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¿Presiones parciales de diferentes gases en sangre humana y cómo se calculan?


En fisiología respiratoria, utilizamos el $ P_x {O_2} $ y $ P_x {CO_2} $ en sangre en diferentes regiones de la circulación periférica. Por mis conocimientos de Química, sé que $ P_x $ de un gas en una solución es la fracción de la presión total causada por el gas disuelto. Pero en sangre $ O_2 $ está presente principalmente como $ OxyHb $ y $ CO_2 $ también está presente como $ CarbaminoHb $ & $ HCO_3 ^ - $. En sangre, su fracción en estado disuelto es muy baja. Ahora mi pregunta es cómo medimos el $ P_x $ de cualquier gas$ O_2 $ o $ CO_2 $) en sangre y ¿cuál es la lógica aquí? [x significa sangre arterial o sangre venosa]

Aquí están los datos de los que estoy hablando. (Https://i.stack.imgur.com/lA1M5.jpg ">


Como nota de notación, nunca vi tu $ P_a {O_2} $ notación utilizada excepto para referirse a arterial presión parcial ($ P_v {O_2} $ sería venoso). Genéricamente, las presiones parciales generalmente se notan como, por ejemplo, $ P_ {O_2} $.

Cuando hablamos de presiones parciales en biología, nos referimos literalmente a las presiones parciales: la causada por el gas disuelto.

El oxígeno unido a la hemoglobina no es lo mismo que el oxígeno gaseoso, ni el ácido carbónico es lo mismo que el dióxido de carbono. Ninguno contribuye a la presión parcial. Se relacionan con la capacidad total de transporte de oxígeno / dióxido de carbono de la sangre, pero esto no se puede medir directamente a través de presiones parciales.

Vea estas preguntas y respuestas para una situación que surja: ¿Por qué la pO2 arterial es normal en la intoxicación por monóxido de carbono?

En medicina, es común utilizar la saturación de oxígeno como una medida alternativa de la concentración de oxígeno en sangre; esto se refiere al porcentaje de sitios de unión de oxígeno de la Hb que están saturados.

Es importante darse cuenta de que las presiones parciales de los gases disueltos eventualmente alcanzarán el equilibrio con la atmósfera circundante; Los pulmones son un gran órgano de intercambio de gases (ese es todo su trabajo), por lo que la sangre que sale de los pulmones debe tener presiones parciales que se aproximen a las del aire inspirado (en la práctica, hay cierta discrepancia porque los pulmones están muy húmedos y también se rellenan constantemente con $ CO_2 $ de la sangre, por lo que el vapor de agua y el dióxido de carbono contribuyen a una presión de gas sustancial que expulsa otros gases: vea la similitud entre la sangre arterial y el gas alveolar en su tabla de datos y las diferencias entre el gas atmosférico y el gas alveolar).

Clínicamente / en un laboratorio, medimos estas cosas con una máquina que simplemente da los números mágicamente. Busqué una descripción simple de cómo funcionan realmente estas máquinas y encontré que https://acutecaretesting.org/en/articles/understanding-the-principles-behind-blood-gas-sensor-technology era útil. En resumen, $ CO_2 $se mide exponiendo una solución cautiva al gas y midiendo el pH, dando una medida indirecta (pero precisa) de $ CO_2 $. $ O_2 $ se mide con una corriente reductora. También es posible medir concentraciones de compuestos arbitrarios de forma más directa con la cromatografía de gases; mis colegas han utilizado esto para gases anestésicos, por ejemplo.


¿Qué es la prueba de presión parcial de oxígeno (PaO2)?

Sanja Jelic, MD, está certificada por la junta en medicina del sueño, medicina de cuidados intensivos, enfermedades pulmonares y medicina interna.

La presión parcial de oxígeno, también conocida como PaO2, es una medida de la presión de oxígeno en la sangre arterial. Refleja qué tan bien el oxígeno puede pasar de los pulmones a la sangre y, a menudo, se ve alterado por enfermedades graves.

La PaO2 es uno de los componentes medidos en una prueba de gasometría arterial (ABG), que también informa sobre la saturación de oxígeno (O2), el bicarbonato (HCO3), la presión parcial de dióxido de carbono (CO2) y el nivel de pH en los glóbulos rojos. .


Volúmenes y capacidades pulmonares

Los diferentes animales tienen diferentes capacidades pulmonares en función de sus actividades. Los guepardos han desarrollado una capacidad pulmonar mucho mayor que los humanos, ayuda a proporcionar oxígeno a todos los músculos del cuerpo y les permite correr muy rápido. Los elefantes también tienen una gran capacidad pulmonar. En este caso, no es porque corran rápido sino porque tienen un cuerpo grande y deben ser capaces de absorber oxígeno de acuerdo con su tamaño corporal.

El tamaño del pulmón humano está determinado por la genética, el sexo y la altura. A máxima capacidad, un pulmón promedio puede contener casi seis litros de aire, pero los pulmones no suelen funcionar a máxima capacidad. El aire en los pulmones se mide en términos de volúmenes pulmonares y capacidades pulmonares ([Figura 1] y [Tabla 1]). El volumen mide la cantidad de aire para una función (como inhalación o exhalación). La capacidad es dos o más volúmenes cualesquiera (por ejemplo, cuánto se puede inhalar desde el final de una exhalación máxima).

