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Sistema Respiratório e Hematose Objetivos: 1. Descrever a formação do sistema respiratório (maturação pulmonar - características celular e histológica) 2. Entender a formação e função de surfactante 3. Entender o processo de hematose 4. Compreender como ocorre a ligação entre os gases e a hemoglobina (saturação e pressão) 5. Apontar o envenenamento por CO Formação dos brotos pulmonares Quando o embrião tem aproximadamente 4 semanas, surge o divertículo respiratório (broto pulmonar), uma protuberância na parede ventral do intestino anterior. (embrião com aproximadamente 25 dias) O aparecimento e a localização do broto pulmonar dependem do aumento do ácido retinóico (AR) produzido pelo mesoderma adjacente, que eleva a expressão do fator de transcrição TBX4 no endoderma do tubo intestinal no local do divertículo respiratório. TBX4 induz a formação do broto, a continuidade de seu crescimento e a diferenciação dos pulmões. Assim, o epitélio do revestimento interno da laringe, da traqueia e dos brônquios, bem como o do pulmão, são integralmente de origem endodérmica. Os tecidos cartilaginosos muscular e conjuntivo, que compõem a traquéia e os pulmões, são derivados do mesoderma esplâncnico que cerca o intestino anterior. Inicialmente, o broto pulmonar está em comunicação aberta com o intestino anterior (Figura 14.1B). Entretanto, quando o divertículo se expande caudalmente, duas pregas longitudinais, as pregas traqueoesofágicas, separam-no do intestino (Figura 14.2A). Subsequentemente, quando essas pregas se fusionam para formar o septo traqueoesofágico, o intestino anterior é dividido em uma porção anterior, o esôfago, e em uma porção ventral, a traquéia e os brotos pulmonares Yasmin Ayana 야스민 아야나 (Figura 14.2B e C). O primórdio respiratório mantém sua comunicação com a faringe pelo orifício faríngeo. Região ventral: anterior a uma estrutura anatômica. Correlações Clínicas (vários tipos de atresia esofágica e/ou FTE) As anomalias na divisão do esôfago e da traquéia pelo septo traqueoesofágico resultam em atresia esofágica associada ou não a fístulas traqueoesofágicas (FTEs). Essas anomalias ocorrem em aproximadamente 1/3.000 nascimentos, e 90% deles resultam na porção superior do esôfago terminando em fundo cego e no segmento inferior, formando uma fístula com a traqueia (Figura 14.3A). Essas anomalias estão associadas a outros defeitos congênitos, incluindo anomalias cardíacas, que ocorrem em 33% desses casos. Nesse aspecto, as FTEs são componentes da associação VACTERL (anomalias vertebrais, atresia anal, defeitos cardíacos, fístula traqueoesofágica, atresia esofágica, anomalias renais e defeitos nos membros [limbs em inglês]), um conjunto de defeitos de causa desconhecida, mas que ocorrem mais frequentemente do que poderia ser atribuído ao acaso. Uma complicação de algumas FTE é o polidrâmnio, visto que, em alguns tipos de FTE, o líquido amniótico engolido não passa para o estômago e para os intestinos. Além disso, o conteúdo gástrico e/ou o líquido amniótico no nascimento podem entrar na traqueia por meio de fístula, causando pneumonite e pneumonia. Faringe Mesênquima: tecido mesodérmico embrionário dos vertebrados, pouco diferenciado, que origina os tecidos conjuntivos no adulto. Os arcos faríngeos não apenas originam estruturas faríngeas, como também estruturas cervicais e cranianas. Cada arco é composto por um cerne de tecido mesenquimal, coberto externamente por ectoderma superficial e internamente por epitélio de origem endodérmica. Os componentes musculares da faringe são derivados do III arco faríngeo ao VI arco faríngeo. Laringe O revestimento interno da laringe se origina no endoderma, mas as cartilagens e os músculos têm origem no mesênquima do quarto e sexto arcos faríngeos (estruturas precursoras da face e do pescoço). Yasmin Ayana 야스민 아야나 Como resultado da rápida proliferação desse mesênquima, o orifício laríngeo muda de aparência, de uma fenda sagital para uma abertura em formato de “T”. Subsequentemente, quando o mesênquima dos dois arcos