Fisiología respiratoria: difusión de gases / Gas diffusion

El principal objetivo del sistema respiratorio es permitir un adecuado aporte de oxígeno y remoción del dióxido de carbono. Para esto, debe ocurrir una adecuada difusión de gases en la membrana alvéolo-capilar, proceso pasivo en el que el oxígeno se mueve hacia el capilar y el dióxido de carbono hacia el alvéolo. La ley de Fick establece los determinantes de la difusión, los que están dados por propiedades de la membrana alvéolo-capilar y de los gases. Las características únicas de la membrana alvéolo-capilar favorecen la difusión de gases, pero es el gradiente de presión parcial de los gases el principal determinante. El oxígeno pasa fácilmente por la membrana alvéolo-capilar y se une rápidamente a la hemoglobina, saturándola, cuando se iguala la presión parcial de oxígeno alveolar y la capilar se detiene la difusión de este gas; por lo que la difusión de oxígeno en reposo está limitada por perfusión. El dióxido de carbono difunde 20 veces más rápido que el oxígeno en la membrana alvéolo-capilar, y aunque su gradiente de presión sea menor, el equilibrio se logra aproximadamente en el mismo tiempo. La difusión del oxígeno es más lenta que la del dióxido de carbono debido a su menor solubilidad. En condiciones patológicas tanto el oxígeno como el dióxido de carbono pueden ser limitados por difusión. Para medir la capacidad de difusión la técnica más utilizada es la capacidad de difusión de monóxido de carbono, ya que este gas solo está limitado por difusión.

The main objective of the respiratory system is allowing an adequate supply of oxygen and the removal of carbon dioxide from the tissues. To achieve this, an adequate diffusion of gases must occur in the alveolus-capillary membrane, which is a passive process in which oxygen moves towards the capillary and carbon dioxide towards the alveolus. Fick's law establishes the determinants of diffusion, which are given by properties of the alveolar-capillary membrane and properties of gases. The unique characteristics of the capillary-alveolar membrane favor the diffusion of gases, but it is the partial pressure gradient of the gases the main determinant. Oxygen passes easily through the alveolar-capillary membrane and rapidly binds to hemoglobin, saturating it. When the partial pressure of alveolar oxygen is matched, the diffusion of this gas stops; therefore, the diffusion of oxygen is limited by perfusion. Carbon dioxide diffuses 20 times faster than oxygen in the capillary-alveolar membrane, and although its pressure gradient is less than oxygen, equilibrium is achieved in approximately the same time. The diffusion of oxygen is slower than that of carbon dioxide due to its lower solubility. Under pathological conditions both oxygen and carbon dioxide can be diffusion-limited. To measure the diffusion capacity, the most used technique is the carbon monoxide diffusion capacity, since this gas is only limited by diffusion.

Estandarización de la prueba de capacidad de difusión de monóxido de carbono: Chilean Society of Respiratory Diseases guidelines / Standardization of the single-breath diffusing capacity

Since its introduction in clinical practice carbon monoxide diffusing capacity (DLCO), has been widely used in respiratory diseases, being the most common test utilized after spirometry in pulmonary function laboratories. It represents the entire diffusion process including transport through the alveolar-capillary barrier and hemoglobin binding. Its high affinity with hemoglobin and its near zero partial pressure in plasma determines that CO transfer depends specifically on diffusion. Common respiratory and cardiac diseases such as emphysema, interstitial lung diseases, lung damage by drugs, arterial pulmonary hypertension and cardiac failure, among others show a reduced DLCO. Recent theories considering red blood cells as the main factor involved in resistance to diffusion, suggest that DLCO may reflect the status of lung microcirculation. For example, in cardiac failure, DLCO does not improve in parallel with lung volume, even with cardiac stabilization or cardiac transplantation. Despite its wide utilization, DLCO measurement presents standardization and reproducibility difficulties. International guidelines and task forces recommend using representative values of the target population. After analyzing the available information a group of experts from the Pulmonary Function Commission of the Chilean Society of Respiratory Diseases has proposed guidelines for measurement techniques, quality control, equipment calibration and interpretation of results.

Desde la introducción en la práctica clínica de la prueba de difusión con monóxido de carbono (CO) a mediados del siglo pasado, su utilización ha sido ampliamente difundida en la evaluación de diversas enfermedades respiratorias, de hecho se le considera la prueba más utilizada luego de la espirometría. Desde el punto de vista conceptual aporta información global de todo el proceso de difusión, que incluye el paso a través de la barrera alvéolo capilar y su unión con la hemoglobina. Gracias a la elevada afinidad del CO por la hemoglobina y a la particularidad de que la presión parcial de CO en el plasma es prácticamente cero, la transferencia del CO depende sólo de su difusión. Patologías respiratorias y cardíacas habituales como el enfisema pulmonar, las enfermedades pulmonares intersticiales, el compromiso pulmonar por drogas neumotóxicas, la hipertensión arterial pulmonar y la insuficiencia cardíaca congestiva, entre otras, cursan con disminución de la capacidad de difusión de CO (DLCO). Un nuevo desafío plantean las hipótesis recientes que postulan que la resistencia a la difusión del monóxido de carbono depende principalmente del glóbulo rojo, por lo que ésta podría consistir en una representación de la microcirculación. Como ejemplo, en la insuficiencia cardíaca congestiva, el deterioro de la DLCO no mejora en conjunto con los volúmenes pulmonares, ni cuando estos pacientes se estabilizan o se trasplantan. Si bien se trata de una técnica de laboratorio ampliamente utilizada, aún presenta problemas de estandarización y reproducibilidad. En este documento de consenso, un grupo de estudio de la Comisión de Función Pulmonar de la Sociedad Chilena de Enfermedades Respiratorias, ha efectuado una revisión de este método, con las correspondientes proposiciones de técnicas de medición, control de calidad, calibración e interpretación.

