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El oxígeno es esencial para la vida. La hipoxia es una afección que pone en peligro la vida en la que el aporte de O2 es insuficiente para cumplir con las demandas metabólicas de los tejidos. La hipoxia puede ser el resultado de alteraciones en la perfusión tisular, disminución de la tensión de O2 en la sangre o la disminución de la capacidad de transporte de O2. Además, la hipoxia puede resultar de una restricción del transporte de O2 de la microvasculatura hacia las células o la inadecuada utilización dentro de la célula. Un aporte insuficiente de O2 finalmente da como resultado el cese del metabolismo aeróbico y la fosforilación oxidativa, lo que provoca agotamiento de los compuestos de alta energía, la disfunción celular y la muerte.
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El oxígeno constituye 21% del aire, que a nivel del mar representa una presión de 21 kPa (158 mm Hg). Mientras que la fracción (porcentaje) de O2 permanece constante independientemente de la presión atmosférica, la Po2 disminuye con una presión atmosférica más baja. El ascenso a una altitud elevada reduce la captación y entrega de O2 a los tejidos debido al incremento de la presión atmosférica (p. ej., terapia hiperbárica o respiración en profundidad), elevan la PO2 en aire inspirado y aumentan la absorción de gas. A medida que el aire se entrega a la parte distal de las vías respiratorias y los alvéolos, la Po2 disminuye por la disolución con CO2 y vapor de agua, y por la absorción hacia la sangre.
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En condiciones ideales, cuando la ventilación y la perfusión están bien emparejados, la Po2 alveolar tendrá aproximadamente 14.6 kPa (110 mm Hg). Las presiones parciales alveolares correspondientes de agua y CO2 son de 6.2 kPa (47 mm Hg) y 5.3 kPa (40 mm Hg), respectivamente. En condiciones normales hay equilibrio completo del gas alveolar y la sangre capilar pulmonar, y la Po2 en la sangre en los capilares terminales está dentro de una fracción de kilopascal de la de los alvéolos. La Po2 en la sangre arterial, sin embargo, es aún más reducida por la mezcla venosa (cortocircuito), que es la adición de la sangre venosa mezclada a partir de la arteria pulmonar, la cual tiene un Po2 de aproximadamente 5.3 kPa (40 mm Hg). Juntas, la barrera de difusión, las desigualdades entre ventilación y perfusión, y la fracción de corto circuito son las principales causas del gradiente arterial-alveolar de oxígeno, que es normalmente de 1.3-1.6 kPa (10-12 mm Hg) cuando se respira aire y 4.0-6.6 kPa (30-50 mm Hg) cuando se respira 100% O2. El O2 es transportado a los lechos capilares de los tejidos por medio de la circulación y de nuevo sigue un gradiente para abandonar la sangre y entrar al interior de las células. La extracción tisular de O2 típicamente reduce la Po2 de la sangre venosa 7.3 kPa más (55 mm Hg). Aunque la PO2 en el sitio de la utilización celular de oxígeno (la mitocondria) no se conoce, la fosforilación oxidativa puede preservar una PO2 de sólo unos pocos milímetros de mercurio.
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En la sangre, el oxígeno es transportado de manera primordial en combinación con hemoglobina y, en menor medida, se disuelve en solución. La cantidad de O2 combinado con hemoglobina depende de la Po2, como se ilustra por la curva de disociación de oxihemoglobina con forma sigmoidea (figura 21-5). La hemoglobina está saturada en un 98% con O2 cuando se respira aire en circunstancias normales, y se absorbe 1.3 mL de O2 por gramo cuando está completamente saturada. La pendiente pronunciada de esta curva con la caída de la PO2 facilita la descarga de oxígeno de la hemoglobina en el nivel de los tejidos, así como su recarga cuando la mezcla desaturada de sangre venosa llega a los pulmones. El cambio de la curva hacia la derecha con el aumento de temperatura, aumenta la PCO2 y disminuye el pH, como se encuentra en los tejidos metabólicamente activos, disminuye la saturación de O2 para la misma Po2 y por tanto entrega O2 adicional donde y cuando más se necesita. Sin embargo, el aplanamiento de la curva con una mayor Po2 indica que el aumento de la PO2 al inspirar mezclas enriquecidas con O2 reduce muy poco la cantidad de O2 transportada por la hemoglobina. Debido a la baja solubilidad de O2 (0.226 mL/L por kPa o 0.03 mL/L por mm Hg a 37 °C), la respiración al 100% de O2 puede aumentar la cantidad de O2 disuelto en la sangre por sólo 15 mL/L menos de un tercio de las demandas metabólicas normales. Sin embargo, si la Po2 inspirada se incrementa a 3 atm (304 kPa) en una cámara hiperbárica, la cantidad de O2 disuelto es suficiente para satisfacer las demandas metabólicas normales, incluso en ausencia de hemoglobina (tabla 21-4).