Figura 1: Se muestran los volúmenes y capacidades de los pulmones humanos. La capacidad pulmonar total del macho adulto es de seis litros. El volumen corriente es el volumen de aire inhalado en una sola respiración normal. La capacidad inspiratoria es la cantidad de aire que se toma durante una respiración profunda y el volumen residual es la cantidad de aire que queda en los pulmones después de una respiración fuerte.

El volumen en el pulmón se puede dividir en cuatro unidades: volumen corriente, volumen de reserva espiratorio, volumen de reserva inspiratorio y volumen residual. El volumen corriente (TV) mide la cantidad de aire que se inspira y expira durante una respiración normal. En promedio, este volumen es de alrededor de medio litro, que es un poco menos que la capacidad de una botella de bebida de 20 onzas. El volumen de reserva espiratoria (VRE) es la cantidad adicional de aire que se puede exhalar después de una exhalación normal. Es la cantidad de reserva que se puede exhalar más allá de lo normal. Por el contrario, el volumen de reserva inspiratoria (VIR) es la cantidad adicional de aire que se puede inhalar después de una inhalación normal. El volumen residual (RV) es la cantidad de aire que queda después de exhalar el volumen de reserva espiratorio. Los pulmones nunca están completamente vacíos: siempre queda algo de aire en los pulmones después de una exhalación máxima. Si este volumen residual no existiera y los pulmones se vaciaran por completo, los tejidos pulmonares se pegarían y la energía necesaria para volver a inflar el pulmón podría ser demasiado grande para superarla. Por lo tanto, siempre queda algo de aire en los pulmones. El volumen residual también es importante para prevenir grandes fluctuaciones en los gases respiratorios (O2 y compañía2). El volumen residual es el único volumen pulmonar que no se puede medir directamente porque es imposible vaciar completamente el pulmón de aire. Este volumen solo se puede calcular en lugar de medir.

Las capacidades son medidas de dos o más volúmenes. La capacidad vital (CV) mide la cantidad máxima de aire que se puede inhalar o exhalar durante un ciclo respiratorio. Es la suma del volumen de reserva espiratorio, el volumen corriente y el volumen de reserva inspiratorio. La capacidad inspiratoria (IC) es la cantidad de aire que se puede inhalar después del final de una espiración normal. Por tanto, es la suma del volumen corriente y el volumen de reserva inspiratorio. La capacidad residual funcional (CRF) incluye el volumen de reserva espiratorio y el volumen residual. El FRC mide la cantidad de aire adicional que se puede exhalar después de una exhalación normal. Por último, la capacidad pulmonar total (TLC) es una medida de la cantidad total de aire que puede contener el pulmón. Es la suma del volumen residual, el volumen de reserva espiratorio, el volumen corriente y el volumen de reserva inspiratorio.

Los volúmenes pulmonares se miden mediante una técnica llamada espirometría. Una medida importante que se toma durante la espirometría es el volumen espiratorio forzado (FEV), que mide la cantidad de aire que se puede expulsar del pulmón durante un período específico, generalmente un segundo (FEV1). Además, se mide la capacidad vital forzada (FVC), que es la cantidad total de aire que se puede exhalar a la fuerza. La relación de estos valores (relación FEV1 / FVC) se utiliza para diagnosticar enfermedades pulmonares, como asma, enfisema y fibrosis. Si la relación FEV1 / FVC es alta, los pulmones no son compatibles (lo que significa que están rígidos y no pueden doblarse correctamente) y es muy probable que el paciente tenga fibrosis pulmonar. Los pacientes exhalan la mayor parte del volumen pulmonar muy rápidamente. Por el contrario, cuando la relación FEV1 / FVC es baja, hay una resistencia en el pulmón que es característica del asma. En este caso, es difícil para el paciente sacar el aire de sus pulmones y lleva mucho tiempo alcanzar el volumen máximo de exhalación. En cualquier caso, la respiración es difícil y surgen complicaciones.


Volúmenes y capacidades pulmonares

Los diferentes animales tienen diferentes capacidades pulmonares en función de sus actividades. Los guepardos han desarrollado una capacidad pulmonar mucho mayor que los humanos, ayuda a proporcionar oxígeno a todos los músculos del cuerpo y les permite correr muy rápido. Los elefantes también tienen una gran capacidad pulmonar. En este caso, no es porque corran rápido sino porque tienen un cuerpo grande y deben ser capaces de absorber oxígeno de acuerdo con su tamaño corporal.

Figura ( PageIndex <1> ): Se muestran los volúmenes y capacidades de los pulmones humanos. La capacidad pulmonar total del macho adulto es de seis litros. El volumen corriente es el volumen de aire inhalado en una sola respiración normal. La capacidad inspiratoria es la cantidad de aire que se toma durante una respiración profunda y el volumen residual es la cantidad de aire que queda en los pulmones después de una respiración fuerte.

El tamaño del pulmón humano está determinado por la genética, el género y la altura. A máxima capacidad, un pulmón promedio puede contener casi seis litros de aire, pero los pulmones no suelen funcionar a máxima capacidad. El aire en los pulmones se mide en términos de volúmenes pulmonares y capacidades pulmonares (Figura ( PageIndex <1> ) y Tabla ( PageIndex <1> )). El volumen mide la cantidad de aire para una función (como inhalación o exhalación). La capacidad es dos o más volúmenes cualesquiera (por ejemplo, cuánto se puede inhalar desde el final de una exhalación máxima).

