Relationship Between Ventilation and Perfusion PDF

RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN CÓMO LAS RELACIONES ENTRE EL AIRE Y LA SANGRE DETERMINAN EL INTERCAMBIO DE GASES • Transporte de oxígeno desde el aire a los tejidos • Hipoventilación • Limitación de la difusión • Cortocircuito • Cociente ventilación-perfusión • Efecto de la alteración del co...

RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN CÓMO LAS RELACIONES ENTRE EL AIRE Y LA SANGRE DETERMINAN EL INTERCAMBIO DE GASES • Transporte de oxígeno desde el aire a los tejidos • Hipoventilación • Limitación de la difusión • Cortocircuito • Cociente ventilación-perfusión • Efecto de la alteración del cociente ventilación-perfusión de una unidad pulmonar • Intercambio regional de gases en el pulmón • Efecto del desequilibrio ventilación-perfusión en el intercambio global de gases • Distribuciones de los cocientes ventilación-perfusión • Desequilibrio ventilación-perfusión como causa de retención de CO2 • Medición del desequilibrio ventilación-perfusión 5 E ste capítulo está dedicado a la principal función de los pulmones, es decir, el intercambio de gases. En primer lugar, se considera un pulmón ideal teórico. A continuación, se revisarán tres mecanismos de hipoxemia: hipoventilación, limitación de la difusión y cortocircuito. Posteriormente, se presenta el difícil concepto de desequilibrio ventilación-perfusión y, para ilustrarlo, se describen las diferencias regionales de intercambio de gases en el pulmón humano en posición vertical. Examinaremos luego cómo el desequilibrio ventilación-perfusión altera el intercambio global de los gases. Se hace hincapié en que esto sucede así no sólo para el oxígeno, sino también para el dióxido de carbono. Se comentarán brevemente, a continuación, los métodos para medir el desequilibrio ventilación-perfusión. 63 64 CAPÍTULO 5 Hasta aquí, hemos considerado el desplazamiento del aire hacia y desde la membrana alveolocapilar, la difusión de gases a través de ella, y el desplazamiento de sangre hacia y desde la membrana. Sería natural suponer que, si todos estos procesos fueran adecuados, estaría asegurado un intercambio de gases normal en los pulmones. Desgraciadamente, no sucede así, porque el ajuste entre la ventilación y el flujo sanguíneo en varias regiones pulmonares es esencial para que se produzca un intercambio de gases adecuado. Realmente, el desequilibrio entre la ventilación y el flujo sanguíneo es responsable de la mayor parte del intercambio de gases defectuoso en las enfermedades pulmonares. Después de realizar un análisis preliminar de la transferencia normal de O2, examinaremos las principales razones por las cuales las personas presentan hipoxemia, es decir, una Po2 anormalmente baja en la sangre arterial. A continuación consideraremos tres causas relativamente simples de deterioro del intercambio de gases: hipoventilación, limitación de la difusión y cortocircuito, y luego analizaremos en mayor detalle el tema importante (pero difícil) de cómo las relaciones entre la ventilación y el flujo sanguíneo determinan el intercambio de gases. TRANSPORTE DE OXÍGENO DESDE EL AIRE A LOS TEJIDOS La figura 5-1 muestra cómo la Po2 desciende cuando el aire se desplaza de la atmósfera en la que vivimos a las mitocondrias, donde se utiliza. La Po2 del aire es de un 20,93 % de la presión total del aire seco (p. ej., excluyendo el vapor de agua). A nivel del mar, la presión atmosférica es de 760 mm Hg, y a la temperatura cor- 150 PO 2 mm Hg Aire Pulmones y sangre 100 Perfecta 50 Hipoventilación Tejidos 0 Atmósfera Mitocondrias Figura 5-1. Esquema de las presiones parciales de O2 desde el aire a los tejidos. La línea continua muestra una situación perfecta hipotética, y la línea discontinua indica hipoventilación. La hipoventilación disminuye la PO2 en el aire alveolar y, por lo tanto, en los tejidos. RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN 65 poral de 37 °C, la presión del vapor de agua del aire húmedo inspirado (que está totalmente saturado con vapor de agua) es de 47 mm Hg. Así, la Po2 del aire inspirado es de (20,93/100) × (760 – 47), o 149 mm Hg (150, redondeando). En la figura 5-1, se representa un pulmón perfecto hipotético, y muestra que en el momento en que el O2 ha llegado a los alvéolos, la Po2 ha descendido aproximadamente a 100 mm Hg es decir, un tercio. Esto es así porque la Po2 del aire alveolar está determinada por un equilibrio entre dos procesos: por un lado, la retirada del O2 por la sangre capilar pulmonar y, por otro, su continua reposición por la ventilación alveolar. (Estrictamente, la ventilación alveolar no es continua, sino respiración a respiración. Sin embargo, la fluctuación de la Po2 alveolar con cada respiración es sólo de unos 3 mm Hg, porque el volumen corriente es pequeño, en comparación con el volumen de aire de los pulmones, así que el proceso puede considerarse continuo.) La velocidad de retirada del O2 de los pulmones está dirigida por el consumo tisular de O2, y varía poco en situaciones de reposo. En la práctica, por lo tanto, la Po2 alveolar está fundamentalmente determinada por el nivel de ventilación alveolar. Lo mismo se aplica a la Pco2 alveolar, que normalmente es de unos 40 mm Hg. Cuando la sangre arterial sistémica alcanza los capilares tisulares, el O2 difunde hasta las mitocondrias, donde la Po2 es mucho menor. La Po2 «tisular» probablemente difiere considerablemente por todo el organismo y, en