MANUAL DE PRUEBAS DE FUNCIÓN PULMONAR. DE LA FISIOLOGÍA A LA PRÁCTICA
Bases anatómicas y fisiológicas de las pruebas de función pulmonar
Capítulo 8 Músculos respiratorios
EDUARDO L. DE VITO Y ALEJANDRO E. GRASSINO
INTRODUCCIÓN La evolución ha logrado los músculos esqueléticos, una maravilla mecánica que permite nada más y nada menos que el movimiento. Los músculos respiratorios son los únicos músculos esqueléticos de los cuales depende la vida. Tienen características embriológicas, estructurales, funcionales y bioquímicas iguales a los músculos esqueléticos, pero se contraen durante toda la vida. La resistencia (endurance) de los músculos respiratorios es igual a vida. Los músculos respiratorios pueden fracasar como generadores de presión y poner en peligro la vida. Hasta el año 1977, el interés por los músculos respiratorios y el proceso de fatiga muscular estaba acotado al campo de la fisiología. La aplicación de estos conocimientos en los pacientes era limitada. A partir de ese año, con la publicación de Roussos y Maklem, se produjo una explosión de publicaciones relacionadas. La evolución de los conocimientos sobre los músculos respiratorios en humanos experimentó diversas etapas: transferencia de los conocimientos fisiológicos básicos a las personas normales, a pacientes estables y a pacientes críticos. La búsqueda en la National Library of Medicine (MeSH) de títulos publicados entre los años 1976 y 2004 arrojó para el ítem “respiratory muscles” la cifra de 11.386 artículos, pero con el
agregado de “critical care” sólo aparecieron 33 artículos. Si bien existen algunas preguntas no contestadas aún, en algo menos de 30 años se ha logrado un corpus de información razonablemente integrado sobre la fisiología y fisiopatología de los músculos respiratorios. Por otro lado, el notable desarrollo de las técnicas de biología molecular permite hablar de una fisiología molecular de los músculos respiratorios. Los conocimientos en este campo se encuentran aún en etapa embrionaria, pero se espera que permitan tomar decisiones más racionales respecto de temas controvertidos como el entrenamiento y reposo de los músculos respiratorios y los mecanismos de fracaso de la desvinculación de asistencia respiratoria mecánica.
ESTRUCTURA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO La mayor parte de la célula muscular esquelética está compuesta por largas proteínas fibrosas muy bien alineadas en filamentos que remedan lápices y que tienen la capacidad de deslizarse uno a lo largo del otro. La unidad funcional de la célula muscular es el sarcómero, una estructura exquisitamente elaborada de alrededor de 3 micrómetros de longitud. Una célula muscular de 10 centímetros de longitud puede tener unos 100.000 sarcómeros ensamblados en serie para cubrir la distancia de in73
Músculos respiratorios
serción entre las estructuras cartilaginosas u óseas. Las sarcómeros se unen en serie mediante los extremos de los filamentos de actina, lo cual constituye los discos o bandas Z. Los miofilamentos de miosina están formados por cadenas de polipéptidos (dos cadenas pesadas y cuatro livianas), mientras que los miofilamentos de actina están íntimamente organizados con las moléculas de tropomiosina y troponina. La generación de tensión (contracción) muscular es un evento molecular que depende de la existencia de estas “moléculas contráctiles” y sus complejos relacionados. La contracción muscular se inicia a partir de un potencial de acción que se transmite por los nervios hasta la unión neuromuscular. En este punto se libera la acetilcolina que activa los canales iónicos (sodio, potasio y calcio) de la membrana muscular, ocasionando un cambio en el potencial de la membrana que se propaga a toda la fibra y al sistema tubular T. Éste, al encontrarse en contacto con las cisternas terminales, hace que se libere el calcio almacenado, que se unirá con las moléculas de troponina C. Este complejo es capaz de desplazar a la tropomiosina, con lo cual los canales de actina se descubren y se unen a las cabezas de los filamentos de miosina. La unión induce un cambio en la conformación de la miosina que modifica el ángulo entre su cabeza y eje (movimiento de bisagra), produciendo así una tensión longitudinal sobre los miofilamentos conocida
como contracción o tensión muscular. La relajación implica los eventos en forma inversa. La contracción muscular consume energía. Esta energía se obtiene a partir del adenosín trifosfato (ATP) que se consume en las diferentes etapas, a saber: 1) bombeo de iones a través del sarcolema (potencial de acción); 2) cambios en la conformación de la miosina; 3) liberación y recuperación del calcio por el retículo sarcoplásmico; 4) unión del complejo troponina-tropomiosina; 5) desplazamiento de los filamentos (contracción propiamente dicha), y 6) separación de las cabezas de miosina (relajación). Por esta razón, la reserva de ATP en la fibra muscular es apenas suficiente para mantener la contracción durante unos pocos segundos y se hace necesario acudir a las reservas energéticas con el fin de producir nuevas moléculas. Las reservas corresponden a las fuentes de fosfocreatina y glucógeno, y al metabolismo oxidativo que, finalmente, es el más efectivo debido a que aporta el 95% de la energía total utilizada.
EL DIAFRAGMA: ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL El diafragma, al igual que todos los músculos esqueléticos, está compuesto por unidades funcionales (unidades motoras) que varían considerablemente en sus propiedades contráctiles y fatigabilidad.