Tabla ( PageIndex <1> ): Volúmenes y capacidades pulmonares (promedio de hombres adultos)

Volumen / Capacidad Definición Volumen (litros) Ecuaciones Volumen corriente (TV) Cantidad de aire inhalado durante una respiración normal 0.5 - Volumen de reserva espiratoria (ERV) Cantidad de aire que se puede exhalar después de una exhalación normal. 1.2 - Volumen de reserva inspiratorio (IRV) Cantidad de aire que se puede inhalar más después de una inhalación normal. 3.1 - Volumen residual (RV) Aire que queda en los pulmones después de una exhalación forzada. 1.2 - Capacidad vital (VC) Cantidad máxima de aire que puede entrar o salir de los pulmones en un solo ciclo respiratorio 4.8 ERV + TV + IRV Capacidad inspiratoria (IC) Volumen de aire que se puede inhalar además de una exhalación normal 3.6 TV + IRV Capacidad residual funcional (FRC) Volumen de aire restante después de una exhalación normal 2.4 ERV + RV Capacidad pulmonar total (TLC) Volumen total de aire en los pulmones después de una inspiración máxima 6.0 RV + ERV + TV + IRV Volumen espiratorio forzado (FEV1) Cuánto aire se puede expulsar de los pulmones durante un período de tiempo específico, generalmente un segundo

El volumen en el pulmón se puede dividir en cuatro unidades: volumen corriente, volumen de reserva espiratorio, volumen de reserva inspiratorio y volumen residual. El volumen corriente (TV) mide la cantidad de aire que se inspira y expira durante una respiración normal. En promedio, este volumen es de alrededor de medio litro, que es un poco menos que la capacidad de una botella de bebida de 20 onzas. El volumen de reserva espiratoria (VRE) es la cantidad adicional de aire que se puede exhalar después de una exhalación normal. Es la cantidad de reserva que se puede exhalar más allá de lo normal. Por el contrario, el volumen de reserva inspiratoria (VIR) es la cantidad adicional de aire que se puede inhalar después de una inhalación normal. El volumen residual (RV) es la cantidad de aire que queda después de exhalar el volumen de reserva espiratorio. Los pulmones nunca están completamente vacíos: siempre queda algo de aire en los pulmones después de una exhalación máxima. Si este volumen residual no existiera y los pulmones se vacían por completo, los tejidos pulmonares se pegarían y la energía necesaria para volver a inflar el pulmón podría ser demasiado grande para superarla. Por lo tanto, siempre queda algo de aire en los pulmones. El volumen residual también es importante para prevenir grandes fluctuaciones en los gases respiratorios (O2 y compañía2). El volumen residual es el único volumen pulmonar que no se puede medir directamente porque es imposible vaciar completamente el pulmón de aire. Este volumen solo se puede calcular en lugar de medir.

Las capacidades son medidas de dos o más volúmenes. La capacidad vital (CV) mide la cantidad máxima de aire que se puede inhalar o exhalar durante un ciclo respiratorio. Es la suma del volumen de reserva espiratorio, el volumen corriente y el volumen de reserva inspiratorio. La capacidad inspiratoria (IC) es la cantidad de aire que se puede inhalar después del final de una espiración normal. Es, por tanto, la suma del volumen corriente y el volumen de reserva inspiratorio. La capacidad residual funcional (CRF) incluye el volumen de reserva espiratorio y el volumen residual. El FRC mide la cantidad de aire adicional que se puede exhalar después de una exhalación normal. Por último, la capacidad pulmonar total (TLC) es una medida de la cantidad total de aire que puede contener el pulmón. Es la suma del volumen residual, el volumen de reserva espiratorio, el volumen corriente y el volumen de reserva inspiratorio.

Los volúmenes pulmonares se miden mediante una técnica llamada espirometría. Una medida importante que se toma durante la espirometría es el volumen espiratorio forzado (FEV), que mide la cantidad de aire que se puede expulsar del pulmón durante un período específico, generalmente un segundo (FEV1). Además, se mide la capacidad vital forzada (FVC), que es la cantidad total de aire que se puede exhalar a la fuerza. La relación de estos valores (relación FEV1 / FVC) se utiliza para diagnosticar enfermedades pulmonares, como asma, enfisema y fibrosis. Si la relación FEV1 / FVC es alta, los pulmones no son compatibles (lo que significa que están rígidos y no pueden doblarse correctamente) y es muy probable que el paciente tenga fibrosis pulmonar. Los pacientes exhalan la mayor parte del volumen pulmonar muy rápidamente. Por el contrario, cuando la relación FEV1 / FVC es baja, hay una resistencia en el pulmón que es característica del asma. En este caso, es difícil para el paciente sacar el aire de sus pulmones y lleva mucho tiempo alcanzar el volumen máximo de exhalación. En cualquier caso, la respiración es difícil y surgen complicaciones.