algunas células al menos, es de tan sólo 1 mm Hg. Sin embargo, el pulmón es un enlace esencial en la cadena del transporte de O2, y todo descenso de la Po2 en la sangre arterial debe producir una menor Po2 tisular, siendo otros valores iguales. Por los mismos motivos, la alteración del intercambio de gases en los pulmones causa un aumento de la Pco2. Aunque así es como tiene lugar el intercambio normal de gases, en algunas situaciones estos procesos se frustran y los pacientes presentan hipoxemia. Esto puede suceder por una de varias razones, que se denominan hipoventilación, cortocircuito, anomalía de la difusión y desequilibrio ventilación-perfusión. Cuatro causas de hipoxia • Hipoventilación. • Limitación de la difusión. • Cortocircuito. • Desequilibrio ventilación-perfusión. HIPOVENTILACIÓN Ya hemos observado que el nivel de Po2 alveolar está determinado por un equilibrio entre la velocidad de extracción de O2 por la sangre (que se establece por las demandas metabólicas de los tejidos) y la velocidad de reposición de O2 por la ventilación alveolar. Así, si la ventilación alveolar es anormalmente baja, la Po2 alveolar desciende. Por motivos similares, la Pco2 aumenta. Es lo que se conoce como hipoventilación (fig. 5-1). 66 CAPÍTULO 5 Entre las causas de hipoventilación se encuentran: fármacos como la morfina y los barbitúricos, que deprimen el impulso central hacia los músculos respiratorios; la lesión de la pared torácica o la parálisis de los músculos respiratorios, y una resistencia elevada a la respiración (p. ej., aire muy denso a gran profundidad bajo el agua). Algunas enfermedades, como la obesidad patológica, pueden provocar hipoventilación al afectar al impulso respiratorio central y la mecánica respiratoria. La hipoventilación siempre causa un aumento de la Pco2 alveolar y, por tanto, la arterial. La relación entre ventilación alveolar y Pco2 ya se mostró en la pág. 20 en la ecuación de la ventilación alveolar: Pco2 = . Vco2 . ×K VA . . donde Vco2 es la producción de CO2, VA es la ventilación alveolar y K es una constante. Esto significa que, si la ventilación alveolar se reduce a la mitad, la Pco2 se duplica, una vez establecida una situación estable. La relación entre el descenso de la Po2 y el aumento de la Pco2 que se produce en la ventilación puede calcularse a partir de la ecuación del aire alveolar, si conocemos la composición del aire inspirado y el cociente de intercambio respiratorio R. Este último viene dado por la relación producción de CO2/consumo de O2, y está determinado por el metabolismo de los tejidos en una situación estable. Se le conoce, a veces, como cociente respiratorio. Una forma simplificada de la ecuación del aire alveolar es: Pao2 = Pio2 – Paco2 R +F donde F es un pequeño factor de corrección (típicamente, de unos 2 mm Hg respirando aire), que se puede ignorar. Esta ecuación muestra que, si R tiene su valor normal de 0,8, el descenso de la Po2 alveolar es ligeramente mayor que la elevación de la Pco2 durante la hipoventilación. En el apéndice A, se ofrece la versión completa de la ecuación. La hipoventilación siempre disminuye la Po2 alveolar y arterial, salvo cuando la persona respira una mezcla enriquecida con O2. En este caso, la cantidad añadida de O2 por respiración puede suplir fácilmente el flujo reducido de aire inspirado (v. pregunta 3 en pág. 84). Si se aumenta repentinamente la ventilación alveolar (p. ej., mediante hiperventilación voluntaria), puede que pasen varios minutos antes de que la Po2 y la Pco2 alveolares adquieran sus nuevos valores de situación estable. Esto sucede así a causa de las diferentes reservas de O2 y CO2 en el organismo. Las de CO2 son mucho mayores que las de O2, debido a la gran cantidad de CO2 en forma de bicarbonato que hay en la sangre y en el líquido intersticial (v. cap. 6). Por lo tanto, la Pco2 alveolar tarda más en llegar al equilibrio y, durante la situación inestable, el valor R del aire espirado está elevado mientras se eliminan los depósitos de CO2. Se observan cambios opuestos con el inicio de la hipoventilación. RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN 67 Hipoventilación • Aumenta siempre la PCO2 alveolar y arterial. • Disminuye la PO2 salvo que se inspire O2 adicional. • La hipoxemia es fácil de invertir añadiendo O2 al aire inspirado. LIMITACIÓN DE LA DIFUSIÓN La figura 5-1 muestra que, en un pulmón perfecto, la Po2 de la sangre arterial sería la misma que la del aire alveolar. En la vida real, no es así. Una de las razones es que, aunque la Po2 de la sangre aumenta y se acerca cada vez más a la del aire alveolar, a medida que la sangre atraviesa el capilar pulmonar (v. fig. 3-3), nunca puede llegar a alcanzarla. En condiciones normales, la diferencia de Po2 entre el aire alveolar y la sangre al final de los capilares que resulta de la difusión incompleta, es inmensurablemente pequeña, pero se muestra de forma esquemática en la figura 5-2. Como hemos visto, la diferencia puede hacerse mayor durante el esfuerzo, o cuando la membrana alveolocapilar se vuelve más gruesa, o si se inhala una mezcla con escaso O2 (v. fig. 3-3B). No obstante, la limitación de la difusión casi nunca provoca hipoxemia en reposo a nivel del mar, ni siquiera en presencia de enfermedad pulmonar, porque los hematíes pasan tiempo suficiente en el capilar pulmonar como para permitir un equilibrio casi completo. P O 2 mm Hg 150 Aire 100 G as 50 C apilar Difusión Arteria C ortocircuito T ejidos 0 Atmósfera Mitocondrias Figura 5-2. Esquema de la transferencia de O2 desde el aire a los tejidos que muestra la disminución de la PO2 arterial causada por difusión y cortocircuito. 