Frontiers in Physiology

Introdução

Tive a sorte de participar em duas grandes expedições de pesquisa fisiológica a altitude extrema. A primeira foi a expedição Silver Hut em 1960-1961, durante a qual um grupo de fisiologistas passou vários meses a uma altitude muito alta de 5.800 m, e medimos as mudanças fisiológicas que ocorreram durante esse longo período. Estudos adicionais foram feitos até 7.830 m. O objetivo geral foi determinar os mecanismos pelos quais as pessoas que normalmente vivem perto do nível do mar respondem à severa hipoxia durante um longo período.

A segunda expedição foi a Expedição Americana de Pesquisa Médica ao Everest que ocorreu em 1981. Aqui o objectivo fisiológico era muito diferente. O objetivo era obter os primeiros dados fisiológicos humanos sobre o cume do Monte Everest (8.848 m, 29.028 pés) a fim de esclarecer como as pessoas que normalmente vivem ao nível do mar podem sobreviver à hipoxia extrema do ponto mais alto do mundo.

Expedição Hut de Prata

Esta foi a criança-cérebro de Sir Edmund Hillary que, juntamente com Tenzing Norgay, foi a primeira pessoa a alcançar o cume do Monte Everest sete anos antes. Hillary tinha colaborado com Griffith Pugh, um fisiologista de alta altitude, nesta primeira subida do Everest, e ambos os homens estavam intensamente interessados no processo de aclimatação que permite às pessoas de perto do nível do mar subirem a altitudes muito elevadas.

O meu interesse particular era a capacidade difusora do pulmão. Tinha sido sugerido por Barcroft (1925) que o exercício em altitudes elevadas resultaria em hipoxemia arterial por causa da limitação da difusão através da barreira sangue-gás. Para testar isso, providenciamos para os membros da expedição trabalharem na sua capacidade máxima em um cicloergômetro, e medimos a saturação arterial de oxigênio usando um oxímetro de orelha recentemente disponível (West et al., 1962). Descobrimos que, na verdade, houve uma queda acentuada na saturação arterial de oxigênio, apesar do aumento do PO2 alveolar à medida que o nível de trabalho foi aumentado. Esta foi uma forte evidência de limitação da difusão sob estas condições de hipóxia severa. Medidas duplicadas em mim mesmo mostraram uma saturação de oxigênio de apenas 33% no exercício máximo que refletia hipoxemia muito grave.

Também medimos a capacidade difusora de monóxido de carbono ao longo da expedição e mostramos que isso dificilmente mudou (West, 1962). O pequeno aumento poderia ser explicado pela policitemia que se desenvolveu. A conclusão foi que as características da barreira dos gases sanguíneos não foram alteradas pela exposição prolongada a hipóxia severa. Esta foi a primeira demonstração clara da limitação da difusão da transferência de oxigênio pelo pulmão durante o exercício severo em altitude muito alta.

Later na expedição, foram feitas medições do consumo máximo de oxigênio durante o exercício na altitude extremamente alta de 7.440 m (Pugh et al., 1964). A extrapolação destes dados para a altitude do cume do Evereste sugeriu que seria impossível alcançar o cume sem oxigênio suplementar. Estudos sanguíneos mostraram policitemia acentuada nos indivíduos que viviam a uma altitude de 5.800 m. As concentrações médias de hemoglobina e hematócrito foram de 19,6 g/dl e 55,8%, respectivamente. Houve evidências de que o aumento inicial do hematócrito foi causado principalmente pela perda do volume plasmático, mas posteriormente houve um grande aumento da massa de eritrócitos. O eletrocardiograma de pessoas vivendo a 5.800 m mostrou marcada hipertrofia ventricular direita, e em alguns traçados houve inversão das ondas T nos eletrodos torácicos, presumivelmente indicando hipóxia miocárdica grave (Milledge, 1963). As medidas da função neuropsicométrica foram feitas por meio da triagem do cartão, e verificou-se que a taxa de triagem foi reduzida, mas que com o aumento da concentração os sujeitos podiam triar sem erros. Houve uma perda de peso severa e implacável em todos os membros da expedição enquanto viviam a 5.800 m, sendo a taxa entre 0,5 e 1,5 Kg/semana. A impressão geral era que não seria possível às pessoas viverem indefinidamente a esta altitude muito elevada (Pugh, 1962).

American Medical Research Expedition to Everest

Como já foi referido acima, o objectivo desta expedição era esclarecer como os humanos podem tolerar a hipoxia da altitude mais elevada do mundo. Notavelmente, alguns meses antes da expedição, dois alpinistas europeus chegaram ao cume do Monte Evereste pela primeira vez sem utilizar oxigénio suplementar. Este feito surpreendeu muitos fisiologistas, e levantou muitas questões sobre como poderia ser feito.