se transforma nas cartilagens tireóidea, cricóidea e aritenóidea, o formato característico do orifício laríngeo no adulto pode ser reconhecido. O epitélio laríngeo também prolifera rapidamente, resultando em oclusão temporária do lúmen. A vacuolização e a recanalização produzem um par de recessos laterais, os ventrículos laríngeos. Esses recessos são limitados por pregas teciduais que se diferenciam em pregas vocais falsas e verdadeiras. Uma vez que a musculatura da laringe é derivada do mesênquima do quarto e sexto arcos faríngeos, todos os músculos laríngeos são inervados por ramos do décimo nervo craniano, o nervo vago; o nervo laríngeo superior inerva os derivados do quarto arco faríngeo, e o nervo laríngeo recorrente (Voz), os derivados do sexto arco faríngeo. Traqueia, brônquios e pulmões Durante a separação do intestino anterior, o broto pulmonar forma a traqueia e duas evaginações laterais, os brotos brônquicos (Figura 14.2B e C). No início da quinta semana, cada um desses brotos se alarga para formar os brônquios principais direito e esquerdo. O brônquio principal direito constitui três brônquios secundários, e o brônquio principal esquerdo forma dois (Figura 14.5A), prenunciando, assim, os três lobos do pulmão no lado direito e os dois no lado esquerdo. Com o crescimento subsequente nos sentidos caudal e lateral, os brotos pulmonares se expandem para a cavidade corporal (Figura 14.6). Os espaços para os pulmões, os canais pericardioperitoneais, são estreitos. Eles se encontram de cada lado do intestino anterior e gradualmente são preenchidos pelos brotos pulmonares em expansão. Finalmente, as pregas pleuroperitoneais e pleuropericárdicas separam os canais pericardioperitoneais das cavidades peritoneal e pericárdica, respectivamente, e os espaços restantes formam as cavidades pleurais primitivas (ver Capítulo 7). O mesoderma, que cobre o exterior dos pulmões, torna-se a pleura visceral. A camada de mesoderma somático, que cobre a superfície interna da parede corporal, torna-se a pleura parietal (Figura 14.6A). O espaço entre a pleura parietal e a visceral é a cavidade pleural. Yasmin Ayana 야스민 아야나 Com a continuação do desenvolvimento, os brônquios secundários se dividem repetidamente de modo dicotomizado, formando dez brônquios terciários (segmentares) no pulmão direito e oito no lado esquerdo, criando os segmentos broncopulmonares do pulmão adulto. Até o final do sexto mês, estabeleceram-se aproximadamente 17 gerações de subdivisões. A ramificação é regulada por interações epitélio mesenquimais entre o endoderma dos brotos pulmonares e o mesoderma esplâncnico que o cerca. Os sinais para a ramificação, que são emitidos do mesoderma, envolvem os membros da família do fator de crescimento de fibroblasto. Enquanto todas essas novas subdivisões estão ocorrendo e a árvore brônquica está se desenvolvendo, os pulmões adotam uma posição mais caudal, de modo que, no nascimento, a bifurcação da traquéia é oposta à quarta vértebra torácica. Maturação dos Pulmões Período Pseudoglandular 5 a 16 semanas. A ramificação continua a formar bronquíolos terminais. Não há bronquíolos respiratórios nem alvéolos. Período Canalicular 16 a 26 semanas. Até o sétimo mês pré-natal, os bronquíolos se dividem continuamente em um número maior de canais cada vez menores (fase canalicular), enquanto o suprimento vascular aumenta constantemente. Os bronquíolos terminais se dividem para formar os bronquíolos respiratórios, e cada um deles se divide em três a seis ductos alveolares. Período do Saco Terminal 26 semanas até o nascimento. Os ductos terminam nos sacos terminais (alvéolos primitivos), que são cercados por células alveolaresachatadas em contato próximo com os capilares vizinhos. No final do sétimo mês, há quantidade suficiente de sacos alveolares e de capilares maduros para garantir uma troca gasosa adequada, e o prematuro consegue sobreviver. Durante os últimos 2 meses da vida pré-natal e por alguns anos após o nascimento, a quantidade de sacos terminais aumenta gradualmente. Período Alveolar 8 meses até a infância. Os