Los terapeutas respiratorios o los médicos respiratorios evalúan y tratan a pacientes con enfermedades pulmonares y cardiovasculares. Trabajan como parte de un equipo médico para desarrollar planes de tratamiento para los pacientes. Los terapeutas respiratorios pueden tratar a bebés prematuros con pulmones subdesarrollados, pacientes con afecciones crónicas como asma o pacientes mayores que padecen enfermedades pulmonares como enfisema y enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). Pueden operar equipos avanzados como sistemas de suministro de gas comprimido, ventiladores, analizadores de gases en sangre y reanimadores. Los programas especializados para convertirse en terapeuta respiratorio generalmente conducen a una licenciatura y rsquos con una especialidad de terapeuta respiratorio. Debido al creciente envejecimiento de la población, se espera que las oportunidades profesionales como terapeuta respiratorio sigan siendo sólidas.


Presión parcial - líquidos

En nuestra discusión sobre la presión diluida (casi ideal) gases, aprendimos que cada molécula del gas que rebotaba en una pared sentía una fuerza de la pared y, por lo tanto, según la tercera ley de Newton, ejercía una fuerza sobre la pared. La presión (fuerza en la pared por unidad de área) era proporcional a la concentración y mdash el número de moléculas por unidad de volumen que golpeaban la pared. En constante T, por tanto, la presión podría utilizarse como sustituto de la concentración (= densidad numérica).

Cuando hay una mezcla de gases, cada molécula de cada gas contribuye en la misma cantidad a la presión, por lo que la presión total es la suma de presiones parciales creado por cada gas por separado.

Los gases también se pueden disolver en líquidos. Para entrar en contacto con la forma en que se describen las concentraciones en los gases, nos gustaría utilizar el mismo lenguaje. Pero surge un problema que puede generar confusión. La física clave que hace que la ley de los gases ideales funcione es que es diluido. Las moléculas están muy separadas, rara vez chocan y en su mayoría viajan en línea recta (ignorando la gravedad). Esto conduce a la ley de los gases ideales: $ p = nk_BT $ donde $ n $ es la concentración.

Pero en los líquidos, las moléculas están cerca unas de otras. Básicamente, se tocan e interactúan entre sí todo el tiempo. Esto significa el la ley de los gases ideales NO se aplica a los líquidos y ni siquiera a los gases disueltos en líquidos.

Podríamos decir, bueno, usemos la misma ecuación de todos modos. Esto diría que la presión parcial es la concentración que tendría el gas si no hubiera líquido. Lo he superado ya que esto NO es lo que se hace. Por el contrario, se hace una elección algo más sofisticada. Se define de la siguiente manera.

los presión parcial de un gas disuelto en un líquido se toma como la presión parcial de gas que estaría en equilibrio cuando ese gas está en contacto con el líquido.

Aunque esto suena un poco confuso, tiene sentido si considera que una forma de medir la concentración de gas disuelto en un líquido es dejar que se equilibre con un pequeño espacio abierto sobre el líquido y luego medir la concentración (presión parcial) en el gas. Es mucho más difícil medir directamente la concentración real de gas dentro de un líquido.

Esta imagen de los alvéolos pulmonares
por Desconocido
El autor tiene licencia
bajo CC BY-SA

Pero además de ser razonable desde el punto de vista de la medición, tiene mucho sentido biológicamente. Un punto crítico en muchos lugares de la biología es el intercambio de gases entre un gas (aire) y un líquido (agua). Los animales necesitan tomar oxígeno del aire en sus fluidos y eliminar dióxidos de carbono. Se desarrollan estructuras complejas como pulmones, alvéolos y branquias para facilitar esto.

Consideremos un ejemplo. Considere el oxígeno (O2) disuelto en agua. En la imagen de la derecha, mostramos un recipiente con agua con una superficie abierta al aire sobre el agua. El oxígeno disuelto tiene una concentración de $ n_$ moléculas por cm 3 y el aire tiene una concentración de $ n_$ moléculas por cm 3. Solo se muestran las moléculas de oxígeno (pero el agua se muestra en azul).

La presión parcial del oxígeno en el aire ($ n_$) es, según nuestro análisis de los gases, proporcional a la densidad numérica de moléculas de oxígeno por

[¡Cuidadoso! Ya que somos solamente hablando de la presión de oxígeno en esta página, no nos molestaremos en escribir $ p_$ o $ n_PS Eso parece engorroso. Pero no confundas $ p_$ con el total presión del aire. En todo momento, siempre estamos hablando de la presión y la densidad solo del oxígeno].

Las moléculas de oxígeno cruzan continuamente la superficie desde ambos lados. El valor de equilibrio ocurre (los números se estabilizan) cuando números iguales salen y entran al agua. Pero debido a que las moléculas de oxígeno interactúan fuertemente con las moléculas de agua (pero no fuertemente con las moléculas de aire, el valor de equilibrio NO ocurre cuando las dos concentraciones son iguales.

Definamos la razón de las dos concentraciones en equilibrio en $ H $. (Tenga en cuenta que $ H $ no tiene dimensiones ya que es la razón de dos del mismo tipo de cantidades). Dependerá de las propiedades del líquido y del gas que estemos considerando. Las concentraciones de equilibrio determinan H por

No es trivial calcular esta proporción. Básicamente hay que medirlo.

Definimos el presión parcial del oxígeno en el agua ser

Tenga en cuenta que esta es la cantidad de oxígeno en el aire que estaría en equilibrio con el oxígeno en el agua. Esto NO es igual a la concentración de oxígeno en el aire que produce esta presión. Para relacionar esto con el real concentración de oxígeno en el agua, tenemos que sustituir $ n_$

Esto relaciona la presión parcial del oxígeno sobre el agua con la concentración (densidad numérica) de oxígeno en el agua.