68 CAPÍTULO 5 CORTOCIRCUITO Otra razón por la que la Po2 de la sangre arterial es inferior a la del aire alveolar es la sangre que se desvía. El término cortocircuito (o shunt) se refiere a sangre que entra en el sistema arterial sin pasar por áreas ventiladas del pulmón. En el pulmón sano, las venas pulmonares recogen parte de la sangre arterial bronquial tras perfundir los bronquios y vaciar parcialmente su O2. Otra fuente es una pequeña cantidad de sangre venosa coronaria que drena directamente en la cavidad del ventrículo izquierdo a través de las venas de Tebesio. El efecto de la adición de esta sangre poco oxigenada es la disminución de la Po2 arterial. Algunos pacientes tienen una conexión vascular anómala entre una pequeña arteria pulmonar y una vena (malformación arteriovenosa pulmonar). En pacientes con cardiopatías, puede existir una adición directa de sangre venosa a sangre arterial a través de un defecto entre los lados derecho e izquierdo del corazón. Cuando el cortocircuito se debe a la adición de sangre venosa mixta a sangre que drena de los capilares, se puede calcular la cantidad de flujo del cortocircuito (fig. . 5-3). La cantidad total de O2 que abandona el sistema es el flujo total.de sangre Q T multiplicado por la concentración de O2 en la sangre arterial Cao2 , o Q T × Cao2. Esto debe ser igual a la suma de las cantidades de . O2 en . la sangre del cortocircuito, . –o , y la sangre al final de los capilares, (Q Q S × Cv T – Q S ) × Cc'o2 . Así pues, 2 . . . . –o + (Q Q T × Cao2 = Q S × Cv T – Q S ) × Cc'o2 2 Reordenando, se obtiene: . QS . = QT Cc'o2 – Cao2 Cc'o – Cv–o 2 2 La concentración de O2 en la sangre al final de los capilares suele calcularse a partir de la Po2 alveolar y la curva de disociación del oxígeno (v. cap. 6). El cociente entre el flujo del cortocircuito y el flujo total se denomina fracción de cortocircuito. QS QT = CC'O2 – CaO2 CC'O2 – CVO2 C C' O2 QT CVO2 QS CaO2 QT Figura 5-3. Medición del flujo del cortocircuito. El oxígeno transportado en la sangre arterial equivale a la suma del oxígeno transportado en la sangre capilar y el de la sangre que se desvía (v. texto). RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN 69 Cuando el cortocircuito se debe a sangre que no tiene la misma concentración de O2 que la sangre venosa mixta (p. ej., sangre venosa bronquial), generalmente no se puede calcular su magnitud real. Sin embargo, con frecuencia, es útil calcular un cortocircuito «como si», es decir lo que sería el cortocircuito si la disminución observada de la concentración arterial de O2 se debiera a la adición de sangre venosa mixta. Una característica importante de un cortocircuito es que la hipoxemia no puede suprimirse haciendo que el paciente respire O2 al 100 %, y esto es así porque la sangre desviada que evita los alvéolos ventilados nunca está expuesta a la mayor Po2 alveolar, por lo que sigue disminuyendo la Po2 arterial. Sin embargo, parte de la elevación de la Po2 arterial se produce a causa del O2 añadido a la sangre capilar del pulmón ventilado, y esto puede ser valioso en algunos pacientes. La mayor parte del O2 añadido está en forma disuelta, en lugar de unido a la hemoglobina, porque la sangre que está perfundiendo alvéolos ventilados está casi totalmente saturada (v. cap. 6). La respuesta a la administración de oxígeno suplementario en presencia de un cortocircuito variará en función de la fracción de cortocircuito (fig. 5-4). La administración al paciente de O2 al 100 % es una medida muy sensible del cortocircuito, porque cuando la Po2 está elevada, una pequeña disminución de la concentración arterial de O2 causa un descenso relativamente importante de la Po2 a causa de la pendiente casi plana de la curva de disociación del O2 en esta región (fig. 5-5). Un cortocircuito no suele causar una elevación de la Pco2 en sangre arterial, incluso aunque la sangre desviada tenga una concentración elevada de CO2. La razón es que los quimiorreceptores perciben cualquier elevación de la Pco2 arterial, y responden aumentando la ventilación. Esto reduce la Pco2 de la sangre no desviada hasta que la Pco2 es normal. Realmente, en algunos pacientes con un cortocircuito, la Pco2 arterial es baja porque la hipoxemia aumenta el impulso respiratorio (v. cap. 8). Po 2 arterial (mm Hg) 500 400 300 200 % C ortocircuito 0 Aire inspirado 10 20 100 0 30 50 100 20 40 60 80 C oncentración de O 2 inspirado (%) Figura 5-4. Respuesta de la PO2 arterial al aumento de las concentraciones de oxígeno inspirado en un pulmón con distintos grados de cortocircuito. Obsérvese que la Po2 se mantiene muy por debajo del nivel normal para el oxígeno al 100 %. Sin embargo, se producen aumentos útiles de la oxigenación incluso con grados graves de cortocircuito. (Este diagrama muestra sólo los valores típicos; los cambios en el gasto cardíaco, la captación de oxígeno, etc., afectan a la posición de las líneas.) 