Fisiologia Respiratoria de la Altura

Dr. Antonio López

Historia….

• La primera evidencia escrita fue en 37 AC, cuando un oficial chino describe en sus tropas “Big Headache and Little Headache Mountains”.

• Durante la conquista de américa el padre José de Acosta (1536), describe de lo sutil del aire que enferma a hombre y animales

• Durante la guerra de China e India en 1962 a unos 5.000 m, India perdió más soldados por mal de altura que en los combates (15% por EAPA)

Importancia

• 35 millones de personas en America Latina viven en altitudes > 2.500 msnm.

• 80 millones en Asia.• Prevalencia de enfermedades crónicas de la

altura e HAP es 5 – 10%.• Mayor cantidad de viajes por trabajo, negocio,

turismo o deporte

La atmósfera

• Masa de gas que cubre toda la superficie de la tierra; 10.000 km de espesor

• 80% de su masa en los primeros 15 km• Composición:

– Nitrógeno (N2) 78,1%

– Oxígeno (O2) 20,9%

– Otros gases (Ar, Ne, He, CO2, H2O)– Partículas suspendidas– Contaminantes

Fisiologia Respiratoria de la Altura

Cadena respiratoria

CENTRO RESPIRATORIO

VIAS NERVIOSAS

FUELLE TORACOPULMONAR

CIRCULACION SANGUINEA

DIFUSION TISULAR

Presiones O2

PO2PBO2

PIO2

PEO2

PAO2

PaO2

PcO2

PmO2

GRADIENTE ALVEOLO ARTERIAL

100mmHg

150mmHg

50mmHg

Aire atmosférico seco

Aire traqueal

Aire espirado

Aire alveolar

Arterial

Capilar medio

mitocondrias

UNIDAD ALVEOLO CAPILAR

DIFERENCIA ALVEOLOARTERIAL DE OXIGENO

10 a 15 mmHg

FORMULA DE ECUACIÓN ALVEOLAR

PA O2= {(PB - P H2O) X FIO2 } - ( PaCO2/R)

Fisiologia Respiratoria de la altura

• Desde la antigüedad se conocen los efectos de la altura

• Marco Polo en viaje al Tibet (hace 25.000 años)• Conquistadores de América en Los Andes (Hace

10.000 años)• Siglo XIX Paul Bert, empezó a estudiar los efectos

de la altura y advirtió que los efectos perjudiciales se debía a disminución de la presión atmosférica

0 100 200 300 400 500 600 700

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

760

PB

Mont Everest (8848 m)Mont Everest (8848 m)

Mont Blanc (4807 m)Mont Blanc (4807 m)

La Paz (3600 m)La Paz (3600 m)

Mexico (2235 m)Mexico (2235 m)

0 25 50 75 100 125 150

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 (g/l)

PB (mmHg)

PiO2 (mmHg)

densidad

La disminución en la presion barométrica y la densidad del aire en función de la altura

DEFINICION BIOLOGICA DE ALTURADEFINICION BIOLOGICA DE ALTURA

8848 m

Altura extrema

5500 m

Altura alta

2000 m

Altura media

Altura baja

1000 m

vida imposible ?

vida permanenteimposible

efectos en reposo

ningún efecto

efectos en la performancemaxima

Cima delEverest

100

80

60

40

20

0

V0 2 m

ax

(% n

m)

760700 600 500 400 300 200PB (mmHg)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 910

Altitude (km)

RANGO DE ALTITUDES

• 0 a 1.000 msn Nivel del mar• 1.000 a 2.000 msn Baja Altitud• 2.000 a 3.000 msn Altitud moderada• 3.000 a 5.000 msn Gran altitud• 5.000 a 8.848 msn Altitud extrema

Altiplano3500 m 28%4250 m 60%

Areas con elevada altitud

Importante

• A partir de los 1.500 msnm ya hay cambios fisiologicos y ocasionalmente enfermedades.

La presión barométrica es menor a mayor altitud

Altura (m) Presión PiO2 Barométrica

(mmHg) (mmHg)

Nivel de mar 760 149

1000 m 679 133

2000 m 603 117

3000 m 523 100

4000 m 475 90

Presion barometrica medida

Cochabamba2500 m.

