Răspunsurile fiziologice la hipoxie.


Pentru a înțelege procesele patologice provocate de hipoxie, vom examina succint multiplele reacții ale organismului supus la această situație.


Aparatul respirator.

Semnalul hipoxemic este înregistrat de celulele din glomusul carotidian și transmis prin fibrele senzoriale ale nervului glosofaringian, cu participarea dopaminei, la centrul respirator din trunchiul cerebral (pons). Centrul respirator răspunde în câteva secunde la acest stimul prin hiperventilație (Hypoxic ventilatory response-HVR), care constă în creșterea frecvenței și profunzimii respirației. Consecința este o creștere a PAO2 și PaO2, o scădere a PaCO2 din cauza eliminării crescute de CO2, și o alcaloză respiratoare hipocapnică. Reflexul hiperventilator variază mult de la individ la individ și începe la valori de PAO2 (presiunea parțială de O2 în aerul inspirat) de circa 90 mmHg, echivalând cu o altitudine de 3100 m. Ventilația este condiționată și de PaCO2 (presiunea CO2 în sânge) prin intermediul chemoceptorilor centrali din trunchiul cerebral. După o perioadă lungă de expunere la hipoxie, HVR se reduce. Deasemeni, HVR este redus la populațiile care trăiesc la mare altitudine, șerpa, quechua, dar și la alpiniști . În maladia acută de munte (MAM) s-a observat că indivizii cu un HVR redus erau mai frecvent supuși acestei patologii decât cei care aveau un HVR intens. S-a observat deasemenea că indivizii care pierdeau mai mult de 2% din greutatea corporală în primele zile de ascensiune la tabăra de bază a muntelui Everest aveau un PaO2 mai ridicat, un PaCO2 mai scăzut datorită unui HVR intens și aveau rar simptome de MAM (Hackett 1982). S-a constatat deasemenea că un HVR ridicat permitea o capacitate crescută la efort, cu o SaO2(saturație de oxigen în sângele arterial) mai ridicată decât la indivizii cu HVR scăzut. S-ar putea crede că un HVR intens permite o prestație bună la altitudine, dar s-a văzut că în realitate lucrurile sunt mai complicate. Alpiniști cu un bun HVR aveau o înrăutățire a performanței mentale la altitudine (Townes, 1988), probabil din cauza diminuării fluxului sanguin provocată de scăderea importantă a PaCO2 ( hipocapnie) prin hiperventilație energică. Studii făcute pe alpiniști de vârf la altitudini de peste 7000 au constatat că aceștia aveau un HVR modest, deși prestația la efort era excelentă. Hipoxia induce o creștere a lactatului și piruvatului în sânge și în lichidul cefalo-rachidian (LCR) datorită creșterii componentei anaerobe a glicolizei; HCO3- (ionul bicarbonat) scade în LCR , în parte din cauza creșterii eliminării renale de HCO3 ( compensare renală a alcalozei), în parte datorită tamponării realizate de creșterea ionilor H+ proveniți din acidoza lactică. Creșterea ionilor de H stimulează centrii respiratori cerebrali, mărind astfel ventilația și scăzând PaCO2. Aceste complexe mecanisme de reglare ale echilibrului acido-bazic care au ca scop menținerea homeostatică a unui pH de 7,4 - fundamental pentru corecta funcționare a numeroase procese chimice și metabolice. Scăderea PaCO2 are ca efect important creșterea afinității hemoglobinei pentru oxigen.


Un efect important al hipoxiei este vazoconstricția pulmonară, cu o creștere importantă a presiunii în artera pulmonară; se poate ajunge la valori de 25 mmHg, sau chiar mai mult. Vazoconstricția este provocată, în primele ore de expunere la hipoxie, de o creștere a tonusului simpatic. Ulterior vazoconstricția este menținută de intervenția unor factori endoteliali, ca endotelina, NO (monoxid de azot), ionii de calciu care contractă celulele musculaturii netede din pereții arterelor pulmonare. Vazoconstricția nu este omogenă, aceasta depinzând de o neomogenitate a raportului ventilație/perfuzie la bazele pulmonare, de o diferență regională în eliberarea de NO endotelial, de o distribuție neomogenă a celulelor musculare netede în pereții arteriolelor pulmonare. Procesul de adaptare comportă, la locuitorii la mare altitudine, modificări morfologice ale arterelor pulmonare care prezintă un strat circular, media, format de celule musculare netede, o îngustare a lumenului arterial și creșterea rezistenței vasculare pulmonare. Hipertensiunea pulmonară de altitudine provoacă o hipertrofie a ventricului drept, atât la cei născuți la altitudine, cât și la locuitorii de câmpie aclimatizați.


