Uso de modelos animales para la comprensión de la fisiología básica pulmonar aplicada a la clínica traslacional

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SISTEMA
RESPIRATORIO
USO DE MODELOS ANIMALES PARA LA
COMPRENSIÓN DE LA FISIOLOGÍA BÁSICA PULMONAR
 APLICADA A LA CLÍNICA TRASLACIONAL
FISIOLOGÍA II LABORATORIO
CIRCULACIÓN Y GASES SANGUÍNEOS
En general la circulación sanguínea entrega oxígeno y saca C02. Tanto la sangre en el sistema
cardiovascular así como los gases siempre se mueven desde donde existe más presión hacia donde
hay menos presión.
La presión arterial de O2 en la sangre es de 97 mmHg, mientras que en los tejidos es del orden de
40 mmHg, por lo que el oxígeno difunde desde la sangre hacia los tejidos. 
La presión arterial de CO2 en la sangre es de 40 mmHg, mientras que en los tejidos es de 46
mmHg, por lo que el CO2 difunde desde los tejidos hacia la sangre. La sangre desoxigenada sube
por la venas cavas a la aurícula derecha y ventrículo derecho, y luego a la arteria pulmonar. A nivel
de los alveolos hay una presión parcial de CO2 de 40 mmHg, por lo tanto el CO2 logra difundir y se
expele mientras que la sangre se oxigena a nivel de los alveolos, y tenemos una sangre a nivel
alveolar de 103 mmHg.
Hay una disminución de la presión arterial de oxígeno
entre el alveolo y la sangre (103 a 97 mmHg). Esto está
dado por los cortocircuitos sanguíneos que pueden
existir, donde la sangre no pasa a recambiarse al
pulmón, no se oxigena. Esto podría provenir de las
venas coronarias que son las que alimentan al corazón
y la venas bronquiales, así como también puede haber
una alteración en la relación ventilación-perfusión
donde si áreas del pulmón no son ventiladas la sangre
no se enriquece con oxígeno y va producir un aumento
de la mezcla venosa en detrimento del contenido
arterial de oxígeno. 
La presión arterial de oxígeno es el oxígeno disuelto en
el plasma que corresponde a un 3% de todo el oxígeno
que lleva la sangre arterial, mientras que el restante
97% se transporta como oxihemoglobina, que es la
hemoglobina unida al oxígeno y que es lo que le da el
color rojo al glóbulo rojo.
La presión arterial de CO2 se transporta disuelto en el
plasma en un 7%, pero también puede ir unido a la
hemoglobina tomando el nombre de
carbaminohemoglobina, es decir, el CO2 unido a la
hemoglobina que se transporta en un 23%. El 70%
restante se transporta como bicarbonato (HCO3-). 
CO = 40
O = 103
2
2
O = 40
CO = 46
2
2
O = 97
CO = 40
2
2
Presión
Presión
O2
PaO2 O disuelto 3%2
Oxihemoglobina 97%
CO2
PaCO2 CO disuelto 7%
Carminohemoglobina 23%
2
Bicarbonato (HCO3-) 70%
Un glóbulo rojo trae oxihemoglobina al 97%, la cual debe disociar la hemoglobina del oxígeno. Esto
se logra gracias a que a nivel tisular, el tejido está generando CO2 proveniente de la fosforilación
oxidativa de las mitocondrias. Este CO2 se encuentra en altas concentraciones y por tanto difunde
a través del endotelio hacia los glóbulos rojos, que son del capilar que trae la sangre hacia los
tejidos, y se une al agua presente dentro del glóbulo rojo y en presencia de la anhidrasa carbónica
produce ácido carbónico que luego se disocia en bicarbonato e hidrogeniones. Este bicarbonato
después va ser el 70% del transporte del CO2, y por lo tanto, este hidrogenión es el que separa a la
oxihemoglobina, y el oxigeno pasa disuelto desde el glóbulo rojo hacia el tejido, recordando
además que el oxígeno puede pasar disuelto en el plasma y por tanto puede pasar también al
tejido. 
Los hidrogeniones se unen a la hemoglobina disociada y forman desoxihemoglobina o hemoglobina
reducida, o sin oxígeno. Mientras que también las hemoglobinas disociadas se unen al CO2 que no
pasan por el proceso de la anhidrasa carbónica y forman la carbaminohemoglobina que es el 23%
del transporte de CO2.
El bicarbonato reducido en el glóbulo rojo sale mediante transportadores que son intercambiados
por cloruro para ser llevado por la sangre hacia el pulmón.
Finalmente, en el plasma también hay anhidrasa carbónica que generan bicarbonato a partir de
CO2 y agua, pero es un proceso mucho más lento. Además, de que si se forma bicarbonato y se
están produciendo hidrogeniones a nivel de glóbulos sanguíneos y a nivel plasmático, el medio
donde se encuentra el tejido va ser siempre un medio más ácido.