Los químicos (y biólogos) tienden a preferir utilizar la concentración molar en lugar del número de moléculas. Para convertir el número de moléculas en el número de moles tenemos que dividir por el número de Avogadro, norteA. El número de moles por centímetro cúbico se llama concentración molar y normalmente está escrito C. Por lo tanto tenemos

$ c_ = n_ / N_A quad mathrm quad n_ = N_A c_$

Tenga en cuenta que cambiar de densidad numérica ($ n $) a densidad molar ($ c $) simplemente cambia $ k_B $ a $ k_BN_A = R $, la constante de gas familiar de la química. La combinación $ HRT $ se denomina Constante de Henry, $ k_H $.

El resultado final normalmente citado en química es

es decir, lo que definimos como la presión parcial de oxígeno en el agua es proporcional a la concentración molar de oxígeno en el agua. Se llama Ley de Henry. Por supuesto, esto se generaliza fácilmente a cualquier líquido y gas disuelto. Tenga en cuenta también que, aunque se llama "constante de Henry", en realidad depende del gas disuelto del que estamos hablando, la temperatura y las propiedades del líquido. Esto no se calcula fácilmente. Debe consultarse en una tabla obtenida a partir de los valores medidos.

La discusión de la ley de Henry y la constante de Henry es algo confusa por el hecho de que diferentes comunidades miden la presión en diferentes unidades y diferentes comunidades miden concentraciones en diferentes unidades. Como resultado, hay un montón de diferentes valores para una sola "constante de Henry". Aunque la constante (sin unidades) "$ H $" que definimos anteriormente no se usa comúnmente, la relación $ n_ = Hn_$ es probablemente una buena forma de pensar en lo que le dice la ley de Henry.

Si bien el significado de "concentración" de presión parcial es la consideración biológica primaria para los gases disueltos, hay contextos en los que el significado de presión parcial "conduce a una fuerza" también puede tener implicaciones biológicas.

Imagen cortesía de Payal Razdan.

Cuando los buzos descienden profundamente por debajo del agua, la presión de los gases que están inhalando debe aumentarse para igualar la presión aumentada del agua. Como resultado, la concentración de gases disueltos en la sangre (particularmente nitrógeno) puede llegar a ser mucho más alta que aquellas concentraciones que están en equilibrio con el aire a presión normal. Si la presión no se reduce lentamente para que el nitrógeno de la sangre se pueda expresar al aire a través de los pulmones, se pueden formar burbujas de nitrógeno en la sangre.

¡Ahora, la presión parcial no es solo concentración! Dentro de una burbuja de gas, la presión del gas ejerce fuerzas sobre las paredes de la burbuja y, a medida que la burbuja se expande, sobre las paredes de los vasos sanguíneos, ¡causando daño físico ("las curvas")!


Factores fisiológicos que afectan la curva de disociación hemoglobina-oxígeno

La relación entre la saturación (o contenido) de oxígeno en sangre y la presión parcial no es constante, incluso dentro de un individuo. Clásicamente, los factores reconocidos para influir en la curva de disociación de oxígeno (ODC) incluyen la presión parcial de CO2 predominante local (PAGCO2), pH y temperatura. La curva se desplaza hacia la derecha (es decir. menor saturación para un determinado PAGO2) por mayor PAGCO2, mayor acidez (menor pH) y mayor temperatura. El efecto de PAGCO2 (conocido como el efecto & # x0201cBohr & # x0201d) está mediado en gran medida por el cambio de acidez que lo acompaña in vitro los estudios han demostrado que PAGCO2 en sí mismo también tiene un efecto independiente, que se hace más evidente en condiciones más ácidas y severamente hipóxicas [4].

Los factores que desplazan el ODC hacia la derecha (pH más bajo, temperatura más alta y PAGCO2) son directamente relevantes para las condiciones que prevalecen en el metabolismo de los tejidos y, en consecuencia, a medida que la sangre fluye a través de los tejidos, la ODC se desplaza hacia la derecha. Esto implica una reducción de la afinidad de la sangre por el oxígeno (para un determinado PAGO2, la sangre venosa contiene menos oxígeno que la sangre arterial), lo que es ventajoso ya que facilita la descarga de oxígeno de la hemoglobina en los tejidos. Lo contrario ocurre durante el paso a través de los capilares pulmonares, con la mayor afinidad que acompaña a un desplazamiento de la ODC hacia la izquierda que ayuda a la captación de oxígeno.

Otro mecanismo compensatorio que ayuda al suministro de oxígeno al alterar la posición de la ODC es la concentración en los glóbulos rojos de 2,3-bifosfoglicerato (también conocido como difosfoglicerato (DPG)), un metabolito intermedio en la vía glucolítica que se une a la desoxihemoglobina. Las concentraciones más altas de 2,3-DPG, que se observan, por ejemplo, en la hipoxia crónica, desplazan la curva hacia la derecha, lo que nuevamente facilita la extracción de oxígeno por metabolismo de los tejidos.


Pequeñas moléculas e hipoxia.