alvéolos maduros apresentam contatos epitélio endoteliais (capilares) bem desenvolvidos. Além disso, as células que revestem os sacos, conhecidas como células alveolares epiteliais do tipo I, tornam-se mais achatadas, de modo que os capilares circunjacentes se projetam para os sacos alveolares. Esse contato entre as células epitelial e endotelial forma a barreira sangue-ar. Não existem alvéolos maduros antes do nascimento. Além das células endoteliais e das células alveolares epiteliais achatadas, outro tipo celular se desenvolve no final do sexto mês. Essas células, as células alveolares epiteliais do tipo II, produzem surfactante, um líquido rico em fosfolipídios que diminui a tensão superficial na interface ar-alvéolo. Antes do nascimento, os pulmões estão cheios de líquido que contém alta concentração de cloreto, pouca proteína, Yasmin Ayana 야스민 아야나 algum muco das glândulas brônquicas e surfactante das células alveolares epiteliais (tipo II). A concentração de surfactante no líquido aumenta, particularmente durante as duas últimas semanas antes do nascimento. (desenvolvimento histológico e funcional do pulmão) (tecido pulmonar de um recém-nascido) Epitélio pavimentoso = células alveolares epiteliais do tipo I. Quando o pulmão do bebê está pronto, ele libera o chamado surfactante pulmonar. Essa substância é uma lipoproteína que vai para a corrente sanguínea materna através. Ela “avisa” que o trabalho de parto já pode começar. Isso porque, conforme as concentrações de surfactante aumentam durante a 34ª semana de gestação, alguns desses fosfolipídios entram no líquido amniótico e agem sobre os macrófagos na cavidade amniótica. Uma vez que tenham sido “ativados”, há evidências de que esses macrófagos migram através do cório para o útero, onde começam a produzir proteínas do sistema imunológico, incluindo a interleucina-1b (IL-1b). O aumento da expressão dessas proteínas resulta no aumento da produção de prostaglandinas, que causam as contrações uterinas. Assim, pode ser que sinais do feto precipitem o início do trabalho de parto e o nascimento. Os movimentos respiratórios fetais começam antes do nascimento e causam a aspiração de líquido amniótico. Esses movimentos são importantes para a estimulação do desenvolvimento pulmonar e para o condicionamento dos músculos respiratórios. Quando a respiração começa no nascimento, a maior parte do líquido nos pulmões é absorvida rapidamente pelo sangue e pelos capilares linfáticos, e um pequeno volume provavelmente é expelido pela traqueia e pelos brônquios durante o parto. Os movimentos respiratórios após o parto levam ar até os pulmões (surfactante), que se expandem e preenchem a cavidade pleural. Embora os alvéolos aumentem de tamanho, o crescimento dos pulmões após o nascimento decorre principalmente do aumento do número de bronquíolos respiratórios e de alvéolos. Estima-se que por ocasião do nascimento exista apenas um sexto dos alvéolos encontrados no adulto. Os alvéolos remanescentes se constituem durante os primeiros 10 anos da vida pós-natal pela formação contínua de novos alvéolos primitivos. O surfactante é produzido no pneumócito tipo II. Os fosfolipídeos e as proteínas SP-B e SP-C são sintetizados no retículo endoplasmático rugoso, onde são armazenados inicialmente, no complexo de Golgi, e, posteriormente, nos corpos lamelares. Yasmin Ayana 야스민 아야나 Correlações Clínicas A ausência ou a concentração insuficiente de surfactante no prematuro causa a síndrome da angústia respiratória do recém-nascido (SARRN), uma causa comum de morte em prematuros dado o colapso dos alvéolos primitivos (doença da membrana hialina). Responsável por aproximadamente 20% das mortes de recém-nascidos. O tratamento dos prematuros com surfactante artificial, bem como o tratamento das gestantes em trabalho de parto prematuro com glicocorticóides para estimular a produção de surfactante, reduziram a taxa de mortalidade associada à SARRN. Sobre o pulmão e a árvore brônquica, as divisões anormais da árvore brônquica são mais comuns; algumas resultam em lóbulos supranumerários. Essas