70 CAPÍTULO 5 C oncentración de O 2 (ml/100 ml) C urva de disociación del O 2 O 2 al 100 % 15 10 5 0 200 400 600 PO 2 mm Hg Figura 5-5. Disminución de la PO2 arterial por cortocircuito durante la respiración de O2 al 100 %. La adición de una pequeña cantidad de sangre desviada con su baja concentración de O2 disminuye notablemente la PO2 de la sangre arterial. Esto sucede porque la curva de disociación del O2 es casi plana, cuando la PO2 es muy alta. Cortocircuito • La hipoxemia responde poco al O2 inspirado añadido. • Cuando se inspira O2 al 100 %, la PO2 arterial no aumenta al nivel esperado: es una prueba diagnóstica útil. • Si el cortocircuito está causado por sangre venosa mixta, su tamaño puede calcularse a partir de la ecuación del cortocircuito. COCIENTE VENTILACIÓN-PERFUSIÓN Hasta aquí, hemos considerado tres de las cuatro causas de hipoxemia: hipoventilación, difusión y cortocircuito. Abordaremos ahora la última causa, que es la más frecuente y la más difícil de entender: el desequilibrio ventilación-perfusión. Muestra que, si la ventilación y el flujo sanguíneo se desajustan en varias regiones pulmonares, se produce una alteración de la transferencia tanto del O2 como del CO2. La clave para entender cómo sucede esto es el cociente ventilación-perfusión. Consideremos un modelo de una unidad pulmonar (v. fig. 2-1) en el que se imita la captación de O2 usando colorante y agua (fig. 5-6). El colorante en RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN 71 C olorante en polvo V Figura 5-6. Modelo para ilus- C oncentración V/Q Agua Q Agitador trar cómo el cociente ventilación-perfusión determina la PO2 en una unidad pulmonar. Se añade colorante en polvo por ventilación a una velocidad V y se elimina por el flujo sanguíneo Q, para representar los factores que controlan la PO2 alveolar. La concentración del colorante viene dada por V/Q. polvo entra continuamente en la unidad, para representar la adición de O2 por la ventilación alveolar. El agua se bombea continuamente a través de la unidad, para representar el flujo sanguíneo que se lleva el O2. Un agitador mezcla los contenidos alveolares, un proceso que normalmente se realiza por difusión de gases. La pregunta esencial es: ¿qué determina la concentración del colorante (o el O2) en el compartimiento alveolar y, por lo tanto, en el agua (o sangre) que sale? Está claro que tanto la velocidad con la que se añade el colorante (ventilación) como la velocidad a la que se bombea el agua (flujo sanguíneo) afectarán a la concentración del colorante en el modelo. Lo que puede no estar claro por intuición es que la concentración del colorante está determinada por el cociente entre estas velocidades. En otras palabras, si el colorante se añade a una velocidad de V g/min, y el agua se bombea a Q l/min, la concentración del colorante en el compartimiento alveolar y en el agua que sale es de V/Q g/l. De un modo exactamente igual, la concentración de O2 (o, mejor, la Po2) en cualquier unidad pulmonar está determinada por el cociente entre la ventilación y el flujo sanguíneo, y no sólo el O2, sino el CO2, el N2 y cualquier otro gas que esté presente en condiciones estables. Esta es la razón por la que el cociente ventilaciónperfusión desempeña un papel esencial en el intercambio de gases en los pulmones. EFECTO DE LA ALTERACIÓN DEL COCIENTE VENTILACIÓN-PERFUSIÓN DE UNA UNIDAD PULMONAR Observemos con más detalle el modo en que las alteraciones del cociente ventilación-perfusión de una unidad pulmonar afectan al intercambio de gases. Así, la figura 5-7A muestra la Po2 y la Pco2 en una unidad con un cociente ventilaciónperfusión normal (de, aproximadamente, 1; v. fig. 2-1). El aire inspirado tiene una Po2 de 150 mm Hg (fig. 5-1) y una Pco2 de 0 mm Hg. La sangre venosa mixta que 72 CAPÍTULO 5 O 2 = 150 mm Hg C O2 = 0 B A C O 2 = 40 C O 2 = 45 O 2 = 100 O 2 = 150 C O 2 = 40 O 2 = 40 C O2 = 0 C O 2 = 45 0 Normal ∞ Disminución Aumento VA / Q VA / Q Figura 5-7. Efecto de la alteración del cociente ventilación-perfusión sobre la PO2 y la PCO2 en una unidad pulmonar. entra en la unidad tiene una Po2 de 40 mm Hg y una Pco2 de 45 mm Hg. La Po2 alveolar de 100 mm Hg está determinada por un equilibrio entre la adición de O2 por la ventilación y su retirada por el flujo sanguíneo. La Pco2 normal de 40 mm Hg se establece de forma similar. Supongamos ahora que el cociente ventilación-perfusión de la unidad disminuye gradualmente al obstruir su ventilación, dejando el flujo sanguíneo invariable (fig. 5-7B). Está claro que el O2 en la unidad descenderá y que el CO2 se elevará, aunque los cambios relativos de ambos no son evidentes de forma inmediata1. Sin embargo, podemos predecir fácilmente lo que ocurrirá al final cuando la ventilación se elimine por completo (cociente ventilación-perfusión de cero). El O2 y el CO2 del aire alveolar y de la sangre al final de los capilares deben ser, ahora, iguales a los de la sangre venosa mixta. (En la práctica, unidades completamente obstruidas se colapsan finalmente, pero podemos dejar a un lado estos efectos a largo plazo en este momento.) Obsérvese que estamos suponiendo que lo que sucede en una unidad pulmonar de entre un gran número de ellas no afecta a la composición de la sangre venosa mixta. Supongamos, en su lugar, que el cociente ventilación-perfusión aumenta por la obstrucción gradual del flujo sanguíneo (fig. 5-7C). Ahora, el O2 aumenta y el CO2 disminuye, alcanzando finalmente la composición del aire inspirado cuando 1 La ecuación del gas alveolar no puede aplicarse aquí, porque el cociente de intercambio respiratorio no es constante. La ecuación adecuada es: . VA . Q = 8,63 R Ca O 2 − C VO PA CO 2 2 Se denomina ecuación del cociente ventilación-perfusión. Véase el apéndice B para más detalles. RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN 50 