Un alt aspect important al fiziologiei pulmonare la mare altitudine este reducerea difuziunii și transferului oxigenului din aerul alveolar în capilarul sanguin; această reducere este accentuată în timpul efortului, constituind un factor de limitare a activității fizice la mare altitudine. Studii făcute pe populații quechua în Anzi arată o difuziune crescută a oxigenului, probabil datorită în parte volumului pulmonar crescut.


Aparatul cardio-vascular

Hipoxia acută stimulează activitatea simpatică, noradrenalina plasmatică crește în primele două săptămâni după care se stabilizează la un nivel superior față de valorile de la nivelul mării. Frecvența cardiacă crește în hipoxia acută, atât în repaus cât și la efort; în hipoxia cronică, frecvența cardiacă scade progresiv odată cu aclimatizarea, dar rămâne la valori superioare față de nivelul mării. În efort maximal la peste 3000 m. frecvența cardiacă maximă scade, limitând astfel transportul de oxigen și eliberarea lui către țesuturi. Această reducere a frecvenței cardiace este explicată printr-o desensibilizare a receptorilor beta-adrenergici, ca un mecanism de protecție a miocardului supus efortului dar privat de oxigenul indispensabil în tachicardia prelungită în timp. Debitul cardiac (=debitul sistolic x frecvența cardiacă) crește în hipoxia acută, atât în repaus cât și efort, ajungând la valori maxime în primele 5 zile de expunere la hipoxie. După circa 12 zile debitul cardiac scade, revenind la valorile de la nivelul mării, probabil datorită unei reduceri a returului venos și o scădere a debitului sistolic cauzat de tachicardie. Ecocardiografii făcute în simulare de altitudine la 8000 m au arătat o reducere a volumului telediastolic al ventricului stâng (VS) , deci o reducere a umplerii VS; aceasta este probabil cauzată de dilatarea ventricului drept care împinge septul interventricular spre stânga și limitează umplerea VS. Tensiunea arterială sistemică variază puțin în hipoxia de altitudine. Hipoxia în sine are o acțiune de vazodilatație sistemică prin intermediul eliberării de H1F1 (hypoxia inducible factor1) și de NO ( oxid nitric, monoxid de azot). Pe de altă parte, creșterea catecolaminelor provoacă creșterea tensiunii arteriale. Suma celor două acțiuni dă un răspuns foarte variat de la individ la individ, cu valori care scad, cresc puțin sau rămân invariate. Presiunea în artera pulmonară (PAP) crește din cauza vazoconstricției pulmonare hipoxice ( Von Euler 1946). Această hipertensiune arterială pulmonară (HTAP) crește progresiv odată cu altitudinea, ajungând la valori de circa 45 mmHg la 8000 m. PAP crește net în timpul efortului, dar și în poziție orizontală în timpul somnului. Vazoconstricția pulmonară determină o modificare a distribuirii perfuziei în diferitele zone pulmonare, ameliorând perfuzia apicală. Circulația coronară crește în hipoxia acută datorită vazodilatației; scade în hipoxia cronică și la rezidenții în altitudine. Circulația cerebrală este modificată, ca urmare a vazodilatării hipoxemice și a vazoconstricției hipocapnice; rezultatul este o creștere a debitului cerebral în primele 3 zile la altitudine și, succesiv, o întoarcere la valorile inițiale. La altitudini de peste 7000 m fluxul în artera cerebrală medie crește mult odată cu aclimatizarea.


