar constricción, lo cual desvía la sangre lejos del área hipóxica. La acumulación de dióxido de carbono causa decremento del pH en la región, y el descenso del pH también origina vasoconstricción pulmonar, a diferencia de la vasodilatación que causa en otros tejidos. Por el contrario, la reducción del flujo sanguíneo en una región pulmonar disminuye la Pco2 del área y esto induce constricción de los bronquios que llegan a ella, lo cual desvía la ventilación lejos de la zona con hipoperfusión. Asimismo, la hipoxia sistémica genera constricción de las arteriolas pulmonares, con aumento subsiguiente de la presión arterial pulmonar.

Taquicinina

Humorales Adenosina

Bradicinina

Endotelina

Histamina

5-HT

VIP, péptido intestinal vasoactivo; CGRP, péptido relacionado con el gen de la calcitonina; ANP, péptido natriurético auricular; 5-HT, 5-hidroxitriptamina. Modificado con autorización a partir de Barnes PJ, Lin SF: Regulation of pulmonary vascular tone. Pharmacol Rev 1995;47:88.

CAPÍTULO 35 Función pulmonar

OTRAS FUNCIONES DEL SISTEMA RESPIRATORIO MECANISMOS PULMONARES DE DEFENSA Las vías respiratorias que van desde el exterior hasta los alvéolos hacen más que sólo servir como conductos de gas. Humectan y enfrían o entibian el aire inspirado para que incluso el aire muy frío o muy caliente esté a la temperatura corporal o cerca de ella para cuando llega a los alvéolos. Las células epiteliales de las vías respiratorias pueden secretar diversas moléculas que ayudan a la defensa pulmonar. Las células epiteliales de las vías respiratorias secretan inmunoglobulinas (IgA), colectinas (incluidos los surfactantes A y D), defensinas y otros péptidos y proteasas, así como especies reactivas de oxígeno y de nitrógeno. Estas secreciones actúan de manera directa como antimicrobianos para ayudar a mantener la vía respiratoria libre de infección. Las células epiteliales de la vía respiratoria también secretan varias quimiocinas y citocinas que atraen células inmunitarias y de otro tipo al sitio de las infecciones. Hay varios mecanismos para prevenir que las materias extrañas lleguen a los alvéolos. Los pelos de las cavidades nasales detienen muchas partículas con diámetro mayor de 10 μm. La mayoría de las partículas restantes de este tamaño se asienta en las mucosas de nariz y faringe; a causa de su impulso, no siguen la corriente de aire cuando se desvía hacia abajo a los pulmones y se impactan con las amígdalas y las adenoides (grandes acumulaciones de tejido linfoide con actividad inmunitaria en la parte posterior de la faringe). Las partículas de 2 a 10 μm de diámetro casi siempre caen en las paredes de los bronquios cuando el flujo del aire se torna más lento en las vías más pequeñas. Ahí pueden iniciar la constricción bronquial refleja y la tos. Otra posibilidad es que se expulsen de los pulmones por medio del “transporte mucociliar”. El epitelio de las vías respiratorias desde el tercio anterior de la nariz hasta el principio de los bronquiolos respiratorios es ciliado. Los cilios están bañados con un líquido periciliar que casi siempre bate a frecuencias de 10 a 15 Hz. En la superficie de la capa periciliar y los cilios batientes existe una capa mucosa, una mezcla compleja de proteínas y polisacáridos secretados en células especializadas, glándulas o ambas, en las vías respiratorias de conducción. Esta combinación permite atrapar partículas extrañas (en el moco) y transportarlas fuera de la vía respiratoria (impulsadas por los movimientos ciliares). El mecanismo ciliar es capaz de mover partículas desde los pulmones a una velocidad de al menos 16 mm/min. Cuando la motilidad ciliar es anómala, como ocurre en el tabaquismo, otras situaciones ambientales o deficiencia genética, el transporte de moco es inexistente. Esto puede ocasionar sinusitis crónica, infecciones pulmonares recurrentes y bronquiectasia. Algunos de tales síntomas son evidentes en la fibrosis quística (recuadro clínico 35-4). Los macrófagos alveolares pulmonares constituyen otro elemento importante del sistema de defensa pulmonar. Como otros macrófagos, estas células provienen de la médula ósea. Las partículas menores de 2 μm de diámetro pueden evadir el transporte mucociliar y llegar a los alvéolos. Los macrófagos alveolares pulmonares son células fagocíticas activas e ingieren estas