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La hipoxemia generalmente implica una falla del sistema respiratorio para oxigenar la sangre arterial. Clásicamente, hay cinco causas de hipoxemia:
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Reducción de la fracción de oxígeno inspirado (Fio2).
Hipoventilación.
Desajuste de la relación ventilación-perfusión.
Cortocircuito o mezcla venosa.
Aumento de la barrera de difusión.
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El término hipoxia denota oxigenación insuficiente de los tejidos. Además de una falla del sistema respiratorio para oxigenar la sangre adecuadamente, otros factores pueden contribuir a la hipoxia a nivel tisular. Éstos pueden dividirse en categorías de suministro y aprovechamiento de O2. El suministro de O2 desciende globalmente cuando el gasto cardiaco disminuye o localmente cuando desciende el flujo sanguíneo regional, tal como por una obstrucción vascular (p. ej., estenosis, trombosis u oclusión microvascular) o se incrementa la presión anterógrada (p. ej., el síndrome compartimental, la estasis venosa o la hipertensión venosa). La transportación de O2 disminuida, como ocurre con la anemia, la intoxicación con monóxido de carbono o la hemoglobinopatía. Finalmente, puede ocurrir la hipoxia cuando disminuye el transporte de O2 de los capilares a los tejidos (edema) o cuando se altera el aprovechamiento de O2 en las células (toxicidad CN−).
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Efectos de la hipoxia
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Efectos celulares y metabólicos
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A nivel molecular, la hipoxia no letal produce una marcada alteración en la expresión genética, mediada en parte por factor 1α inducido por la hipoxia (Guimarães-Camboa et al., 2015).
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Cuando la PO2 mitocondrial cae por debajo de aproximadamente 0.13 kPa (1 mm Hg), el metabolismo aeróbico se detiene, y las vías anaeróbicas menos eficientes de la glucólisis se vuelve responsable de la producción de energía celular. Los productos finales del metabolismo anaeróbico, como el ácido láctico, se liberan en la circulación en cantidades mensurables. La bomba de iones dependientes de la energía, reduce la velocidad y los gradientes de iones transmembrana se disipan. Las concentraciones intracelulares de Na+, Ca2+ y H+ aumentan, lo que finalmente conduce a la muerte celular. La cronología de la muerte celular depende de las demandas metabólicas relativas, la capacidad de almacenamiento del oxígeno y la capacidad anaeróbica de cada órgano. El restablecimiento de la perfusión y la oxigenación antes de la muerte celular paradójicamente puede provocar una forma acelerada de lesión celular (síndrome de isquemia y reperfusión), que se cree que es el resultado de la generación de radicales libres de oxígeno altamente reactivo.
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Supervivencia de células y órganos
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En última instancia, la hipoxia resulta en el cese de metabolismo aeróbico, agotamiento de las reservas intracelulares de alta energía, disfunción celular y muerte. El periodo de muerte celular depende de los requerimientos metabólicos relativos en los tejidos, O2, las reservas de energía y la capacidad anaeróbica. El intervalo de supervivencia (el tiempo que transcurre desde el inicio del paro circulatorio hasta que se produce una disfunción orgánica considerable) varía en rango de 1-2 minutos en la corteza cerebral a alrededor de 5 minutos en el corazón y 10 minutos en los riñones y el hígado, con el potencial de cierto grado de recuperación si se reperfunde. El tiempo de resucitación (la duración de la hipoxia más allá de la cual la recuperación ya no es posible) es aproximadamente de cuatro a cinco veces mayor.
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Efectos sobre el sistemas de órganos
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Los grados menos severos de hipoxia tienen efectos fisiológicos progresivos en diferentes sistemas de órganos (Nunn, 2005).
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La hipoxia estimula los barorreceptores carotídeos y aórticos para que aumenten tanto la frecuencia como la profundidad de la respiración. El volumen-minuto casi se duplica cuando las personas sanas inspiran gases con Po2 de 6.6 kPa (50 mm Hg). La disnea no siempre se experimenta con hipoxia simple, pero ocurre cuando el volumen respiratorio se acerca a la mitad de la capacidad respiratoria máxima; esto puede ocurrir con un ejercicio mínimo en pacientes cuya capacidad respiratoria máxima se haya reducido por padecer alguna enfermedad pulmonar. En general, la pérdida del conocimiento que provoca la hipoxia carece de aviso.