TABLA 1. Clasificación de las fibras musculares. Tipo I
Tipo IIb
Denominación
Fibras FS (fiber slow)
Fibras FR (fiber rapid)
Fibras FF (fast fiber)
Vía metabólica predominante
Oxidación aeróbica
Glucólisis aeróbica y anaeróbica
Glucólisis anaeróbica
Densidad capilar y mitocondrial
Alta
Intermedia
Baja
Desarrollo de tensión
Lento
Intermedio
Rápido
Color y diámetro
Rojo intenso, pequeño
Rosado, grande
Blanco, grande
Sistema enzimático
Ricas en enzimas oxidativas, pobres en glucógeno y en actividad de fosforilasa
Alta actividad oxidativa y glucolítica y alta actividad ATPasa
Alta actividad de fosforilasa, pobres en actividad oxidativa y fuerte actividad ATPasa
Mioglobina
Mucha
Poca
Muy poca
Descarga nerviosa
Tónica (100 a 120 ms)
Intermedia
Fásica (40 a 50 ms)
Resistencia a la fatiga
Alta
Alta
Baja
ms: milisegundo. 74
Tipo IIa
MANUAL DE PRUEBAS DE FUNCIÓN PULMONAR. DE LA FISIOLOGÍA A LA PRÁCTICA
Según su respuesta al estímulo único y su resistencia a la fatiga durante estimulación repetitiva, los músculos respiratorios están conformados por tres tipos de fibras musculares: I, IIa y IIb (tabla 1). Las motoneuronas determinan las propiedades del músculo y se clasifican en tres tipos: • Motoneuronas FS, pequeñas, α1: inervan fibras I. • Motoneuronas FR, grandes, α2: inervan fibras IIa. • Motoneuronas FF, grandes, α2: inervan fibras IIb. La producción de fuerza depende de cuáles y cuántas unidades motoras sean activadas en el momento del esfuerzo. Las motoneuronas generan en el músculo una fuerza de contracción según sea la frecuencia de la estimulación. El mayor o menor predominio de determinado grupo de fibras en un músculo puede ser modificado (plasticidad molecular). Este cambio depende, básicamente, del tipo de trabajo al que sea sometido (condicionamiento modulado). El diafragma es un músculo estriado cuyas fibras muestran una mayor tolerancia a la fatiga, mayor flujo sanguíneo en relación con su peso, mayor densidad capilar y mayor capacidad oxidativa. El diafragma de un adulto sano tiene un 80% de fibras resistentes a la fatiga (55% de tipo I y 25% de tipo IIa) comparado con el 40% de un músculo periférico. Esto capacita al músculo para realizar trabajos de baja intensidad pero de larga duración: toda la vida. La capacidad de mantener una carga (resistencia) depende fundamentalmente de las fibras FS. El estímulo hipóxico e hipercápnico sólo activa entre el 20 y 25% de la máxima presión transdiafragmática producida por estimulación frénica bilateral y, durante esfuerzos inspiratorios máximos involuntarios con la vía aérea ocluida, el diafragma sólo produce entre el 50 y el 60% de su máxima presión
transdiafragmática, posiblemente sin la intervención de las fibras tipo FF. De hecho, estas fibras parecen no activarse durante los actos ventilatorios del diafragma, pero pueden reclutarse durante maniobras no respiratorias como esfuerzos expulsivos, tos y vómito. La proporción de la población de motoneuronas presenta una notable plasticidad. Así, el diafragma está compuesto por grupos heterogéneos de fibras con diferencias bioquímicas, contráctiles, de fatigabilidad y de secuencia de activación. Estas consideraciones tienen sus implicancias. La medida de la presión inspiratoria máxima involucra posiblemente la activación de fibras tipo FF, que pueden no participar en actos ventilatorios en el diafragma. Los factores que determinan la capacidad de generar presión son diferentes de los que determinan la resistencia (tabla 2). La fuerza y la resistencia generalmente cambian en paralelo. Sin embargo, en la miastenia gravis la resistencia está más reducida, mientras que en la miopatía esteroidea, desnutrición y atrofia por desuso, ocurre lo opuesto. La presión inspiratoria máxima es una medida de fuerza y no de resistencia muscular. En la práctica, la forma más sencilla de medir la resistencia en pacientes bajo asistencia respiratoria mecánica es mediante la prueba de respiración espontánea con tubo en T.
PRINCIPIOS FISIOLÓGICOS BÁSICOS PARA TODOS LOS MÚSCULOS ESQUELÉTICOS Las propiedades intrínsecas de todo músculo esquelético pueden ser caracterizadas por tres relaciones fundamentales: 1. Relación entre la tensión y la longitud. Hay una longitud óptima del sarcómero en la cual la generación de fuerza es máxima. La fuerza decre-
TABLA 2. Determinantes de la fuerza y de la resistencia de los músculos respiratorios. Fuerza
Resistencia
• Impulso central. Reclutamiento de unidades motoras y frecuencia de inervación
• Densidad mitocondrial • Concentración de hemoglobina • Saturación arterial de oxígeno • Densidad capilar • Flujo sanguíneo • Mioglobina
• Transmisión neuromuscular • Tamaño, número y tipo de fibras musculares • Características de tensión –longitud, fuerza– velocidad de acortamiento
75
Músculos respiratorios
FIGURA 1. Relación entre la tensión y la longitud: A) curva tensión longitud, B) longitud del sarcómero y su relación con el desarrollo de fuerza. Existe una longitud óptima fuera de la cual la tensión desarrollada decrece.
