Fabiola León-Velarde, DSc.

Departamento de Ciencias Biológicas y FisiológicasLaboratorio de Transporte de Oxígeno (LDTA-LID)Instituto de Investigaciones de la Altura (IIA)

Universidad Peruana Cayetano Heredia

Control de la ventilaciónControl de la Control de la ventilaciventilacióónn

Evolución de la respuesta ventilatoria a la hipoxia

RegulaciónElementos básicos

CONTROL DE VENTILACIÓN

CONTROL CENTRALinput output

SENSORES EFECTORESQuimioreceptores M. Respiratorios:Recep. Pulmonares - diafragma

- intercostales- abdominales

PO2 y PCO2 constantes.

TRONCO ENCEFALICO

VOLUNTARIO

Resumen de los reflejos regulatorios de la ventilación

PCO2 plasma

PCO2 LCR PCO2 arterial

CO2 ! H+ + HCO3- CO2 ! H+ + HCO3-

Estímulo QR Estímulo QRcentrales periféricos

Ventilación

PO2 plasmaPCO2 plasma

PO2 plasma< 60 mmHg

Regulación de la ventilación:Controlador central - ESTíMULO

– O2 y pH• Quimioreceptores periféricos (carotídeos, aórticos)

– Neuronas sensoriales aferentes

– CO2• Quimioreceptores centrales

– Emociones y control voluntario• Centros respiratorios superiores• Sistema límbico

Grupo Dorsal (inspiración)Grupo Ventral (espiración)

Regulación de la ventilación:Controlador central - RESPUESTA

• Grupo Dorsal (inspiración)– Neuronas somatico motoras

• Escaleno y esternomastoideo• Intercostales externos• diafragma

• Grupo Ventral (espiración)– Neuronas somatico motoras

• Intercostales internos• Músculos abdominales

Neuronas respiratorias:

Cerebelo

NTS -núcleo del tracto solitario

Núcleo ambiguo

Núcleo retroambiguo

Grupo dorsal (inspiración)(aferentes: vago y glosofarg.)

Grupo ventralCentro neumotáxico (-)

Quimioreceptores centrales, zona rítmica y premotora.(vista parasagital en la rata)

zona ventrolateralmedular

- Premotoneunoras neuro-espinales hacia: motoneuronasfrénicas, intercostales y abdom.! músculos de la respiración.

- PreBötC (y pre-I), zona rítmica y quimiosensora.

- Quimiorecep. central

FN, N. FastigialLC, locus ceruleusNTS, N. del tracto solitarioVII, N. facialrVRG, grupo ventral (rostral)NA, N. ambiguoLRN, N. lateral reticularRTN, N. retrotrapezoidalBötC, complejo Bötzinger

Quimioreceptores centrales, zona rítmica y premotora.(vista transversal a nivel caudal del N. facial –VII-)

Quimiorecep. central

NTS, sinapsis aferentes hacialos cuerpos carotídeosrVRG, recibe proyecciones de los núcleos

NTS y RTN, receptores deGlutamato (NMDA).

Quimioreceptores periféricos, neurotransmisoresen las Células de Tipo I

Shirahata & Sham 1999

Los cuerpos carotídeos contienen (*):

• ACh

• Dopamina

• Epinefrina

• Norepinefrina

• 5HT (serotonina)

• Sustancia P

?

Ca2+

Ca2+K+ Nervio del CCarotídeo/vago

Célula Tipo I

*

Neurotransmisores y la regulación de la respiración

• Acetilcolina– Los receptores nicotínicos (NR) estimulan la

quimiosensibilidad central– Los agonistas de los NR estimulan la respiración

• Mediación , a través de los Cuerpos Carotídeos (CC)

• Serotonina– Activación de los receptores 5HT1A (raphe) K+

! Depresión de las neuronas respiratorias en NTS

Neurotransmisores y la regulación de la respiración

• Norepinefrina– Estimula la respiración (mediación , a través de los

Cuerpos Carotídeos -CC)– Agonistas de los receptores β-adrenérgicos estimulan la

respiración• Sustancia P

– En NTS, estimula la respiración• Dopamina

– Agonistas de los receptores D2 inhiben la respiración– Deprime la respiración (mediación , a través de los CC.)- Control de la respiración a diferentes niveles

