Capacidad de difusión y su medición

Este capítulo es más relevante para la sección F7(iv) del programa de estudios de primaria del CICM de 2017, que espera que los candidatos al examen sean capaces de «definir la capacidad de difusión y su medición». Esto ha aparecido al menos una vez en los exámenes anteriores del CICM, como un elemento inesperado de la respuesta a la pregunta 20 del primer examen de 2012, que se presentaba como «enumerar los factores fisiológicos que afectan a la difusión de oxígeno a través de la membrana alveolar». En el capítulo sobre la difusión de gases a través de la membrana alveolar puede verse un intento serio (aunque prolijo) de explorar esos factores y fallar esa pregunta interpretándola literalmente. Aquí, en cambio, se centrará específicamente en la capacidad de difusión, y cómo se puede determinar.

En resumen:

Es difícil recomendar un solo artículo al respecto, ya que la mayoría de ellos se centran en un aspecto específico y ninguno parece ofrecer una breve visión general del tipo que un candidato a un examen con poco tiempo puede estar deseando. Una fuente razonable es Hsia (2001), que se inclina un poco hacia el lado del cambio inducido por el ejercicio en la DLCO, y Ayers et al (1975), que es una discusión sólida (aunque anticuada) de las diferentes formas en que la DLCO puede disminuir patológicamente. Al igual que con todo lo relacionado con las pruebas de función pulmonar, el excelente PFTBlog es un excelente recurso, en particular con respecto a los métodos de prueba de la DLCO.

Definición de la capacidad de difusión

Aunque no se pedía explícitamente en la pregunta, una expectativa no escrita de los examinadores en la pregunta 20 del primer trabajo de 2012 era que los alumnos definieran la capacidad de difusión en el curso de la enumeración de los factores que afectan a la difusión de los gases respiratorios. Según el comentario de los propios examinadores del colegio, la definición de este concepto es:

«La capacidad de difusión se define como el volumen de gas que difundirá a través de la membrana cada minuto para una diferencia de presión parcial de 1mmHg.»

Nunn’s lo define de forma un poco diferente:

«la propensión de un gas a difundirse como resultado de un gradiente de presión dado»

Capacidad de difusión = Tasa neta de transferencia de gas / Gradiente de presión parcial

Esta propiedad se suele denominar DL o DL, y se suele medir en volumen de gas, por unidad de presión, por unidad de tiempo; por ejemplo las unidades del SI son mmol/min/kPa, y las unidades tradicionales son ml/min/mmHg. En esencia, este parámetro describe la facilidad con la que los gases pueden encontrarse transportados a la sangre capilar alveolar, y es por tanto una práctica destilación de todos los factores que influyen en la difusión de los gases respiratorios en una representación numérica.

Para el oxígeno, la ecuación es:

DLO2 = captación de oxígeno / gradiente de PO2

La captación de oxígeno es más o menos medible, ya que es la diferencia entre el contenido de oxígeno venoso mixto y arterial. Sin embargo, el gradiente de PO2 aquí es la diferencia entre la PO2 alveolar y la PO2 capilar pulmonar, de la cual esta última es básicamente imposible de medir directamente. Con varias suposiciones, se puede adivinar cuál debería ser la PO2 capilar, y realizar algunos cálculos de vuelta al sobre. Por alguna extraña razón, la única fuente que recoge este valor parece ser Gehr et al (1981), que es un capítulo de un libro sobre la fisiología respiratoria comparada de los mamíferos. Allí, junto con la gacela de Thompson y la mangosta enana, se puede encontrar el valor para los seres humanos, que se reporta como 2,47 ml/mbar/seg. Un valor más autorizado (pero aún no referenciado) reportado por notación convencional se puede encontrar en el libro de texto de ER Weibel de 1984, quien da 20-30ml/min/mmHg.

La capacidad de difusión del dióxido de carbono es aún más difícil de localizar. Nunn’s no da referencias ni siquiera medidas exactas, sino que ofrece una línea sobre que es 20,5 veces mayor que la capacidad de difusión del oxígeno. Los datos de conejo de Heller et al (1998) informan de una DLCO2 de 14,0 ml/mmHg/min.

Como se demostrará más adelante, estos valores -medidos en individuos en reposo- no representan el verdadero máximo de la capacidad de difusión del pulmón. Esto sólo puede ser revelado por el ejercicio extenuante, donde la entrega de la sangre al capilar aumenta significativamente.