variações da árvore brônquica têm pouca importância funcional, mas podem causar dificuldades inesperadas durante broncoscopias. Mais interessantes são os lobos pulmonares ectópicos, que surgem da traqueia ou do esôfago. Acredita-se que eles sejam formados a partir de brotos respiratórios adicionais do intestino anterior, que se desenvolveram independentemente do sistema respiratório principal. Os cistos pulmonares congênitos são mais importantes clinicamente. Eles são formados pela dilatação de brônquios terminais ou de brônquios maiores. Esses cistos podem ser pequenos e múltiplos, dando ao pulmão uma aparência de favo de mel na radiografia; ou podem estar restritos a um cisto maior ou uma de um. As estruturas císticas do pulmão em geral são pouco drenadas e frequentemente causam infecções crônicas. Troca Gasosa (hematose) Depois que os alvéolos são ventilados com ar atmosférico, a próxima etapa é a difusão de oxigênio e dióxido de carbono através da membrana respiratória. Entretanto, na fisiologia respiratória, enfoca-se não só o mecanismo básico pelo qual a difusão (simples) ocorre, mas também a intensidade em que ocorre. Para que ocorra difusão, é preciso haver fonte de energia. Essa fonte de energia é provida pelo movimento cinético das próprias moléculas. Exceto na temperatura do zero absoluto, todas as moléculas de toda a matéria estão continuamente em movimento. A difusão efetiva do gás ocorre da área de alta concentração para a área de baixa concentração. A pressão é causada por múltiplos impactos de moléculas em movimento contra uma superfície. Portanto, a pressão do gás nas superfícies das vias respiratórias e dos alvéolos é proporcional à soma das forças de impacto de todas as moléculas daquele gás que atingem a superfície em determinado instante. Isso significa que a pressão é diretamente proporcional à concentração das moléculas de gás. Desse modo, a “pressão parcial” do nitrogênio, na mistura, é de 600 mmHg, e a “pressão parcial” do O2 é de 160 mmHg; a pressão total é de 760 mmHg, a soma das pressões parciais individuais. As pressões parciais de gases individuais em mistura são designadas pelos símbolos Po2, Pco2, Pn2, Phe, e assim por diante. Yasmin Ayana 야스민 아야나 Diferença de Pressão e Difusão Agora voltaremos ao problema da difusão. A partir da discussão precedente, fica claro que, quando a pressão parcial do gás é maior em uma área do que em outra, haverá difusão efetiva da área de alta pressão para a área de baixa pressão. Portanto, a difusão efetiva do gás da área de alta pressão para a área de baixa pressão é igual ao número de moléculas que se move nessa direção menos o número de moléculas que se move na direção oposta, que é proporcional à diferença da pressão parcial do gás entre as duas áreas, denominada, simplesmente, diferença de pressão que causa difusão. Membrana Respiratória (pulmonar) Além disso, a troca gasosa entre o ar alveolar e o sangue pulmonar se dá através das membranas de todas as porções terminais dos pulmões, e não apenas nos alvéolos. A Figura abaixo mostra a ultraestrutura da membrana respiratória, desenhada em corte transversal à esquerda e hemácia à direita. A figura mostra, ainda, a difusão de oxigênio dos alvéolospara a hemácia e a difusão de CO2 na direção oposta. Observe as diferentes camadas da membrana respiratória: Fatores da Intensidade da Difusão Os fatores que determinam a rapidez com que um gás atravessará a membrana são (1) a espessura da membrana (edema, fibrose); (2) a área superficial da membrana; (3) o coeficiente de difusão do gás na substância da membrana; e (4) a diferença de pressão parcial do gás entre os dois lados da membrana. Na medida em que a difusão através da membrana é inversamente proporcional à espessura da membrana, qualquer fator que aumente a espessura por mais de 2 a 3 vezes da normal pode interferir, significativamente, na troca respiratória normal de gases. (edema, fibrose) A área da superfície da membrana respiratória pode ser bastante reduzida em decorrência de diversas condições. Por exemplo, a remoção total de um