Neurotrasmisores principales del controlador central

Quimioreceptoresperiféricos NTS

ACh

Dopamina

Glutamato(NMDA)

SPGD

GV

GABA, 5HT

Transducción sensorial en el cuerpo carotídeo

PO2

Ca2+

Ca2+K+ Nervio del CCarotídeo/vago

Célula Tipo I

1) Detección del O2 2) Potenciales de acción de Na+ y K+3) Aumento del Ca++ citosólico4) Liberación del transmisor5) Aumento de la descarga de las fibras aferentes

Neurotransmición quimioreceptores centrales

• En la médula ventral anterior:– neuronas serotoninérgicas– glutamato– Receptores muscarínicos– GABA

respuesta al CO2

GVentral

Glut GABAGlyc

(+) (-)

GDorsal Glut (+)

GABA (-)

QR

periféricos

ACh Dopamina (+) (-) QR centrales

(Ach)

Vías aferentes pulmonares Raphe

Centro pneumotaxic

(puente) Glutamato

5-HT

GlutamatoSustancia P

Glutamato Sustancia PGlutamato GABA

TRHSP

GABAAChNAOpioides

Mecanismos de quimiomotransducción: proteinas sensibles a cambios de pH

• Uniones celulares de baja resistencia• Canales TASK (poros selectivos abiertos al K+)

• Canales de inK+ (inward rectifier)

• Proteinas de membrana transportadoras de iones (i.e., intercambiador Na+/H+)

Mal de Montaña Crónico(MMC)

Cambios en la respuesta respiratoria

Características respiratorias

• Los nativos de altura (HA) residentes de altura respiran mas profundo y tienen un PETCO2 más bajo que los nativos residentesde nivel del mar .

• Los enfermos con MMC son relativamentehipóxicos e hipercápnicos comparados con los nativos de altura (HA)

Variables diagnósticas en nativos normales de altura (HA) y nativos con MMC (4,540 m)

Hb, g/dl 20.8 20.8 – 28.4No. RBC, mill/mm3 6.2 6.5 – 10.0Hct, % 59.9 55.0 – 93.8SaO2, % 81.4 59.6 – 80.0PACO2, mm Hg 32.5 35.0 – 45.6HCO3-, mM/l 20.9 23.4 – 28.4pH, arterial 7.43 7.39 – 7.46

Monge M. y Monge C, 1966

HA CMS

Evolución de la respuesta ventilatoria a la hipoxia

Los factores que determinan la suceptibilidad de un individuo paradesarrollar MMC estan relacionados a diferencias en su capacidad ventilatoria?

a que nivel?– Periférico?– Central?

Respuesta de losquimioreflejos periféricos a la

hipoxia en el MMC

75808590951000

10

20

30

40

50

60

70

SO2 (%)

VE (l

/min

)

SL

75808590951000

10

20

30

40

50

60

70

SO2 (%)VE

(l/m

in)

HA

75808590951000

5

10

15

20

25

30

35

SO2 (%)

VE (l

/min

)

75808590951000

5

10

15

20

25

30

35

SO2 (%)

VE (l

/min

)

75808590951000

5

10

15

20

25

30

35

SO2 (%)

VE (l

/min

)

75808590951000

10

20

30

40

50

60

70

SO2(%)

V E(l/

min

)

CMS

VE = f(SaO2) y respuesta ventilatoria a la hipoxia(AHVR, l/min,%); (n=25).

León-Velarde et al., JAP 94:1269, 2003

AHVR= 0.99±0.7 AHVR= 0.33±0.2 AHVR= 0.35±0.2

VEi= 9.1±3.5 VEi= 11.8±4.2 VEi= 13.6±4.4

0 10 20 30 400

10

20

30

40

50SLHACMS

VE (l

/min

)

Time (min)

Respuesta ventilatoria a la hiperoxia (n=25).