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Sistema cardiovascular
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La hipoxia provoca activación refleja del sistema nervioso simpático por mecanismos tanto autónomos como humorales, los cuales generan taquicardia y un aumento del gasto cardiaco. Sin embargo, la resistencia vascular periférica disminuye principalmente a través de mecanismos locales de autorregulación, con el resultado de que la presión arterial se mantiene a menos que la hipoxia sea prolongada o intensa. En contraste con lo que sucede en la circulación general, la hipoxia provoca vasoconstricción pulmonar e hipertensión pulmonar, lo cual constituye una extensión de la respuesta vascular regional normal que combina la perfusión con la ventilación pulmonar para optimizar el intercambio de gases en el pulmón (vasoconstricción pulmonar hipóxica).
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Sistema nervioso central
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El CNS es el menos capacitado de tolerar la hipoxia. La hipoxia se manifiesta inicialmente por la disminución de la capacidad intelectual con deterioro de la lucidez y la capacidad psicomotora. Este estado pasa de ser de confusión e inquietud hasta que deriva en estupor, coma y muerte a medida que la Po2 arterial disminuye por debajo de 4-5.3 kPa (30-40 mm Hg). Las víctimas a menudo desconocen esta progresión.
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Adaptación a la hipoxia
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La hipoxia a largo plazo produce cambios fisiológicos adaptativos; éstas se han estudiado más a fondo en personas expuestas a gran altitud. Las adaptaciones incluyen un mayor número de alvéolos pulmonares, un aumento de la hemoglobina en sangre y mioglobina en el músculo y una disminución de la respuesta ventilatoria a la hipoxia. La exposición a corto plazo a grandes alturas produce cambios adaptativos similares. En individuos susceptibles, sin embargo, la exposición aguda a gran altitud puede producir el mal agudo de montaña, un síndrome caracterizado por dolor de cabeza, náuseas, disnea, trastornos del sueño y juicio deteriorado, lo cual progresa a edema pulmonar y cerebral. El mal de montaña se trata con reposo y analgésicos cuando es leve o con O2 suplementario, descenso a una altitud menor o aumento en la presión ambiental cuando es más grave. La acetazolamida (un inhibidor de la anhidrasa carbónica) y la dexametasona también pueden ser útiles. Este síndrome generalmente se puede evitar si se desciende despacio, se mantiene una hidratación adecuada y se administran de forma profiláctica acetazolamida o dexametasona.
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Los ejemplos de hipoxia "normal" son generalizados, y la fisiología comparativa de la tolerancia hipóxica ofrece claves para los mecanismos implicados. Los aspectos de la fisiología fetal y del recién nacido recuerdan los mecanismos de adaptación observados en animales tolerantes a la hipoxia (Guimarães-Camboa et al., 2015; Mortola, 1999), incluidos en los cambios de la curva de disociación de la oxihemoglobina (hemoglobina fetal), reducciones en la tasa metabólica y la temperatura corporal (como un modo de hibernación), reducciones en la frecuencia cardiaca y redistribución de la circulación (como sucede con los mamíferos que bucean), y una reorientación del aprovechamiento energético, de un metabolismo de crecimiento a un metabolismo de conservación. Estas adaptaciones probablemente explican la tolerancia relativa del feto y el neonato a la hipoxia tanto crónica (insuficiencia uterina) como de corta duración.
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La inhalación de O2 se usa principalmente para revertir o prevenir el desarrollo de la hipoxia. Sin embargo, cuando se respira O2 en excesivas cantidades o por periodos prolongados, pueden ocurrir efectos tóxicos y cambios fisiológicos secundarios.
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La inhalación de O2 a 1 atm o más provoca un pequeño grado de depresión respiratoria en sujetos sanos, presumiblemente como resultado de la pérdida de actividad quimiorreceptora tónica. Sin embargo, la ventilación aumenta en pocos minutos tras la inhalación de O2 debido a un aumento paradójico de la tensión de CO2 en los tejidos. Este aumento resulta de la mayor concentración de oxihemoglobina en la sangre venosa, que causa una eliminación menos eficiente del dióxido de carbono de los tejidos. La expansión de los alvéolos mal ventilados se mantiene en parte por el contenido de nitrógeno del gas alveolar; el nitrógeno es poco soluble y por tanto permanece en los espacios aéreos mientras se absorbe el O2. Las grandes concentraciones de O2 que llegan a las regiones pulmonares pobremente ventiladas diluyen el contenido de nitrógeno, lo que facilita la formación de atelectasia (colapso parcial o completo del pulmón), con un incremento de los cortocircuitos con agravamiento paradójico de la hipoxemia después de un periodo de administración de O2.