Gases Sanguineos Fisiologia de la Respiracion e Insuficiencia Respiratoria AgudaJF Patino 7ma edicion .Santa fe -Bogota

Concentracion de O2 segun la altitud y PB en diferentes ciudades de Latinoamerica

CaracasMexicoBogotaLa PazOroya (Peru)

Gases Sanguineos Fisiologia de la Respiracion e Insuficiencia Respiratoria AgudaJF Patino 7ma edicion .Santa fe -Bogota

Composicion del gas alveolar

Nivel del mar

Bogota o Cochabamba

Gases Sanguineos Fisiologia de la Respiracion e Insuficiencia Respiratoria AgudaJF Patino 7ma edicion .Santa fe -Bogota

Determinacion de gases arterialesen Bogota - Cochabamba

Gases Sanguineos Fisiologia de la Respiracion e Insuficiencia Respiratoria AgudaJF Patino 7ma edicion .Santa fe -Bogota

Presion arterial de O2 segun la altura

Gases Sanguineos Fisiologia de la Respiracion e Insuficiencia Respiratoria AgudaJF Patino 7ma edicion .Santa fe -Bogota

Valores normales de gases PO2 y PCO2

Gases Sanguineos Fisiologia de la Respiracion e Insuficiencia Respiratoria AgudaJF Patino 7ma edicion .Santa fe -Bogota

Curva de disociación de la oxihemoglobina

100 ZONA SEGURA

80

60

40 ZONA SEGURA

20

20 40 60 80 100

Aumento del 2-3 DPGAumento del pHDisminución del Tº

Desviación a la derecha

Satu

raci

ón d

e la

hem

oglo

bina

(%)

Presión de O2 (mm Hg )

PAO2 vs PaO2

| | | | |

2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 Altitud (metros sobre nivel del mar)

Pre

sión p

arc

ial de o

xíg

eno (

mm

Hg

)

20

40

60

80

100

120

140

160

S

a O

2(%

)

50

60

70

80

90

100

Hackett,Roach,Sutton.High altitude medicine,1989

SaO2

PAO2

PaO2

Reservas de oxígeno

Reservade flujo

Reserva eritropoyética

Reserva respiratoria

Gasto cardíaco

Presión parcial de oxígenov a

Contenido de oxígeno

Reservaquímica

Reservacapilar

Reservade sangre

Diferencia arteriovenosade oxígeno

Metcalfe & Dhindsa (1970)

Reserva eritropoyética• Incremento de hemoglobina y RBC circulantes

– A corto plazo por medio de una hemoconcentración• Contracción esplácnica• Incremento de diuresis• Evapotranspiración asociada a hiperventilación

– A largo plazo por incremento de eritropoyesis (HIF EPO)

HIF-1

ProlilhidroxilasaProlilhidroxilasa

O2O2 OHVHLVHL

UbUb

Degradación

NORMOXIA

HIPOXIA

Genes diana

Núcleo

Expresión degenesHREsHREs

Complejo Von Hippel-Lindau

Ubiquitina

HREsHREsHypoxia Responsive Elements

Señalización iniciada por HIF 1 A

• No sólo se trata de EPO, es la homeostasis del oxígeno:

HIF-1

MetabolismoMetabolismo

Biología vascularBiología vascular

Hierro/EritropoyesisHierro/Eritropoyesis

Proliferación/SupervivenciaProliferación/Supervivencia

HIF1A es un factor de transcripción con dominios HLH-PAS encontrado en células de mamíferos creciendo a concentraciones bajas de oxígeno. Juega un papel esencial en la respuesta celular y sistémica a la hipoxia.HIF1A es una de las clases de factores inducibles por hipoxia, una familia que incluye HIF1A, HIF2A y HIF3A.

Reserva capilar

• Aumento de densidad capilar en los tejidos periféricos, especialmente miocardio y músculo esquelético– Autorregulación local:

• Reducción de resistencia periférica vasodilatación arteriolar (NO, adenosina)

• Mayor tiempo de apertura de capilares

– Angiogénesis: capilares “de novo” (HIF VEGF)

• A igual gasto cardíaco, el mayor flujo capilar aumenta la extracción de oxígeno

Reserva química

• Cambio en la curva de afinidad Hb-O2

– Aumento de afinidad a nivel alveolar• ↑2-3 DPG• Efecto Haldane

– Disminución de afinidad a nivel periférico• Efecto Bohr facilitado por acidificación tisular

Cambio en la curva de afinidad Hb-O2

Reserva circulatoria• Reserva de flujo: Aumento del gasto cardíaco

• Incremento en frecuencia cardiaca• A largo plazo: hipertrofia ventricular y elevación del volumen

sistólico– Riesgo de edema pulmonar

• Reserva de sangre: Aumento de la irrigación– Redistribución de flujo regional – Modificación de las cualidades reológicas sanguíneas

• Menor agregabilidad eritrocitaria a nivel venoso• Mayor deformabilidad eritrocitaria en la microcirculación

• Todo ello contribuye a aumentar el aporte periférico de oxígeno

Reserva respiratoria• Incremento en la saturación arterial de oxígeno

– Ajuste óptimo de la razón ventilación/perfusión

• Este mecanismo es el más limitado de todos:– La hipertensión pulmonar puede empeorar el intercambio por

exudación hacia el espacio alveolar lo que aumenta la barrera alveolo-capilar

– El margen de aumento de SatO2 es muy pequeño a nivel del mar pero puede resultar importante en altitud.