52.5 200 Torr 52.5

León-Velarde et al., JAP 94:1269, 2003

DP vs ST 100 Torr SL

0 10 20 300

10

20

30

Time (minutes)

VE (l

/min

)

DP vs ST 52.5 Torr

0 10 20 300

10

20

30 HA

VE (l

/min

)

DP vs ST 52.5 Torr

0 10 20 300

10

20

30ST

DPCMS

VE (l

/min

)

Respuesta Ventilatoria a la dopamina (DP) y a la somatostatina (ST) (n=25).

León-Velarde et al., JAP 94:1269, 2003

Reduction of SaO2 associated withthe reduction of PO2

SL HA CMS 0

5

10

15

20

Gp*

(SaO

2(20

0)-S

aO2(

52.5

),l/m

in

Dopamine, 3 μg/kg/min

SL-EU SL-HX HA CMS 0

5

10

15

20

VE (p

re D

P-po

st D

P),

l/min

Somatostatine, 0.5 mg/h

SL-EU SL-HX HA CMS 0

5

10

15

20

VE (p

re D

P-po

st D

P),

l/min

Contribución del quimioreflejo periférico a unPETO2 = 52.5 Torr (n=25).

Efecto de la domperidona (inhibidor delreceptor D2 de dopamina) en la respuesta

ventilatoria a la hipoxia aguda

pre-DP post-DP 0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

SL HA CMS

SAH

VR(l/

min

/%)

León-Velarde et al., Health and Height, 2003.

Reducción de la AHVR (ON-OFF/ON) despuésde 20 min de hipoxia (50 Torr) en HA (4,300m) y sujetos con MMC después de 24 h a nivel del mar(n=9).

0

20

40

60

80

100

120

SLHA at HA

CMS at HAHA at SL

CMS at SL(ON

-OFF

/ON

), %

• Estos estudios sugieren que los bajosniveles de ventilación en sujetos con MMC se deberían a otros mecanismos que a la reducción en la sensibilidad de losquimioreflejos periféricos en hipoxia.

Neurotrasmisores principales del controlador central

Quimioreceptoresperiféricos NTS

ACh

Dopamina

Glutamato(NMDA)

SPGD

GV

GABA, 5HT

Respuesta de losquimioreflejos centrales y

periféricos al CO2 en el MMC

Sensibilidad ventilatoria al CO2 usando una MFBS con golpes de 8 Torr de diferencia en el PETCO2.

PETO2 = 100 Torr

PETO2 = 52.5 Torr

Fatemian et al., JAP 94:1279, 2003

SL SL HA CMS 0

1

2

3

4

Gc,

l/m

in/T

orr

SL SL HA CMS 0

100

200

300

Tc, s

ec

Sensibilidad quimiorefleja al CO2 usando el modelo de Secuencia Múltiple de Multifrecuencia (MFBS).(Gp=periférica; Gc=central; Tc=constante de tiempo)

Fatemian et al., JAP 94:1279, 2003

SL SL HA CMS 0

1

2

3

4

100 Torr 52.5

Gp,

l/m

in/T

orr

*

*

PETCO2

Pre-P Post-P Pre-ACZ Post-ACZ 22.5

25.0

27.5

30.0

32.5

ACZ 250mg/day

PET C

O2,

Tor

r

PETO2

Pre-P Post-P Pre-ACZ Post-ACZ 48

50

52

54

56

58

ACZ 250mg/day

PET O

2, T

orr

SaO2

Pre-P Post-P Pre-ACZ Post-ACZ 75

80

85

90

95

100

ACZ 250mg/day

SaO

2, %

Variables respiratorias en sujetos con MMC (n=9) - 3 semanas con acetazolamide (ACZ) - .

*

*

*

Placebo

25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.50

10

20

30

PETCO2 (Torr)

VE (l

/min

)

250 mg/day ACZ

25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.50

10

20

30

PETCO2 (Torr)

VE (l

/min

)

500 mg/day ACZ

25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.50

10

20

30

PETCO2 (Torr)

VE (l

/min

)

Pre-ACZPost-ACZ

Respuesta ventilatoria aguda al CO2 en sujetos con MMC (n=9) – 3 semanas con ACZ - .