Transporte de gases: tejido
Capilar
Endotelio
Tejido
A nivel pulmonar, en el alveolo hay mucho oxígeno, el cual tiene una mayor afinidad por la
desoxihemoglobina generando oxihemoglobina, pero se libera un hidrogenión el cual debe unirse al
bicarbonato transportado como un anión por la sangre, pero que vuelve a entrar al glóbulo rojo
por los intercambiadores cloruro bicarbonato y que en presencia de la anhidrasa carbónica genera
ácido carbónico y luego van a producir CO2 y agua. Este CO2 pasa desde la sangre capilar hacia al
alveolo y es eliminado por el sistema respiratorio.
La carbaminohemoglobina no es una unión muy fuerte, por lo que esta hemoglobina queda libre y
puede pasar a ser oxihemoglobina nuevamente, y en el plasma, la anhidrasa carbónica también
puede generar CO2 y agua de forma lenta, liberando CO2 que puede ir disuelto en la sangre y que
pasa al alveolo por diferencias de presiones. 
Transporte de gases: pulmones
Capilar
Endotelio
Alveolo
Neumocito
Endotelio
La hemoglobina está compuesta por 4 globulinas divididas en 2 subunidades. En adultos hay dos
versiones alfa (α1 y α2) y dos cadenas beta (β1 y β2), y de estas cuatro globulinas se encuentra el
grupo Hem, por tanto son cuatro grupos Hem por glóbulo rojo. También existen otros fenotipos en
los adultos, pero en particular los recién nacidos presentan hemoglobinas tipo fetales que son dos
cadenas alfa y cambian las cadenas betas por cadenas gamma, las cuales tienen una mayor
afinidad por la hemoglobina. 
El grupo Hem está compuesto por 4 anillos pirrólicos unidos, y esto forma la protoporfirina que en
su interior contiene un hierro, por lo que el grupo Hem lo forma la protoporfirina más el hierro. 
hemoglobina:
Grupo hem: 
Está compuesto por Protoporfirina + Fe.
El hierro puede estar en dos formas. Si está en su
forma oxidada, es decir, en un estado férrico que se
llama Fe2+, se une al oxígeno tan fuerte que no se
puede separar y forma metahemoglobina. También
puede estar en un estado ferroso que es Fe3+, que al
interactuar con el oxígeno su unión es mucho más débil
y puede liberarlo. 
Si se tienen 4 globulinas donde cada una contiene un
hierro, el glóbulo rojo puede transportar entonces
cuatro moléculas de oxígeno. 
Globulina (4):
Unidad lectura internacional:
El equivalente internacional de lectura es 1 gr de Hb,
que es la capacidad máxima de transporte que podría
tener un glóbulo rojo, lo cual es equivalente a 1,34 ml
de O2.
Una personal normal tiene entre 13 y 16 g/DL de
hemoglobina. 
Mujeres: 12-15 gr/DL.
Hombre: 13-15 gr/DL.
Ejemplo: una persona tiene 15 gr/DL 
Capacidad de transporte máxima del oxigeno 97%= 15 gr/DL x 1,34 ml O2= 20,1 ml de O2/DL.
Esto es lo máximo que puede transportar de oxígeno, ya que depende de la saturación de la
hemoglobina para determinar el valor real. 
Pero también hay que recordar que hay un 3% disuelto en el plasma, el cual a través de la ley de
Henry que dice que en una temperatura constante, la cantidad de gas disuelta en un líquido es
directamente proporcional a la presión parcial que ejerce este gas sobre el líquido. Entonces, la
solubilidad del gas depende de la concentración de ese mismo gas dividido por la presión que
ejerce el gas.
La solubilidad del oxígeno es 0,003 ml, entonces: 
3% disuelto= 0,003 O2 x PaO2 (97 mmHg)= 0,3 ml/DL.
Si unimos estas dos ecuaciones anteriores nos dará cual es el contenido arterial de oxígeno:
Contenido arterial de oxígeno= (Hb x 1.34 ml x Saturación%) + (PaO2 x 0,003) = 20,4 ml/DL
En el eje X se observa el porcentaje de
saturación y en el eje Y la presión de
oxígeno necesaria para saturar la
hemoglobina. 
La P50 es la presión de oxígeno necesaria
para saturar al 50%, que en este caso son
27 mmHg, por lo que vemos que la
hemoglobina se satura rápidamente a
menor presión, alcanza rápidamente una
saturación alta conbajas presiones de
oxígeno. Esto explicaría por qué en la altura
con solo 60 mmHg de presión de oxígeno
por ejemplo, se logra saturar con altos
niveles de saturación, y por lo tanto incluso
la curva nunca llega a 100, para poder
llegar necesita una alta presión arterial de
oxígeno, alrededor de 650 mmHg.