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Sistema cardiovascular
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La frecuencia cardiaca y el gasto cardiaco se reducen ligeramente cuando se respira el O2 al 100%; la presión arterial cambia poco. La presión arterial pulmonar en pacientes que viven a gran altitud y tienen hipertensión pulmonar hipóxica crónica puede revertirse con la oxigenoterapia o con regreso al nivel del mar. En recién nacidos con cardiopatía congénita y desviación de izquierda a derecha del gasto cardiaco, la administración de O2 se debe regular cuidadosamente debido al riesgo de reducir aún más la resistencia vascular pulmonar y aumentar la irrigación.
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La inhalación de O2 al 100% no produce cambios detectables en el consumo de O2, la producción de CO2, el cociente respiratorio ni el aprovechamiento de la glucosa.
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Administración de oxígeno
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El oxígeno se suministra como un gas comprimido en cilindros de acero; y cuando la pureza es del 99% se dice que es grado médico. Por seguridad, los cilindros de O2 y las tuberías están codificados por un código de color (verde en Estados Unidos) y se utiliza alguna forma de indicador mecánico para las conexiones de las válvulas, y así evitar la conexión de otros gases a los sistemas que transportan O2.
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El oxígeno se administra por inhalación, excepto durante la circulación extracorpórea donde se disuelve directamente en la sangre circulante. Un sistema cerrado de suministro con un tubo endotraqueal produce un sello hermético en la vía aérea del paciente, y una separación completa entre los gases espirados y los inspirados pueden regular con precisión la Fio2. En todos los demás sistemas, como las cánulas nasales y máscaras faciales, la actual entrega de Fio2 dependerá del patrón ventilatorio(es decir, velocidad, volumen de ventilación pulmonar, relación entre los intervalos inspiratorio-espiratorio y flujo inspiratorio) y características del sistema de entrega.
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Monitoreo de la oxigenación
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El monitoreo y el ajuste del tratamiento son necesarios para alcanzar los objetivos terapéuticos de la terapia con O2 y para evitar las complicaciones y efectos secundarios. Aunque la cianosis es un hallazgo físico de importancia clínica sustancial, no es un indicador precoz, sensible o confiable de la oxigenación. La monitorización no invasiva de la saturación de O2 arterial se puede lograr utilizando la oximetría de pulso transcutánea, en el cual la saturación de O2 se mide por la absorción diferencial de luz de la oxihemoglobina y la deoxihemoglobina, con lo que se establece la saturación arterial determinada a partir del componente pulsátil de esta señal. La oximetría de pulso mide la saturación de hemoglobina y no la Po2. No es sensible a los incrementos de la Po2 que exceden los niveles requeridos para la saturación completa de la sangre. La oximetría de pulso es de gran utilidad para vigilar la oxigenación durante los procedimientos en los que requieren sedación o anestesia, la valoración rápida y la vigilancia de pacientes potencialmente comprometidos, y para ajustar la oxigenoterapia en situaciones en las que la toxicidad del O2 o efectos secundarios de exceso de O2 son preocupantes. Una herramienta específica para medir la oxigenación cerebral es la espectroscopia del infrarrojo cercano (Guarracino, 2008).
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Complicaciones de la oxigenoterapia
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Además de la formación de atelectasia por absorción y deprimir la respiración, los altos flujos de O2 seco pueden secar e irritar las superficies mucosas de las vías respiratorias y los ojos, así como reduce el transporte mucociliar y la eliminación de las secreciones. El O2 humidificado debe usarse cuando se requiere una terapia prolongada (>1 h). Finalmente, cualquier atmósfera enriquecida con O2 constituye un peligro de incendio, por lo que se deben tomar las precauciones correspondientes. La hipoxemia puede ocurrir a pesar de la administración de O2 suplementario. Por tanto, es esencial que tanto la saturación de O2 como la ventilación adecuada se evalúen con frecuencia.
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Usos terapéuticos del oxígeno
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Corrección de la hipoxia
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El uso terapéutico principal del O2 es corregir la hipoxia. La hipoxia es más comúnmente una manifestación de una enfermedad subyacente, por lo que la administración de O2 debe considerarse como una terapia temporal. Los esfuerzos deben dirigirse a corregir la causa de la hipoxia. La hipoxia resultante de la mayoría de las enfermedades pulmonares puede ser aliviada al menos de forma parcial mediante la administración de O2, tiempo que permite la terapia definitiva para solucionar el proceso principal.
