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La situación de la respiración se encuentra monitorizada en forma permanente por un sistema de sensores que recogen información y la envían al sistema nervioso central (cuadro 53-1). Entre ellos hay cuatro tipos:
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1. Quimiorreceptores periféricos. Los principales son los cuerpos carotídeos, localizados bilateralmente en el cuello, en la unión entre la arteria carótida interna y la externa. También existen quimiorreceptores dispuestos a lo largo del cayado aórtico, los cuerpos aórticos, de menor importancia para la regulación de la ventilación en el ser humano.
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Los cuerpos carotídeos son unas estructuras de 11 mm3 y 11 mg de peso cada uno, en los que se encuentran dos tipos de células, tipo I y tipo II. Las células tipo I contienen una elevada cantidad de catecolaminas, es la dopamina la más abundante, y de otras sustancias como la serotonina o la acetilcolina que podrían actuar como neurotransmisores. Es probable que las células tipo II tengan una función principal de sostén; en la actualidad se ha sugerido que pueden diferenciarse en células tipo I en situaciones de hipoxia crónica. Ambos tipos celulares están inervados por el nervio del seno carotídeo, rama del glosofaríngeo. A pesar de su pequeño tamaño, los cuerpos carotídeos reciben un elevadísimo aporte de sangre arterial (2 L/min/100 mg, unas 20 veces el peso de los propios cuerpos carotídeos en cada minuto). Este gran aporte de sangre arterial, regulado por terminaciones nerviosas simpáticas que alcanzan los cuerpos carotídeos, permite que el oxígeno disuelto en la sangre cubra sus necesidades metabólicas de oxígeno, a diferencia de otros tejidos que precisan del oxígeno ligado a la hemoglobina.
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La presión parcial de oxígeno disuelto en la sangre (PaO2) es la principal señal captada por los cuerpos carotídeos: los descensos en la PaO2 conducen a la liberación de neurotransmisores por las células tipo I, que estimulan las terminaciones nerviosas del nervio del seno carotídeo, el cual luego conduce la señal hasta el sistema nervioso central, donde producirá un incremento de la ventilación. Por este motivo los procesos que disminuyen el contenido de oxígeno transportado por la hemoglobina, pero que no alteran la PaO2, como la anemia o la intoxicación por monóxido de carbono, no estimulan los cuerpos carotídeos y no incrementan la ventilación. El incremento de la respuesta de estos quimiorreceptores frente al descenso progresivo de la PaO2 no es lineal; presentan actividad incluso en presencia de PaO2 muy elevadas y se incrementan de forma hiperbólica a medida que ésta desciende, aunque no ocurre aumento agudo de la respiración hasta llegar a una PaO2< 60-70 mmHg (7.98-9.31 kPa), valor a partir del cual las descargas en el nervio del seno carotídeo aumentan con suma rapidez (figura 53-2). Por este motivo, el estímulo hipóxico de la ventilación desempeña una función limitada en condiciones normales, en las que por lo regular no se alcanzan estos niveles de hipoxia; en cambio, sí interviene de forma activa en las enfermedades respiratorias avanzadas o en hipoxia hipobárica en los sujetos que ascienden a grandes alturas (véase capítulo 55). Tal incremento de la ventilación se consigue a expensas del aumento de la profundidad de la respiración, del volumen corriente, más que de la frecuencia respiratoria. Este mecanismo constituye la única respuesta a la hipoxemia arterial en el ser humano; por ello, aquellas personas en quienes se resecan los cuerpos carotídeos (p. ej., durante una intervención quirúrgica sobre las arterias carótidas) no presentan respuesta a la hipoxia; esta falta de respuesta es permanente, a diferencia de lo que ocurre en algunos animales, al poner de manifiesto la limitada función que desempeñan los cuerpos aórticos en humanos. De hecho, en ausencia de quimiorreceptores periféricos, la hipoxemia no incrementa la ventilación sino que tiene un efecto depresor de la misma.