Medición de la capacidad de difusión

Obviamente, el gas que más le interesa es el oxígeno, y por lo tanto tendría algún tipo de sentido lógico para medir este gas directamente, pero en realidad, hay varias barreras prácticas. O al menos, había barreras cuando surgió por primera vez el tema de la medición de la capacidad de difusión. Básicamente, para medir la DLO2, habría que ser capaz de medir con precisión tanto la captación de oxígeno como el gradiente de presión parcial. Para el gradiente, habría que calcular el oxígeno alveolar (fácil de hacer), y luego medir el oxígeno arterial (como sustituto del oxígeno pulmonar capilar final). A continuación, «la tensión de O2 y CO2 en la sangre arterial tiene que medirse mediante la técnica del microtonómetro desarrollada por Riley, una técnica que requiere una práctica y una destreza considerables», escribió Dacie en 1957, para quien los electrodos Clark de detección de oxígeno no estaban disponibles. Esto no parece un gran obstáculo para el intensivista de hoy en día, que en cualquier momento tiene litros de sangre de su paciente (tanto venosa como arterial) listos para la toma de muestras, así como instrumentos precisos para medir el contenido de gas de la misma. Sin embargo, históricamente era un problema importante, y sigue habiendo cierta reticencia a tomar muestras arteriales del grupo de pacientes ambulatorios. Las referencias de uno se secarían rápidamente después de que la gente se diera cuenta de lo que estás planeando hacerles.

Así, el uso de monóxido de carbono ha sido históricamente mucho más popular. Marie y August Krogh habían ideado esto por primera vez en 1915:

«Se supone además que cuando se deja pasar una pequeña proporción de CO a la sangre, el gas se combinará prácticamente de forma instantánea con la hemoglobina y la presión de CO en la sangre puede tomarse como 0. Por lo tanto, cuando se encierra una mezcla de CO con aire en los pulmones durante un cierto tiempo y se determina la caída del porcentaje de CO, se puede calcular la difusión a través de la pared alveolar»

En resumen, se le da a un paciente alguna dosis no letal y conocida de monóxido de carbono para que la inhale. El paciente mantiene esa respiración durante diez segundos y luego la exhala. Como el monóxido de carbono no tiene otro lugar al que ir que a los eritrocitos, cualquier diferencia entre las cantidades inhaladas y exhaladas de CO debe haberse difundido a través de la barrera de gas de la sangre y haberse unido a la hemoglobina. Así, en la ecuación

DLCO = captación de monóxido de carbono / gradiente de monóxido de carbono

la captación de monóxido de carbono es la diferencia «que falta» entre el CO inhalado y el exhalado, y se supone que el gradiente está entre la presión parcial alveolar de CO (que se conoce, porque la ha dado) y la presión parcial arterial de CO (que es de 0 mmHg, porque sabemos que todo acaba ligado a la hemoglobina). Así pues, la medición de la DLCO puede realizarse de forma no invasiva.

Hay tres métodos principales para la medición de la DLCO: el método de la respiración única, el método del estado estacionario y el método de la reinhalación. El método de respiración única se describe con gran detalle en la excelente declaración de normas de la ERS/ATS (Cotes et al, 1993), de la que el autor ha tomado prestadas algunas imágenes explicativas. La técnica de reinhalación se explora en detalle aquí y el método de estado estacionario aquí. No se espera (ni se puede esperar) un conocimiento profundo de este tema por parte de los candidatos al examen del CICM, por lo que aquí bastará con resumirlo como sigue:

Método de una sola respiración para medir la DLCO

• Lo ideal es que un período de tiempo de respiración de aire ambiente preceda a cualquier medición
• Primero, el paciente exhala al máximo (hasta la RV)
• A continuación, el paciente inhala una mezcla de gases de 0.3% de monóxido de carbono y 10% de helio
  (el helio es para la medición del volumen alveolar)
• Esta es una respiración de capacidad vital (es decir hasta la DLCO), y se mide su volumen
• El paciente retiene esta respiración durante diez segundos
  • Esta retención de la respiración tiene por objeto garantizar la distribución equitativa del monóxido de carbono a todas las unidades pulmonares, independientemente de su constante de tiempo
  • Es importante evitar la realización de Valsalva en este momento, ya que puede afectar al volumen sanguíneo intratorácico y disminuir falsamente la DLCO.

A continuación, el paciente exhala.

• Los primeros 0,75 litros se ignoran por completo, ya que se consideran gases del espacio muerto, no representativos del resto.