Test de respiración única para la capacidad de difusión de monóxido de carbono (DLCO) y su interpretación en enfermedades autoinmunes. Aplicación en la práctica clínica -Segunda Parte- / Single breath carbon monoxide diffusing capacity (DLCO) test and its interpretation in autoimmune diseases. Application in clinical practice Part -II-

El test de respiración única ha probado por si mismo ser una parte esencial del tamizaje de rutina de la función pulmonar, y de igual valor que la espirometría. A pesar de 100 años de investigación, aún no existe certeza sobre la relativa importancia de las membranas alveolo-capilares vs los eritrocitos como los pasos que sean delimitantes en el transporte global del monóxido de carbono del gas hacia la sangre, pero esto es solo un problema cuantitativo. La naturaleza esencial del test de DLCO ya ha sido elucidada, siendo F.J.W. Roughton y R.E. Forster los mayores protagonistas en esta descripción. La interpretación de la DLCO, en conjunto con la espirometría y los volúmenes pulmonares, pueden contribuir en la evaluación de enfermedades pulmonares subyacentes y, en el campo reumatológico es esencial su conocimiento puesto que ofrece la posibilidad de establecer un diagnóstico diferencial y un seguimiento cercano de los pacientes con enfermedades autoinmunes con manifestaciones pulmonares. El test de espiración única para la capacidad de difusión de monóxido de carbono, la espirometría y los gases arteriales son los test de función pulmonar más ampliamente utilizados para la evaluación y tratamiento de pacientes.

The single breath DLCO (TLCO) has proved as an essential part of the routine pulmonary function screen, similar to spirometry. In spite of nearly 100 years research, there is still concern over the relative importance of the alveolarcapillary membranes versus the red cells as rate limiting steps in the overall transfer of carbon monoxide from gas to blood, but this is only a quantitative problem. The essential nature of the DLCO has already been elucidated by F.J.W. Roughton and R.E. Forster having played the major roles. Interpreting the DLCO, in conjunction with spirometry and lung volumes assessment, may assist in diagnosing the underlying disease and in the Rheumatology field it is essential it's knowledge because it offers the possibility of establish the differential diagnosis and a close follow-up of the patients with pulmonary manifestations in autoimmune diseases.

Test de respiración única para la capacidad de difusión de monóxido de carbono (DLCO) y su interpretación en enfermedades autoinmunes. Historia y bases fisiológicas / Single breath carbon monoxide diffusing capacity (DLCO) test and its interpretation in autoimmune diseases. History and physiological basis

El test de respiración única para la capacidad de difusión de monóxido de carbono (DLCO) tiene una larga historia desde su nacimiento por Krogh y Krogh en 1909 hasta la primera publicación, describiendo una técnica estandarizada para la medición de la capacidad de difusión (DLCO) por Ogilvie en 1957. El test de DLCO fue inicialmente ideado como una herramienta fisiológica para evaluar el concepto (ahora abandonado) de que el pulmón, al igual que la vejiga natatoria de algún pez marino de agua profunda, podía secretar oxígeno en contra del gradiente normal de tensión provisto por el aire inspirado. El test de DLCO fue introducido como una prueba clínica por Marie Krogh en 1915, pero la medida nunca engranó debido a que los métodos de medición del monóxido de carbono eran muy engorrosos. En los años cincuenta con la introducción del medidor infrarrojo de monóxido de carbono (CO) (desarrollado en Alemania en la Segunda Guerra Mundial), el interés en el test de DLCO revivió y varios métodos para realizar el test de DLCO en pacientes con enfermedades pulmonares se aplicaron, usándose étodos en estado estable, la respiración única y las técnicas de reinhalación.

The single breath test of carbon monoxide (CO) uptake has a long history /from its birth by Krogh and Krogh in 1909 to the first publication describing a standardized technique for the diffusing capacity measurement (DLCO) by Ogilvie in 1957. The DLCO was devised originally as a physiological tool to test the notion (now abandoned) that the lung, like the swim bladder of some deep-sea fish, could secrete oxygen against the normal tension gradient provided by inspired air. The DLCO was introduced as a clinical test by Marie Krogh in 1915, but the measurement never caught on because methods of measuring carbon monoxide were so cumbersome. In the 1950s, with the introduction of the infra-red CO meter (developed in Germany, in World War II) interest in the DLCO revived, and several different methods for measuring DLCO in patients with pulmonary diseases were in use various steady state methods, the single breath and rebreathing techniques.