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Reducción de la presión parcial de un gas inerte
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Debido a que el nitrógeno constituye cerca del 79% del gas ambiental, es además el gas que predomina en los espacios llenos de gas en el cuerpo. En tales situaciones como la distensión intestinal por la obstrucción o íleo, la embolia aérea intravascular o el neumotórax, es necesario reducir el volumen de los espacios llenos de aire. Debido a que el nitrógeno es relativamente insoluble, la inhalación de altas concentraciones de O2 (y por tanto bajas concentraciones de nitrógeno) disminuye en forma rápida la presión parcial total del nitrógeno y proporciona un gradiente considerable para eliminar el nitrógeno de los espacios que contengan gas. La administración de O2 para las embolias gaseosas también es beneficiosa porque ayuda a aliviar la hipoxia localizada distal a la obstrucción vascular. En el caso de la enfermedad de descompresión, la reducción de la tensión del gas inerte en sangre y los tejidos mediante la inhalación de O2 antes o durante la descompresión barométrica reduce la sobresaturación que se produce después de la descompresión, para que no se formen burbujas.
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Terapia con oxígeno hiperbárico
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El O2 se puede suministrar a una presión mayor que la atmosférica en cámaras hiperbáricas (Thom, 2009). Las aplicaciones clínicas de la oxigenoterapia hiperbárica comprenden el tratamiento de traumatismos, quemaduras, lesiones por radiaciones, infecciones, úlceras que no cicatrizan, injertos de piel, espasticidad, y otras enfermedades neurológicas. El oxígeno hiperbárico puede ser útil en la hipoxia generalizada. En la intoxicación por monóxido de carbono, no hay suficiente hemoglobina y mioglobina para el enlace de O2 debido a la alta afinidad de estas proteínas por el monóxido de carbono. Una alta cantidad de Po2 facilita la competencia del O2 por los sitios de unión de la hemoglobina, ya que el monóxido de carbono se intercambia en los alvéolos. Además, el O2 hiperbárico aumenta la disponibilidad de O2 disuelto en la sangre (véase tabla 21-4). Los efectos adversos de la terapia hiperbárica con oxígeno incluyen el barotrauma del oído medio, toxicidad del CNS, convulsiones, toxicidad pulmonar y neumonía por aspiración.
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La oxigenoterapia hiperbárica tiene dos componentes: aumento de la presión hidrostática y mayor presión de O2. Ambos factores son necesarios para el tratamiento del síndrome de descompresión y las embolias gaseosas. La presión hidrostática reduce el volumen de las burbujas y la ausencia de nitrógeno inspirado aumenta el gradiente para la eliminación de nitrógeno y reduce la hipoxia en los tejidos lejanos. El aumento de la presión de O2 en el tejido es el principal objetivo terapéutico para otras indicaciones de O2 hiperbárico. Un pequeño aumento en Po2 en áreas isquémicas aumenta la actividad bactericida de los leucocitos y aumenta la angiogénesis. Exposiciones repetitivas y breves al O2 hiperbárico puede mejorar el tratamiento para la osteomielitis refractaria crónica, osteorradionecrosis, lesión por aplastamiento o la recuperación de injertos cutáneos y tisulares dañados. El aumento de la tensión de O2 puede ser bacteriostático y útil en el tratamiento de la propagación de la infección con Clostridium perfringens y mionecrosis por clostridio (gangrena gaseosa).
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El oxígeno puede tener acciones perjudiciales a nivel celular. La toxicidad por O2 puede ser consecuencia del incremento en la producción de peróxido de hidrógeno y sustancias reactivas como el anión superóxido, radicales de oxígeno e hidroxilo que atacan y dañan los lípidos, las proteínas y otras macromoléculas, en especial las que se encuentran en las membranas biológicas. Una serie de factores limitan los efectos secundarios de los reactivos derivados de oxígeno, incluidas ciertas enzimas como superóxido dismutasa, glutatión peroxidasa y catalasa, que eliminan subproductos tóxicos del oxígeno y agentes reductores, como hierro, glutatión y ascorbato. Sin embargo, estos factores son insuficientes para limitar las acciones de daño del oxígeno cuando los pacientes están expuestos a altas concentraciones durante un periodo prolongado. Los tejidos muestran sensibilidad diferencial a la toxicidad del oxígeno, que es probablemente el resultado de diferencias en su producción de compuestos reactivos y sus mecanismos de protección.