605

RECUADRO CLÍNICO 35-4 Fibrosis quística Entre los caucásicos, la fibrosis quística es uno de los trastornos genéticos más frecuentes: 5% de la población porta el gen defectuoso, y la enfermedad se presenta en uno de cada 2 000 neonatos. El gen anómalo en la fibrosis quística se ubica en el brazo largo del cromosoma 7 y codifica el regulador de conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR), un conducto de cloro regulado que se sitúa en la membrana apical de varios epitelios secretores y reabsorbentes. El número de mutaciones informadas en el gen CFTR causantes de fibrosis quística es grande y la gravedad del defecto varía según la mutación, pero no es sorprendente en un gen que codifica una proteína tan compleja. La mutación que genera la fibrosis quística más frecuente es la pérdida del residuo de fenilalanina en la posición 508 de la proteína (ΔF508). Esto impide el plegamiento adecuado de la molécula, lo cual reduce los niveles en la membrana. Un resultado de la fibrosis quística es la infección repetida, sobre todo con Pseudomonas aeruginosa, y la destrucción progresiva de los pulmones que al final resulta letal. En este trastorno congénito recesivo, la función de un conducto de cloro, el conducto regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística, disminuye por mutaciones con pérdida de función en el gen que lo codifica. Se esperaría que también estuviera disminuida la reabsorción de sodio, y de hecho lo está en las glándulas sudoríparas. Sin embargo, en los pulmones está aumentada; por ello, el sodio y el agua se desplazan fuera de las vías respiratorias, lo cual deja secreciones espesas y pegajosas. Esto reduce la capa periciliar, situación que inhibe la función del transporte mucociliar, altera el ambiente local y reduce la eficacia de las secreciones antimicrobianas.

pequeñas partículas. También ayudan a procesar los antígenos inhalados para el ataque inmunitario y secretan sustancias que atraen granulocitos a los pulmones, así como a sustancias que estimulan la formación de granulocitos y monocitos en la médula ósea. Cuando los macrófagos alveolares pulmonares ingieren grandes cantidades de sustancias en el humo del tabaco u otros irritantes, también liberan productos lisosómicos hacia el espacio extracelular que causan inflamación.

FUNCIONES METABÓLICAS Y ENDOCRINAS DE LOS PULMONES Además de sus funciones en el intercambio gaseoso, los pulmones tienen varias actividades metabólicas. Generan surfactante para uso local, como se indicó antes. Asimismo, contienen un sistema fibrinolítico que destruye coágulos en los vasos pulmonares. Liberan diversas sustancias que ingresan a la sangre arterial sistémica (cuadro 35-5) y extraen otras sustancias de la sangre venosa sistémica que llegan a ellos por la arteria pulmonar. Las prostaglandinas se retiran de la circulación, pero también se sintetizan en los pulmones y se descargan en la sangre cuando el tejido pulmonar se estira.

