O que é tensão superficial e qual a sua importância para a respiração?

Anatomia do Sistema Respiratório Envolvido na Ventilação

A ventilação, ou respiração, envolve a ação e os movimentos das estruturas encontradas no pescoço e na cavidade torácica pertencentes aos sistemas pulmonar, musculoesquelético e cardíaco.

• Zona de condução:
  • Função:
    • Fornece um canal para o fluxo de ar para os pulmões
    • Humidifica e aquece o ar que entra
  • Estruturas:
    • Faringe
    • Laringe
    • Traqueia
    • Brônquios principais direito e esquerdo
    • Bronquíolos
• Zona respiratória:
  • Função: local onde ocorrem as trocas gasosas
  • Estruturas:
    • Bronquíolos respiratórios
    • Alvéolos
• Componentes musculoesqueléticos:
  • Função:
    • Fornecer uma estrutura robusta para os pulmões
    • Gerar forças mecânicas necessárias para a respiração
  • Estruturas:
    • Caixa torácica
    • Músculos respiratórios: diafragma, intercostais externos, porções dos intercostais internos
    • Membranas pleurais
    • Cavidade pleural: espaço entre a pleura pulmonar e torácica

A anatomia do trato respiratório superior e estruturas adjacentes

A anatomia do trato respiratório inferior

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Relações de Pressão na Cavidade Torácica

• Pressão atmosférica (Patm):
  • Pressão exercida pelo ar ao redor do corpo
  • Ao nível do mar, a Patm é 760 mm Hg.
• Pressão respiratória:
  • Relativa à Patm
  • A pressão respiratória negativa é < Patm.
  • A pressão respiratória positiva é > Patm.
  • Pressão respiratória zero = Patm.
• Pressão intrapulmonar (intra-alveolar) (Ppul):
  • Pressão nos alvéolos
  • Flutua com a respiração
  • Equaliza-se sempre com a Patm
• Pressão intrapleural (Pip):
  • Pressão na cavidade pleural
  • Flutua com a respiração
  • É sempre uma pressão negativa
  • Pip é gerada por forças opostas:
    • 2 forças internas que promovem o colapso pulmonar (retração elástica dos pulmões e tensão superficial nos alvéolos)
    • 1 força externa (elasticidade da parede torácica a puxar o tórax para fora)
• Pressão transpulmonar (Ppul – Pip):
  • Mantém as vias aéreas abertas; os pulmões expandem-se assim que a pressão transpulmonar ↑
  • Se Pip ≥ Ppul, os pulmões entrarão em colapso.

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Inspiração e Expiração

A respiração consiste em 2 fases:

• Inspiração: fluxo de gases paraos pulmões
• Expiração: fluxo de gases para forados pulmões

Inspiração e expiração:

• Processos mecânicos causados pela contração dos músculos respiratórios
• Causam alterações de volume na cavidade torácica
• As mudanças de volume levam ao movimento do gás de acordo com a lei de Boyle (a pressão varia inversamente com o volume):
  • Mudanças de volume causam mudanças de pressão.
  • As mudanças de pressão fazem com que o fluxo de gases equalize a pressão.

Mudanças nas relações de pressão na cavidade torácica durante a respiração:
Durante a inspiração, os músculos movem-se para criar uma pressão intrapleural negativa (linha verde). Essa pressão negativa é transferida para os pulmões, tornando a pressão intrapulmonar mais negativa (linha azul) em relação à pressão atmosférica. O ar flui para os pulmões por esse gradiente de pressão, aumentando o volume respiratório (linha roxa). Com a expiração, o processo inverte-se, levando ao fluxo de ar para fora dos pulmões.

Diagrama a mostrar a mecânica da respiração
PA: Pressão alveolar

PB: Pressão brônquica

Ppl: Pressão pleural

Gráfico que mostra a pressão alveolar ao longo do ciclo respiratório:
Observar a necessidade de pressão negativa durante a inspiração para que o ar seja aspirado.

Inspiração

A inspiração é um processo ativo:

• Os músculos inspiratórios contraem-se, puxando a caixa torácica para fora, diminuindo a Pip e aumentando o volume torácico.
• As forças adesivas puxam a membrana pleural, que por sua vez puxa o parênquima pulmonar.
• Os pulmões alongam-se e o volume intrapulmonar ↑.
• Ppul cai, tornando-se menor que a Patm.
• O ar flui para os pulmões a favor do gradiente de pressão até que Ppul = Patm.