Neurotrasmisores principales de los quimioreceptores centrales

• En la médula ventral anterior:– neuronas serotoninérgicas– glutamato– Receptores muscarínicos– GABA

respuesta al CO2

MMCHacia donde miramos?

Neurotransmisores y la regulación de la respiración en hipoxia

• GABA– Mediador de la HVD (« roll off »), inhibición de neuronas en

el NTS (Mediado por aumento de serotonina)• Glutamato

– Integración de la respuesta del CC a nivel de NTS• Mediado (+) por Oxido Nítrico (NO)

– En la RVH, mediador NMDA• Sustancia P

– Aumenta en los nervios aferentes– Aumenta en NTS y estimula la respiración– La hipoxia induce la desensibilisación de los receptores de SP

(NK1) en el NTS.

Neurotransmisores y la regulación de la respiración en hipoxia

• Norepinefrina– Contribuye a la ventilación aclimatatoria a la

hipoxia• Dopamina

– Integración de la respuesta del CC a nivel de NTS– La hipoxia crónica incrementa el efecto facilitatorio

de los receptores D2 para el aumento de la sensibilidad del SNC al estímulo de los QP, contribuyendo a la ventilación aclimatatoria a lahipoxia

Mecanismos de quimiomotransducción

• Canales iónicos• Sensor de PO2

– Grupo Hem de membrana ligado a una proteina• NADPH oxidasas• Citocromo oxidasa mitocondrial y especies

reactivas al O2

• Dioxigenasas 2-oxoglutarato/Fe(II) dependientes: prolina y asparagina hidroxilasas

I. Canales Iónicos• Propuesto como mecanismo de respuesta

rápida• Independiente de inducción de la expresión

génica• Canales iónicos regulados por O2:

– Células excitables en los quimioreceptores arteriales y de las vías aéreas (cuerpos carotideos y neuroepiteliales). Liberación de neurotransmisores

– Músculo liso de la vasculatura pulmonar y sistémica

I. Canales Iónicos• Células neurosecretoras sensibles al O2• Ej. Células Tipo I de los cuerpos carotídeos • Excitación dependiente de la presencia de canales

iónicos cuya actividad depende de la PO2• Canales de K+

• Hipoxia! inhibición de iK+ ! despolarización apertura canales de Ca+2 ! cascada de señalización celular

• Probablemente componente secundario en la cascada

II. Proteínas Hem/NADPH Oxidasas

• Basada en la afinidad del O2 por grupos prostéticos con átomos de hierro o con núcleos de hierro-azufre

• Unión reversible al O2 ! cambios alostéricos que resultan en la adopción de una conformación oxigenada o desoxigenada, la conformación adquirida inicia la respuesta transcripcional requerida para mantener la homeostasis de O2

• Modularía la producción de especies reactivas de O2(ROS) de acuerdo a la disponibilidad de éste.

III. Cadena Respiratoria Mitocondrial y ROS

• Cadena respiratoria mitocondrial conforma un centro sensor de O2 y de producción de ROS de acuerdo a la disponibilidad de O2.

• Hipoxia: cadena respiratoria se inhibe parcialmente, produciendo cambios redox en los transportadores electrónicos que culminan en un incremento de la producción de ROS a nivel del complejo III (Ubiquinona: Citocromo c oxido-reductasa)

• ROS son liberadas al citosol y actúan como segundos mensajeros oxidantes, ocasionando finalmente la estabilización de HIF-α y como consecuencia la activación de la respuesta transcripcional.

IV. Prolina y Asparagina Hidroxilasas

• Interacción entre HIF-1α y pVHL depende de la hidroxilación de residuos de prolina en el dominio ODD mediada por una proteína con actividad prolina hidroxilasa

• Reacción catalizada requiere de oxígeno molecular (O2) además de 2-oxoglutarato como co-sustrato, y Fe2+ como cofactor

El desafio del completo enten-dimiento del MMC es tan inmensocomo las montañas. Sin embargo con el trabajo integrado de individuos e instituciones en todo el mundo, podremos ser capaces de revelar sus misterios, así como el magníficoproceso de la adaptación a la altura.