Frontiere în fiziologie

Introducere

Am avut norocul de a participa la două expediții majore de cercetare fiziologică la altitudini extreme. Prima a fost expediția Silver Hut din 1960-1961, în timpul căreia un grup de fiziologi a petrecut mai multe luni la altitudinea foarte mare de 5.800 m (19.000 ft) și am măsurat modificările fiziologice care au avut loc în această lungă perioadă. S-au făcut studii suplimentare până la 7.830 m. (25.700 ft). Scopul general a fost acela de a determina mecanismele prin care oamenii care trăiesc în mod normal aproape de nivelul mării răspund la hipoxia severă pe o perioadă îndelungată.

A doua expediție a fost American Medical Research Expedition to Everest, care a avut loc în 1981. Aici scopul fiziologic a fost foarte diferit. Obiectivul a fost acela de a obține primele date fiziologice umane pe vârful Muntelui Everest (8.848 m, 29.028 ft) pentru a clarifica modul în care oamenii care trăiesc în mod normal la nivelul mării pot supraviețui hipoxiei extreme din cel mai înalt punct din lume.

Expediția Silver Hut

Aceasta a fost ideea lui Sir Edmund Hillary care, împreună cu Tenzing Norgay, a fost prima persoană care a ajuns pe vârful Muntelui Everest cu șapte ani înainte. Hillary a colaborat cu Griffith Pugh, un fiziolog de mare altitudine, la această primă ascensiune a Everestului, iar ambii bărbați erau intens interesați de procesul de aclimatizare care le permite oamenilor de aproape de nivelul mării să urce la altitudini foarte mari.

Interesul meu deosebit a fost capacitatea de difuzie a plămânilor. Fusese sugerat de Barcroft (1925) că exercițiile fizice la altitudine mare ar duce la hipoxemie arterială din cauza limitării difuziei prin bariera hemato-gazică. Pentru a testa acest lucru, am aranjat ca membrii expediției să lucreze la capacitatea lor maximă pe un ergometru pentru bicicletă și am măsurat saturația arterială a oxigenului cu ajutorul unui nou oximetru pentru urechi (West et al., 1962). Am constatat că, de fapt, a existat o scădere accentuată a saturației arteriale a oxigenului, în ciuda creșterii PO2 alveolare, odată cu creșterea nivelului de muncă. Aceasta a fost o dovadă puternică a limitării difuziei în aceste condiții de hipoxie severă. Măsurătorile efectuate în duplicat pe mine însumi au arătat o saturație a oxigenului de numai 33% la efort maxim, ceea ce reflecta o hipoxemie foarte severă.

Am măsurat, de asemenea, capacitatea de difuzie pentru monoxidul de carbon pe parcursul expediției și am arătat că aceasta nu s-a schimbat aproape deloc (West, 1962). Mica creștere ar putea fi explicată prin policitemia care s-a dezvoltat. Concluzia a fost că caracteristicile barierei gazelor sanguine nu au fost modificate de expunerea prelungită la hipoxie severă. Aceasta a fost prima demonstrație clară a limitării prin difuzie a transferului de oxigen de către plămâni în timpul exercițiilor fizice severe la altitudine foarte mare.