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El sistema pulmonar suele ser el primero en exhibir la toxicidad, una función de su exposición continua a las tensiones de oxígeno más alta en el cuerpo. Pueden ocurrir cambios sutiles de la función pulmonar en las primeras 8 a 12 horas de exposición a O2 al 100%. Después de 18 h de exposición se observa incremento de la permeabilidad capilar, que aumentará el gradiente alvéolo/arterial de O2 y finalmente conducirá a la hipoxemia y a deterioro de la función pulmonar. Las lesiones graves y la muerte, sin embargo, requieren mucho más tiempo. El daño pulmonar está directamente relacionado con la tensión de O2 inspirado y una concentración de menos de 0.5 atm parece ser segura durante mucho tiempo. El endotelio capilar es el tejido más sensible del pulmón. La lesión endotelial provoca pérdida de la superficie por edema intersticial y escape hacia los alvéolos.
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La retinopatía de los prematuros es una enfermedad ocular en lactantes prematuros que comprende una vascularización anormal de la retina embrionaria como resultado de la toxicidad del O2 o la hipoxia relativa. Los trastornos del CNS son raros, y sólo ocurren bajo condiciones hiperbáricas donde la exposición exceda 200 kPa (2 atm). Los síntomas incluyen convulsiones y cambios visuales, que se resuelven cuando la tensión de O2 vuelve a la normalidad. En recién nacidos prematuros y aquellos que han sufrido asfixia en el útero, hiperoxia e hipocapnia se asocian con los peores resultados neurológicos.
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El dióxido de carbono es producido por el metabolismo aproximadamente a una misma velocidad con la que se consume el oxígeno. En reposo, este valor es de aproximadamente 3 mL/kg/min, pero puede aumentar de manera considerable con el ejercicio. El CO2 se difunde fácilmente desde las células hacia la sangre, donde se transporta como ion bicarbonato (HCO3–), en parte en combinación química con hemoglobina y con proteínas plasmáticas, y en parte en solución a 6 kPa (46 mm Hg) en sangre venosa mixta. El CO2 se transporta al pulmón, donde en condiciones normales es exhalado a la misma velocidad con la que se produce, dejando una presión parcial de aproximadamente 5.2 kPa (40 mm Hg) en los alvéolos y en la sangre arterial. Un aumento en la Pco2 produce acidosis respiratoria y puede deberse a una disminución de la ventilación o la inhalación de CO2, el incremento de la ventilación ocasiona la disminución de la PCO2 y aparece alcalosis respiratoria. Debido a que el CO2 difunde libremente, cambios sanguíneos de la PCO2 y el pH se reflejan rápidamente en cambios de PCO2 y el pH intracelulares, lo que produce efectos en el organismo, principalmente en la respiración, la circulación y el CNS, especialmente respiración, circulación y el sistema nervioso central.
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El dióxido de carbono es un estímulo rápido y potente para la ventilación en proporción directa al CO2 inspirado. El CO2 estimula la respiración por acidificación central de los quimiorreceptores y los cuerpos carotídeos periféricos. La PCO2 alta causa broncodilatación, mientras que la hipocapnia provoca contracción del músculo liso de las vías respiratorias; estas respuestas pueden jugar un papel importante para equilibrar la ventilación y la perfusión.
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Los efectos del CO2 en la circulación son directos o a través del sistema nervioso autónomo mediados por el sistema nervioso central. El efecto directo del CO2 sobre el corazón, la disminución de la contractilidad, es el resultado de los cambios de pH y la disminución de la respuesta del Ca2+ de los miofilamentos. Su efecto directo sobre los vasos sanguíneos provoca vasodilatación. El CO2 causa una activación generalizada del sistema nervioso simpático. Los resultados de la activación del sistema nervioso simpático generalmente son opuestos a los efectos locales del dióxido de carbono. Los efectos simpáticos consisten en un incremento de la contractilidad cardiaca, la frecuencia cardiaca y la vasoconstricción (véase capítulo 12). El equilibrio de los efectos locales y simpáticos opuestos, por tanto, determina la respuesta circulatoria total al CO2. El efecto neto de la inhalación de CO2 es un aumento en el gasto cardiaco, la frecuencia cardiaca y la presión arterial. Sin embargo en los vasos sanguíneos, las acciones vasodilatadoras directas de CO2 parecen ser más importantes, y la resistencia periférica total disminuye cuando se incrementa la PCO2. El CO2 también es un potente vasodilatador coronario. Las arritmias cardiacas asociadas con el aumento de PCO2 son debidas a la liberación de las catecolaminas.
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La hipocapnia produce los efectos opuestos: la presión arterial disminuye y aparece vasoconstricción en la piel, intestino, encéfalo, riñón y corazón. Estas acciones se aprovechan en la clínica cuando se usa la hiperventilación para reducir la hipertensión intracraneal.