P C O 2 mm Hg – V 0 D i s m i n u c i ó n V· / Q· A A N or m a l A um e nt o V· / · A Q ∞ 0 100 50 73 I 150 P O 2 mm Hg Figura 5-8. Esquema O2–CO2 que muestra una línea de cociente ventilación-perfusión. La PO2 y la PCO2 de una unidad pulmonar se desplazan a lo largo de esta línea desde el punto venoso mixto hasta el punto del aire inspirado I, a medida que el cociente ventilación-perfusión aumenta (compárese con la fig. 5-7). desaparezca el flujo sanguíneo (cociente ventilación-perfusión de infinito). Así, cuando se altera el cociente ventilación-perfusión de la unidad, la composición de sus gases se aproxima a la de la sangre venosa mixta o a la del aire inspirado. Un modo conveniente de representar estos cambios es usando el esquema O2-CO2 (fig. 5-8). En él, la PO2 se representa en el eje de abscisas (x) y la Pco2 en el eje de ordenadas (y). En primer lugar, se localiza la composición normal del aire alveolar, o punto A (Po2 = 100, Pco2 = 40). Si suponemos que la sangre se equilibra con el aire alveolar al final del capilar (v. fig. 3-3), este punto puede representar igual de bien la sangre al final del capilar. A continuación, encontramos el punto de la sangre venosa mixta, –v (Po2 = 40, Pco2 = 45). La barra sobre la v significa «mixta», o «media». Finalmente, encontramos el punto de aire inspirado I (Po2 = 150, Pco2 = 0). También aquí, obsérvense las similitudes entre las figuras 5-7 y 5-8. La línea que une –v e I pasando por A muestra los cambios en la composición del aire alveolar (y la sangre al final del capilar) que pueden producirse cuando el cociente ventilación-perfusión disminuye por debajo de lo normal (A → –v) o aumenta por encima de lo normal (A → I). En realidad, esta línea indica todas las posibles composiciones del aire alveolar en un pulmón al que llega aire de composición I y sangre de composición –v. Por ejemplo, un pulmón así no podría contener un alvéolo con una Po2 de 70 mm Hg y una Pco2 de 30 mm Hg, porque este punto no se encuentra en la línea de ventilación-perfusión. Sin embargo, esta composición alveolar podría existir si se cambiara la sangre venosa mixta o el aire inspirado de modo que la línea pasara entonces por ese punto. INTERCAMBIO REGIONAL DE GASES EN EL PULMÓN El modo en que el cociente ventilación-perfusión de una unidad pulmonar determina su intercambio de gases puede ilustrarse gráficamente observando las diferen- 74 CAPÍTULO 5 0,15 C ociente ventilación-perfusión % del volumen pulmonar (l/min) 3 Flujo sanguíneo 0,10 2 VA / Q V entilación 0,05 1 Número de costilla B ase 5 4 3 V értice 2 Figura 5-9. Distribución de la ventilación y del flujo sanguíneo al descender por un pulmón en posición vertical (compárense las figs. 2-7 y 4-7). Obsérvese que el cociente ventilación-perfusión disminuye al descender por el pulmón. cias que se producen al descender por un pulmón en posición vertical. En las figuras 2-7 y 4-7, se mostraba que la ventilación aumenta lentamente desde el vértice pulmonar hasta la base, y el flujo sanguíneo aumenta más rápidamente (fig. 5-9). Debido a ello, el cociente ventilación-perfusión es anormalmente alto en el vértice 60 P C O 2 mm Hg – V 40 V A / Q bajo VA /Q 20 a lt o I 0 40 60 80 100 120 140 P O 2 mm Hg Figura 5-10. Resultado de la combinación del patrón de la desigualdad del cociente ventilación-perfusión que se muestra en la figura 5-9 con los efectos de esto sobre el intercambio de gases como se muestra en la figura 5-8. Obsérvese que el elevado cociente ventilación-perfusión en el vértice produce una PO2 elevada y una PCO2 baja allí. En la base, se observa lo contrario. RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN 75 pulmonar (donde el flujo sanguíneo es mínimo) y mucho menor en la base. Podemos usar estas diferencias regionales del cociente ventilación-perfusión en un esquema O2-CO2 (fig. 5-8), para representar las diferencias resultantes en el intercambio de gases. La figura 5-10 muestra el pulmón en posición vertical dividido en «cortes» horizontales imaginarios, cada uno de ellos localizado en la línea ventilaciónperfusión por su propio cociente ventilación-perfusión. Este cociente es elevado en el vértice, por lo que este punto se encuentra hacia el extremo derecho de la línea, mientras que la base pulmonar se localiza hacia la izquierda de la normalidad (compárese con la fig. 5-8). Está claro que la Po2 de los alvéolos (eje horizontal) disminuye mucho al descender por el pulmón, mientras que la Pco2 (eje vertical) aumenta mucho menos. La figura 5-11 ilustra los valores que pueden leerse en un esquema como la figura 5-10. (Por supuesto, habrá variaciones entre las personas; el objetivo principal de este método es describir los principios subyacentes al intercambio de gases.) Obsérvese en primer lugar que el volumen del pulmón en los cortes es menor cerca del vértice que hacia la base. La ventilación es menor en el vértice que en la base, pero las diferencias de flujo sanguíneo son más importantes. En Vol (%) VA Q VA / Q P O 2 P C O 2 P N2 (l / min) (mm Hg) O 2 C O 2 pH conc. (ml/100 ml) O2 C O2 E ntr. S al. (ml/min) 7 0,24 0,07 3,3 132 28 553 20,0 42 7,51 4 8 13 0,82 1,29 0,63 89 42 582 19,2 49 7,39 60 39 Figura 5-11. Diferencias regionales en el intercambio de gases al descender por el pulmón sano. Para una mayor claridad, sólo se muestran los valores apicales y basales. 