606

SECCIÓN VII Fisiología respiratoria

CUADRO 355 Sustancias con actividad biológica metabolizadas en los pulmones

■

Sintetizada y usada en los pulmones Factor surfactante Sintetizada o almacenada y liberada a la sangre

■

Prostaglandinas Histamina Calicreína Eliminada parcialmente de la sangre

■

Prostaglandinas Bradicinina Nucleótidos de adenina

■

Serotonina Noradrenalina

■

Acetilcolina Activada en los pulmones

■

Angiotensina I → angiotensina II ■

Los pulmones también activan una hormona; el decapéptido angiotensina I, el cual carece de actividad biológica, se convierte en el octapéptido angiotensina II, agente presor y estimulante de la aldosterona, en la circulación pulmonar. La reacción ocurre de la misma manera en otros tejidos, pero es muy importante en los pulmones. Existen grandes cantidades de la enzima convertidora de angiotensina, reguladora de esta activación, en la superficie de las células endoteliales de los capilares pulmonares. La enzima convertidora también desactiva la bradicinina. El tiempo de circulación por los capilares pulmonares es menor de 1 s, y aún así 70% de la angiotensina I que llega a los pulmones se convierte en angiotensina II en un solo paso por los capilares. Se identificaron cuatro peptidasas más en la superficie de las células endoteliales pulmonares, pero su participación fisiológica se desconoce. La eliminación de la serotonina y la noradrenalina disminuye las cantidades de sustancias vasoactivas que llegan a la circulación sistémica. No obstante, muchas otras hormonas vasoactivas pasan por los pulmones sin metabolizarse; éstas comprenden adrenalina, dopamina, oxitocina, vasopresina y angiotensina II. Además, las células neuroendocrinas pulmonares secretan varias aminas y polipéptidos.

RESUMEN DEL CAPÍTULO ■

La presión ejercida por cualquier gas en una mezcla de gases se define como presión parcial. Las presiones parciales (P) de los gases en el aire al nivel del mar son las siguientes: Po2, 149 mmHg; Pco2, 0.3 mmHg; Pn2 (incluye otros gases), 564 mmHg.

■

■ ■

El aire entra en el sistema respiratorio por la vía respiratoria superior, luego continúa a las vías respiratorias de conducción y a las que terminan en los alvéolos. En la parte alta del sistema respiratorio, el aire se humecta y entibia. La superficie transversal de las vías respiratorias aumenta de modo gradual en la zona de conducción y luego se incrementa rápidamente en la transición de la zona de conducción a la respiratoria. El epitelio que recubre las vías respiratorias de conducción tiene células ciliadas que atrapan partículas para que no lleguen a la zona respiratoria. El epitelio que recubre los alvéolos consiste en dos tipos celulares: células alveolares tipo I y tipo II. Las primeras son células epiteliales aplanadas que constituyen casi 95% de la superficie alveolar y son el sitio de intercambio gaseoso. Las segundas son células epiteliales cuboides que secretan surfactante y recubren la superficie alveolar. Hay varias mediciones importantes del volumen pulmonar: volumen de ventilación pulmonar, volumen inspiratorio; volumen de reserva espiratoria; capacidad vital forzada (FVC); volumen espiratorio forzado en un segundo (FEV1), volumen respiratorio por minuto y ventilación voluntaria máxima. La distensibilidad pulmonar se refiere a la habilidad de los pulmones para estirarse. Sin embargo, muchos factores normales afectan la distensibilidad pulmonar y están bien representados en una curva completa de presión-volumen. El factor surfactante es una mezcla de lípidos y proteínas presente en el líquido que recubre el epitelio alveolar. Una función importante de dicho factor es aumentar la tensión superficial de los alvéolos para impedir que se desinflen. Tanto la ventilación como la perfusión son mayores en las bases pulmonares y menores en los vértices. La proporción ventilación/ perfusión es menor en la base que en el vértice del pulmón. No todo el aire que entra en la vía respiratoria está disponible para el intercambio gaseoso. Las regiones en las cuales no hay intercambio de gases en la vía respiratoria se llaman “espacio muerto”. Las vías respiratorias de conducción representan el espacio muerto anatómico. El aumento del espacio muerto puede ocurrir como respuesta a alguna enfermedad que afecte el intercambio gaseoso en la zona respiratoria. El gradiente de presión en el sistema circulatorio pulmonar es mucho menor comparado con el de la circulación sistémica. Como la presión capilar pulmonar es mucho menor que la presión oncótica en el plasma, el líquido permanece en este último a su paso por los pulmones. El transporte mucociliar en las vías respiratorias de conducción ayuda a mantener las partículas fuera de la zona respiratoria. Se conocen diversas sustancias biológicas que se metabolizan en los pulmones; éstas incluyen las generadas y que actúan en los pulmones (p. ej., factor surfactante), compuestos liberados o eliminados de la sangre (p. ej., prostaglandinas) y sustancias que se activan a su paso por los pulmones (p. ej., angiotensina II).