O programa de pesquisa foi muito extenso, e apenas um breve resumo pode ser dado aqui. As medições foram feitas no campo base, altitude 5.400 m, e no campo base avançado, altitude 6.300 m, e no campo mais alto, 8.050 m. Também esperávamos obter algumas medidas no cume do Everest, embora isto fosse muito ambicioso. Na verdade, quando olhamos para trás nas seis expedições anteriores à nossa, nem uma delas chegou ao cume. Se o tempo está mau, esqueça, e um fator crítico é se um número suficiente de membros da expedição continua em forma apesar da altitude extrema.

No acampamento base, medimos a resposta ventilatória à hipoxia, ou seja, até que ponto a respiração aumenta quando o sujeito é exposto a uma mistura de oxigênio de baixa inspiração. Os resultados foram impressionantes. Verificou-se que o escalador que chegou ao cume primeiro teve a resposta mais alta, o que chegou ao cume segundo teve a resposta seguinte, e o escalador que chegou ao cume terceiro teve a terceira resposta mais alta (Schoene et al., 1984). Isto deve ser em parte por acaso, mas certamente sugeriu que havia uma ligação entre a medida em que os alpinistas aumentavam sua ventilação, e sua tolerância à altitude extrema. A razão para isso ficará mais clara abaixo.

Foi realizado um grande número de estudos no campo base avançado, mas apenas um, um estudo neuropsicométrico, será resumido aqui. É sabido que o cérebro e o sistema nervoso central são muito sensíveis à hipoxia. Por exemplo, se alguém cai numa piscina e é resgatado 5 ou 10 minutos depois, pode ser reanimado com sucesso, mas o sistema nervoso central nunca se recupera completamente. Portanto, não foi surpreendente que pudéssemos mostrar mudanças em medidas como memória de curto prazo e habilidade de manipulação (como determinado a partir de um teste de toque de dedo) nas altitudes muito altas. Isto não foi inesperado. No entanto, quando a expedição regressou ao nível do mar, verificou-se que duas das medições permaneciam anormais. Estas foram a memória de curto prazo e o teste de toque de dedos (Townes et al., 1984). Ficou claro, portanto, que qualquer pessoa que voltasse dessas altitudes extremas provavelmente teria algum comprometimento residual do sistema nervoso central. Nós fomos um dos primeiros grupos a mostrar isto, mas isto foi confirmado muitas vezes desde.

Alguns dos achados mais interessantes foram os do cume. Tínhamos projetado e construído um dispositivo especial que permitia ao escalador coletar o último gás expirado após uma expiração máxima, ou seja, uma amostra de gás alveolar. Mais de 34 amostras, incluindo quatro do cume, foram trazidas de volta à UC San Diego em latas estanques a gás. Quando o PCO2 alveolar foi plotado contra a pressão barométrica que caiu com o aumento da altitude, descobriu-se que o PCO2 no cume era de 7-8 mm Hg. Este era um valor quase inacreditavelmente baixo já que o valor do nível do mar é de cerca de 40 mm Hg. Este valor extremamente baixo enfatiza o enorme aumento da ventilação alveolar que é necessária nestas altitudes extremas (West et al., 1983).

Quando tanto o PO2 alveolar como o PCO2 foram plotados contra a pressão barométrica, e surgiu uma imagem interessante (Figura 1). Tanto o PO2 quanto o PCO2 caíram à medida que a altitude aumentava. A queda no PO2 ocorreu devido à redução do ar ao redor da trepadeira, como resultado da redução da pressão barométrica. A queda no PCO2 foi causada apenas pela hiperventilação do trepador. Aconteceu que quando a altitude excedeu cerca de 7000 m, não houve mais queda no PO2 alveolar. A figura mostra que esta é defendida a um nível de cerca de 35 mm Hg. Por outras palavras, para sobreviver nestas enormes altitudes, é necessário montar uma ventilação alveolar que faça descer o PCO2 até cerca de 8 mmHg e assim preservar o PO2 alveolar no nível muito baixo mas viável de cerca de 35 mm Hg. Isto explica porque nas medidas da resposta ventilatória à hipoxia referidas anteriormente, houve uma correlação entre a magnitude da resposta e a tolerância do alpinista à altitude extrema. Se você não for capaz de montar um grau de hiperventilação que seja suficiente para conduzir o PCO2 alveolar para cerca de 7-8 mm Hg você não pode manter um nível viável de PO2 no gás alveolar. Assim, a hiperventilação extrema é uma das características mais importantes da resposta fisiológica a altitudes extremamente elevadas.

