Capacità di diffusione e sua misurazione

Questo capitolo è più rilevante per la Sezione F7(iv) del CICM Primary Syllabus 2017, che si aspetta che i candidati all’esame siano in grado di “definire la capacità di diffusione e la sua misurazione”. Questo è venuto fuori almeno una volta nelle prove passate del CICM, come un elemento inaspettato della risposta alla domanda 20 del primo esame del 2012, che si presentava come “elencare i fattori fisiologici che influenzano la diffusione dell’ossigeno attraverso la membrana alveolare”. Un serio (anche se prolisso) tentativo di esplorare quei fattori e fallire quella domanda interpretandola alla lettera può essere visto nel capitolo sulla diffusione dei gas attraverso la membrana alveolare. Qui, invece, ci concentreremo specificamente sulla capacità di diffusione, e su come può essere determinata.

In sintesi:

È difficile raccomandare un singolo articolo su questo, poiché la maggior parte di essi si concentra su un aspetto specifico e nessuno sembra offrire una breve panoramica generale del tipo che un candidato all’esame con poco tempo a disposizione potrebbe desiderare. Una fonte ragionevole è Hsia (2001), che pende un po’ dalla parte del cambiamento della DLCO indotto dall’esercizio, e Ayers et al (1975), che è una solida (anche se datata) discussione dei diversi modi in cui la DLCO può essere patologicamente diminuita. Come per tutte le cose relative ai test di funzionalità polmonare, l’eccellente PFTBlog è una risorsa eccellente, in particolare per quanto riguarda i metodi di test della DLCO.

Definizione della capacità di diffusione

Anche se non era esplicitamente richiesto nella domanda, un’aspettativa non scritta degli esaminatori nella domanda 20 del primo esame del 2012 era che gli specializzandi definissero la capacità di diffusione nel corso dell’elenco dei fattori che influenzano la diffusione dei gas respiratori. Dal commento degli stessi esaminatori del college, la definizione di questo concetto è:

“La capacità diffusiva è definita come il volume di gas che diffonderà attraverso la membrana ogni minuto per una differenza di pressione parziale di 1mmHg.”

Nunn’s la definisce un po’ diversamente:

” la propensione di un gas a diffondere come risultato di un dato gradiente di pressione”

Capacità di diffusione = Velocità netta di trasferimento del gas / Gradiente di pressione parziale

Questa proprietà è solitamente indicata come DL o DL, ed è tipicamente misurata in volume di gas, per unità di pressione, per unità di tempo; per esempio le unità SI sono mmol/min/kPa, e le unità tradizionali sono ml/min/mmHg. In sostanza, questo parametro descrive la facilità con cui i gas possono trovarsi trasportati nel sangue capillare alveolare, ed è quindi una comoda distillazione di tutti i fattori che influenzano la diffusione dei gas respiratori in una rappresentazione numerica.

Per l’ossigeno, l’equazione è:

DLO2 = assorbimento dell’ossigeno / gradiente PO2

L’assorbimento dell’ossigeno è più o meno misurabile, poiché è la differenza tra il contenuto di ossigeno misto venoso e arterioso. Tuttavia, il gradiente PO2 qui è la differenza tra la PO2 alveolare e la PO2 capillare polmonare, di cui quest’ultima è praticamente impossibile da misurare direttamente. Con varie ipotesi, si può indovinare quale dovrebbe essere la PO2 capillare ed eseguire alcuni calcoli a ritroso. Per qualche strana ragione, l’unica fonte che elenca effettivamente questo valore sembra essere Gehr et al (1981), che è un capitolo del libro sulla fisiologia respiratoria comparata dei mammiferi. Lì, insieme alla gazzella di Thompson e alla mangusta nana, si può trovare il valore per gli umani, che è riportato come 2,47 ml/mbar/sec. Un valore più autorevole (ma ancora non referenziato) riportato con notazione convenzionale si trova nel libro di testo di ER Weibel del 1984, che dà 20-30 ml/min/mmHg.