Fármacos quimioterápicos

Las células tumorales no responden en gran medida a la mayoría de los fármacos contra el cáncer [31]. Los vasos sanguíneos de los tumores son caóticos, con fugas y desorganizados. Esto da como resultado una mala eficacia de perfusión, una reducción del suministro de oxígeno a las células tumorales y la inducción de hipoxia crónica. Esta falta de O2 en tumores tiende a seleccionar células con fenotipo maligno más fuerte. Además, el aumento de las mutaciones del ADN en las células tumorales activa genes que influyen en la captación, el metabolismo y la exportación de fármacos, a favor de la supervivencia del tumor. Por ejemplo, en las células tumorales se potencia la expresión de la glicoproteína P y los receptores de resistencia a múltiples fármacos [32]. Además, las modificaciones en la sensibilidad a la apoptosis mediada por p53 y en la reparación del desajuste del ADN hacen que las células sean resistentes a los agentes quimioterapéuticos basados ​​en platino (como carboplatino o cisplatino) [33, 34]. La hipoxia transitoria también puede alterar el plegamiento de proteínas en el retículo endoplásmico, lo que confiere a las células tumorales resistencia a fármacos dirigidos a la topoisomerasa II [35] como etopósido, doxorrubicina, etc.

La estructura y función anormales de la vasculatura del tumor la hacen ineficaz para el suministro de oxígeno mediado por los glóbulos rojos, así como para la administración de fármacos a través de la sangre. La distribución de muchos fármacos dentro de los tumores también es heterogénea, por lo que solo una parte de las células tumorales diana está expuesta a una concentración potencialmente letal del agente citotóxico.

Además, la proliferación celular disminuye en función de su distancia a los vasos sanguíneos, efecto que se debe al menos en parte a la hipoxia [36]. Esta tasa relativamente baja de proliferación celular en la hipoxia limita la eficacia de los fármacos quimioterapéuticos activos principalmente contra células altamente proliferativas. Por tanto, muchos agentes anticancerígenos como metotrexato, 5-fluorouracilo, doxorrubicina, carboplatino, melfalán, bleomicina, etopósido, etc. in vitro citotoxicidad en condiciones experimentales de hipoxia.

Sensibilizadores a la radiación: los nitroimidazoles

Sin embargo, por su especificidad y su papel principal en la resistencia a los medicamentos, la hipoxia tumoral representa un objetivo único y atractivo para desarrollar estrategias para la terapia del cáncer. Por esta razón, se realizaron estudios sobre fármacos que son selectivamente tóxicos contra las células hipóxicas. Por ejemplo, los nitroimidazoles podrían imitar los efectos del oxígeno y, por lo tanto, sensibilizar a las células hipóxicas a la radiación. En los ensayos clínicos, la radioterapia añadida a los nitroimidazoles (metronidazol, misonidazol y etanidazol) no produjo mejoras significativas con respecto a la radioterapia sola, principalmente porque la toxicidad general de estos derivados impidió que se administraran en dosis suficientemente altas [37].

Profármacos para la hipoxia: tirapazimina y antraquinona

Otra estrategia utiliza profármacos activados por hipoxia. La tirapazimina es el primer compuesto desarrollado específicamente como citotoxina hipóxica y cuyo desarrollo clínico ha sido el más importante [38] (tabla 1). Este di-N-óxido de benzotriazina se activa selectivamente por múltiples reductasas para formar radicales libres en las células hipóxicas, lo que da como resultado un daño radical directamente a la enzima topoisomerasa II [39] o al ADN. A pesar de los resultados muy prometedores obtenidos en varios estudios preclínicos, el beneficio de supervivencia no se demuestra claramente en los ensayos clínicos [40, 41].

Tabla 1

Ejemplos de pequeñas moléculas que se dirigen a la hipoxia o la imitan: su estructura y mecanismo químico.

Pequeñas moléculas
EstructuraMecanismoReferencias
correos2 modulador
trispirofosfato de mioinositol (ITPP)Efector alostérico de hemoglobina[43 & # x0201345]
Profármacos activados por hipoxia
TirapaziminaForma radicales libres cuando se activa[38 & # x0201341]
antraquinona (AQ4N)Citotóxico cuando se reduce a AQ4[42]
Miméticos de la hipoxia
Dimetiloxalil glicina (DMOG)Inhibición de prolil-4-hidroxilasa por competencia con el sustrato[48, 49]
DesferrioxaminaInhibición de la prolil hidroxilasa por quelación con Fe 2+ del núcleo catalítico[50, 51]
Iones metálicos (por ejemplo, Co 2+ y Cu 2+) Inhibición de prolil hidroxilasa por sustitución de Fe 2+ del núcleo catalítico[51, 52]

El único otro profármaco activado por hipoxia que se encuentra actualmente en ensayos clínicos es la antraquinona AQ4N (Tabla 1). AQ4N es un profármaco de un potente intercalador de ADN / veneno de topoisomerasa, AQ4. AQ4N tiene una actividad sustancial contra las células hipóxicas en varios tumores trasplantados [42] y recientemente completó un ensayo clínico de fase I.