Modificări hematologice

Cea mai cunoscută reacție fiziologică a organismului la altitudine este creșterea numărului de eritrocite pe unitatea de volum de sânge (policitemie, poliglobulie). Poliglobulia și creșterea consecutivă a concentrației de hemoglobină fac să crească capacitatea sângelui de a transporta oxigenul, astfel că un individ aclimatizat are la 5300 m aceași cantitate de oxigen, 18,9 ml/100 ml, ca la nivelul mării; aceasta compensează scăderea saturației SaO2, care este doar 75%. Producția de eritrocite este reglată de hormonul eritropoetina( EPO); hipoxia ( deasupra altitudinii de 2100 m) stimulează după 2-3 ore secreția renală de EPO, acționând la nivelul celulelor endoteliale din țesuturile peritubulare proximale. Reticulocitele apar în sânge după circa 4-5 zile. În primele zile de expunere la hipoxie hematocritul poate crește din cauza scăderii volumului plasmatic (hemoconcentrare); deci poliglobulia reală poate fi evaluată numai după circa o săptămână de sejur la altitudine de peste 2000 m. Reglarea volumului plasmatic (VP) este unul din factorii importanți ai homeostaziei și implică numeroase componente. Controlul central este realizat de un mecanism de feed back care include peptidul atrial natriuretic (ANP) și atriul drept. Creșterea tensiunii în atriul drept stimulează secreția de ANP care crește eliminarea renală de sodiu și apă. Creșterea tensiunii în atriul drept este produsă de deplasarea de sânge de la periferie spre centru, sau de creșterea volumului sanguin. Alți factori care pot modifica VP sunt; hidratarea sau deshidratarea: capacitatea vasculară, determinată de tonusul peretelui vascular, în special cel venos și cutan, la rândul lui dependent de temperatură și de catecolamine: hormonul antidiuretic secretat de hipofiza posterioară, care reține apă și care participă la reglarea presiunii osmotice: sistemul renină - angiotensină – aldosteron, care provoacă retenția de sodiu și deci de apă în ortostatism și în timpul efortului. Studii realizate pe trekkers în primele 5 zile de efort susținut ( urcare pe munte) au arătat o creștere a volumului plasmatic și a volumului interstițial cu 22%, și o reducere a volumului intracelular, datorate unei activări a sistemului renină - angiotensină – aldosteron care reține sodiu, apă și deci expande volumul extracelular. În primele zile de expunere la hipoxie la munte indivizii care au o diureză satisfăcătoare și un VP redus nu prezintă simptome de maladie acută de munte ( MAM ). Cei care au semne de MAM au o diureză redusă și un VP crescut. După această prima fază de expansiune a VP, în următoarele 3 săptămâni VP scade cu 21% ( Pugh 1964, Himalayan Scientific Expedition), apoi revine la valorile inițiale de control. Alcaloza respiratoare realizată de hipocapnie este lent și incomplet compensată metabolic, excesul de baze este persistent. Probabil un rol îl joacă deshidratarea; determinările de osmolaritate serică arată o creștere a valorilor medii de la 290 mOsm/kg la nivelul mării, la 295 mOsm la 5400 m și la 302 mOsm la 6300 m. Această deshidratare s-a produs în ciuda faptului că alpiniștii beau o cantitate suficientă de lichide.Probabil hiperventilația importantă provoacă o pierdere mare de lichide. În condiții de deshidratare, rinichiul corectează lent alcaloza, dând prioritate echilibrului hidric. Pentru a corecta alcaloza, rinichiul ar trebui să crească eliminarea ionilor de bicarbonat; dar această pierdere de cationi ar agrava hiperosmolaritatea. Hipoxia însăși se pare că încetinește compensarea metabolică a alcalozei respiratoare.