pulmão diminui a área da superfície total à metade do normal.Quando a área da superfície total diminui até cerca de um terço a um quarto da normal, a troca gasosa através da membrana fica Yasmin Ayana 야스민 아야나 substancialmente comprometida, até mesmo sob condições de repouso, e durante esportes de competição e outros exercícios vigorosos, até mesmo ligeira redução da área da superfície dos pulmões pode representar sério comprometimento da troca respiratória dos gases. O coeficiente de difusão da transferência de cada gás, através da membrana respiratória, depende da solubilidade do gás na membrana e, inversamente, da raiz quadrada do peso molecular do gás. A difusão pela membrana respiratória é quase exatamente a mesma da água, por razões já explicadas. Portanto, em determinada diferença de pressão, o CO2 se difunde cerca de 20 vezes mais rápido que o O2. A diferença de pressão através da membrana respiratória é a diferença entre a pressão parcial do gás nos alvéolos e a pressão parcial do gás no sangue dos capilares pulmonares (dos gases que tentam escapar do sangue). Portanto, a diferença entre essas duas pressões é medida da tendência efetiva das moléculas do gás em se moverem através da membrana. Quando a pressão parcial do gás nos alvéolos é maior do que a pressão do gás no sangue, como é o caso do O2, ocorre difusão efetiva dos alvéolos para o sangue; quando a pressão do gás no sangue é maior do que a pressão parcial nos alvéolos, como é o caso do CO2, ocorre difusão efetiva do sangue para os alvéolos. Capacidade de Difusão na Membrana É definida como o volume de gás que se difundirá através da membrana a cada minuto, para a diferença de pressão parcial de 1 mmHg. A capacidade de difusão do CO2 nunca foi medida porque o CO2 se difunde através da membrana respiratória tão rapidamente que a Pco2 média no sangue pulmonar não difere muito da Pco2 nos alvéolos (diferença média inferior a 1 mmHg). Durante exercício vigoroso ou em outras condições que aumentem muito o fluxo de sangue pulmonar e a ventilação alveolar, a capacidade de difusão do O2 aumenta no homem jovem. A pressão do CO no sangue é essencialmente zero porque a hemoglobina se combina com esse gás tão rapidamente que sua pressão nunca tem tempo de se estabelecer. Portanto, a diferença de pressão do CO pela membrana respiratória é igual à sua pressão parcial na amostra de ar alveolar. Transporte de O2 O O2 se difunde dos alvéolos para o sangue dos capilares pulmonares porque a pressão parcial do O2 (Po2) nos alvéolos é maior do que a Po2 no sangue capilar pulmonar. Nos outros tecidos do corpo, a Po2 maior no sangue capilar do que nos tecidos faz com que o O2 se difunda para as células adjacentes. Por outro lado, quando o O2 é metabolizado pelas células formando CO2, a pressão intracelular do CO2 (Pco2) aumenta para valor elevado, o que faz com que o CO2 se difunda para os capilares teciduais. Esse fluxo de sangue é denominado “fluxo da derivação”, significando que o sangue é desviado para fora das áreas de Yasmin Ayana 야스민 아야나 trocas gasosas. Ao deixar os pulmões, a Po2 do sangue da derivação fica em torno da Po2 do sangue venoso sistêmico normal, aproximadamente, 40 mmHg. Difusão de CO2 Quando o O2 é usado pelas células, praticamente todo ele se torna CO2, o que aumenta a Pco2 intracelular. Devido a essa Pco2 elevada das células teciduais, o CO2 se difunde das células para os capilares e é, então, transportado pelo sangue para os pulmões. Nos pulmões, ele se difunde dos capilares pulmonares para os alvéolos, onde é expirado. O papel da hemoglobina Sob condições normais, o O2 é transportado para os tecidos quase inteiramente pela hemoglobina. Quando a Po2 é alta, como nos capilares pulmonares, o O2 se liga à hemoglobina, mas quando a Po2 é baixa, como nos capilares teciduais, o O2 é liberado da hemoglobina. Essa é a base de quase todo transporte de O2 dos pulmões para os tecidos. A figura abaixo mostra a curva de dissociação oxigênio-hemoglobina, que apresenta aumento progressivo da porcentagem de hemoglobina ligada ao O2, à medida que a Po2 