La capacità di diffusione dell’anidride carbonica è ancora più difficile da rintracciare. Nunn’s non dà riferimenti e nemmeno misure esatte, ma piuttosto fornisce una riga su come sia 20,5 volte maggiore della capacità di diffusione dell’ossigeno. I dati dei conigli di Heller et al (1998) riportano una DLCO2 di 14,0 ml/mmHg/min.

Come sarà dimostrato di seguito questi valori – misurati in individui a riposo – non rappresentano il vero massimo della capacità diffusionale del polmone. Questo può essere rivelato solo da un esercizio strenuo, dove la consegna di sangue al capillare aumenta significativamente.

Misurazione della capacità diffusiva

Ovviamente, il gas che ti interessa di più è l’ossigeno, e quindi avrebbe una sorta di senso logico misurare questo gas direttamente, ma in realtà, ci sono diverse barriere pratiche. O almeno, c’erano barriere quando la questione della misurazione della capacità di diffusione era venuta fuori per la prima volta. Fondamentalmente, per misurare la DLO2, si dovrebbe essere in grado di misurare accuratamente sia l’assorbimento di ossigeno che il gradiente di pressione parziale. Per il gradiente, bisognerebbe calcolare l’ossigeno alveolare (cosa facile da fare), e poi misurare l’ossigeno arterioso (come surrogato dell’ossigeno polmonare end-capillare). Poi, “la tensione di O2 e CO2 nel sangue arterioso deve essere misurata con la tecnica del microtonometro sviluppata da Riley – una tecnica che richiede una notevole pratica e destrezza”, scriveva Dacie nel 1957 a cui non erano disponibili gli elettrodi Clark che rilevano l’ossigeno. Questo non sembra un grande ostacolo per l’intensivista moderno che in qualsiasi momento ha litri di sangue del suo paziente (sia venoso che arterioso) pronti per il prelievo, così come strumenti accurati per misurarne il contenuto di gas. Tuttavia, storicamente è stato un grosso problema, e rimane un po’ di riluttanza a campionare l’arterioso del gruppo ambulatoriale. Le referenze si prosciugherebbero rapidamente dopo che le persone si rendessero conto di quello che hai intenzione di fare loro.

Quindi, l’uso del monossido di carbonio è stato storicamente molto più popolare. Marie e August Krogh l’avevano inventato per la prima volta nel 1915:

“Si suppone inoltre che quando una piccola parte di CO viene fatta passare nel sangue, il gas si combina praticamente istantaneamente con l’emoglobina e la pressione di CO nel sangue può essere presa come 0. Quando quindi una miscela di CO con aria viene racchiusa nei polmoni per un certo tempo e si determina la caduta della percentuale di CO, si può calcolare la diffusione attraverso la parete alveolare.”

In breve, si dà a un paziente una certa dose non letale e nota di monossido di carbonio da inalare. Il paziente trattiene il respiro per dieci secondi e poi lo espira. Poiché il monossido di carbonio non ha altro posto dove andare se non negli eritrociti, qualsiasi differenza tra le quantità di CO inalate ed esalate deve essersi diffusa attraverso la barriera dei gas sanguigni e legarsi all’emoglobina. Così, nell’equazione

DLCO = uptake di monossido di carbonio / gradiente di monossido di carbonio

l’uptake di monossido di carbonio è la differenza “mancante” di CO inalato ed esalato, e il gradiente è assunto essere tra la pressione parziale alveolare di CO (che è nota, perché l’hai data tu) e la pressione parziale arteriosa di CO (che è 0 mmHg, perché sappiamo che tutto finisce per essere legato all’emoglobina). Quindi, la misurazione della DLCO può essere effettuata in modo non invasivo.