Se toma entonces una muestra de gas

• El volumen alveolar total puede medirse a partir de la concentración de helio espiratorio (se trata de una aplicación clásica de la técnica de medición por dilución de gas trazador para medir los volúmenes pulmonares)
• La captación de monóxido de carbono puede determinarse a partir de la diferencia entre las mediciones de la presión parcial inhalada y exhalada
• El gradiente de presión parcial para el monóxido de carbono puede determinarse a partir de la medición de la presión parcial exhalada

Método de respiración DLCO

• Esto es prácticamente lo mismo que el método de respiración única, excepto que no hay retención de la respiración.
• Se hace que el paciente respire rápidamente (la frecuencia respiratoria recomendada es de 30) mientras respira de un depósito con una cantidad y un volumen conocidos de gas, que contiene un 0,3% de monóxido de carbono y un 10% de helio
• La cantidad de gas de la bolsa suele ajustarse para que sea aproximadamente igual al volumen corriente del sujeto, es decir se vacía completamente durante la inspiración
• Después de un período de respiración tan rápida, se toma una muestra de gas
• El cálculo del volumen alveolar y de la captación de monóxido de carbono puede realizarse entonces exactamente de la misma manera que para la respiración única
• Por alguna razón, esta técnica es prácticamente desconocida en la práctica clínica, y parece utilizarse principalmente en escenarios en los que se necesita medir el DLCo sin interrumpir significativamente el patrón de respiración del sujeto, p. ej. cuando están pedaleando locamente en una bicicleta estática.

Método de estado estable para medir la DLCO

• Se hace respirar al sujeto una mezcla de gas controlada que contiene un 0,3% de monóxido de carbono.
• Se recoge su gas exhalado en una bolsa
• Después de un período de respiración (lo suficientemente largo para que se establezca un estado estable) se analiza el gas exhalado
• Se conoce el suministro de monóxido de carbono y el volumen de gas exhalado, por lo que es fácil calcular la captación de monóxido de carbono.
• La concentración alveolar de monóxido de carbono puede calcularse a partir de una forma modificada de la ecuación del gas alveolar
• De nuevo, esta técnica parece ser prácticamente desconocida en la práctica clínica habitual; Su mayor ventaja es que no depende de ningún nivel de participación del paciente, lo que la hace adecuada para su uso en sujetos no cooperativos o sedados

Factores que influyen en la capacidad de difusión

La ecuación que describe este parámetro es bastante sencilla, y los factores que la afectan pueden dividirse en propiedades del gas y propiedades del sistema respiratorio. Un gas con una mayor capacidad de difusión podrá atravesar la barrera sangre-gas más fácilmente que un gas con una menor capacidad de difusión, a cualquier gradiente de presión. Del mismo modo, las propiedades del sistema respiratorio pueden cambiar de manera que aumenten o disminuyan la capacidad de difusión, para el mismo gas y con el mismo gradiente de presión parcial. De las propiedades del sistema respiratorio, pueden cambiar tres factores principales: o bien cambia la superficie, o bien cambia el grosor de la membrana, o bien se altera de alguna manera la captación del gas por parte de los glóbulos rojos. Se puede generar una lista memorable en forma de puntos para describir estos factores, con el fin de preparar el examen. Así:

• Factores que influyen en las propiedades del gas
  • Todos los factores que influyen en el coeficiente de difusión del gas desempeñarán un papel en esto, incluyendo:
    • La densidad del gas
    • El tamaño de las moléculas
    • La temperatura del medio
• Factores que influyen en la superficie de intercambio de gases
  • La edad (con el aumento de la edad, la superficie total disponible disminuye, independientemente de los demás factores)
  • El tamaño del cuerpo: La estatura influye en el tamaño de los pulmones
  • Volumen
    • Cuanto mayor sea el volumen pulmonar, mayor será la capacidad de difusión, es decir.e. si se compara entre individuos, se debe utilizar una métrica indexada al volumen alveolar (p. ej. capacidad de difusión por litro de volumen alveolar)
    • Todo lo que afecta al volumen pulmonar es, por tanto, una fuente potencial de error, p. ej. enfermedad pulmonar, postura, obesidad, embarazo, etc.

  Factores que modifican las características de ventilación-perfusión:

  • Shunt: no hay difusión
  • Espacio muerto: no hay difusión
  • Dispersión V/Q: se produce una difusión incompleta e ineficiente

Factores que influyen en las características de la membrana

• Se trata básicamente de los estados de enfermedad que aumentan el grosor de la barrera sangre-gas, que incluyen:
  • Edema pulmonar
  • Enfermedad pulmonar intersticial, p. ej. fibrosis pulmonar
• En sentido estricto, habría que incluir aquí la viscosidad del medio (es decir, del citosol, la membrana basal y el plasma capilar). Sin embargo, prácticamente se trata de elementos estables que pueden ser ignorados.