do sangue se eleva, o que é denominado percentual de saturação de hemoglobina. Embora a hemoglobina seja necessária para o transporte de O2 aos tecidos, ela desempenha outra função essencial à vida. É sua função como um sistema “tampão de O2 tecidual”, ou seja, a hemoglobina no sangue é basicamente responsável por estabilizar a Po2 nos tecidos. Fatores que desviam a curva saturação Além das variações do pH, sabe-se que vários outros fatores alteram a curva. Três deles, todos deslocando a curva para a direita, são (1) maior concentração de CO2; (2) aumento da temperatura corporal; e (3) aumento do 2,3-bifosfoglicerato (BPG), composto fosfatídico metabolicamente importante presente no sangue em diferentes concentrações, sob diferentes condições metabólicas. Portanto, sob determinadas condições, o mecanismo do BPG pode ser importante para a adaptação à hipóxia, especialmente, a hipóxia causada por fluxo sanguíneo tecidual deficiente. O efeito bohr Yasmin Ayana 야스민 아야나 Aumento de CO2 e dos íons de hidrogênio no sangue aumentam a intensidade de oxigenação. Sob condições funcionais normais, a utilização de O2 pelas células é controlada basicamente pelo consumo de energia pelas células — ou seja, pela intensidade ou velocidade com que o ADP é formado a partir do ATP. Transporte de CO2 O dióxido de carbono pode ser dissolvido de modo que se encontre na forma de íon bicarbonato (HCO3). Efeito Tampão. A proporção do débito de CO2 em relação à captação de O2 é denominada proporção de trocas respiratórias (R) também chamado quociente respiratório. Ou seja, Monóxido de Carbono: Assassino Furtivo O monóxido de carbono (CO), gás incolor e inodoro, é responsável por mais da metade das mortes anuais por envenenamento no mundo. Tem uma afinidade pela hemoglobina 250 vezes maior do que a do oxigênio. Em consequência, níveis relativamente baixos de CO podem ter efeitos substanciais e trágicos. O complexo formado pela ligação do CO à hemoglobina é chamado de carboxiemoglobina, ou COHb. Motores e exaustores de caldeiras são fontes importantes, já que o CO é um subproduto da combustão incompleta de combustíveis fósseis. Morte por asfixia. A forte ligação do CO à hemoglobina indica que a COHb pode acumular-se ao longo do tempo, quando as pessoas são expostas a uma fonte constante e de baixo nível de CO. Sintomas de Intoxicação por CO Geralmente acompanhada por náusea, tontura, confusão, desorientação e alguns distúrbios visuais; esses sintomas costumam ser reversíveis pelo tratamento com oxigênio. A ligação do CO à hemoglobina é afetada por muitos fatores, incluindo exercício e mudanças na pressão atmosférica relacionadas com a altitude. Devido aos seus níveis basais de COHb mais altos, os fumantes expostos a uma fonte de CO com frequênciaapresentam sintomas mais rapidamente do que os não fumantes. Na suspeita de envenenamento por CO, é essencial que a pessoa seja levada para longe da fonte do gás, mas isso nem sempre resulta em recuperação rápida. Quando um indivíduo é removido de um local poluído com CO para uma atmosfera normal, o O2 começa a substituir o CO na hemoglobina – mas os níveis de COHb diminuem muito lentamente, pois a meia-vida é de 2 a 6,5 horas, dependendo dos fatores ambientais. Porém, se forem administrados, por meio de uma máscara, 100% de oxigênio a uma pressão de 3 atm (303 kPa), a velocidade de troca pode ser aumentada em quatro vezes, e a meia-vida para a troca O2-CO pode ser reduzida para algumas dezenas de minutos. Assim, o tratamento rápido do por uma equipe médica adequadamente equipada é fundamental. Referências Bibliográficas SADLER, Thomas W.. Langman. Embriologia Médica, 13ª edição. Guanabara Koogan, 2016. Cap. 14. GUYTON, A.C. e Hall J.E.– Tratado de Fisiologia Médica. Editora Elsevier. 13ª ed., 2017. Cap. 40 e 41. LEHNINGER, T.M., NELSON, D.L. & COX, M.M. Princípios de Bioquímica. 6ª edição, 2014. Ed. Artmed. Cap. 5. Yasmin Ayana 야스민 아야나 Faculdade de Medicina de Garanhuns Contato para monitoria (instagram): @autora_yaxa Yasmin Ayana 야스민 아야나
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