Curva de disociación hemoglobina:
En los tejidos:
En los tejidos se produce el Efecto Bohr, que son las modificaciones que produce el CO2 sobre la
oxihemoglobina. En los tejidos se produce el ácido carbónico por la anhidrasa carbónica a partir de
CO2 y agua, que luego se separa en bicarbonato e hidrogeniones, lo que lleva a generar un
ambiente ácido. La acidez lleva a que la P50 se desplace hacia la derecha, y la hemoglobina pierde
afinidad por el oxígeno, por lo tanto se facilita la liberación de oxígeno en los tejidos. 
Los factores que afectan son:
pH ácido: producido por los hidrogeniones.
Aumento del CO2: lleva a que el medio se acidifique.
Hipoxia o reducción de oxígeno.
Aumento de la temperatura a nivel de los tejidos: pueden afectar la estructura terciaria de las
proteínas, afectando la unión entre la hemoglobina y el grupo de oxígeno. 
Metabolismo anaeróbico en los glóbulos rojos: los glóbulos rojos ocupan glucosa y forman
lactato y 2,3 difosfoglicerato (2,3 DPG), el cual tiene una mayor afinidad a la
desoxihemoglobina, la que pierde afinidad con el oxígeno y hace que se favorezca la entrega de
oxígeno a los tejidos.
Esta curva se puede entender como la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, es decir, si se va a
la derecha hay menos afinidad, y si se va hacia la izquierda hay mayor afinidad.
Modificado de Regueira & Andersen. Rev med Chile 2010; 138: 233-242.
En los pulmones:
En los pulmones hay mucho oxígeno con liberación de CO2 y por lo tanto, es un medio más básico,
a diferencia del medio ácido que hay en los tejidos.
Implica todas las modificaciones que puede hacer el oxígeno en la carbaminohemoglobina. Si baja
el CO2, disminuye los hidrogeniones y por ende, es un pH alcalino, y la curva se desplaza hacia la
izquierda. La P50 se modifica y se necesita menos presión de oxígeno para saturar al 50%, la
hemoglobina entonces gana afinidad por el oxígeno.
 Los factores que afectan son: 
pH alcalino.
Disminución del CO2 (genera un ambiente alcalino).
Aumento del oxígeno.
Disminución de la temperatura.
Disminución del 2,3 DPG.
Cadenas gamma de Hb fetal.
TRES R Y MODELOS ANIMALES
Las “Tres R” son columnas de cuidado de los animales:
Reemplazar: si existe algún otro tipo de modelo en el que no se pueda utilizar animales y es
mejor, por ejemplo, utilizar cultivos, inteligencia artificial, generar un biomodelo
computarizado, entre otros. No obstante, hay muchas enfermedades, que tienen que pasar por
una etapa de estudio en animales para luego ser extrapolado a los humanos y ver sus efectos,
por lo cual el reemplazo no es posible. 
Reducción: se debe utilizar la menor cantidad de animales posibles, pero obteniendo
resultados que sean estadísticamente significativos. Recordando que la estadística entrega
probabilidad y no dice que algo sea 100% cierto. 
Refinar: tiene relación con el cuidado animal. Los animales deben expresar conductas normales
y no tengan temor. Los animales deben recibir la alimentación y cuidado necesario. También se
encarga del bienestar animal cuando un animal está sufriendo, generar empatía y evitar ese
sufrimiento. 
Experimentación con animales del altiplano:
Hay enfermedades del recién nacidos en las que nos
existe tratamiento, como es el caso de la hipertensión
pulmonar neonatal. 
En la estación de trabajo en la ciudad de Putre, en el
altiplano a 3.600 msnm, se utilizan corderos, ya que estos
cuando nacen tienen muchas características en común
con los seres humanos. Pesan casi lo mismo que un recién
nacido humano, entre 2,5 kg a 3,5 kg, y su sistema
cardiovascular es muy semejante a los de los seres
humanos. 
Se observó que los corderos cuando nacen en el
altiplano, debido a una menor presión parcial de oxígeno,
generan hipertensión pulmonar neonatal. Por lo tanto,
generan una enfermedad que existe en humanos, pero la
generan espontáneamente. Lo que se hace en el estación
entonces, es tratar de descubrir una cura para la
enfermedad dando medicamentos a los animales.
Nacimiento
Hipertensión pulmonar neonatal:
A nivel fetal hay una alta resistencia vascular pulmonar, donde hay un bajo flujo sanguíneo, y un 5-
7% del gasto cardiaco combinado pasa a través de los pulmones, y hay una alta presión arterial
pulmonar. 