Ci sono tre metodi principali per la misurazione della DLCO: il metodo del respiro singolo, il metodo dello stato stazionario e il metodo del rebreathing. Il metodo del respiro singolo è descritto in dettaglio dall’eccellente dichiarazione degli standard ERS/ATS (Cotes et al, 1993), da cui l’autore ha liberamente “preso in prestito” alcune immagini esplicative. La tecnica del rebreathing è esplorata in dettaglio qui e il metodo steady-state qui. Una conoscenza approfondita di questo argomento non è (non può essere) richiesta ai candidati all’esame CICM, e quindi in questa sede, sarà sufficiente riassumere come segue:

Metodo del singolo respiro per misurare la DLCO

• Un periodo di tempo di respirazione di aria ambiente dovrebbe idealmente precedere qualsiasi misurazione
• Prima, il paziente espira al massimo (fino a RV)
• Il paziente poi inala una miscela di gas dello 0.3% di monossido di carbonio e 10% di elio
  (l’elio è per la misurazione del volume alveolare)
• Questo è un respiro di capacità vitale (cioè fino alla TLC), e il suo volume è misurato
• Il paziente trattiene questo respiro per dieci secondi
  • Questo trattenimento del respiro ha lo scopo di assicurare l’uguale distribuzione del monossido di carbonio a tutte le unità polmonari, indipendentemente dalla loro costante di tempo
  • E’ importante evitare il Valsalva-ing a questo punto, perché può influenzare il volume del sangue intratoracico e diminuire falsamente la DLCO.
• Il paziente poi espira.
  • Il primo 0,75 litri viene completamente ignorato, poiché è considerato gas dello spazio morto, non rappresentativo del resto.
• Viene quindi prelevato un campione di gas
  • Il volume alveolare totale può essere misurato dalla concentrazione di elio espirato (questa è un’applicazione classica della tecnica di misurazione della diluizione del gas tracciante per la misurazione dei volumi polmonari)
  • L’assorbimento del monossido di carbonio può essere determinato dalla differenza tra le misure di pressione parziale inspirata ed espirata
  • Il gradiente di pressione parziale per il monossido di carbonio può essere determinato dalla misura della pressione parziale espirata

Metodo di respirazione DLCO

• Questo è praticamente lo stesso del metodo del respiro singolo, eccetto che non c’è il trattenimento del respiro.
• Il paziente viene fatto respirare rapidamente (la frequenza respiratoria raccomandata è 30) mentre respira da un serbatoio con una quantità e un volume di gas noto, contenente 0,3% di monossido di carbonio e 10% di elio
• La quantità di gas nel sacchetto è solitamente regolata in modo che sia approssimativamente uguale al volume corrente del soggetto, cioè si svuota completamente durante l’inspirazione
• Dopo un periodo di tale respirazione rapida, il gas viene campionato
• Il calcolo del volume alveolare e dell’assorbimento del monossido di carbonio può quindi essere eseguito esattamente nello stesso modo del respiro singolo
• Per qualche motivo, questa tecnica è praticamente sconosciuta nella pratica clinica, e sembra essere utilizzata principalmente in scenari in cui è necessario misurare il DLCo senza interrompere significativamente il modello di respirazione del soggetto, ad es. quando stanno pedalando all’impazzata su un ciclo di esercizi.

Metodo di misurazione della DLCO allo stato stazionario

• Il soggetto viene fatto respirare una miscela di gas controllata che contiene 0,3% di monossido di carbonio.
• Il loro gas esalato è raccolto in un sacchetto
• Dopo un periodo di respirazione (abbastanza lungo per stabilire uno stato stazionario) il gas esalato è analizzato
• La consegna del monossido di carbonio e il volume del gas esalato sono noti, e quindi è facile calcolare l’assorbimento del monossido di carbonio.
• La concentrazione alveolare di monossido di carbonio può essere calcolata da una forma modificata dell’equazione dei gas alveolari
• Anche questa tecnica sembra essere praticamente sconosciuta nella pratica clinica di routine; Il suo vantaggio principale è la completa mancanza di dipendenza da qualsiasi livello di partecipazione del paziente, rendendola adatta all’uso in soggetti non cooperativi o sedati