Correos2 modulador: trispirofosfato de mioinositol (ITPP)

Al contrario de estos fármacos cuya actividad se ve modificada por la hipoxia, la ITPP es, como sabemos, el único compuesto capaz de modular directamente la pO2. La ITPP actúa como un efector alostérico, mejorando la capacidad de la hemoglobina para liberar oxígeno unido [43]. Esto conduce a una mayor tensión de oxígeno en el entorno hipóxico y, por tanto, inhibe la angiogénesis inducida por hipoxia. La ITPP es una molécula prometedora para el cáncer [44], así como para las terapias de insuficiencia cardíaca [45], al restaurar el nivel fisiológico de oxigenación en los tejidos hipóxicos (Tabla 1). Dicha molécula podría usarse de manera beneficiosa para combinar y potenciar fármacos que inducen preferentemente la apoptosis de las células endoteliales en el tumor como el ácido 5,6-dimetilxantenona-4-acético (DMXAA) [46] y que recientemente se demostró que actúa a través de la vía redox. [47].

Miméticos de la hipoxia: dimetiloxalil glicina, desferrioxamina e iones metálicos

Para el modelado de hipoxia tumoral in vitro, el uso de una cámara de hipoxia, en la que 95% N2/ 5% CO2 Se introdujo la mezcla de gases para obtener la pO deseada.2, fue la técnica elegida. Las pequeñas moléculas que imitan la señal hipóxica también fueron herramientas atractivas. La dimetiloxalil glicina [48, 49], la desferrioxamina [50, 51] y los iones metálicos [51, 52] se utilizaron comúnmente como miméticos de la hipoxia (Tabla 1). En general, estas moléculas bloquean la actividad catalítica de las prolilhidroxilasas, un sensor de oxígeno capaz de inactivar la actividad del factor inducible por hipoxia (HIF) -1 & # x003b1 en condiciones normóxicas.

Esto muestra cuán significativo puede ser el conocimiento del estado de oxígeno en tejidos normales en comparación con tejidos patológicos para el diseño de escenarios de diagnóstico, por un lado, y para estrategias terapéuticas, por otro lado. Esto nos llevó a definir el concepto de fisioxia.


Volúmenes y capacidades pulmonares

Los volúmenes pulmonares miden la cantidad de aire para una función específica, mientras que las capacidades pulmonares son la suma de dos o más volúmenes.

Objetivos de aprendizaje

Distinguir entre volumen pulmonar y capacidad pulmonar.

Conclusiones clave

Puntos clave

  • Los volúmenes pulmonares que se pueden medir con un espirómetro incluyen el volumen corriente (TV), el volumen de reserva espiratoria (ERV) y el volumen de reserva inspiratoria (IRV).
  • El volumen residual (RV) es un volumen pulmonar que representa la cantidad de aire que queda en los pulmones después de una exhalación forzada, este volumen no se puede medir, solo se calcula.
  • Las capacidades pulmonares que se pueden calcular incluyen capacidad vital (ERV + TV + IRV), capacidad inspiratoria (TV + IRV), capacidad residual funcional (ERV + RV) y capacidad pulmonar total (RV + ERV + TV + IRV).

Términos clave

  • volumen corriente: la cantidad de aire que se inhala o exhala durante la respiración normal
  • volumen residual: el volumen de aire no gastado que permanece en los pulmones después de la espiración máxima
  • espirometria: la medida del volumen de aire que una persona puede entrar y salir de los pulmones

Volúmenes y capacidades pulmonares

Los diferentes animales exhiben diferentes capacidades pulmonares en función de sus actividades. Por ejemplo, los guepardos han desarrollado una capacidad pulmonar mucho mayor que los humanos para proporcionar oxígeno a todos los músculos del cuerpo, lo que les permite correr muy rápido. Elephants also have a high lung capacity due to their large body and their need to take up oxygen in accordance with their body size.

Human lung size is determined by genetics, gender, and height. At maximal capacity, an average lung can hold almost six liters of air however, lungs do not usually operate at maximal capacity. Air in the lungs is measured in terms of lung volumes and lung capacities. Volume measures the amount of air for one function (such as inhalation or exhalation) and capacity is any two or more volumes (for example, how much can be inhaled from the end of a maximal exhalation).

Human lung volumes and capacities: The total lung capacity of the adult male is six liters. Tidal volume is the volume of air inhaled in a single, normal breath. Inspiratory capacity is the amount of air taken in during a deep breath, while residual volume is the amount of air left in the lungs after forceful respiration.

Lung Volumes

The volume in the lung can be divided into four units: tidal volume, expiratory reserve volume, inspiratory reserve volume, and residual volume. Tidal volume (TV) measures the amount of air that is inspired and expired during a normal breath. On average, this volume is around one-half liter, which is a little less than the capacity of a 20-ounce drink bottle. The expiratory reserve volume (ERV) is the additional amount of air that can be exhaled after a normal exhalation. It is the reserve amount that can be exhaled beyond what is normal. Conversely, the inspiratory reserve volume (IRV) is the additional amount of air that can be inhaled after a normal inhalation. The residual volume (RV) is the amount of air that is left after expiratory reserve volume is exhaled. The lungs are never completely empty there is always some air left in the lungs after a maximal exhalation. If this residual volume did not exist and the lungs emptied completely, the lung tissues would stick together. The energy necessary to re-inflate the lung could be too great to overcome. Therefore, there is always some air remaining in the lungs. Residual volume is also important for preventing large fluctuations in respiratory gases (O2 y compañía2). The residual volume is the only lung volume that cannot be measured directly because it is impossible to completely empty the lung of air. This volume can only be calculated rather than measured..