Factores que influyen en la captación por los eritrocitos

• La afinidad de la hemoglobina por el oxígeno
• La concentración de hemoglobina
• El gasto cardíaco (en la medida en que afecta al tiempo de tránsito capilar

Fuentes de error

• La pérdida de monóxido de carbono en la hemoglobina alveolar extravascular, por ejemplo. en el contexto de una hemorragia alveolar debida al síndrome de Goodpasture
• Presencia de monóxido de carbono «casero», debido al tabaquismo o a una amplia descomposición de la hemoglobina (p. ej. hemólisis intravascular) que podría limitar la captación de CO
• Competencia entre el CO y el oxígeno (si el paciente había estado respirando previamente el 100% de FiO2, por ejemplo)
• La concentración de hemoglobina, cuando es baja, puede disminuir falsamente la medición de la DLCO aunque el rendimiento del complejo alveolar/capilar siga siendo completamente saludable

Si uno mira con suficiente atención, se puede detectar que esta lista es prácticamente idéntica a la lista de factores que influyen en la difusión de los gases a través de la membrana alveolar, con la notable excepción del gradiente parcial de presión (que se incorpora a la definición de capacidad difusiva) y los diversos factores relacionados con el error de medición.

Cambio de la capacidad de difusión con el ejercicio

Algunos podrían decir que la discusión de cualquier capacidad de difusión en reposo es un término equivocado porque se refiere a un sistema no estresado, que de hecho tiene una capacidad de difusión mucho mayor. De hecho, con el ejercicio vigoroso, la DLO2 aumenta de 20-30 ml/min/mmHg a algo cercano a 100-120 ml/min/mmHg, que es la capacidad «real» de difusión. Este aumento se debe a que la tasa de captación de oxígeno en la ecuación (DLO2 = captación de oxígeno / gradiente de PO2) aumenta significativamente. No hace falta un gran esfuerzo de imaginación para explicar por qué puede ser así. Piense que el volumen minuto aumenta, no sólo por el aumento de la frecuencia respiratoria, sino también por el aumento del volumen corriente. Al aumentar el volumen pulmonar, aumenta el área total de intercambio de gases alveolares. Además, el gasto cardíaco aumenta. Con ello, aumenta el aporte de sangre a los capilares pulmonares. Esto cambia la distribución V/Q, ya que se reclutan más capilares en las regiones pulmonares que antes eran un «verdadero» espacio muerto o tenían un V/Q mucho mayor que 1,0. Para resumir esto de forma palpable:

Con el ejercicio, se alteran los dos elementos principales que afectan a la capacidad de difusión:

• La captación de oxígeno en los capilares pulmonares aumenta porque:
  • Aumenta el área superficial (mayores volúmenes tidales)
  • Aumenta el flujo sanguíneo pulmonar (aumento del gasto cardíaco)
  • Mejora la correspondencia V/Q (las zonas de alta ventilación reciben mayor flujo sanguíneo y se reclutan los lechos capilares inactivos)
• El gradiente de presión parcial en los capilares pulmonares aumenta porque:
  • Aumenta la relación de extracción de oxígeno, disminuyendo la PO2 venosa mixta
  • El aumento de la ventilación minuto disminuye la PCO2 alveolar (aumentando así la PO2 alveolar, si todo lo demás permanece igual)
  • El aumento de la entrega de hemoglobina a la superficie de absorción actúa como un sumidero de oxígeno y mantiene una presión parcial capilar baja

¿Cuánto debemos esperar que aumente la DLO2? La respuesta de la universidad a la pregunta 20 del primer artículo de 2012 aborda esto en una observación críptica, «…la ventilación alveolar aumenta y hay un mejor ajuste de los aumentos de ventilación y perfusión desde 21ml/min/mmHg hasta 65ml/min/mmHg».
Supuestamente, los valores citados en la última mitad de este obiter dictum se refieren a cambios en la DLCO, y se derivan de algún lugar acreditado, pero quién sabe dónde es. Por lo general, uno espera que provengan de un libro de texto, y los valores de los libros de texto suelen provenir de estudios realizados en la década de 1960. Sin saber específicamente qué fuente medieval tenían en mente los examinadores, la búsqueda de referencias sustanciales revisadas por pares es esencialmente lo mismo que lanzar dardos a la literatura. Por ejemplo, una breve búsqueda da como resultado un estudio de Turino et al (1963), cuyos voluntarios sanos obtuvieron valores de DLCO en reposo que oscilaban entre 18 y 22, y valores en ejercicio que oscilaban entre 55 y 64 ml/min/mmHg. Esto parece aproximadamente correcto, y en cualquier caso uno no puede concebir un universo en el que tener o no tener los números exactos aquí sería el factor decisivo en el rendimiento de un examen.