µm: micrómetros.
ce cuando el músculo es elongado o acortado más allá de su longitud óptima (figura 1). 2. Relación entre la fuerza y la frecuencia de estimulación. Las propiedades contráctiles del músculo se pueden explorar mediante esta relación. Se pueden construir curvas de fuerza en función de la frecuencia de estimulación. Cuando el músculo es sometido a una prueba de fatiga (alta frecuencia por período prolongado), se observa una caída de la tensión desarrollada. Si se vuelve a construir la curva de tensión-frecuencia de estimulación, la curva se desplazará hacia abajo de la inicial. Esto indica fatiga para las altas y bajas frecuencias probadas (figura 2). 3. Relación entre la fuerza y la velocidad de acortamiento. El sarcómero tiene una longitud óptima a la cual la fuerza desarrollada es máxima. Pero si durante la contracción, el sarcómero se 76
aleja de esa longitud (se acorta), la fuerza disminuye. La máxima fuerza capaz de desarrollar el músculo es posible cuando no existe acortamiento (figura 3). El conocimiento de estas propiedades del músculo in vitro puede ser utilizado para comprender el funcionamiento del músculo in situ. La fuerza máxima desarrollada por los músculos inspiratorios contra la vía aérea ocluida es más negativa a bajos volúmenes pulmonares (corresponde a una longitud óptima de los sarcómeros). Los pacientes con hiperinflación y atrapamiento aéreo suelen ser incapaces de alcanzar bajos volúmenes pulmonares, en consecuencia, la presión inspiratoria máxima puede estar reducida. La presión espiratoria máxima, un importante determinante de la fuerza para toser, es elevada a capacidad pulmonar total. Los pacientes que no pueden inspirar hasta la ca-
MANUAL DE PRUEBAS DE FUNCIÓN PULMONAR. DE LA FISIOLOGÍA A LA PRÁCTICA
FIGURA 2. Relación entre la fuerza y la frecuencia de estimulación. La línea continua representa la condición inicial. La línea punteada por debajo de la anterior fue obtenida luego de una estimulación tetánica repetitiva fatigante.
Pdi: presión transdiafragmática; Hz: hertz.
FIGURA 3. Relación entre la fuerza y la velocidad de acortamiento. La fuerza es máxima si no hay acortamiento (arriba e izquierda), mientras que si la velocidad de acortamiento es máxima, la fuerza es mínima (abajo y derecha). Las curvas son exponenciales. La curva 1 corresponde a una fibra de contracción lenta; la curva 2 corresponde a una fibra de contracción rápida.
pacidad pulmonar total pueden ser incapaces de desarrollar tos efectiva por hallarse alejados de la longitud óptima. A estas consideraciones se les debe aplicar alguna corrección derivada de los cambios en la elasticidad pulmonar a diferentes volúmenes pulmonares.
LÍMITES DE FUNCIÓN DE LOS MÚSCULOS RESPIRATORIOS Los tres diagramas precedentes han sido construidos en dos dimensiones. Es posible agrupar la capacidad para desarrollar fuerza en relación con su 77
Músculos respiratorios
longitud y velocidad de acortamiento, es decir, las características más importantes de la función muscular inspiratoria en humanos, mediante la construcción de un diagrama tridimensional que permite definir conceptualmente los límites de función de los músculos inspiratorios. En la figura 4, la fuerza es ahora la presión transdiafragmática, la longitud es el volumen pulmonar y la velocidad de acortamiento es el flujo en la boca. El diagrama remeda un iglú canadiense y está construido en base al diagrama de volumen pulmonar y fuerza inspiratoria máxima estática (pared de la izquierda) y al diagrama de capacidad vital y flujo inspiratorio máximo (una parte de la curva flujo-volumen, pared de la derecha). El límite mecánico está determinado por la máxima presión o flujo que se puede obtener para un cierto volumen pulmonar. No es posible superar este límite, es decir, no es posible ejercer más presión está-
tica para cierto volumen pulmonar (excepto mediante el entrenamiento específico de los músculos inspiratorios). De manera similar, no es posible superar los flujos inspiratorios máximos más allá de los permitidos para un volumen pulmonar determinado (excepto durante la tos). Pero si bien existe un límite mecánico para estas funciones, interesa conocer el límite funcional. En este sentido, la presión puede ser sostenida sólo a aproximadamente el 40% de la presión máxima si la relación entre la inspiración y el ciclo total es de alrededor de 0,4. Las líneas externas de la figura 4 representan el límite mecánico, mientras que las líneas punteadas internas representan el límite funcional, dentro del cual el patrón respiratorio adoptado podrá ser sostenido en forma indefinida (zona de no fatiga). Bajo condiciones de contracciones intensas en un músculo acortado, la fatiga se desa-
FIGURA 4. Diagrama tridimensional de volumen, presión y flujo. Ambos arcos externos indican el límite mecánico para desarrollar presión inspiratoria (en condición estática) y flujo inspiratorio (en condición dinámica). La jaula en líneas de puntos indica la zona dentro de la cual se puede mantener el patrón respiratorio en forma indefinida. Por fuera de ese límite, los músculos respiratorios indefectiblemente se fatigarán. Los tres bucles sobre el eje de volumen indican de abajo hacia arriba: respiración en personas normales y respiración en dos niveles superiores a los de la capacidad residual funcional (hiperinflación). El panel de la izquierda (presión frente a volumen) es el trabajo respiratorio (volumen x presión), mientras que el panel inferior (presión frente a flujo) es resistencia inspiratoria (presión/flujo). Las líneas radiadas desde la capacidad funcional residual representan las líneas de isorresistencia. A medida que aumenta la hiperinflación, el trabajo respiratorio aumenta y la capacidad de desarrollar presión disminuye. El patrón respiratorio debe ser cuidadosamente controlado para no superar este límite.