76 CAPÍTULO 5 consecuencia, el cociente ventilación-perfusión disminuye al descender por el pulmón, y todas las diferencias en el intercambio de gases se deducen de esto. Obsérvese que la Po2 cambia más de 40 mm Hg, mientras que la diferencia de Pco2 entre el vértice y la base es mucho menor. (Incidentalmente, la elevada Po2 en el vértice probablemente se debe a la preferencia de la tuberculosis del adulto por esta región, ya que proporciona un entorno más favorable para este microorganismo.) La variación de Pn2 es, en efecto, por defecto porque la presión total en el aire alveolar es la misma en todo el pulmón. Las diferencias regionales de Po2 y Pco2 implican diferencias en las concentraciones de estos gases al final de los capilares, que pueden obtenerse a partir de las curvas de disociación adecuadas (v. cap. 6). Obsérvese la diferencia sorprendentemente grande de pH en el pulmón, que refleja la considerable variación de la Pco2 de la sangre. La contribución mínima a la captación global de O2 que realiza el vértice pulmonar puede atribuirse, fundamentalmente, al escaso flujo sanguíneo aquí. La diferencia en la salida de CO2 entre el vértice y la base es mucho menor, ya que puede mostrarse que está relacionada más estrechamente con la ventilación. A causa de ello, el cociente de intercambio respiratorio (producción de CO2/ captación de O2) es mayor en el vértice que en la base. Con el esfuerzo, cuando la distribución del flujo sanguíneo se hace más uniforme, el vértice asume una mayor parte de la captación de O2. EFECTO DEL DESEQUILIBRIO VENTILACIÓNPERFUSIÓN EN EL INTERCAMBIO GLOBAL DE GASES Aunque las diferencias regionales en el intercambio de gases comentadas anteriormente son interesantes, más interesante para el organismo como un todo es si la ventilación desigual y el flujo sanguíneo afectan al intercambio de gases global de los pulmones, es decir, su capacidad para captar O2 y expulsar CO2. Parece que un pulmón con desequilibrio ventilación-perfusión no puede transferir tanto O2 y CO2 como un pulmón que está uniformemente ventilado y perfundido, siendo lo demás igual. O, si se están transfiriendo iguales cantidades de gases (porque se han establecido por las demandas metabólicas del organismo), el pulmón con desequilibrio ventilación-perfusión no puede mantener una Po2 arterial tan elevada o una Pco2 tan baja como lo hace un pulmón homogéneo, siendo de nuevo aquí todo lo demás igual. La razón por la que un pulmón con ventilación y flujo sanguíneo desigual tiene dificultad para oxigenar la sangre arterial puede ilustrarse observando las diferencias a lo largo del pulmón en posición vertical (fig. 5-12). Aquí, la Po2 en el vértice es unos 40 mm Hg superior a la de la base pulmonar. Sin embargo, la parte principal de la sangre que abandona los pulmones procede de las zonas inferiores, donde la Po2 es baja. Debido a esto, disminuye la Po2 arterial. Por el contrario, el aire alveolar espirado procede más uniformemente del vértice y la base, porque las diferencias de ventilación son mucho menores que las de flujo sanguíneo (fig. 5-9). Por el mismo motivo, la Pco2 arterial se elevará, porque es mayor en la base que en el vértice pulmonar (fig. 5-11). RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN 77 PO2 = 101 mm Hg 132 Figura 5-12. Disminución de la PO2 arterial por desequilibrio ventilación-perfusión. En este esquema de los pulmones en posición vertical, sólo se muestran dos grupos de alvéolos, uno en el vértice y otro en la base. Los tamaños relativos de las vías respiratorias y los vasos sanguíneos indican sus ventilaciones y flujos sanguíneos relativos. Como la mayor parte de la sangre procede de la base poco oxigenada, es inevitable la disminución de la PO2. 97 89 En la figura 5-13, se muestra otra razón por la que la ventilación y el flujo sanguíneo desiguales disminuyen la Po2 arterial. Se representan tres grupos de alvéolos con cocientes ventilación-perfusión bajo, normal y elevado. Las concentraciones de O2 de la sangre que sale son de 16, 19,5 y 20 ml/100 ml, respectivamente. Debido a ello, las unidades con el cociente ventilación-perfusión elevado añaden relativamente poco oxígeno a la sangre, en comparación con la disminución causada por los alvéolos con el cociente ventilación-perfusión bajo. Así, la sangre capilar mixta tiene una menor concentración de O2 que la de las unidades con un cociente ventilación-perfusión normal. Esto puede explicarse por la forma no lineal de la curva de disociación del oxígeno, que indica que, aunque las unidades con un cociente ventilación-perfusión elevado tienen una Po2 relativamente elevada, esto no aumenta mucho la concentración de oxígeno de su sangre. Esta razón añadida para la depresión de la Po2 no se aplica a la elevación de la Pco2, porque la disociación de la curva es casi lineal en el intervalo de estudio. VA Q = 1 VA 10 Q = 10 VA 10 Q = – V C oncentración de O 2 14,6 16,0 10 1 a 19,5 20,0 17,9 ml / 100 ml Figura 5-13. Otra razón para la disminución de la PO2 arterial por desajuste entre la ventilación y el flujo sanguíneo. Las unidades pulmonares con un cociente ventilación-perfusión elevado añaden relativamente poco oxígeno a la sangre, comparado con la disminución causada por los alvéolos con un cociente ventilación-perfusión bajo. CAPÍTULO 5 78 El resultado neto de estos mecanismos es una disminución de la Po2 arterial por debajo de la Po2 alveolar mixta, es decir, la denominada diferencia alveoloarterial de O2. En el pulmón sano en posición vertical, esta diferencia es insignificante, tan sólo de unos 4 mm Hg, por