Mai târziu, în timpul expediției, au fost făcute măsurători ale absorbției maxime de oxigen în timpul exercițiilor fizice la altitudinea extrem de mare de 7.440 m (24.400 ft) (Pugh et al., 1964). Extrapolarea acestor date la altitudinea vârfului Everest a sugerat că ar fi imposibil să se ajungă în vârf fără oxigen suplimentar. Studiile de sânge au arătat o policitemie marcată la subiecții care trăiau la o altitudine de 5.800 m. Concentrațiile medii de hemoglobină și hematocritul au fost de 19,6 g/dl și, respectiv, 55,8%. Au existat dovezi că creșterea inițială a hematocritului a fost cauzată în principal de pierderea volumului de plasmă, dar ulterior s-a înregistrat o creștere mare a masei de globule roșii. Electrocardiograma persoanelor care trăiau la 5.800 m a arătat o hipertrofie marcată a ventriculului drept, iar în unele trasee a existat o inversiune a undelor T în derivațiile toracice, indicând probabil o hipoxie miocardică severă (Milledge, 1963). Măsurătorile funcției neuropsihometrice au fost efectuate folosind sortarea cărților și s-a constatat că rata de sortare a fost redusă, dar că, odată cu creșterea concentrației, subiecții puteau sorta fără erori. S-a înregistrat o pierdere severă și neîncetată în greutate la toți membrii expediției în timp ce trăiau la 5.800 m, rata fiind cuprinsă între 0,5 și 1,5 kg/săptămână. Impresia generală a fost că nu ar fi posibil ca oamenii să trăiască pe termen nedefinit la această altitudine foarte mare (Pugh, 1962).

Expediția americană de cercetare medicală pe Everest

După cum s-a menționat mai sus, scopul acestei expediții a fost de a clarifica modul în care oamenii pot tolera hipoxia de la cea mai mare altitudine din lume. În mod remarcabil, cu câteva luni înainte de desfășurarea expediției, doi alpiniști europeni au ajuns pentru prima dată pe vârful Everest fără a folosi oxigen suplimentar. Această ispravă i-a uimit pe mulți fiziologi și a ridicat multe întrebări cu privire la modul în care a putut fi realizată.

Programul de cercetare a fost foarte amplu, iar aici poate fi prezentat doar un scurt rezumat. Măsurătorile au fost făcute în tabăra de bază, la altitudinea de 5.400 m (17.700 ft), și în tabăra de bază avansată, la altitudinea de 6.300 m (20.700 ft), și în cea mai înaltă tabără, la 8.050 m (26.400 ft). Am sperat, de asemenea, să realizăm câteva măsurători pe vârful Everest, deși acest lucru era foarte ambițios. De fapt, când ne-am uitat în urmă la cele șase expediții anterioare celei de la noi, niciuna dintre ele nu a ajuns pe vârf. Dacă vremea este rea, uitați, iar un factor critic este dacă un număr suficient de membri ai expediției rămân suficient de în formă în ciuda altitudinii extreme.

În tabăra de bază, am măsurat răspunsul ventilator la hipoxie, adică măsura în care respirația crește atunci când subiectul este expus la un amestec de oxigen inspirat scăzut. Rezultatele au fost izbitoare. S-a dovedit că alpinistul care a ajuns primul în vârf a avut cel mai mare răspuns, cel care a ajuns al doilea în vârf a avut următorul răspuns cel mai mare, iar alpinistul care a ajuns al treilea în vârf a avut al treilea răspuns cel mai mare (Schoene et al., 1984). Acest lucru trebuie să fie parțial întâmplător, dar cu siguranță a sugerat că există o legătură între măsura în care alpiniștii își măresc ventilația și toleranța lor la altitudini extreme. Motivul pentru acest lucru va deveni mai clar mai jos.

Un număr mare de studii au fost efectuate în tabăra de bază avansată, dar doar unul singur, un studiu neuropsihometric, va fi rezumat aici. Este bine cunoscut faptul că creierul și sistemul nervos central sunt foarte sensibile la hipoxie. De exemplu, dacă cineva cade într-o piscină și este salvat 5 sau 10 minute mai târziu, el poate fi resuscitat cu succes, dar sistemul nervos central nu se recuperează niciodată complet. Prin urmare, nu a fost surprinzător faptul că, la altitudini foarte mari, am putut evidenția modificări ale unor măsurători precum memoria pe termen scurt și abilitățile de manipulare (determinate în urma unui test de lovire a degetelor). Acest lucru nu a fost neașteptat. Cu toate acestea, atunci când expediția a revenit aproape de nivelul mării, s-a constatat că două dintre măsurători au rămas anormale. Acestea au fost memoria pe termen scurt și testul de lovire a degetelor (Townes et al., 1984). Prin urmare, a fost clar că orice persoană care se întoarce de la aceste altitudini extreme este posibil să aibă o anumită afectare reziduală a sistemului nervos central. Am fost unul dintre primele grupuri care a demonstrat acest lucru, dar de atunci a fost confirmat de multe ori.