CPT: capacidad pulmonar total. 78
MANUAL DE PRUEBAS DE FUNCIÓN PULMONAR. DE LA FISIOLOGÍA A LA PRÁCTICA
rrollará rápidamente y el patrón respiratorio entrará en el área de fatiga. En pacientes con hiperinflación pulmonar, el músculo trabaja en una longitud operacional menos favorable y tiene que enfrentar una mayor carga respiratoria. Esto lo ubica en una posición más cercana al umbral de fatiga. El patrón respiratorio debe ser cuidadosamente controlado para no superar este límite. De acuerdo con Bégin y Grassino, la hipercapnia de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) puede ser una estrategia para evitar la sobrecarga de los músculos respiratorios que los llevaría a la fatiga. La hipoventilación alveolar crónica (respiración rápida y superficial) es una estrategia que ayuda a los músculos respiratorios a mantener el esfuerzo dentro de límites sostenibles (área de no fatiga).
LÍMITES DE FUNCIÓN DE LA CÉLULA MUSCULAR El tiempo durante el cual la célula muscular puede mantener una contracción tetánica depende de la entrega de ATP a la maquinaria contráctil a través de la perfusión muscular. Si el ATP se depleciona, la fuerza disminuye. La caída de la tensión muscular máxima como resultado de estimulación prolongada es conocida como fatiga muscular. La disminución de la fuerza contráctil se debe a la reducción del flujo de sangre a través de la vasculatura muscular, la cual causa hipoxia y acumulación de catabolitos. Se ha demostrado experimentalmente en perros que la generación de fuerza mayor que el 40% de la máxima limita la perfusión. Asimismo, la relación entre la inspiración y el ciclo total superior a 0,4 no permite la adecuada limpieza de los catabolitos musculares.
FORMAS DE DISFUNCIÓN DE LOS MÚSCULOS RESPIRATORIOS Los músculos respiratorios pueden fracasar como generadores de presión por diversas causas, por ejemplo, fatiga, debilidad o daño muscular, y desventaja mecánica. La fatiga muscular se puede definir como la incapacidad para desarrollar una fuerza predeterminada; es secundaria a una actividad muscular y es reversible con el reposo. La debilidad muscular es la incapacidad de un músculo que, estando previamente en reposo, no puede generar una presión prefijada. Este fenómeno no es reversible, al menos a corto plazo. La de-
bilidad de los músculos respiratorios predispone a la fatiga y la insuficiencia ventilatoria y produce dificultades en la desvinculación de la asistencia respiratoria mecánica. El daño muscular se debe a cargas respiratorias elevadas. La consecuencia funcional del daño muscular es la incapacidad de generar la presión requerida y ha sido postulada como causa de insuficiencia ventilatoria. El daño puede producir disfunción diafragmática durante días. Se considera que el daño muscular inducido por cargas es un importante estímulo para el cambio de la calidad de las proteínas contráctiles. Sólo recientemente se está conociendo el programa de reparación en el diafragma dañado. Finalmente, la desventaja mecánica denota la incapacidad de transformar el impulso central o bien la tensión generada en presión (ley de Laplace). El ejemplo característico es la hiperinflación de los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica, en los que el diafragma pierde su eficiencia a medida que se aplana. En la hiperinflación, el impulso central genera tensión muscular sin un adecuado desplazamiento. Esta ineficiencia aumenta la sensación de esfuerzo inspiratorio.
RESPUESTA A CARGAS CRÓNICAS, DAÑOS Y REPARACIÓN MUSCULAR Las células musculares tienen una plasticidad enorme. Son capaces de adaptarse a diferentes regímenes de trabajo, se hipertrofian y se hiperplasian, pero también se fatigan, se dañan y, afortunadamente, se reparan. Los músculos respiratorios pueden ser entrenados para aumentar la fuerza y la resistencia tanto en voluntarios adultos normales como en pacientes con limitación crónica al flujo aéreo. Como respuesta a cargas crónicas se observan cambios en la actividad enzimática y aumento del número de capilares y mitocondrias. El patrón histológico y enzimático del diafragma de pacientes con obstrucción crónica severa al flujo aéreo es compatible con la presencia de un efecto entrenamiento. En músculos intercostales de pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica moderada se halló daño caracterizado por particiones de fibras, atrofia y lesiones diana. Pacientes asmáticos graves sometidos a ventilación mecánica por acidosis respiratoria tienen valores elevados de creatinina fosfocinasa (CPK) y signos clínicos de miopatía (dolor y pérdida de fuerza). 79
Músculos respiratorios
Pero las cargas excesivas producen daño muscular. En los músculos de personas normales, el daño muscular reiterado, secundario a cargas, induce cambios en el tipo de fibras en el diafragma, más aptas para soportar cargas (plasticidad). En pacientes con distrofia de Duchenne, el daño no genera cambios adaptativos y produce cicatrización. El estudio pionero de Reid en hámsteres sometidos a una reducción del diámetro de la tráquea (por banda compresora), de intensidad tal que indujo insuficiencia respiratoria crónica, muestra en su modelo las consecuencias muy claras que se pueden esperar en músculos respiratorios expuestos a cargas elevadas. Un modelo considerablemente más fisiológico que el utilizado por Reid fue desarrollado por Zhu en perros despiertos y traqueostomizados que debían inspirar contra una resistencia similar a la que desarrolla un ser humano que sea roncador crónico, probablemente una de las resistencias más altas que los músculos inspiratorios pueden encontrar en situación clínica. Una exposición de dos horas por día, durante cuatro días consecutivos, demostró que aproximadamente un 8% de las membranas celulares del diafragma estaban lesionadas. Animales control sin carga inspiratoria presentaron sólo un 0,5% de lesiones. Además, se observaron lesiones en el sarcómero (lesiones del disco Z, destrucción de la arquitectura sarcomérica, edema localizado) en un 2,5% de las regiones evaluadas, contra sólo un 0,4% en los animales de control. La mayor parte de las fibras lesionadas eran de tipo I (de contracción lenta). Esas lesiones se reparan en una semana a 10 días. El proceso de reparación se produce tras el daño de las fibras musculares esqueléticas. Los mecanismos de reparación son ciertamente complejos e insuficientemente conocidos. Para los músculos esqueléticos, la bibliografía es extensa debido a su importancia en los problemas laborales y en los deportes de competición. El programa de reparación muscular parece ser similar en los diferentes mamíferos y para cada músculo. El proceso dañoreparación incluye episodios tanto clínico-fisiológicos, como celulares y moleculares. Éstos se desarrollan entre la primera hora y casi dos semanas después de ocurrido el daño. La secuencia temporal completa de los episodios moleculares es aún desconocida, y también lo es la interacción entre los múltiples factores. Su conocimiento podría llevar a 80