Fattori che influenzano la capacità diffusiva

L’equazione che descrive questo parametro è abbastanza semplice, e i fattori che la influenzano possono essere divisi in proprietà del gas e proprietà del sistema respiratorio. Un gas con una maggiore capacità diffusiva sarà in grado di negoziare la barriera sangue-gas più facilmente di un gas con una minore capacità diffusiva, ad ogni dato gradiente di pressione. Allo stesso modo, le proprietà del sistema respiratorio possono cambiare in un modo che può aumentare o diminuire la capacità diffusiva, per lo stesso gas e allo stesso gradiente di pressione parziale. Delle proprietà del sistema respiratorio, tre fattori principali possono cambiare: o la superficie cambia, o lo spessore della membrana cambia, o l’assorbimento del gas da parte dei globuli rossi è in qualche modo alterato. Si può generare un memorabile elenco a punti per descrivere questi fattori, ai fini della preparazione dell’esame. Così:

• Fattori che influenzano le proprietà del gas
  • Tutti i fattori che influenzano il coefficiente di diffusione del gas avranno un ruolo in questo, tra cui:
    • La densità del gas
    • Dimensione delle molecole
    • La temperatura del mezzo
• Fattori che influenzano la superficie di scambio dei gas
  • Età (con l’aumentare dell’età, la superficie totale disponibile diminuisce, indipendentemente dagli altri fattori)
  • La dimensione del corpo: l’altezza influenza le dimensioni dei polmoni
  • Volume polmonare
    • Maggiore è il volume polmonare, maggiore è la capacità di diffusione, cioè il volume dei polmoni.e. se si fa un confronto tra individui, si dovrebbe usare una metrica indicizzata al volume alveolare (per esempio, capacità di diffusione per litro di volume alveolare)
    • Tutto ciò che influisce sul volume polmonare è quindi una potenziale fonte di errore, per esempio malattie polmonari, postura, obesità, gravidanza, ecc.
  • Fattori che cambiano le caratteristiche di ventilazione-perfusione:
    • Shunt: non c’è diffusione
    • Spazio morto: non c’è diffusione
    • V/Q scatter: diffusione incompleta inefficiente ha luogo
• Fattori che influenzano le caratteristiche della membrana
  • Si tratta fondamentalmente degli stati patologici che aumentano lo spessore della barriera sangue-gas, che includono:
    • Edema polmonare
    • Malattia polmonare interstiziale, es. fibrosi polmonare
  • In senso stretto, si dovrebbe includere qui la viscosità del mezzo (cioè del citosol, della membrana di base e del plasma capillare). Tuttavia, praticamente questi sono elementi stabili che possono essere ignorati.
• Fattori che influenzano l’assorbimento da parte degli eritrociti
  • L’affinità dell’emoglobina per l’ossigeno
  • La concentrazione di emoglobina
  • La produzione cardiaca (nella misura in cui influenza il tempo di transito capillare
• Fonti di errore
  • La perdita di monossido di carbonio all’emoglobina alveolare extravascolare, ad es. nel contesto dell’emorragia alveolare dovuta alla sindrome di Goodpasture
  • Presenza di monossido di carbonio “fatto in casa”, dovuto al fumo o a un’estesa ripartizione dell’emoglobina (es. emolisi intravascolare) che potrebbe limitare l’assorbimento di CO
  • Competizione tra CO e ossigeno (se il paziente aveva precedentemente respirato 100% FiO2, per esempio)
  • La concentrazione di emoglobina, quando è bassa, può falsamente diminuire la misurazione della DLCO anche se la performance del complesso alveolare/capillare rimane completamente sana

Se si guarda abbastanza attentamente, si può notare che questa lista è praticamente identica alla lista dei fattori che influenzano la diffusione dei gas attraverso la membrana alveolare, con la notevole eccezione del gradiente di pressione parziale (che è incorporato nella definizione della capacità diffusiva) e i vari fattori legati all’errore di misurazione.