Câteva dintre cele mai interesante constatări au fost cele de la vârf. Noi proiectasem și construisem un dispozitiv special care îi permitea alpinistului să colecteze ultimul gaz expirat după o expirație maximă, adică o probă de gaz alveolar. Peste 34 de probe, inclusiv patru de pe vârf, au fost aduse la UC San Diego în cutii etanșe la gaze. Când PCO2 alveolară a fost trasată în raport cu presiunea barometrică, care scădea odată cu creșterea altitudinii, s-a constatat că PCO2 pe vârf era de 7-8 mm Hg. Aceasta a fost o valoare aproape incredibil de scăzută, deoarece valoarea de la nivelul mării este de aproximativ 40 mm Hg. Această valoare extrem de scăzută subliniază creșterea enormă a ventilației alveolare care este necesară la aceste altitudini extreme (West et al., 1983).

Când atât PO2 cât și PCO2 alveolară au fost reprezentate grafic față de presiunea barometrică, a apărut o imagine interesantă (Figura 1). Atât PO2 cât și PCO2 au scăzut odată cu creșterea altitudinii. Scăderea PO2 a avut loc din cauza reducerii aerului din jurul alpinistului ca urmare a reducerii presiunii barometrice. Scăderea PCO2 a fost cauzată doar de hiperventilația alpinistului. A reieșit că, atunci când altitudinea a depășit aproximativ 7000 m, nu a mai avut loc nicio scădere a PO2 alveolară. Figura arată că aceasta este apărată la un nivel de aproximativ 35 mm Hg. Cu alte cuvinte, pentru a supraviețui la aceste altitudini uriașe, trebuie să montați o ventilație alveolară care să coboare PCO2 până la aproximativ 8 mmHg și să păstreze astfel PO2 alveolară la nivelul foarte scăzut, dar viabil, de aproximativ 35 mm Hg. Acest lucru explică de ce, în măsurătorile răspunsului ventilator la hipoxie la care am făcut referire mai devreme, a existat o corelație între amploarea răspunsului și toleranța alpinistului la altitudini extreme. Dacă nu sunteți în măsură să montați un grad de hiperventilație suficient pentru a conduce PCO2 alveolară până la aproximativ 7-8 mm Hg, nu puteți menține un nivel viabil de PO2 în gazul alveolar. Astfel, hiperventilația extremă este una dintre cele mai importante caracteristici ale răspunsului fiziologic la altitudini extrem de mari.

Figura 1. Valorile PO2 și PCO2 în gazul alveolar ale alpiniștilor pe măsură ce aceștia urcă de la nivelul mării (dreapta sus) până pe vârful Everest (stânga jos). PO2 scade din cauza reducerii presiunii barometrice. PCO2 scade din cauza creșterii ventilației alveolare. Deasupra unei altitudini corespunzătoare unei PCO2 de aproximativ 20 mm Hg (aproximativ 7000 m), PO2 nu mai scade. Cu alte cuvinte, aceasta este apărată la aproximativ 35 mmHg. Acest lucru se poate face numai dacă PCO2 este continuu redusă în continuare prin hiperventilație extremă pe măsură ce altitudinea crește. Modificat după Rahn și Otis (1949) și West et al. (1983).

PCO2 alveolară extrem de scăzută ne determină să ne întrebăm ce s-a întâmplat cu pH-ul arterial. Este rezonabil să presupunem că PCO2 arterială și alveolară sunt identice. Din fericire, doi dintre alpiniști și-au prelevat unul altuia sânge venos în dimineața următoare ascensiunii lor reușite spre vârf și, prin urmare, au putut fi măsurate valorile excesului de bază. Când aceste valori au fost introduse în ecuația Henderson-Hasselbalch, pH-ul arterial rezultat a fost între 7,7 și 7,8. Acesta este un grad extrem de alcaloză respiratorie.