Lung volumes are measured by a technique called spirometry. An important measurement taken during spirometry is the forced expiratory volume (FEV), which measures how much air can be forced out of the lung over a specific period, usually one second (FEV1). In addition, the forced vital capacity (FVC), which is the total amount of air that can be forcibly exhaled, is measured. The ratio of these values (FEV1/FVC ratio) is used to diagnose lung diseases including asthma, emphysema, and fibrosis. If the FEV1/FVC ratio is high, the lungs are not compliant (meaning they are stiff and unable to bend properly) the patient probably has lung fibrosis. Patients exhale most of the lung volume very quickly. Conversely, when the FEV1/FVC ratio is low, there is resistance in the lung that is characteristic of asthma. In this instance, it is difficult for the patient to get the air out of his or her lungs. It takes a long time to reach the maximal exhalation volume. In either case, breathing is difficult and complications arise.

Lung Capacities

The lung capacities are measurements of two or more volumes. The vital capacity (VC) measures the maximum amount of air that can be inhaled or exhaled during a respiratory cycle. It is the sum of the expiratory reserve volume, tidal volume, and inspiratory reserve volume. The inspiratory capacity (IC) is the amount of air that can be inhaled after the end of a normal expiration. It is, therefore, the sum of the tidal volume and inspiratory reserve volume. The functional residual capacity (FRC) includes the expiratory reserve volume and the residual volume. The FRC measures the amount of additional air that can be exhaled after a normal exhalation. The total lung capacity (TLC) is a measurement of the total amount of air that the lung can hold. It is the sum of the residual volume, expiratory reserve volume, tidal volume, and inspiratory reserve volume..


A VBG on the other hand, tests the venous blood and can accurately determine pH and CO2 but is unable to provide reliable O2 data. For this reason, arterial testing has become the gold standard in sick patients who are at risk for sudden decompensation or those with a respiratory component.

ABGs are drawn for a variety of reasons. These may include concern for:

  • Lung Failure
  • Kidney Failure
  • Choque
  • Trauma
  • Uncontrolled diabetes
  • Asthma
  • Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD)
  • Hemorrhage
  • Drug Overdose
  • Metabolic Disease
  • Chemical Poisoning
  • To check if lung condition treatments are working

Contenido

In medicine, oxygen saturation, commonly referred to as "sats", measures the percentage of hemoglobin binding sites in the bloodstream occupied by oxygen. [2] At low partial pressures of oxygen, most hemoglobin is deoxygenated. At around 90% (the value varies according to the clinical context) oxygen saturation increases according to an oxygen-hemoglobin dissociation curve and approaches 100% at partial oxygen pressures of >11 kPa. A pulse oximeter relies on the light absorption characteristics of saturated hemoglobin to give an indication of oxygen saturation.

The body maintains a stable level of oxygen saturation for the most part by chemical processes of aerobic metabolism associated with breathing. Using the respiratory system, red blood cells, specifically the hemoglobin, gather oxygen in the lungs and distribute it to the rest of the body. The needs of the body's blood oxygen may fluctuate such as during exercise when more oxygen is required [3] or when living at higher altitudes. A blood cell is said to be "saturated" when carrying a normal amount of oxygen. [4] Both too high and too low levels can have adverse effects on the body. [5]

An SaO2 (arterial oxygen saturation, as determined by an arterial blood gas test [6] ) value below 90% indicates hypoxemia (which can also be caused by anemia). Hypoxemia due to low SaO2 is indicated by cyanosis. Oxygen saturation can be measured in different tissues: [6]

  • Venous oxygen saturation (SvO2) is the percentage of oxygenated hemoglobin returning to the right side of the heart. It can be measured to see if oxygen delivery meets the tissues' demands. SvO2 typically varies between 60% and 80%. [7] A lower value indicates that the body is in lack of oxygen, and ischemic diseases occur. This measurement is often used under treatment with a heart lung machine (extracorporeal circulation), and can give the perfusionist an idea of how much flow the patient needs to stay healthy.
  • Tissue oxygen saturation (StO2) can be measured by near infrared spectroscopy. Although the measurements are still widely discussed, they give an idea of tissue oxygenation in various conditions.
  • Peripheral oxygen saturation (SpO2) is an estimation of the oxygen saturation level usually measured with a pulse oximeter device. It can be calculated with pulse oximetry according to the formula [6] where HbO2 is oxygenated hemoglobin (oxyhemoglobin) and Hb is deoxygenated hemoglobin.

Pulse oximetry is a method used to estimate the percentage of oxygen bound to hemoglobin in the blood. [8] This approximation to SaO2 is designated SpO2 (peripheral oxygen saturation). The pulse oximeter consists of a small device that clips to the body (typically a finger, an earlobe or an infant's foot) and transfers its readings to a reading meter by wire or wirelessly. The device uses light-emitting diodes of different colours in conjunction with a light-sensitive sensor to measure the absorption of red and infrared light in the extremity. The difference in absorption between oxygenated and deoxygenated hemoglobin makes the calculation possible. [6]

Healthy individuals at sea level usually exhibit oxygen saturation values between 96% and 99%, and should be above 94%. At 1,600 meters' altitude (about one mile high) oxygen saturation should be above 92%. [9]