Țesuturile periferice și difuziunea oxigenului

Factorii celulari joacă un rol important în procesele de aclimatizare și adaptare la altitudine. Eliberarea și difuzarea oxigenului din capilarele periferice către celule și mitocondrii, ca și utilizarea lui de către acestea, reprezintă ultima fază a ciclului respirator care începe cu inspirarea aerului. Celula este formată din citoplasmă cu lichid care conține sute de ioni, mitocondriile unde se produce energia necesară pentru funcționarea organismului, un nucleu care conține programele genetice, și o membrană. Ionii, de ex. sodiul, potasiul, calciul etc. traversează membrana prin canale speciale datorită pompei ionice, un proces bioelectric activ numit transport de membrană. Unele molecule, ca oxigenul și CO2, traversează membrana printr-un proces de difuziune pasivă. Recent s-a constatat că mioglobina, un hemopigment muscular cu structură asemănătoare hemoglobinei, joacă un rol important în facilitarea difuziunii oxigenului în celulele musculare. Există și evidența că anumite mișcări de contracție a citoplasmei pot crește prin convecție transportul de oxigen. Recent a fost emisă ipoteza că oxigenul se deplasează în celule dealungul unor invaginații din membrana lipidică celulară, în care se dizolvă ușor. Membrana celulară este formată din mai multe straturi de mucopolizaharide, proteine și lipide. Transportul se realizează prin canale specifice fiecărei substanțe; procesul necesită multă energie și consum de oxigen. Structura membranei și funcțiile ei sunt extrem de importante pentru viață, pentru menținerea homeostaziei, și condiționează în mod determinant aclimatizarea la mari altitudini. Energia necesară organismului este produsă de mitocondrii, care conțin enzime; acestea procesează, ca într-un laborator chimic, elementele nutriente care provin din digestia alimentelor. Aceste procese biochimice sunt reprezentate de; conversiunea glucozei și glicogenului în AcetilCoA: ciclul acizilor tricarboxilici (Ciclul lui Krebs): lanțul transportului de electroni. Aceste reacții produc în final căldură și energie. În condiții de lipsă de oxigen ( hipoxie), căldura și generarea de energie scad; dacă organismul nu primește suficient oxigen pentru un timp îndelungat, el se degradează treptat, pierde căldura și energia indispensabilă metabolismului, până la moarte. Deoarece oxigenul nu este implicat în procesul de glicoliză, aceasta este o sursă importantă deși temporară în condiții de hipoxie. Din contră, nici ciclul lui Krebs și nici lanțul transportului de electroni nu pot produce energie în absența oxigenului. La animalele expuse experimental la hipoxie au fost observate următoarele modificări morfologice; o creștere a capilarelor deschise în mușchi în efort: capilarele din creier, inimă și ficat erau dilatate și crescute ca număr (dar studii recente au arătat că de fapt e vorba nu de creșterea numărului capilarelor, ci de o reducere a distanței de difuziune intercapilară prin micșorarea fibrelor musculare): o creștere a mioglobinei, care transportă oxigen, la animalele care trăiesc la mare altitudine: o creștere a densității mitocondriilor la animalele născute și crescute la mare altitudine: modificări ale enzimelor mitocondriale și ale sistemelor NADPH-oxidaze, NADPH-citocromreductaze, NADP transhidrogenaze, care cresc semnificativ la rezidenții în altitudine. La altitudini extreme a fost găsită, pe biopsii musculare, o scădere a enzimelor oxidative, atât ale ciclului Krebs ( succinat dehidrogenaza) cât și cele glicolitice( lactat dehidrogenaza, fosfofructochinaza). În concluzie se poate spune că mușchii își cresc capacitatea de metabolism oxidativ în caz de hipoxie, dar până la o anumită limită de altitudine, nu peste 6500 m. Unul din efectele aclimatizării la mare altitudine este o reducere a dimensiunii fibrelor musculare ( Cerretelli 1984, Operation Everest II-McDougall 1988). Cauza pare a fi o modificare a metabolismului proteic care produce o atrofie musculară difuză, cu scădere ponderală importantă, chiar când aportul caloric este suficient. La unele specii volumul mitocondriilor crește în condiții de hipoxie de mare altitudine; la om, volumul lor scade cu circa 25%, fapt care se asociază cu o scădere de 10% a masei musculare. În ultimii ani s-a descoperit că celulele se pot adapta în condiții de hipoxie activând canale specifice de semnalare intracelulară implicând o familie de transcriptori heterodimerici ( hypoxia inducible factors, HIF). Cel mai studiat este HIF1, ubiquitar, constituit din două subunități, alfa și beta. În cursul hipoxiei, căile de degradareale HIF1 sunt puternic inhibate, permițând acumularea lui în citoplasmă și cuplarea cu HIFbeta; acest dimer, fosforilat de chinase specifice, intră în nucleul celular. Efectul este amplu, în toate celulele, cu activarea multor gene care induc activarea transportorilor de glucoză, creșterea glucozei intracelulare și accelerarea proceselor de glicoliză aerobă. Creșterea acidului lactic și CO2, care pot determina acidificarea pH intracelular, sunt modulate de activarea de pompe, de schimbători de ioni și de transportatori de mebrană care echilibrează pH intracelular. Funcțiile celulare pot fi alterate în condiții de hipoxie severă, ducând la alterări ale mitocondriilor și ale citoplasmei (umflare, degenerare vacuolară), până la moartea celulară.