Cuando el niño nace, la circulación pulmonar se activa y genera a nivel del endotelio producción de
moléculas vasodilatadores como el oxido nítrico, aumento de la presión de oxígeno. Se produce
una disminución del líquido pulmonar por moléculas de acuaporinas, y por lo tanto el niño respira
y genera un mecanismo de vasodilatación por el oxido nítrico aumentado, lo que va generar que
disminuya la resistencia vascular pulmonar. Esto es común a todos los mamíferos. 
Circulación pulmonar
Aumento de PO2
Tono vasodilatador aumentado
RVP
Flujo sanguíneo
(5-7% GCC)
PAP
RVP
Flujo sanguíneo
(100% GCC)
PAP
Si existe algún tipo de noxa, como por ejemplo una hipoxia, va afectar el tono vasodilatador que
debería estar aumentado, y por lo tanto no se produce los efectos deseados que son la
disminución de la presión arterial pulmonar. La hipoxia gatilla mecanismos que afectan el
remodelamiento fisiológico. En el remodelamiento fisiológico normal, el vaso sanguíneo a nivel
pulmonar debería aumentar el diámetro por el flujo que debería estar pasando, pero la hipoxia
afecta y produce una hipertrofia de la capa muscular, lo cual disminuye el volumen, y por ende
produce un remodelamiento patológico. y a su vez afecta la producción del oxido nítrico
generando más agentes vasoconstrictores que conducen a un aumento del tono vasoconstrictor. 
Los niños que tienen hipertensión pulmonar neonatal, al momento de nacer tienen un aumento de
la resistencia vascular pulmonar, al igual que en la vida fetal, y por lo tanto generan la hipertensión
pulmonar neonatal.
Nacimiento
Hipoxia
Tono vasodilatador aumentado
Circulación pulmonar
Aumento de PO2
Remodelamiento Fisiológico
Remodelamiento Patológico
Tono Vasoconstricción
RVP
PAP
Rudolph, Ann Rev, Physiol, 1979.
Modificado de Gao y RAJ, Physiol Rev 90: 1291–1335, 2010
EPIDEMIOLOGÍA
LETALIDAD
1-6/1000
nacidos vivos 10-20%
Déficitneurológico
durante el desarrollo
(26%)
MORBILIDADPREVALENCIA
TRATAMIENTOS
Y LIMITACIONES
Oxido nítrico inhalatorio (iNO)
ECMO
Sildenafil
iNO: Es efectivo en el 60% de los casos, por lo tanto 40% no responde a este tratamiento. Al
dar oxido nítrico se producen mecanismos de vasodilatación, pero si no funciona no hay otro
tipo de terapia. No es un tratamiento en sí, es una manera de mantener vivo al niño.
ECMO: mantienen la sangre oxigenada. 
Sildenafil: se ha pensado en su uso, pero en el año 2015 la utilización de este medicamento
produjo la muerte de alrededor de 15 niños, y por lo tanto se prohibió su uso.
eNOS
NO
sGC cGMP PKG
PDE-5 PKG
MLCP
ROCK
MLC
A nivel del endotelio hay una enzima denominada oxido nítrico sintasa endotelial (eNOS) que va
producir oxido nítrico y va activar a la guanilil ciclasa soluble presente en el músculo liso (sGC), va
formando cGMP, el cual activa a la PKG. La PKG a través de distintos mecanismos de fosforilación
va llevar a mecanismos de vasodilatación pulmonar. 
El sildenafil por ejemplo, es una enzima que actúa a este nivel, y produce una inhibición de la
enzima fosfodiesterasa que es la que disminuye el cGMP, y por lo tanto produce más
vasodilatación pulmonar. 
Si estudiaron ovejas de tierras bajas (barra blanca) y de tierras
altas (barra negra). Se observó que las ovejas de tierras bajas
que tienen la enfermedad, tienen una alta producción de L-
citrulina, una enzima que se forma a la par del oxido nítrico, y
por tanto tienen una alta producción de oxido nítrico, y también
tienen una alta expresión dela eNOS, pero el problema que
tienen es que tienen una baja expresión de la guanilil ciclasa
soluble, y esta enzima es el cuello de botella para poder generar
vasodilatación pulmonar. 
En la estación de Putre en el altiplano, se planteo utilizar un
medicamento denominado Cinaciguat, que aumenta la función
de la enzima que estaba disminuida, y así poder tener aumento
de los mecanismos de vasodilatación pulmonar, que podría
llevar a solucionar los problemas de hipertensión pulmonar
neonatal.
Desfosforilación
Fosforilación
Vasodilatación
 pulmonar