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En menor medida que la hipoxemia, el incremento de la PaCO2 y las alteraciones del pH sanguíneo, de origen respiratorio o metabólico, estimulan del mismo modo la liberación de neurotransmisores por el cuerpo carotídeo. Se calcula que los cuerpos carotídeos son los responsables de 30% de la respuesta a la hipercapnia y a la acidosis. El resto de la respuesta corresponde con los quimiorreceptores centrales; sin embargo, es de destacar que la respuesta de los quimiorreceptores periféricos es más rápida. Esta rapidez de respuesta, al igual que la determinada por cambios en la PaO2, permitirá la corrección continuada de fluctuaciones en los valores de PaCO2 y PaO2, como las pequeñas oscilaciones observadas a lo largo del ciclo respiratorio en reposo o, más acusadas, con el ejercicio.
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Los estímulos recogidos por los cuerpos carotídeos actúan de forma sinérgica al potenciar su respuesta; así, para un mismo nivel de hipoxemia, el incremento de la ventilación será superior a mayor hipercapnia o menor pH arterial concomitante y dicho incremento será superior a la suma del producido por los dos estímulos por separado.
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2. Quimiorreceptores centrales. La persistencia de la respuesta al incremento de la PaCO2 en animales desnervados de sus quimiorreceptores periféricos demuestra la existencia de quimiorreceptores situados en el sistema nervioso central. Los receptores conocidos se localizan muy próximos, a una profundidad de 0.2 a 0.5 mm, a la superficie ventral del bulbo raquídeo. Se distinguen 3 zonas llamadas M o rostral, cercana a las salidas de los pares craneales 7 a 10; L o caudal, cercana a la salida del 12 par craneal; y una zona S o intermedia, situada entre las dos anteriores. Es posible que existan zonas quimioreceptoras situadas a más profundidad en zonas irrigadas por vasos que penetran a través de la superficie ventral bulbar. La estimulación de las zonas M y L conduce al incremento de la ventilación, mientras que la zona intermedia no actuaría propiamente como un quimiorreceptor, sino que recibiría neuronas aferentes de las otras dos al enviar la información hacia los centros respiratorios; también se ha sugerido que podría jugar un papel más general en la regulación de la ventilación.
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Estos quimiorreceptores responden a los cambios químicos en la concentración de H+ del líquido extracelular que los rodea, motivados a su vez y en gran medida por cambios en la composición sanguínea y, en especial, del líquido cefalorraquídeo (figura 53-3). Un aumento en la concentración de H+, es decir una disminución del pH o acidosis, conducirá a un incremento de la ventilación. La barrera hematoencefálica es más permeable al CO2, que la atraviesa de forma instantánea, que a los hidrogeniones, que precisan minutos a horas para ello; sin embargo, recuerde que el CO2 y la concentración de H+ están directamente relacionados mediante la acción de la anhidrasa carbónica que cataliza la reacción:
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Así, un incremento del CO2 sanguíneo conducirá, tras una rápida difusión a través de la membrana hematoencefálica, en parte favorecida por la vasodilatación que acompaña a la hipercapnia, a un aumento de la concentración de H+ en el líquido cefalorraquídeo y en el líquido extracelular en contacto con los quimiorreceptores, lo que da lugar a su estímulo y al incremento de la ventilación. De forma inversa, una disminución del CO2 sanguíneo conducirá a descensos en la concentración de H+ y de la ventilación. De hecho, este mecanismo es muy sensible a los cambios en la PaCO2, además es responsable, como ya fue comentado, de 70% de la respuesta ventilatoria a dichos cambios.