estudios terapéuticos mediante los cuales la secuencia de factores podría utilizarse para evitar o limitar los efectos del desuso funcional; por ejemplo, en personas de edad avanzada o que deben permanecer en cama durante períodos prolongados, e incluso en astronautas situados en estaciones espaciales y en condiciones de ingravidez. El ejercicio de carga prolongada puede, además, inducir un cambio en el tipo de fibras reemplazadas, lo que constituye el principio del entrenamiento físico utilizado en medicina deportiva. En perros expuestos a resistencias inspiratorias estudiados por Gea, a los cuatro días se observó un aumento en la cantidad de ARNm de las cadenas pesadas de miosina lenta en las regiones costal y crural del diafragma. Esto es una indicación temprana de adaptación estructural a un nuevo requerimiento físico. Ese tipo de adaptación es el que cabría esperar en pacientes con cargas respiratorias moderadas, sostenidas por períodos prolongados. Las diversas intervenciones terapéuticas de tipo farmacológico, el reposo de los músculos respiratorios con asistencia respiratoria mecánica o el entrenamiento pueden minimizar el daño u optimizar mecanismos adaptativos.
INSUFICIENCIA RESPIRATORIA Y MÚSCULOS RESPIRATORIOS Es bien conocido que la debilidad de los músculos respiratorios produce insuficiencia ventilatoria en pacientes con enfermedades neuromusculares. Más recientemente se ha reconocido que la insuficiencia de los músculos respiratorios contribuye a la retención de dióxido de carbono en la mayoría de los trastornos que predisponen a insuficiencia respiratoria hipercápnica, tales como la presencia de obstrucción bronquial y enfermedades restrictivas del pulmón y del tórax. La expresión “insuficiencia de los músculos respiratorios” hace referencia a diversas formas de disfunción. Si la carga de los músculos respiratorios es alta o prolongada, pueden desarrollar fatiga contráctil. El sistema respiratorio funciona con dos prioridades posibles: minimizar la carga respiratoria y atenuar la sensación de esfuerzo inspiratorio. Cuando el índice tensión-tiempo del diafragma o el de los músculos de la caja torácica aumentan por encima del umbral de fatiga, los músculos respiratorios adoptan un patrón de contracción fatigante y, si la resistencia no se retira, ciertamente se fatiga-
MANUAL DE PRUEBAS DE FUNCIÓN PULMONAR. DE LA FISIOLOGÍA A LA PRÁCTICA
rán. Sin embargo, el proceso de fatiga no es un fenómeno a todo o nada. Se trata de un proceso gradual en el que existe un período latente previo al fracaso del músculo como generador de presión, que es más corto cuanto mayor es el valor del índice tensión-tiempo del diafragma. Entre la aplicación de la carga fatigante y la aparición de la fatiga manifiesta, los músculos respiratorios se encuentran en un estado de “fatiga incipiente”. En el año 1982, Bellemare y Grassino exploraron el tiempo límite y la presión transdiafragmática crítica en personas normales, bajo una variedad de patrones respiratorios producidos por diferentes cargas inspiratorias (figura 5). Hallaron que el producto de la fuerza normalizada como una fracción de la fuerza máxima (Pdi/Pdimax) por la relación entre tiempo inspiratorio y el ciclo total (Ti / Ttot) se correlaciona con la resistencia, el flujo sanguíneo diafragmático, el análisis espectral del electromiograma y el consumo de oxígeno. El TTdi es el índice tensión-tiempo del diafragma que representa a la integral de fuerza (o presión) y tiempo: TTdi = ƒP T TTdi = Pdi / Pdimax Ti / Ttot El índice tensión-tiempo del diafragma de personas normales respirando en reposo es de alrede-
dor de 0,02. Si este índice es de 0,15 a 0,18, el tiempo límite será menor que una hora. El concepto de índice tensión-tiempo del diafragma crítico de 0,15 a 0,18 debería ser tomado como válido para personas normales más que como un límite numérico preciso. Diferentes velocidades de contracción, variaciones en la perfusión y en el patrón respiratorio, la presencia de hiperinflación pulmonar, factores nutricionales o la interacción con otros músculos pueden modificar este umbral de fatiga. Los factores que lo afectan constituyen un área poco explorada y pueden aportar valiosos beneficios prácticos en pacientes con riesgo de desarrollar fatiga. Con el objeto de obtener una medida de la reserva de fuerza de los músculos respiratorios mediante un método no invasivo, se puede reemplazar la presión esofágica (Pes) utilizada para el índice tensión-tiempo del diafragma por la presión necesaria para efectuar una respiración (medida en la boca) o presión media inspiratoria (Pi), mientras que la presión transdiafragmática máxima se puede reemplazar por la presión inspiratoria máxima. Este es, entonces, el índice presión-tiempo de los músculos inspiratorios (PTI) y no del diafragma exclusivamente: PTI = Pi / Pimax Ti / Ttot
FIGURA 5. Índice tensión-tiempo del diafragma. Relación entre el tiempo inspiratorio y el tiempo total del ciclo respiratorio (Ti / Ttot) y la presión transdiafragmática media en porcentaje de la presión transdiafragmática máxima (Pdi / Pdimax). El punto azul corresponde al índice tensión-tiempo del diafragma (TTdi) para personas normales. El área sombreada indica la zona de umbral de fatiga para el diafragma. Cualquier combinación de Ti / Ttot y Pdi / Pdimax por debajo del área sombreada podrá ser mantenida indefinidamente. Por arriba del área sombreada se encuentra la zona de fatiga en la cual el patrón respiratorio adoptado tendrá una duración finita.