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La hipercapnia deprime la excitabilidad de la corteza cerebral y aumenta el umbral cutáneo al dolor a través de una acción central. Esta depresión central tiene importancia terapéutica. Por ejemplo, en pacientes con hipoventilación por narcóticos o anestésicos, el aumento de PCO2 puede provocar una mayor depresión del sistema nervioso central, lo que a su vez puede empeorar la depresión respiratoria. Este ciclo de retroalimentación positiva puede tener consecuencias letales.
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Métodos de administración
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El dióxido de carbono se comercializa en cilindros de metal de color gris como gas puro o como CO2 mezclado con O2. Por lo general, se administra en una concentración del 5-10% en combinación con O2 mediante una máscara facial. Otro método para la administración temporal de CO2 es por la respiración a través de un circuito de anestesia de respiración o de algo tan sencillo como en una bolsa de papel.
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El dióxido de carbono se utiliza para la insuflación durante los procedimientos endoscópicos (p. ej., cirugía laparoscópica) debido a que es altamente soluble y no admite la combustión. El CO2 puede usarse en el campo quirúrgico durante la cirugía cardiaca. Debido a su densidad, el CO2 desplaza al aire que rodea el corazón abierto, de modo que cualquier burbuja de gas que quede atrapada dentro del corazón es de CO2 y no de N2 insoluble. Se usa para ajustar el pH durante los procedimientos de derivación cardiopulmonar cuando el paciente se enfría.
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La hipocapnia todavía tiene algunos usos en anestesia; constriñe los vasos cerebrales, reduce ligeramente el tamaño del cerebro y facilita la realización de operaciones neuroquirúrgicas. Si bien la hipocapnia de corto plazo es efectiva para este propósito, la hipocapnia prolongada se ha asociado con un empeoramiento en pacientes con traumatismo craneoencefálico. La hipocapnia debe ser instituida con una indicación claramente definida y una vez resuelta la causa que genera dicha indicación se regresa a la normocapnia.
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El óxido nítrico es un gas con radicales ahora conocido como una molécula de señalización celular endógeno con un número creciente de aplicaciones terapéuticas potenciales.
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El óxido nítrico endógeno se produce a partir de la L-arginina por NO sintasas (neuronal, inducible y endotelial) (véase capítulo 3). En los vasos, la liberación basal de óxido nítrico producido por las células endoteliales constituye uno de los principales factores que determinan el tono vascular de reposo. El NO causa vasodilatación de las células del músculo liso e inhibe la agregación plaquetaria. La producción de NO deficiente se ha asociado a la aterosclerosis, hipertensión, vasoespasmo cerebral y coronario, lesión por isquemia-reperfusión e inflamación y en la mediación de las vías nociceptivas centrales. El NO se inactiva rápidamente en la circulación por la oxihemoglobina y la reacción de NO con el hierro hemo conduciendo a la formación de nitrosil-hemoglobina. También se producen pequeñas cantidades de metahemoglobina, y éstas se convierten en su forma ferrosa del hierro hemo por la citocromo b5 reductasa. La mayoría del óxido nítrico inhalado se excreta en la orina en forma de nitrato.
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El NO inhalado selectivamente dilata los vasos pulmonares (Cooper, 1999) y tiene potencial como terapia para varias enfermedades asociadas con el aumento de la resistencia vascular pulmonar. El NO inhalado está aprobado por la FDA para una sola indicación, la hipertensión pulmonar persistente de recién nacido.
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El NO inhalado puede usarse durante el cateterismo cardiaco para evaluar la capacidad vasodilatadora pulmonar de pacientes con insuficiencia cardiaca y lactantes con una enfermedad cardiaca congénita. Inhalado también se usa para determinar capacidad de difusión (DL) a través de la unidad alveolar capilar. El NO es más eficaz que el CO2 en este aspecto debido a su mayor afinidad por la hemoglobina y su mayor solubilidad en agua a temperatura corporal. El NO se produce a partir de las fosas nasales y los pulmones de los individuos sanos, por lo que se puede detectar en el gas exhalado. La determinación del NO exhalado fraccionado es un indicador, no invasivo, de la inflamación de las vías respiratorias que permite valorar enfermedades del tracto respiratorio, como asma, infección del tracto respiratorio, y enfermedad pulmonar crónica.