• También contribuye a aumentar la diferencia arteriovenosa de oxígeno

Respuesta a la altura

• 3 fases o etapas:1. Aclimatación2. Adaptación o ajuste3. Adaptación evolutiva (genética).

Tiempo de adaptación a la altura

• Depende de la Altura, por ej:• 2 semanas para 2300 mts.• + 1 semana por cada 600 mts.

RESPUESTAS FISIOLOGICAS

1. ACLIMATACION: Cambios fenotípicos que se desarrollan inmediatamente

al momento de llegar a la altura para disminuir los efectos de la hipoxemia.

Reversibles.

ACLIMATACION

• REPOSO• Hiperventilación• Aumento del gasto cardiaco• Perdida de volumen plasmático• Aumenta el 2,3 Difosfoglicerato en los eritrocitos• Poliglobulia (3 a 5 días).Más en las 2 primeras

semanas

Cambios en el equilibrio ácido – base

PCO2

VM

pH

HCO3

0 1 2 3 4 5 6 7Días de estadía en la altura

RESPUESTAS FISIOLOGICAS

2. ADAPTACION o AJUSTE: Desarrollo de ciertos mecanismos fisiológicos

que capacitan a las personas expuestas por largo tiempo a la hipoxia para llevar una vida cercana a la normal.

Reversibles

ADAPTACION o AJUSTE

• Poliglobulia (3 a 5 días).• Más en las 2 primeras semanas y luego

disminuye.• Aumenta la capacidad de difusión• Aumenta densidad capilar de los órganos

sobretodo de los músculos.

Aclimatación y adaptaciónRespuesta fisiológica a la altura

RESPUESTAS FISIOLOGICAS CRONICAS

3. ADAPTACION EVOLUTIVA (GENETICA) : Desarrollo a lo largo de los siglos en las poblaciones

expuestas a la altura por muchas generaciones . Irreversibles.

ADAPTACION EVOLUTIVA (GENETICA)

• El proceso de seleccion natural se desarrollo a lo largo de 11.000 a 11.500 años en el altiplano andino y 20.000 a 25.000 años en el Tibet.

• La adaptacion genetica etiope 3.530 msnm en el parque Nacional de las Montanas Semien Gondar Norte es desconocida, sin hipoxemia ni eritrocitosis.

Diferentes patrones de adaptacion a la hipoxia de las grandes alturas comparando la presencia o ausencia de

eritrocitosis e hipoxemia arterial

Nivel del marEtiopiaTibetLos Andes

Presion parcial de oxigeno Inspirado Hipoxemia Eritrocitosis Arterial 100% - - 64% - - 60% + - 60% + +

“Los habitantes de los Andes tomaron la ruta hematologica y los del Tibet la ruta respiratoria”

….10 genes especiales que les permiten procesar el oxígeno de modo diferente al común de los mortales y tienen un nivel más alto de óxido nítrico…..

Habitante de Los Andes (Lago Titicaca)

Fases de adaptation a la alta altitud

…en función de la altitud

CONSECUENCIAS

1.- Hipoxia Hipobárica2.- Disminución de la Temperatura corporal (6,5º C/ 1.000 metros)3.- Aire seco que predispone a enfermedades irritativas oculares y respiratorias .Deshidratación. (2.000 msnm ↓50% y 4.000 msnm ↓ 75%)4.- Aumenta la radiación ultravioleta incrementando el riesgo de quemadura solares. ( ↑2 a 4%/100 metros hasta los 2.000 msnm y ↑ 1% cada 100 metros)

Alteraciones en el SNC

Barometric Pressure (Pb) and Partial Pressure of Inspired Oxygen(PiO2) in Blood Samples Obtained from Subjects Breathing Ambient Airat Various Altitudes between London and the Summit of Mount Everest.

GSA a diferentes altitudes

Contenido arterial de oxígeno

• CaO2 = (1.34 x ctHb x SaO2) + (0.003 x PaO2) donde:

• CaO2 – Contenido arterial de oxígeno • ctHb – Contenido de Hemoglobina Total • SaO2 – Saturación de Oxígeno en sangre arterial • PaO2 – Presión parcial de oxígeno en sangre arterial

• Rango normal: 16-20 ml de O2 por cada 100 ml de sangre

RESPUESTAS METABOLICAS A LA ALTURA

• Aumento de Catecolaminas• Aumento de Glucorticoides• Aumento de Hormona Antidiurética• Aumento de Hormona Tiroidea• Aumento del Glucagón• Aumento de la Insulina

• Disminución de la Aldosterona• Disminución de la Renina