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Al considerar de forma global todo el sistema de sensores de la respiración, es evidente que los cambios agudos de la PaCO2, incluso mínimos, son el factor más influyente en la regulación de la misma y producen en fracción de segundos una respuesta en la ventilación directamente proporcional al cambio experimentado. En cambio, la retención crónica de CO2, como ocurre en muchas enfermedades respiratorias avanzadas, tiene un efecto menor debido a que se ponen en marcha mecanismos de compensación del equilibrio ácido-base a nivel renal, que conducen a la retención de iones bicarbonato, CO3H−, que difundirán a través de la membrana hematoencefálica combinándose con los iones H+, disminuyendo así su efecto estimulante sobre los quimiorreceptores. En esta situación de hipercapnia crónica, el principal estímulo de la respiración será la hipoxia; este hecho tiene gran importancia práctica, porque si a estos pacientes se les trata con una excesiva cantidad de oxígeno puede abolirse este estímulo y precipitar un empeoramiento de la ventilación que dará lugar a niveles crecientes de PaCO2.
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Dada su dificultad para atravesar la barrera hematoencefálica, los incrementos de la concentración sanguínea de H+ no acompañados de incrementos de la PaCO2 en situaciones de acidosis metabólica, por ejemplo en algunas enfermedades renales, comportarán una respuesta menor y más lenta por parte de los quimiorreceptores centrales, respecto de la determinada por el CO2.
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La respuesta a los cambios de PaO2 y PaCO2 detectados por los quimiorreceptores centrales y periféricos puede medirse en el laboratorio. La respuesta a la hipercapnia se determina al medir el incremento en la ventilación cuando se induce un aumento de la PaCO2 y se hace respirar al sujeto en un circuito cerrado, en el que se incrementará la concentración de CO2, mientras se mantiene una concentración elevada de O2 para evitar el estímulo hipóxico. Para determinar la respuesta a la hipoxia, menos utilizada en la práctica que la anterior, se hace que una persona respire una mezcla gaseosa pobre en O2, mientras se mantiene en el sujeto una PaCO2 estable al manipular la cantidad de CO2 en el circuito. Existe una amplia variabilidad interindividual en ambas respuestas al haber demostrado un componente genético en las mismas, así como la tendencia a disminuir con la edad y en los deportistas.
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3. Receptores pulmonares. Son un conjunto de sensores que informan al sistema nervioso central del estado de los pulmones. Todos ellos se encuentran inervados por el nervio vago, mediante fibras mielínicas los receptores situados en las vías aéreas, en tanto que por vías no mielínicas los que se localizan en el parénquima pulmonar. Cabe distinguir entonces:
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a) Receptores de estiramiento o de adaptación lenta. Se sitúan entre las fibras musculares lisas de las vías aéreas, en especial en la tráquea y bronquios de gran calibre. Su estimulación por la insuflación pulmonar condiciona el llamado reflejo de Hering-Breuer de insuflación, consistente en el cese de la inspiración, una prolongación del tiempo espiratorio y el descenso en la frecuencia respiratoria. Este reflejo, que en animales condiciona cambios en la frecuencia respiratoria y en el volumen corriente, tiene un efecto menor en humanos, donde sólo se manifiesta ante incrementos del volumen corriente superiores a 3 litros, muy por encima de los valores basales, lo que constituye un mecanismo preventivo de la excesiva insuflación pulmonar. Este valor limitado, al igual que el del resto de receptores inervados por los nervios vagos, en sujetos sanos se pone de manifiesto por el hecho de que el bloqueo anestésico de estos nervios no conduce a cambios de la ventilación en reposo. Se cree, en cambio, que estos receptores están implicados en la regulación de la ventilación en algunas enfermedades respiratorias: en procesos que dificultan la insuflación pulmonar, como en algunas malformaciones de la caja torácica, prolongarían el tiempo inspiratorio y permitirían alcanzar un mayor volumen corriente; de forma contraria, en procesos que dificultan la espiración, como sucede en la obstrucción bronquial que puede desarrollarse en los fumadores, la estimulación de estos receptores conduciría tanto a la prolongación del tiempo espiratorio, como al aumento de la actividad de los músculos espiratorios y ayudaría así a una correcta eliminación del aire inspirado. Además de estos efectos, la estimulación de los receptores de adaptación lenta condiciona la relajación de las células musculares lisas traqueobronquiales, lo que produce la dilatación de las vías aéreas y taquicardia.