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Administrado en bajas concentraciones (0.1-50 ppm), el NO inhalado parece ser seguro y sin efectos secundarios importantes. La toxicidad pulmonar puede ocurrir con niveles superiores a 50-100 ppm. El NO es un contaminante atmosférico y la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional ha establecido un límite de exposición de 7 horas a 50 ppm. Parte de la toxicidad del NO puede ser relacionado con su posterior oxidación a NO2 en presencia de alta concentración de O2. El desarrollo de la metahemoglobinemia es una complicación importante del NO en concentraciones más altas, y se han notificado casos excepcionales de muertes por sobredosis de NO. Las concentraciones de metahemoglobina deberían ser monitorizadas intermitentemente durante la inhalación de NO. El NO inhalado inhibe la función plaquetaria y se ha demostrado que prolonga el tiempo de sangrado en algunos estudios clínicos, aunque no se han publicado complicaciones hemorrágicas. En pacientes con una función deficiente del ventrículo izquierdo, el NO tiene un potencial para daños adicionales del ventrículo izquierdo al dilatar la circulación pulmonar y aumentar el flujo sanguíneo por el ventrículo izquierdo, por tanto, incrementa la presión auricular izquierda y promueve la formación de edema pulmonar.
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Los requisitos más importantes para la terapia segura de NO inhalado incluye lo siguiente:
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Medición continua de las concentraciones de NO y NO2 usando cualquiera de los analizadores de quimioluminiscencia o electroquímicos.
Calibración frecuente de equipos de monitorización.
Análisis intermitente de los niveles de metahemoglobina en sangre.
El uso de tanques certificados de NO.
Administración de la concentración de NO mínima requerida para el efecto terapéutico.
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Métodos de administración
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Los regímenes de tratamiento de pacientes con NO inhalado son muy variados, que se extiende de 0.1-40 ppm durante unas cuantas horas hasta varias semanas. La determinación de la relación dosis-respuesta debe establecerse con frecuencia básica para ayudar al ajuste de la dosis óptima de NO. Los sistemas comerciales están disponibles para suministrar una concentración de entre 0.1 y 80 ppm y simultáneamente miden las concentraciones de NO y NO2.
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El helio es un gas inerte cuya densidad reducida, baja solubilidad y gran conductividad térmica proporciona la base para sus usos médicos y de diagnóstico.
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El helio se puede mezclar con O2 y administrarse con máscara o tubo endotraqueal. Bajo condiciones hiperbáricas, puede ser sustituido por la mayor parte de otros gases, dando como resultado una mezcla de densidad mucho más baja que es más fácil de respirar.
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Los usos principales del helio se encuentran en las pruebas de función pulmonar, tratamiento de la obstrucción respiratoria, cirugía con láser de las vías respiratorias, marcador en estudios imagenológicos, y para bucear en grandes profundidades. El helio también es adecuado para medir el volumen pulmonar residual, la capacidad residual funcional y otros volúmenes pulmonares afines. Estas mediciones requieren una alta difusión del gas no tóxico que es insoluble y no sale del pulmón por la corriente sanguínea, por tanto el volumen puede ser medido por dilución. El helio se puede agregar al O2 para reducir la turbulencia debido a la obstrucción de las vías respiratorias porque la densidad del helio es menor que la del aire, y la viscosidad del helio es mayor que la del aire. Las mezclas de helio y O2 reducen el trabajo respiratorio. El helio tiene una alta conductividad térmica, por lo que es útil durante la cirugía con láser en las vías respiratorias. El helio polarizado por láser se utiliza como agente de contraste inhalatorio para imágenes de resonancia magnética pulmonar. El helio tiene potencial como agente citoprotector (Smit et al, 2015).
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El sulfuro de hidrógeno tiene un olor característico a huevos podridos, y es un gas incoloro, inflamable y soluble en agua que es principalmente considerado como una toxina debido a su capacidad para inhibir la respiración mitocondrial a través del bloqueo de la citocromo c oxidasa. La inhibición de la respiración puede ser nociva; sin embargo, si la inhibición de la respiración se realiza de una manera controlada, permite que las especies que no hibernan e inhalan sulfuro de hidrógeno entren en un estado similar a la animación suspendida (es decir, la actividad celular se torna más lenta que los procesos metabólicos, se inhiben pero no son terminales) y por tanto aumenta la tolerancia al estrés. El H2S activa a los canales de K+ dependientes de ATP, tiene propiedades vasodilatadoras y sirve como un antioxidante de radicales libres. El H2S puede proteger contra la hipoxia de todo el cuerpo, la hemorragia letal y la lesión por isquemia-reperfusión en diversos órganos, incluidos el riñón, el pulmón, el hígado y el corazón. Actualmente, no hay necesidad de una acción adicional sobre el tema del H2S y otros gases terapéuticos para el tejido enfermo. El H2S en cantidades bajas puede tener el potencial para limitar la muerte celular (Lefer, 2007).
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Agradecimientos
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Alex S. Evers, C. Michael Crowder, Jeffrey R. Balser, Brett A. Simon, Eric J. Moody y Roger A Johns contribuyeron a este capítulo en ediciones recientes de este libro. Tenemos algunos de sus textos en la edición actual.