81
Músculos respiratorios
Cuando el volumen pulmonar aumenta por encima de la capacidad residual funcional, la capacidad para generar presión disminuye y se requiere menor aumento de la Pi para alcanzar el umbral de fatiga (zona alta de la jaula de la figura 4). ¿Qué determina la relación entre Pi y la presión inspiratoria máxima? El numerador, la Pi, está determinado por la carga elástica y resistiva impuesta a los músculos respiratorios. El denominador, la presión inspiratoria máxima, está determinado por la competencia neuromuscular, es decir, la máxima activación posible de los músculos inspiratorios. El balance entre carga y competencia, por un lado, y entrega de energía y demandas, por el otro, conforma un sistema complejo e interdependiente que determina la aparición de fatiga. Los avances en la biología molecular permiten interpretar aspectos relativos a la biología de las cargas resistivas y fueron brillantemente tratados por Vassilakopoulos. La carga resistiva inicia una respuesta inflamatoria en todo el organismo, consistente en la elevación de citocinas plasmáticas y reclutamiento y activación de subpoblaciones linfocitarias. Estas citocinas son producidas por el diafragma en respuesta a una activación muscular aumentada que genera estrés oxidativo. Las citocinas diafragmáticas pueden mediar el daño muscular debido a contracciones extenuantes, pero también pueden contribuir al proceso de reparación. Pueden tener efectos sistémicos sobre el metabolismo intermedio y estimular el eje hipotálamo-hipófisis-suprarrenal con producción de adrenocorticotrofina (ACTH) y beta-endorfinas. La respuesta de ACTH puede representar el intento del organismo de reducir el daño de los músculos respiratorios, y las beta-endorfinas disminuyen la activación de los músculos respiratorios y conducen a un patrón rápido y superficial, posiblemente para reducir o prevenir el daño de estos músculos.
longada al respirador son, por lo tanto, de interés. En un grupo de pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica y otro con postoperatorio mediato de cirugía cardíaca y daño del nervio frénico, Purro y colaboradores determinaron que una mecánica respiratoria anormal (fundamentalmente presión positiva intrínseca de fin de espiración y resistencia pulmonar total en enfermedad pulmonar obstructiva crónica) y una fuerza muscular inspiratoria disminuida (por la hiperinflación en enfermedad pulmonar obstructiva crónica y por debilidad en lesiones del frénico) con bajo volumen corriente (Vt) y elevado impulso central se asociaron a dependencia prolongada al respirador. Estos pacientes tuvieron un balance entre carga/capacidad e impedancia inspiratoria efectiva mayor (impulso central medido a los 0,1 segundos del inicio de la inspiración/flujo medio inspiratorio) que el grupo que pudo respirar espontáneamente. Además, los pacientes dependientes del respirador tuvieron mayores esfuerzos inútiles y, como consecuencia de esto, la frecuencia respiratoria central (del diafragma) fue superior a la periférica (medida en la boca), la presión medida en la boca fue menor que la intrapleural (debido a la presión positiva intrínseca de fin de espiración) y el índice tensión-tiempo del diafragma estuvo decididamente en valores de fatiga. De manera similar, los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica y ventilación mecánica prolongada no desconectable mostraron mayor índice tensióntiempo del diafragma, resistencia pulmonar total, compliance dinámico y presión positiva intrínseca de fin de espiración dinámica que los que fueron desconectados. Estos trabajos en grupos seleccionados de pacientes ponen en perspectiva la importancia determinante de la relación entre la carga respiratoria y la fuerza muscular respiratoria analizada por Zakynthinos y colaboradores. Se debe puntualizar que:
ASISTENCIA RESPIRATORIA MECÁNICA PROLONGADA
1. Insuficiencia de los músculos respiratorios es una denominación general que hace referencia a diversas formas de disfunción de los músculos respiratorios (debilidad, fatiga, daño).