Expiração

A expiração (em repouso) é um processo passivo:

• Os músculos inspiratórios relaxam.
• Volume da cavidade torácica ↓ devido ao recolhimento elástico.
• Volume intrapulmonar ↓
• Ppul sobe acima da Patm.
• O ar flui para fora dos pulmões a favor do gradiente de pressão até que Ppul = Patm.
• Expiração forçada:
  • Processo ativo
  • Músculos expiratórios usados para ↓ volumes torácicos
  • ↑ Velocidade do fluxo de ar para fora dos pulmões

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Volumes e capacidades pulmonares

Volumes pulmonares

Os volumes pulmonares são volumes específicos de ar contidos por diferentes porções dos pulmões em pontos específicos do ciclo respiratório.

• Volume tidal/corrente (VT): volume de ar inspirado ou expirado a cada respiração em condições de repouso
• Volume residual (VR): volume de ar deixado nos pulmões após a expiração forçada
• Volume de reserva expiratório (VRE): volume de ar que pode ser expirado de forma forçada após a expiração normal do volume corrente
• Volume de reserva inspiratório (VRI): volume de ar que pode ser inalado de forma forçada após a inalação do volume corrente normal

Volumes e capacidades pulmonares

Capacidades pulmonares

As capacidades pulmonares são uma combinação de 2 ou mais volumes.

• Capacidade pulmonar total (CPT):
  • Volume máximo de ar contido nos pulmões após um esforço inspiratório máximo
  • CPT= VT + VR + VRE + VRI
• Capacidade vital (CV):
  • Volume máximo de ar que uma pessoa pode mover para dentro ou para fora dos pulmões
  • CV = VT + VRI + VRE
• Capacidade residual funcional (CRF):
  • Volume de ar remanescente nos pulmões após a expiração corrente
  • CRF = VRE + VR
• Capacidade inspiratória (CI):
  • Volume máximo de ar que pode ser inspirado após uma expiração normal
  • IC = TV + IRV

Espaço morto

O espaço morto é o ar que entra e sai dos pulmões, mas não chega a áreas onde as trocas gasosas podem ocorrer.

• Espaço morto anatómico: ar nas vias aéreas que não atinge os alvéolos ou bronquíolos respiratórios
• Espaço morto alveolar: ar nos alvéolos que não pode ser absorvido pela corrente sanguínea devido a doenças pulmonares ou limitações do fluxo sanguíneo
• Espaço morto total = espaço morto alveolar + espaço morto anatómico

Ventilação e Trabalho Respiratório

Ventilação

A ventilação é o processo de entrada e saída de ar.

• Ventilação por minuto (VE):
  • Volume de ar que entra e sai dos pulmões por minuto
  • VE = frequência respiratória expressa em respirações/minuto (Bf ) × volume corrente (VT)
• Ventilação alveolar (VA):
  • Volume de ar que atinge os alvéolos por minuto e está disponível para as trocas gasosas
  • VA = Bf × (TV – espaço morto total)

“Trabalho de respiração”

O trabalho respiratório é a quantidade de energia que uma pessoa precisa para respirar.

• Trabalho elástico: feito para superar a retração elástica da parede torácica e do parênquima pulmonar e a tensão superficial dos alvéolos
• Trabalho de resistência: feito para superar a resistência das vias aéreas e tecidos

Trabalho de respiração num pulmão saudável:
A pressão pode ser vista no eixo x e o volume em litros no eixo y. A ordem na inpiração é AECBA. A ordem na expiração é ABCFA.

O trabalho respiratório total é composto pelo trabalho elástico e não elástico dentro dos pulmões:
A frequência respiratória é vista no eixo dos x e o trabalho mecânico é visto no eixo dos y. A frequência respiratória de um indivíduo corresponderá à menor quantidade de trabalho necessária para respirar. A linha tracejada mostra a relação entre a menor quantidade de trabalho total e a sua frequência respiratória correspondente na maioria dos indivíduos (< 25 respirações por minuto). Uma pessoa com doença pulmonar restritiva teria a linha deslocada para a direita.