Efortul

Hipoxia marilor altitudini reprezintă un stres pentru sistemul de transfer de oxigen din organism, chiar în condiții de repaus. Efortul crește consumul de oxigen, simultan cresc și problemele de eliberare a oxigenului către mitocondriile mușchilor care se contractă. De fapt, problema mersului la altitudine este scăderea toleranței la efort. Ventilația pulmonară crește mult, frecvența poate ajunge la 86 respirații/min ( Pizzo, la 8300 m, Everest Himalayan Expedition, 1981). Costul în oxigen al hiperventilației este destul de mare, ajunge la 10% din consumul total de oxigen în repaus, și crește proporțional cu efortul. Relația ventilație-perfuzie este alterată în timpul efortului la mare altitudine, în special la alpiniștii insuficient aclimatizați. Această anomalie se pare că se datorează unui edem pulmonar subclinic provocat de hipertensiunea pulmonară produsă de vazoconstricția pulmonară hipoxică. Alcaloza respiratoare produsă de hiperventilație determină o deplasare spre stânga a curbei de disociație a hemoglobinei. Aceasta induce o creștere a afinității hemoglobinei pentru oxigen, fenomen care se observă la animalele născute și crescute la mari altitudini ( lama, vicugna), ca și la locuitorii la altitudine.

Consumul maxim de oxigen (VO2max) scade proporțional cu altitudinea, reprezentând un factor limitativ important pentru efort. Până la 1000 m VO2max rămâne aproape invariat, apoi scade progresiv cu 10% la fiecare 1000 m de altitudine. În consecință, la 4000 m consumul maxim de O2 este redus la 70% din valoarea de la nivelul mării; la 6000 m este 50%, iar la nivelul vârfului Everest este de numai 1l/min.


Dr. Corneliu Nicolae Dimache
Via Conte Verde 68, Roma ( I )
0039.06.4468201
0039.3407934966

Informatiile apartin S.Ro.M.S - persoana contact: Dr. Mirela Vasilescu


Redactor si realizator Web -  Dr. Gabriel Panait
Copyright

Publicarea, reproducerea, modificarea, afisarea sau distribuirea materialelor (inclusiv a siglei/banner-ului) continute in website-ul MedicinaSportiva.Ro este permisa numai cu acordul scris al MedicinaSportiva.Ro.


Este permisa copierea strict pentru uzul personal al Utilizatorului, excluzand orice utilizare in scopuri publicitare, comerciale, etc - informatiile acestui site sunt puse la dispozitia Utilizatorului pentru documentare si acumulare de cunostinte, nu pentru a le prelua si comercializa.


Orice Utilizator poate include unul sau mai multe link-uri la website-ul medicinasportiva.ro - cu conditia de limitare doar la numele website-ului si a siglei/banner-ului - prin introducerea script-ului corespunzator oferit pe website; preluarea altor informatii necesita acordul MedicinaSportiva.Ro. Nu este permisa introducerea acestor link-uri pe website-uri cu continut ilegal, obscen sau ofensator sau in orice situatie in care ne este afectata reputatia.


Note

S.Ro.M.S's web section is freely created and hosted on www.medicinasportiva.ro  -  according to Terms & Conditions


Sectiunea Societatii Romane de Medicina Sportiva este gazduita si administrata GRATUIT pe www.medicinasportiva.ro -  a se vedea Termeni si Conditii MedicinaSportiva.Ro


Back ↑ top
Acest website utilizeaza cookies! Continuarea navigarii semnifica acceptul Dvs. Despre confidentialitate si informatii personale! [x] Accept