O întrebare interesantă este de ce rinichiul nu a eliminat bicarbonat pentru a dezvolta o compensare metabolică pentru această alcaloză extremă și astfel să aducă pH-ul mai aproape de normal. Acesta este răspunsul obișnuit în cazul în care o alcaloză respiratorie este generată, de exemplu, de hiperventilație, așa cum se întâmplă uneori în timpul isteriei. Motivul pentru absența compensării metabolice nu este complet înțeles, dar o posibilitate este că acești alpiniști au fost probabil grav lipsiți de volum. Aceasta este o caracteristică comună a mersului la mare altitudine și, de exemplu, alpiniștii care au stat în tabăra de bază avansată de la 6300 m au prezentat dovezi de epuizare cronică a volumului. Un factor responsabil la altitudine extremă este, probabil, hiperventilația enormă, dar și setea este afectată.

Consecințele fiziologice ale alcalozei severe sunt interesante. Alte studii au arătat că o afinitate crescută a hemoglobinei pentru oxigen crește supraviețuirea într-un mediu hipoxic. Cu mulți ani în urmă, s-a demonstrat că mamiferele precum vicuña și lama din Anzii sud-americani au o afinitate crescută pentru oxigen (adică au curba de disociere a oxigenului deplasată spre stânga) în comparație cu mamiferele care trăiesc la nivelul mării (Hall, 1937). Astfel, alpiniștii aflați la altitudini foarte mari au același răspuns.

Este, de asemenea, adevărat că, dacă ne uităm în general în tot regnul animal la organismele care trăiesc într-un mediu hipoxic, multe dintre ele au dezvoltat o afinitate crescută pentru oxigen a hemoglobinei. Unul dintre cele mai bune exemple este fătul uman care, din cauza unei diferențe în secvența de aminoacizi a hemoglobinei, are o creștere accentuată a afinității pentru oxigen cu P50 de aproximativ 19 mm Hg, comparativ cu cea de aproximativ 27 pentru un adult. Fetusul uman are o hipoxemie severă după standardele adultului, cu o PO2 în aorta descendentă de aproximativ 22 mm Hg, care este chiar mai mică decât cea a unui alpinist pe vârful Everest. Este fascinant, într-adevăr, faptul că alpinistul de succes are avantajul unei afinități crescute pentru oxigen a hemoglobinei. Acest lucru ajută la încărcarea oxigenului în capilarele pulmonare. S-ar putea argumenta că aceasta interferează și cu descărcarea de oxigen în periferia corpului, dar studiile au arătat că avantajul încărcării în plămân este mai mare decât dezavantajul descărcării în țesuturile periferice.

O întrebare interesantă este care este consumul maxim de oxigen al unui alpinist pe vârf. După cum s-a indicat anterior, măsurătorile anterioare efectuate la altitudine extremă în timpul expediției Silver Hut au sugerat că tot oxigenul disponibil pe vârf ar fi necesar pentru actualizarea oxigenului bazal, adică pentru a menține inima în funcțiune și creierul activ. A fost imposibil să se amplaseze un ergometru pentru biciclete pe vârf. Cu toate acestea, am luat alpiniști care erau foarte bine aclimatizați și i-am pus să pedaleze la maximum la o altitudine de 6300 m în timp ce respirau 14% oxigen. Acest lucru le-a oferit aceeași PO2 inspirată ca pe vârf. Nivelul de absorbție a oxigenului în aceste condiții a fost de aproximativ 1 L/min, ceea ce reprezintă un consum maxim de oxigen mizerabil de scăzut și este echivalent cu cel al cuiva care merge încet pe nivel. Cu toate acestea, se pare că este doar suficient pentru a permite unui alpinist să ajungă pe vârf.

Contribuții ale autorilor

JW a redactat manuscrisul, a citit și a aprobat versiunea trimisă.

Declarație privind conflictul de interese

Autorul declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

.