Trabalho respiratório num pulmão normal (esquerda) comparado com um pulmão com doença pulmonar obstrutiva (direita):
Como o fluxo de ar está obstruído, a pessoa tem que fazer um grande trabalho para inspirar e um trabalho ainda maior para expirar (expelir) o ar.

Trabalho respiratório num pulmão normal (esquerda) comparado com um pulmão com doença pulmonar restritiva (direita):
Como a sua complacência está diminuída, o pulmão restritivo requer mais pressão negativa para ser insuflado, aumentando assim a quantidade de trabalho necessária para respirar.

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Fatores que Influenciam a Ventilação Pulmonar

Além das pressões que a musculatura torácica é capaz de criar, a ventilação é limitada pelas propriedades físicas das estruturas dos pulmões. As propriedades físicas mais importantes a serem levadas em consideração são:

• A resistência das vias aéreas
• A complacência do tecido pulmonar
• A tensão superficial dos alvéolos

Resistência

• Definição:
  • Resistência: força que se opõe ao fluxo (neste caso do ar)
  • Lei de Poiseuille: O fluxo de ar é inversamente proporcional à resistência.
• Efeito no sistema pulmonar:
  • A resistência impede o fluxo de ar para os pulmões.
  • ↑ Resistência = ↑ energia necessária para inspirar.
  • As vias aéreas geram 80% de resistência.
  • O diâmetro da via aérea é inversamente proporcional à resistência que ela produz.
• Implicações fisiológicas:
  • Em pacientes saudáveis, a resistência é insignificante, pois o diâmetro total das vias aéreas é grande:
    • Grandes diâmetros das vias aéreas no início da zona de condução
    • As vias aéreas menores mantêm uma área transversal total alta porque são muitas.
    • A resistência desaparece no bronquíolo terminal → a difusão impulsiona as trocas gasosas
  • Em certas doenças, ↓ diâmetro total das vias aéreas, ↑ resistência a superar para respirar:
    • Músculo liso das vias aéreas contrai-se (e.g., asma)
    • Obstrução mucosa das vias aéreas (e.g., doença pulmonar obstrutiva crónica (DPOC), bronquite, fibrose quística)
    • Obstrução de bronquíolos e alvéolos por material infecioso (e.g. pneumonia)

Gráfico que descreve a proporção inversa entre a resistência das vias aéreas e o número de vias aéreas:
A resistência diminui à medida que o número de vias aéreas aumenta. A lei de Poiseulle descreve essa relação (vista no canto superior esquerdo).

Gráfico que mostra mudanças normais no volume de ar

Gráfico que mostra as mudanças no volume de ar demonstradas por uma pessoa com doença pulmonar obstrutiva:
Observar como o aumento da resistência impede a saída de ar adequadamente cronometrada.

Tensão superficial alveolar

• Definição:
  • Propriedade derivada da adesão de moléculas de água
  • As moléculas de água aderem a outras moléculas de água.
  • Resiste a qualquer força que tende a ↑ a área de superfície do líquido
• Efeito no sistema pulmonar:
  • Ocorre nos alvéolos devido às moléculas de água dentro deles
  • Se não for controlado, impede que os alvéolos se estiquem durante a inspiração
• Implicações fisiológicas:
  • Surfactante ↓ a tensão superficial alveolar separando as moléculas de água umas das outras.
    • Os pneumócitos tipo II sintetizam surfactante pulmonar.
    • O surfactante pulmonar é composto por 85%–90% de fosfolípidos e moléculas anfipáticas
    • As extremidades polares ficam em contacto com a água e ↓ a tensão superficial.
  • Permite uma expansão mais fácil durante a inspiração e evita o colapso dos alvéolos durante a expiração
  • Qualquer coisa que destrua o surfactante pode causar doença pulmonar:
    • A falta de surfactante em prematuros leva à síndrome do desconforto respiratório infantil.
    • Fumadores crónicos produzem menos surfactante, levando aos problemas observados na DPOC.

O surfactante pulmonar anula a Lei de Laplace:
Sem surfactante pulmonar, ocorrerá um cenário como o mostrado à esquerda: sacos aéreos maiores encher-se-ão mais facilmente devido à sua tensão superficial reduzida. Com o surfactante pulmonar, toda a tensão superficial é reduzida e, portanto, todos os alvéolos insuflam nas suas capacidades respetivas.