Se estima que los intentos de desconexión de la asistencia respiratoria mecánica fracasan en forma reiterada en un 1 a un 5% de los pacientes y éstos tienen alto riesgo de pasar a ser dependientes del ventilador en forma crónica. Esta proporción aumenta al 31 al 56% en algunas unidades de asistencia respiratoria mecánica prolongada. Los determinantes fisiológicos de la dependencia pro82
2. La insuficiencia de los músculos respiratorios produce insuficiencia ventilatoria en pacientes con enfermedades neuromusculares y contribuye a la retención de dióxido de carbono en enfermedades obstructivas y restrictivas del tórax. 3. El balance entre carga y competencia, por un lado, y entrega de energía y demandas, por el
MANUAL DE PRUEBAS DE FUNCIÓN PULMONAR. DE LA FISIOLOGÍA A LA PRÁCTICA
otro, conforma un sistema complejo e interdependiente que determina la aparición de fatiga y el fracaso de la desconexión de la asistencia respiratoria mecánica. 4. Los pacientes que respiran con un índice de los músculos de la caja torácica superior a 0,120,15 tienen dificultades para ser desconectados del respirador. El fracaso de la desconexión en los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica se puede asociar a un proceso fatigante. En pacientes con esta enfermedad, el índice de los músculos de la caja torácica y la frecuencia respiratoria (Fr) / Vt son los determinantes fisiopatológicos más importantes del fracaso o éxito de la desconexión de la asistencia respiratoria mecánica. La carga resistiva genera una respuesta inmune e inflamatoria sistémica que, posiblemente, tienda a retardar o minimizar el desarrollo de fatiga y daño de los músculos respiratorios.
TRATAMIENTO DE LA INSUFICIENCIA DE LOS MÚSCULOS RESPIRATORIOS El tratamiento de la insuficiencia de los músculos respiratorios difiere según la causa, la presentación aguda o crónica y la gravedad. Sin embargo, se pueden delinear pautas generales (tabla 3). El primer paso para restaurar la contractilidad muscular es restablecer el medio interno a la normalidad. Las anomalías metabólicas que pueden afectar a los músculos respiratorios suelen estar presentes en pacientes críticos: hipocalemia, hipocalce-
mia, hipofosfatemia, hipomagnesemia, alteraciones del estado ácido-base. Otros factores potencialmente reversibles son los trastornos tiroideos, el alcoholismo, los corticosteroides y algunas miopatías inflamatorias. Es fundamental disminuir la carga respiratoria. La presencia de broncoespasmo, por ejemplo, produce hiperinflación, desventaja mecánica, aumento del trabajo respiratorio resistivo y elástico, umbral (autopresión positiva espiratoria final) y no umbral. Los broncodilatadores deben ser usados generosamente, aun cuando no se halle documentada la presencia de obstrucción reversible mediante las maniobras de espiración forzada. Es razonable que el aumento de la disponibilidad de oxígeno y nutrientes y la remoción de desechos tóxicos en los músculos respiratorios permitan la recuperación del deterioro del estado contráctil, de manera que se deben asegurar una presión arterial de oxígeno, una concentración de hemoglobina y un volumen minuto circulatorio adecuados. El concepto de insuficiencia ventilatoria como una respuesta integrada de todo el sistema a cargas relativamente excesivas y los cambios fisiológicos iniciales correspondientes al proceso de fatiga son algunos de los argumentos a considerar para la puesta en reposo de los músculos respiratorios. La modalidad controlada puede ser deletérea para los músculos respiratorios; el uso concomitante de antioxidantes puede prevenir el daño muscular. Bajo circunstancias de carga excesiva, el reposo suprime la insuficiencia ventilatoria, pero puede no aumentar necesariamente la contractilidad en
TABLA 3. Opciones de tratamiento de la insuficiencia de los músculos respiratorios. Principio terapéutico
Técnicas
Restablecimiento del medio interno
Corrección de las anomalías hidroelectrolíticas, metabólicas y del estado ácido base
Aumento de la disponibilidad de oxígeno
Oxigenoterapia, transfusiones, inotrópicos, vasodilatadores
Disminución de la carga
Broncodilatadores, control de secreciones, balance negativo de agua
Reposo muscular respiratorio
Asistencia respiratoria mecánica (invasiva, no invasiva)
Mejoría farmacológica de la contractilidad
Aminofilina, beta-adrenégicos, digital, inotrópicos
Tratamiento antiinflamatorio y antioxidante
Vitaminas E, A y C, alopurinol, N-acetilcisteína
Mejoría de la maquinaria contráctil a largo plazo
Apoyo nutricional, entrenamiento muscular respiratorio 83
Músculos respiratorios
forma evidente. Al retirar la asistencia respiratoria mecánica, el sistema puede enfrentarse nuevamente a la misma carga que lo llevó a esta asistencia. La estrategia ante cargas insostenibles consiste en reducirlas o eventualmente aumentar la capacidad respiratoria para tolerarlas y no sólo intentar tratar la fatiga en sí. Por otro lado, el reposo de los músculos respiratorios parece ser benéfico en la fatiga incipiente. La ventilación mecánica asistida y la ventilación mandatoria intermitente sincronizada producen mucho menos reposo que el esperado. Por otro lado, la ventilación con presión de soporte ha demostrado prevenir la fatiga y puede ayudar a la desconexión. En casos con desconexión difícil de asistencia respiratoria mecánica se han propuesto estrategias opuestas: no cargar a los músculos respiratorios o bien entrenarlos o, quizá más adecuadamente, reacondicionarlos, al lograr una activación muscular sincrónica y suprimir los movimientos anormales generados por la disnea y