el desequilibrio ventilación-perfusión. Su aparición se describe aquí sólo para ilustrar el modo en que la ventilación y el flujo desiguales deben producir una disminución de la Po2 arterial. En las neumopatías, la disminución de la Po2 arterial por este mecanismo puede ser extrema. DISTRIBUCIONES DE LOS COCIENTES VENTILACIÓN-PERFUSIÓN Es posible obtener información sobre la distribución de cocientes ventilación-perfusión en pacientes con afecciones pulmonares inyectando, en una vena periférica, una mezcla de gases inertes disueltos que tienen un margen de solubilidades, y medir después las concentraciones de los gases en la sangre arterial y en el aire espirado. Los detalles de esta técnica son demasiado complejos para describirlos aquí, y se usa con fines de investigación, más que en el laboratorio de función pulmonar. La técnica proporciona una distribución de ventilación y flujo sanguíneo representada frente al cociente ventilación-perfusión con 50 compartimientos igualmente espaciados en una escala logarítmica. La figura 5-14 muestra un resultado típico de una persona joven sana. Obsérvese que toda la ventilación y el flujo sanguíneo se dirigen a compartimien- V entilación o flujo sanguíneo (l/min) 1,5 V entilación Flujo sanguíneo 1,0 0,5 Sin cortocircuito 0 0 0,01 0,1 1,0 10,0 100,0 C ociente ventilación-perfusión Figura 5-14. Distribución del cociente ventilación-perfusión en una persona joven y sana. Obsérvese la estrecha dispersión y la ausencia de cortocircuito. RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN 79 V entilación o flujo sanguíneo (l/min) 0,6 0,4 V entilación Flujo sanguíneo 0,2 Sin cortocircuito 0 0 0,01 0,1 1,0 10,0 100,0 C ociente ventilación-perfusión Figura 5-15. Distribución de los cocientes ventilación-perfusión en un paciente con bronquitis crónica y enfisema. Obsérvese particularmente el flujo sanguíneo hacia unidades pulmonares con cocientes ventilación-perfusión muy bajos. Compárese con la figura 5-14. tos cercanos al cociente ventilación-perfusión normal de alrededor de 1 y, en particular, aquí no hay flujo sanguíneo hacia el compartimiento no ventilado (cortocircuito). Las distribuciones en pacientes con neumopatías son, a menudo, muy diferentes. En la figura 5-15, se muestra un ejemplo de un paciente con bronquitis crónica y enfisema. Obsérvese que aunque gran parte de la ventilación y el flujo sanguíneo va a compartimientos con cocientes ventilación-perfusión cercanos a la normalidad, una parte considerable de flujo sanguíneo se dirige a compartimientos con cocientes ventilación-perfusión de entre 0,03 y 0,3. La sangre de estas unidades se oxigenará mal y disminuirá la Po2 arterial. También hay excesiva ventilación hacia unidades pulmonares con cocientes ventilación-perfusión de hasta 10. Estas unidades no son eficaces para eliminar CO2. Este paciente concreto tenía hipoxemia arterial, aunque la Pco2 arterial era normal (v. más adelante). En otros tipos de neumopatías, se observan otros patrones. DESEQUILIBRIO VENTILACIÓN-PERFUSIÓN COMO CAUSA DE RETENCIÓN DE CO2 Imagínese un pulmón uniformemente ventilado y perfundido, y que está transfiriendo cantidades normales de O2 y CO2. Supongamos que, de forma algo mágica, el equilibrio entre ventilación y flujo sanguíneo se altera repentinamente, permaneciendo todo lo demás sin cambios. ¿Qué ocurriría con el intercambio de gases? Parece que el efecto de este desequilibrio ventilación-perfusión «puro» (es decir, 80 CAPÍTULO 5 con todo lo demás constante) es reducir tanto la captación de O2 como la salida de CO2 de los pulmones. En otras palabras, el pulmón se vuelve menos eficiente como intercambiador para ambos gases. Por tanto, la desigualdad entre ventilación y flujo sanguíneo debe causar hipoxemia e hipercapnia (retención de CO2), permaneciendo lo demás constante. No obstante, en la práctica, los pacientes con desigualdad indudable del cociente ventilación-perfusión, como los que padecen enfermedad pulmonar obstructiva crónica, con frecuencia tienen una Pco2 arterial normal. La razón es que siempre que los quimiorreceptores perciben una elevación de la Pco2, existe un aumento del impulso ventilatorio (cap. 8). El consiguiente aumento de la ventilación alveolar suele ser eficaz en el regreso de la Pco2 arterial a la normalidad. Sin embargo, estos pacientes sólo pueden mantener una Pco2 normal a expensas de este aumento de ventilación hacia los alvéolos; la ventilación excesiva con respecto a la que se necesitaría normalmente se denomina, a veces, ventilación malgastada o inútil, y es necesaria porque las unidades pulmonares con cocientes ventilaciónperfusión anormalmente elevados no son eficaces para eliminar CO2. Se dice que estas unidades constituyen un espacio muerto alveolar. Esto se suma al espacio muerto anatómico expuesto antes. Aunque el aumento de la ventilación en un pulmón con desequilibrio ventilación-perfusión suele ser eficaz para disminuir la Pco2 arterial, lo es mucho menos para aumentar la Po2 arterial. La razón del diferente comportamiento de los dos gases se encuentra en las formas de las curvas de disociación de CO2 y O2 (v. cap. 6). La curva de disociación del CO2 es casi recta en el intervalo fisiológico, y un aumento de la ventilación aumentará la salida de CO2 de unidades pulmonares con cocientes ventilación-perfusión altos y bajos. Por el contrario, la parte superior casi plana de la curva de disociación del O2 significa que sólo unidades con cocientes