PREGUNTAS DE OPCIÓN MÚLTIPLE Para todas las preguntas elija una sola respuesta, a menos que se indique lo contrario. 1. En la cima del Monte Everest, donde la presión barométrica es cercana a 250 mmHg, la presión parcial de oxígeno es A) B) C) D) E)

0.1 mmHg 0.5 mmHg 5 mmHg 50 mmHg 100 mmHg

CAPÍTULO 35 Función pulmonar 2. La capacidad vital forzada es A) la cantidad de aire que normalmente entra en (o sale de) los pulmones en cada respiración B) la cantidad de aire que ingresa a los pulmones, pero no participa en el intercambio gaseoso C) la mayor cantidad de aire espirado después de un esfuerzo espiratorio máximo D) la mayor cantidad de aire que puede desplazarse hacia adentro y afuera de los pulmones en un minuto 3. El volumen de ventilación pulmonar es A) la cantidad de aire que entra en y sale de los pulmones normalmente en cada respiración B) la cantidad de aire que ingresa a los pulmones, pero no participa en el intercambio gaseoso C) la mayor cantidad de aire espirado después de un esfuerzo espiratorio máximo D) la mayor cantidad de aire que puede desplazarse dentro y fuera de los pulmones en un minuto 4. ¿Cuál de los siguientes es el encargado del movimiento del oxígeno desde los alvéolos hacia la sangre en los capilares pulmonares? A) B) C) D) E)

transporte activo filtración transporte activo secundario difusión facilitada difusión pasiva

5. ¿Cuál de los siguientes produce relajación del músculo liso bronquial? A) B) C) D) E)

leucotrienos polipéptido intestinal vasoactivo acetilcolina aire frío dióxido de azufre

607

6. La resistencia de las vías respiratorias A) aumenta cuando los pulmones se extirpan y se inflan con solución salina B) no afecta el trabajo respiratorio C) aumenta en pacientes parapléjicos D) se incrementa en el asma E) constituye 80% del trabajo respiratorio 7. El factor surfactante que recubre los alvéolos A) B) C) D)

ayuda a prevenir el colapso pulmonar se produce en las células alveolares tipo I y se secreta al alvéolo aumenta en los pulmones de quienes fuman intensamente es un complejo glucolipídico

RECURSOS DEL CAPÍTULO Barnes PJ: Chronic obstructive pulmonary disease. N Engl J Med 2000; 343:269. Budhiraja R, Tudor RM, Hassoun PM: Endothelial dysfunction in pulmonary hypertension. Circulation 2004;88:159. Crystal RG, West JB (editors): The Lung: Scientific Foundations, 2nd ed. Raven Press, 1997. Fishman AP, et al (editors): Fishman’s Pulmonary Diseases and Disorders, 4th ed. McGraw-Hill, 2008. Levitzky MG: Pulmonary Physiology, 7th ed. McGraw-Hill, 2007. Prisk GK, Paiva M, West JB (editors): Gravity and the Lung: Lessons from Micrography. Marcel Dekker, 2001. West JB: Pulmonary Pathophysiology, 5th ed. McGraw-Hill, 1995. Wright JR: Immunoregulatory functions of surfactant proteins. Nat Rev Immunol 2005;5:58.