Figura 1. Valores do PO2 e PCO2 no gás alveolar dos escaladores à medida que sobem do nível do mar (superior direito) até ao cume do Evereste (inferior esquerdo). O PO2 cai por causa da redução da pressão barométrica. O PCO2 cai devido ao aumento da ventilação alveolar. Acima de uma altitude correspondente a um PCO2 de cerca de 20 mm Hg (cerca de 7000 m), não há mais queda no PO2. Em outras palavras, esta é defendida a cerca de 35 mmHg. Isto só pode ser feito se o PCO2 for continuamente reduzido ainda mais por hiperventilação extrema à medida que a altitude aumenta. Modificado de Rahn e Otis (1949) e West et al. (1983).

O PCO2 alveolar extremamente baixo suscita a questão do que aconteceu com o pH arterial. É razoável supor que o PCO2 arterial e alveolar são o mesmo. Felizmente, dois dos escaladores tomaram sangue venoso um do outro na manhã seguinte à sua subida bem sucedida ao cume, e os valores do excesso de base puderam, portanto, ser medidos. Quando estes valores foram introduzidos na equação de Henderson-Hasselbalch, o pH arterial resultante estava entre 7,7 e 7,8. Este é um grau extremo de alcalose respiratória.

Uma questão interessante é porque o rim não eliminou o bicarbonato para desenvolver uma compensação metabólica para esta alcalose extrema e assim aproximar o pH do normal. Esta é a resposta usual se uma alcalose respiratória é gerada, por exemplo, por hiperventilação, como às vezes ocorre durante a histeria. A razão para a ausência de compensação metabólica não é completamente compreendida, mas uma possibilidade é que estes escaladores foram provavelmente severamente esvaziados em volume. Esta é uma característica comum da subida a grande altitude e, por exemplo, os alpinistas que se encontravam no acampamento base avançado aos 6300 m mostraram evidência de esgotamento crónico do volume. Um fator responsável na altitude extrema é presumivelmente a enorme hiperventilação, mas a sede também é prejudicada.

As consequências fisiológicas da alcalose grave são interessantes. Outros estudos mostraram que uma maior afinidade com o oxigênio da hemoglobina aumenta a sobrevivência em um ambiente hipóxico. Muitos anos atrás, foi mostrado que mamíferos como a vicunha e a lhama nos Andes sul-americanos têm uma maior afinidade com o oxigênio (ou seja, eles tinham uma curva de dissociação de oxigênio deslocada à esquerda) em comparação com os mamíferos que vivem ao nível do mar (Hall, 1937). Assim, escaladores em altitudes muito elevadas têm a mesma resposta.

Também é verdade que se você olhar geralmente em todo o reino animal para organismos que vivem em um ambiente hipóxico, muitos deles desenvolveram um aumento da afinidade com o oxigênio da hemoglobina. Um dos melhores exemplos é o feto humano que, devido a uma diferença na sequência de aminoácidos da hemoglobina, tem um aumento acentuado da afinidade com o oxigénio P50 de cerca de 19 mm Hg em comparação com o de cerca de 27 para um adulto. O feto humano tem hipoxemia grave por padrões adultos com um PO2 na aorta descendente de cerca de 22 mm Hg que é ainda mais baixo que o de um trepador no cume do Everest. É realmente fascinante que o trepador bem sucedido tenha a vantagem de uma maior afinidade com o oxigênio da hemoglobina. Isto auxilia na carga de oxigénio no capilar pulmonar. Pode-se argumentar que também interfere com a descarga de oxigênio na periferia do corpo, mas estudos têm mostrado que a vantagem da carga no pulmão é maior do que a desvantagem da descarga nos tecidos periféricos.

Uma questão interessante é qual é o consumo máximo de oxigênio de um escalador no cume. Como indicado anteriormente, medições anteriores feitas em altitude extrema durante a expedição Silver Hut sugeriram que todo o oxigênio disponível no cume seria necessário para a atualização do oxigênio basal, ou seja, para manter o coração bombeando e o cérebro ativo. Era impossível colocar um cicloergômetro no cume. No entanto, pegamos alpinistas que estavam muito bem aclimatados e os fizemos pedalar no máximo a uma altitude de 6300 m enquanto respirávamos 14% de oxigênio. Isto deu-lhes o mesmo PO2 inspirado que no cume. O nível de absorção de oxigénio nestas condições era de cerca de 1 L/min, o que é um consumo máximo de oxigénio miseravelmente baixo, e equivale a alguém que caminha lentamente no nível. Entretanto, aparentemente é suficiente para permitir que um alpinista alcance o cume.

Contribuições do Autor

JW redigiu o manuscrito, leu e aprovou a versão submetida.

Conflict of Interest Statement

O autor declara que a pesquisa foi conduzida na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.