ventilación-perfusión moderadamente bajos se beneficiarán de forma apreciable del aumento de ventilación. Esas unidades que aparecen muy arriba en la curva de disociación (cociente ventilación-perfusión elevado) aumentan muy poco la concentración de O2 de la sangre que sale de ellas (fig. 5-13). De las unidades que tienen un cociente ventilación-perfusión muy bajo sigue saliendo sangre con una concentración de O2 cercana a la de la sangre venosa mixta. El resultado neto es que la Po2 arterial mixta sólo aumenta modestamente, y siempre queda algo de hipoxemia (Tabla 5-1). Tabla 5-1. Las cuatro causas de la hipoxemia con su diferencia alveoloarterial y la respuesta de la PO2 arterial cuando se administra oxígeno al 100 % Diferencia alveoloarterial Respuesta al O2 Hipoventilación Ninguna Buena Limitación de la difusión Aumentada Buena Cortocircuito Aumentada Pequeña pero a menudo útil Aumentada Buena . . Desigualdad VA /Q RELACIÓN ENTRE VENTILACIÓN Y PERFUSIÓN 81 Desequilibrio ventilación-perfusión . . • El desequilibrio ventilación-perfusión (VA / Q) determina el intercambio de gases en cualquier unidad pulmonar. . . • Las diferencias regionales de VA / Q en el pulmón humano en posición vertical causan un patrón de intercambio de gases regional. . . • El desequilibrio VA / Q altera la captación o la eliminación de todos los gases por los pulmones. . . • Aunque la eliminación de CO2 está alterada por el desequilibrio VA / Q, esto puede corregirse aumentando la ventilación alveolar. . . • Por el contrario, la hipoxemia causada por el desequilibrio VA / Q no puede eliminarse por aumentos de la ventilación. • El comportamiento diferente de los dos gases se debe a las diferentes formas de las curvas de disociación. MEDICIÓN DEL DESEQUILIBRIO VENTILACIÓN-PERFUSIÓN ¿Cómo se puede valorar la magnitud del desequilibrio ventilación-perfusión en los pulmones enfermos? Pueden usarse gases radioactivos para definir diferencias topográficas de ventilación y flujo sanguíneo en el pulmón sano en posición vertical (v. figs. 2-7 y 4-7), pero en la mayoría de los pacientes, existen grandes desigualdades entre unidades muy adyacentes, y esto no pueden distinguirlo los contadores colocados sobre el tórax. En la práctica, observamos índices basados en la alteración resultante del intercambio de gases2. Una medida útil es la diferencia alveoloarterial de Po2, obtenida restando la Po2 arterial de la Po2 alveolar denominada «ideal». Esta última es la Po2 que tendría el pulmón si no hubiera desequilibrio ventilación-perfusión y hubiera intercambio de gases con el mismo cociente de intercambio respiratorio que en el pulmón real. Se obtiene a partir de la ecuación del gas alveolar: Pao2 = Pio2 – Paco2 R +F La Pco2 arterial se usa para el valor alveolar. Un ejemplo aclarara todo esto. Supongamos que un paciente que está respirando aire a nivel del mar tiene una Po2 arterial de 50 mm Hg y una Pco2 arterial de 60 mm Hg, y un cociente de intercambio respiratorio de 0,8. ¿Puede explicarse la hipoxemia arterial por hipoventilación? Puede encontrar más detalles sobre este complicado tema en JB West, Fisiopatología pulmonar, 8.ª ed. Lippincott Williams & Wilkins. Barcelona, 2013. 2 82 CAPÍTULO 5 A partir de la ecuación del gas alveolar, la Po2 alveolar ideal viene dada por: Pao2 = 149 – 60 0,8 + F = 74 mm Hg donde la Po2 del aire inspirado es de 149 mm Hg, e ignoramos el pequeño factor F. Así pues, la diferencia alveoloarterial de Po2 es de aproximadamente (74 – 50) = 24 mm Hg. El valor normal es de unos 10 mm Hg a 15 mm Hg, así que esta cifra es anormalmente alta e indica que existe una desigualdad del cociente ventilación-perfusión. El valor normal de la diferencia alveoloarterial de Po2 aumenta con la edad. Para utilizar esta ecuación, hay que conocer exactamente la Po2 inspirada, como sucede en el paciente que respira aire ambiente o recibe ventilación mecánica. No obstante, la Po2 inspirada es variable con algunos métodos de administración de oxígeno suplementario (cánula nasal, mascarilla de alto flujo), lo que dificulta el uso de la ecuación. En el capítulo 10 puede encontrarse más información sobre la determinación del desequilibrio ventilación-perfusión. C ONCE PTOS C LAVE 1. Las cuatro causas de hipoxemia son: hipoventilación, limitación de la difusión, cortocircuito y desequilibrio ventilación-perfusión. 2. Las dos causas de hipercapnia, o retención de CO2, son la hipoventilación y el desequilibrio ventilación-perfusión. 3. El cortocircuito es la única causa de hipoxemia en la que la Po2 arterial no se eleva hasta el nivel esperado cuando se administra a un paciente O2 al 100 %. 4. El cociente ventilación-perfusión determina la Po2 y la Pco2 en cualquier uni- dad pulmonar. Como el cociente es elevado en el vértice pulmonar, la Po2 está aquí elevada y la Pco2 es baja. 5. El desequilibrio ventilación-perfusión disminuye la eficacia del intercambio de gases en los pulmones, para todos los gases. Sin embargo, muchos pacientes con desequilibrio ventilación-perfusión tienen una Pco2 arterial normal porque aumentan la ventilación de los alvéolos. Por el contrario, la Po2 arterial es siempre baja. El comportamiento diferente de los dos gases puede atribuirse a las formas diferentes de las dos curvas de disociación. 6. La diferencia alveoloarterial de Po2 es una medida útil del desequilibrio ventilación-perfusión. La Po2 alveolar se calcula a partir de la ecuación del gas alveolar, usando la Pco2 arterial.