Cambiamento della capacità diffusiva con l’esercizio fisico

Alcuni potrebbero dire che la discussione sulla capacità diffusiva a riposo è un termine improprio perché si riferisce a un sistema non sollecitato, che in realtà ha una capacità di diffusione molto più alta. Infatti, con un esercizio vigoroso, la DLO2 aumenta da 20-30 ml/min/mmHg a qualcosa di vicino a 100-120 ml/min/mmHg, che è la capacità “reale” di diffusione. Questo aumento è dovuto al fatto che il tasso di assorbimento dell’ossigeno nell’equazione (DLO2 = assorbimento dell’ossigeno / gradiente PO2) aumenta notevolmente. Non ci vuole un grande sforzo di immaginazione per spiegare il perché di ciò. Considera: il volume minuto aumenta, non solo a causa dell’aumento della frequenza respiratoria, ma anche a causa dell’aumento del volume corrente. Con l’aumento del volume polmonare, l’area totale di scambio dei gas alveolari è aumentata. Inoltre, la gittata cardiaca è aumentata. Con ciò, la consegna di sangue ai capillari polmonari è aumentata. Questo cambia la distribuzione V/Q, poiché più capillari vengono reclutati in regioni polmonari che prima erano “veri” spazi morti o avevano una V/Q molto maggiore di 1,0. Per riassumere questo in una forma appetibile:

Con l’esercizio, entrambi i principali elementi che influenzano la capacità di diffusione sono alterati:

• L’assorbimento di ossigeno nei capillari polmonari aumenta perché:
  • L’area superficiale aumenta (volumi tidal più grandi)
  • Il flusso sanguigno polmonare aumenta (aumento della gittata cardiaca)
  • La corrispondenza V/Q migliora (le aree di alta ventilazione ricevono un maggiore flusso sanguigno e i letti capillari dormienti vengono reclutati)
• Il gradiente di pressione parziale nei capillari polmonari aumenta perché:
  • Il rapporto di estrazione dell’ossigeno aumenta, diminuendo la PO2 del venoso misto
  • L’aumento della ventilazione minuto diminuisce la PCO2 alveolare (aumentando così la PO2 alveolare, a parità di altre condizioni)
  • Una maggiore consegna di emoglobina alla superficie assorbente agisce come un sink di ossigeno e mantiene una bassa pressione parziale capillare

Quanto di un aumento di DLO2 ci dobbiamo aspettare? La risposta del college alla domanda 20 del primo articolo del 2012 affronta questo in un’osservazione criptica, “…la ventilazione alveolare aumenta e c’è una migliore corrispondenza tra ventilazione e perfusione da 21ml/min/mmHg fino a 65ml/min/mmHg”.
Presumibilmente, i valori citati nella seconda metà di questo obiter dictum si riferiscono ai cambiamenti nella DLCO, e sono derivati da qualche parte rispettabile, ma chi sa dove sia. Generalmente ci si aspetta che provengano da un libro di testo, e i valori del libro di testo di solito provengono da studi effettuati negli anni ’60. Senza sapere specificamente quale fonte medievale gli esaminatori avevano in mente, la ricerca di riferimenti sostanziali peer-reviewed è essenzialmente lo stesso che lanciare freccette alla letteratura. Per esempio, una breve ricerca porta a uno studio di Turino et al (1963), i cui volontari sani hanno ottenuto valori di DLCO a riposo che vanno da 18 a 22, e valori di esercizio che vanno da 55 a 64 ml/min/mmHg. Questo sembra approssimativamente corretto, e in ogni caso non si può concepire un universo in cui avere o non avere i numeri esatti qui sarebbe il fattore decisivo per le prestazioni di un esame.