la ansiedad. La estrategia óptima no se conoce y podría combinar ambas conductas. El tiempo de reposo también es desconocido. Además, el reposo del diafragma puede producir daños. La mejoría de la contractilidad a largo plazo se puede lograr mediante dos enfoques. El tratamiento de la desnutrición mejora, entre otras cosas, la fuerza y la resistencia de los músculos respiratorios. Se requieren más trabajos para definir el mínimo nivel de apoyo nutricional para que sea efectivo. Los pacientes que tienen un aumento crónico de la carga respiratoria y, por lo tanto, altos requerimientos metabólicos iniciales necesitan un programa permanente de aporte nutricional para mantener el efecto deseado. La posibilidad de mejorar farmacológicamente la contractilidad diafragmática ha sido extensamente estudiada. Las metilxantinas tienen un efecto inotrópico positivo in vitro y en animales, pero los resultados en pacientes son controvertidos. Con la información actualmente disponible no se pueden formular pautas generales sobre su uso. En personas normales, la carga inspiratoria resistiva elevada incrementa el nivel de citocinas plasmáticas provenientes del diafragma. Esta respuesta pudo ser suprimida con una combinación de antioxidantes (vitamina E, A y C), alopurinol y N-acetilcisteína, administrados antes de la carga inspiratoria. Los recientes avances en el campo de la biología molecular pueden abrir nuevas opciones terapéuticas en el futuro cercano. 84
BIBLIOGRAFÍA – Bégin P, Grassino A. Inspiratory muscle dysfunction and chronic hypercapnia in chronic obstructive pulmonary disease. Am Rev Respir Dis. 1991; 143: 90512. – Bégin P, Grassino A. Chronic alveolar hypoventilation helps to maintain the inspiratory muscle effort of COPD patients within sustainable limits. Chest. 2000; 117: 271S-3S. – Bellemare F, Grassino A. Effect of pressure and timing of contraction on human diaphragm fatigue. J Appl Physiol. 1982; 53: 1190-5. – Capria ME, D’Negri C, De Vito EL. Relationship between Hoover sign, functional and variables, and curvature radius in patients with obstructive pulmonary disease. Medicina (B. Aires). 2003; 3: 369-76. – Czaika G, Grassino AE. Assessment of respiratory muscles. En: Martin J, Shannon J, Hamid QA. Physiologic basis of respiratory disease. Clinical respiratory physiology. Ontario, Canadá: Meakins Christie book. BC Decker; 2005; 659-98. – Deem S, Lee CM, Curtis JR. Acquired neuromuscular disorders in the intensive care unit. Am J Respir Crit Care Med. 2003; 68: 735-9. – Gea J, Hamid Q, Czaika G y cols. Expression of myosin heavy-chain isoforms in the respiratory muscles following inspiratory resistive breathing. Am J Respir Crit Care Med. 2000; 161: 1274-8. – Grassino AE. Limits of maximal inspiratory muscle function. En: Jones NL, Killiam KJ. Breathlessness: The Campbell Symposium. Ontario: Hamilton CMEBoehringer-Ingelheim; 1992. – Grassino A, Hayot M, Czaika G. Biology of muscle injury and repair. Arch Bronconeumol. 2000; 36: 344-50. – Hussain SN, Vassilakopoulos T. Ventilator-induced cachexia. Am J Respir Crit Care Med. 2002; 166: 1307-8. – Laghi F, Tobin MJ. Disorders of the respiratory muscles. Am J Respir Crit Care Med. 2003; 168: 10-48. – Macgowan NA, Evans KG, Road JD, Reid WD. Diaphragm injury in individuals with airflow obstruction. Am J Respir Crit Care Med. 2001; 63: 1654-9. – Mehiri SN, Barreiro E, Hayot M et al. Time-based gene expression programme following diaphragm injury in a rat model. Eur Respir J. 2005; 25: 422-30. – Orozco-Levi M, Lloreta J, Minguella J y cols. Injury of the human diaphragm associated with exertion and chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med. 2001; 164: 1734-9. – Purro A, Appendini L, De Gaetano A y cols. Physiologic determinants of ventilator dependence in longterm mechanically ventilated patients. Am J Respir Crit Care Med. 2000; 161: 1115-23. – Purro A, Polillo C, Appendini L, Colombo R y cols. Acute vs chronic ventilator dependence in COPD pa-
MANUAL DE PRUEBAS DE FUNCIÓN PULMONAR. DE LA FISIOLOGÍA A LA PRÁCTICA
– – – – –
–
tients: what makes the differences? Eu Respir J. 2004; suppl. 48: 24. Reid WD, Huang J, Bryson S y cols. Diaphragm injury and myofibrillar structure induced by resistive loading. J Appl Physiol. 1994; 76: 176-84. Road J, Jiang TX, Reid WD. Weaning railure, muscle injury, and fatigue. Am J Respir Crit Care Med. 2003; 168: 1539-40. Roussos CS, Macklem PT. Diaphragmatic fatigue in man. J Appl Physiol. 1977; 43: 189-97. Vassilakopoulos T, Petrof BJ. Ventilator-induced diaphragmatic dysfunction. Am J Respir Crit Care Med. 2004; 169: 336-41. Vassilakopoulos T, Zakynthinos S, Roussos Ch. Respiratory muscles and weaning failure. Eur Resp J. 1996; 9: 2383-400. Vassilakopoulos T, Zakynthinos SG, Roussos Ch. The tension-time index and the frequency/tidal volume
–
–
–
–
ratio are the major pathophysiologic determinants of weaning failure and success. Am J Respir Crit Care Med. 1998; 158: 378-85. Vassilakopoulos T, Roussos C, Zakynthinos S. The immune response to resistive breathing. Eur Respir J. 2004; 24: 1033-43. Vassilakopoulos T, Zakynthinos S, Roussos C. Benchto-bedside review: Weaning failure - should we rest the respiratory muscles with controlled mechanical ventilation? Crit Care. 2006; 10: 204. Zakynthinos SG, Vassilakopoulos T, Roussos Ch. The load of inspiratory muscles in patients needing mechanical ventilation. Am J Respir Crit Care Med. 1995; 152: 1248-55. Zhu E, Petrof BJ, Gea J y cols. Diaphragm muscle fiber injury after inspiratory resistive breathing. Am J Respir Crit Care Med. 1997; 155: 1110-6.
85