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b) Receptores de irritación o de adaptación rápida. Constituidos por terminaciones nerviosas libres y también situados, como los anteriores, sobre todo en las grandes vías aéreas, en su epitelio y submucosa. Son estimulados por una amplia variedad de irritantes químicos y mecánicos: humo de tabaco, partículas en polvo, histamina, amoníaco, etc., a los que se cree responden mediante el reflejo de la tos, la broncoconstricción y la producción de moco. Durante la respiración tranquila no parecen jugar un papel en la regulación de la ventilación, aunque han sido implicados en la aparición ocasional de inspiraciones más profundas o suspiros que previenen la aparición de zonas de colapso alveolar en los pulmones. En cambio se cree que su estimulación por la inspiración rápida o la espiración forzada colabora con la adaptación de la ventilación en las enfermedades de las vías aéreas.
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c) Fibras C. Son un conjunto de fibras no mielínicas situadas en los bronquios, fibras C bronquiales, o en el parénquima pulmonar en íntimo contacto con los capilares en las paredes alveolares, fibras C pulmonares o receptores “J” o yuxtacapilares. Son estimuladas por sustancias presentes en la circulación pulmonar y por la hiperinflación pulmonar. Se estima que desempeñan una función limitada en la regulación de la ventilación durante la respiración tranquila; sin embargo, parecen estar implicados en la respuesta a situaciones patológicas, en especial las relacionadas con el aumento de la presión en el espacio intersticial pulmonar, como ocurre en la insuficiencia ventricular izquierda, lo que determina una respiración rápida y superficial. También se ha constatado que pueden determinar broncoconstricción e incremento de la secreción de moco bronquial.
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4. Mecanorreceptores musculares y de la pared torácica. Situados en el diafragma, músculos intercostales y accesorios de la respiración y articulaciones costovertebrales y costoesternales. Responden al cambio en longitud, tensión o movimiento de estas estructuras anatómicas. Los más conocidos son:
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a) Husos musculares. Responden ante los cambios en la longitud del músculo y son responsables de la contracción muscular refleja al estiramiento. Son más abundantes en los músculos intercostales que en el diafragma.
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b) Órganos tendinosos de Golgi. Situados en el punto de inserción de las fibras musculares con su tendón. Detectan la fuerza de la contracción muscular ejercida por los músculos de la respiración.
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c) Propioceptores articulares. Captan los movimientos torácicos inducidos por la respiración.
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La integración de la información captada por los mecanoreceptores es compleja y se realiza tanto a nivel del segmento correspondiente de la médula espinal como del regulador central de la respiración. Están implicados en diversas funciones, como la coordinación de la contracción de los músculos respiratorios en reposo y en el ejercicio al evitar su sobrecarga, la profundidad y evolución temporal del ciclo inspiración-espiración o en la aparición de disnea ante situaciones desfavorables para la función de los músculos respiratorios.
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a) Receptores de la vía aérea superior. Situados en la nariz, faringe y laringe, recogen impulsos químicos y mecánicos e intervienen en diversas respuestas de la ventilación como, entre otras, el cese de la misma al sumergir la cara en agua fría (“reflejo de buceo”), la aparición de una inspiración corta y potente como respuesta al estímulo de los receptores nasales que favorece el arrastre de partículas hacia la faringe para ser deglutidas o expectoradas, la tos, el estornudo, el mantenimiento de la actividad de los músculos dilatadores de la vía aérea superior que evitan su cierre, el cambio de la respiración vía nasal a la oronasal durante el ejercicio o el cese de la respiración durante la deglución.
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b) Barorreceptores arteriales. La estimulación de los barorreceptores arteriales aórticos y carotídeos por cambios en la presión arterial producen incrementos de la ventilación, si la presión arterial baja, o descensos, si la presión sube.
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c) Receptores del dolor y la temperatura. La percepción de dolor o el incremento de la temperatura pueden determinar incrementos de la ventilación.