Redução da tensão superficial pelo surfactante pulmonar:
As cabeças polares dos fosfolípidos no surfactante pulmonar ficam entre as moléculas de água e reduzem a tensão superficial.

Complacência

• Definição:
  • Medida da mudança de volume com determinada mudança na pressão transpulmonar
  • Determinado pelas propriedades de tração do tecido pulmonar
  • Simplesmente: quão rígidos são os pulmões
• Efeito no sistema pulmonar:
  • ↑ da rigidez dos pulmões, ↑ da energia para alongá-los durante a inspiração:
    • A ventilação é mais eficiente em áreas do pulmão com complacência ↑.
    • As áreas com ↓ da complacência expandem-se menos.
  • A complacência dos pulmões também é influenciada pela gravidade:
    • No ápice pulmonar há ↓ da complacência.
    • Na base pulmonar há ↑ da complacência.
• Implicações fisiológicas:
  • Em pulmões saudáveis, ↑ da complacência devido a:
    • Distensibilidade do tecido pulmonar
    • ↓ da tensão superficial alveolar
  • ↓ da complacência pulmonar surge no caso de:
    • Fibrose (por exemplo, síndrome do desconforto respiratório agudo do surfactante, cicatrizes após quimioterapia)
    • ↓ da produção de surfactante (por exemplo, pulmões prematuros, DPOC)
    • ↓ da flexibilidade da caixa torácica (por exemplo, escoliose, paralisia cerebral)

Gráfico de pressão transpulmonar (eixo dos x) e alteração do volume pulmonar em litros (eixo dos y):
Este gráfico compara a complacência normal de um pulmão saudável com a complacência aumentada observada no enfisema pulmonar e a complacência reduzida da fibrose pulmonar.

Influência da gravidade na complacência pulmonar:
O ápice do pulmão é menos complacente devido à gravidade que estica as suas fibras elásticas, enquanto a base é mais complacente devido à mesma força da gravidade e aos limites da cavidade torácica que comprimem as suas fibras elásticas.

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Relevância Clínica

• Doença pulmonar obstrutiva: grupo de condições que aumentam a resistência das vias aéreas, pequenas ou grandes: A doença pulmonar obstrutiva causa um estreitamento das vias aéreas. O aumento da resistência cria mais trabalho que precisa de ser superado, de modo que os pacientes apresentam geralmente um aumento da frequência respiratória e do trabalho respiratório. Os pacientes muitas vezes são incapazes de expelir completamente o ar durante a expiração. A menos que a obstrução seja generalizada, esses pacientes podem continuar a ter uma saturação de oxigénio normal ou quase normal. Os achados do exame pulmonar dependem de onde a obstrução está ao longo da via aérea. Exemplos incluem asma, bronquite crónica, enfisema, apneia obstrutiva do sono e corpos estranhos nas vias aéreas
• Doença pulmonar restritiva: grupo de condições que causa diminuição da complacência dos pulmões, aumentando a quantidade de trabalho necessária para expandir e contrair os pulmões: os pacientes são incapazes de esticar completamente os pulmões para respirar ar suficiente. A doença pulmonar restritiva geralmente afeta todo o parênquima pulmonar e apresenta-se com um aumento da frequência respiratória e do trabalho respiratório, bem como diminuição da saturação de oxigénio. Exemplos incluem síndrome do desconforto respiratório neonatal, fibrose pulmonar e sarcoidose.
• Doença pulmonar mista: as doenças pulmonares geralmente têm elementos de patologias restritivas e obstrutivas. O exemplo mais comum de doença pulmonar mista é a fibrose quística, em que as vias aéreas estão estreitadas e o parênquima pulmonar mais endurecido.

Referências

1. Hall, J. E. (2015). Guyton and hall textbook of medical physiology, 13th ed.. W. B. Saunders.
2. OpenStax College. (2013). Anatomy and physiology. OpenStax. http://cnx.org/content/col11496/latest/ 
3. Levitzky, M. G. (2017). Mechanics of breathing. Chapter 2 in Pulmonary Physiology, 9th ed. New York: McGraw-Hill Education. https://accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?bookid=2288&sectionid=178856534
4. Levitzky, M. G. (2017). Alveolar ventilation. Chapter 3 in Pulmonary Physiology, 9th ed. New York, NY: McGraw-Hill Education. https://accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?bookid=2288&sectionid=178856748

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