Modelos explicativos | 20 NOV 20

Tres razones por las que COVID-19 puede causar "hipoxia silenciosa"

Utilizan modelos informáticos para investigar el nivel bajo de oxígeno en sangre en pacientes con COVID-19
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Autor/a: Herrmann, J., Mori, V., Bates, J.H.T. et al.  Fuente: Nat Commun 11, 4883 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18672-6 Modeling lung perfusion abnormalities to explain early COVID-19 hypoxemia

Universidad de Boston

Resumen

Las primeras etapas de la enfermedad del nuevo coronavirus (COVID-19) se asocian con hipoxia silenciosa y escasa oxigenación a pesar de una afectación parenquimatosa relativamente menor. Aunque se especuló que tales hallazgos paradójicos pueden explicarse por una vasoconstricción pulmonar hipóxica alterada en las regiones pulmonares infectadas, ningún estudio ha determinado si tales grados extremos de redistribución de la perfusión son fisiológicamente plausibles, y cada vez se presta más atención al microembolismo trombótico como causa subyacente de la hipoxemia.

Aquí, un modelo matemático demuestra que la gran cantidad de mezcla venosa pulmonar observada en pacientes con COVID-19 temprano puede explicarse razonablemente por una combinación de embolia pulmonar, desajuste ventilación-perfusión en el pulmón no lesionado y perfusión normal de la fracción relativamente pequeña de pulmón lesionado.

Aunque la heterogeneidad de la perfusión subyacente exacerba la desviación existente entre la derivación y la ventilación y la perfusión en el modelo, la gravedad de la hipoxemia informada en los pacientes con COVID-19 temprano no se replica sin defectos de perfusión extensos, desajuste grave de la ventilación y perfusión o hiperperfusión de las regiones no oxigenadas.


Esquema del modelo de 12 compartimentos utilizado para simular la perfusión distribuida en compartimentos aireados y lesionados a diferentes niveles de altura.
La sangre venosa mixta desoxigenada (azul) pasa a través de compartimentos aireados (negros) o lesionados (grises) y regresa a la sangre arterial mixta oxigenada (roja). La resistencia vascular en cada compartimento se determinó por nivel de altura, presencia de defecto de perfusión o embolia pulmonar (barras blancas), así como el grado de oxigenación o lesión. La vasoconstricción pulmonar hipóxica (VPH) podría ser b “normal” con perfusión reducida a regiones de bajo contenido de oxígeno en los capilares terminales, c “deteriorada” sin respuesta o d “revertida” con perfusión aumentada en las regiones lesionadas.

Los científicos todavía están resolviendo los muchos aspectos desconcertantes de cómo el nuevo coronavirus ataca los pulmones y otras partes del cuerpo. Uno de los misterios más grandes y potencialmente mortales es cómo el virus causa "hipoxia silenciosa", una condición cuando los niveles de oxígeno en el cuerpo son anormalmente bajos, lo que puede dañar irreparablemente órganos vitales si no se detecta durante demasiado tiempo. Ahora, gracias a modelos informáticos y comparaciones con datos de pacientes reales, los ingenieros biomédicos de la Universidad de Boston y los colaboradores de la Universidad de Vermont han comenzado a descifrar el misterio.

A pesar de experimentar niveles peligrosamente bajos de oxígeno, muchas personas infectadas con casos graves de COVID-19 a veces no muestran síntomas de falta de aire o dificultad para respirar. La habilidad de la hipoxia para infligir daño silenciosamente es la razón por la que se le ha acuñado "silencioso".

En los pacientes con coronavirus, se cree que la infección primero daña los pulmones, lo que hace que partes de ellos sean incapaces de funcionar correctamente. Esos tejidos pierden oxígeno y dejan de funcionar, ya no infunden oxígeno al torrente sanguíneo, lo que provoca una hipoxia silenciosa. Pero exactamente cómo se produce ese efecto dominó no ha estado claro hasta ahora.

"No sabíamos [cómo esto] era fisiológicamente posible", dice Bela Suki, profesor de ingeniería biomédica y de ciencia e ingeniería de materiales y uno de las autores del estudio. Algunos pacientes con coronavirus han experimentado lo que algunos expertos han descrito como niveles de oxígeno en sangre que son "incompatibles con la vida". Es inquietante, dice Suki, que muchos de estos pacientes mostraron pocos o ningún signo de anomalías cuando se sometieron a gammagrafías pulmonares.

Para ayudar a llegar al fondo de las causas de la hipoxia silenciosa, los ingenieros biomédicos de BU utilizaron modelos informáticos para probar tres escenarios diferentes que ayudan a explicar cómo y por qué los pulmones dejan de proporcionar oxígeno al torrente sanguíneo. Su investigación, que ha sido publicada en Nature Communications, revela que la hipoxia silenciosa probablemente sea causada por una combinación de mecanismos biológicos que pueden ocurrir simultáneamente en los pulmones de pacientes con COVID-19, según el ingeniero biomédico Jacob Herrmann, investigador asociado postdoctoral en Suki's lab y el autor principal del nuevo estudio.

Normalmente, los pulmones cumplen la función vital del intercambio de gases, proporcionando oxígeno a todas las células del cuerpo mientras inhalamos y librándonos del dióxido de carbono cada vez que exhalamos. Los pulmones sanos mantienen la sangre oxigenada a un nivel entre el 95 y el 100 por ciento; si cae por debajo del 92 por ciento, es motivo de preocupación y un médico podría decidir intervenir con oxígeno suplementario.

Al principio de la pandemia de coronavirus, cuando los médicos empezaron a dar la alarma sobre la hipoxia silenciosa, los oxímetros volaron de los estantes de las tiendas ya que muchas personas, preocupadas de que ellos o sus familiares pudieran tener que recuperarse de casos más leves de coronavirus en el hogar, querían poder para controlar sus niveles de oxígeno en sangre.

Los investigadores primero observaron cómo el COVID-19 afecta la capacidad de los pulmones para regular hacia dónde se dirige la sangre. Normalmente, si las áreas del pulmón no están acumulando mucho oxígeno debido al daño causado por una infección, los vasos sanguíneos se contraerán en esas áreas. En realidad, esto es algo bueno para lo que nuestros pulmones han evolucionado, porque obliga a que la sangre fluya a través del tejido pulmonar repleto de oxígeno, que luego circula por el resto del cuerpo.

Pero según Herrmann, los datos clínicos preliminares han sugerido que los pulmones de algunos pacientes con COVID-19 habían perdido la capacidad de restringir el flujo sanguíneo al tejido ya dañado y, por el contrario, estaban potencialmente abriendo esos vasos sanguíneos aún más, algo que es difícil de ver o medir en una tomografía computarizada.

Utilizando un modelo pulmonar computacional, Herrmann, Suki y su equipo probaron esa teoría, revelando que para que los niveles de oxígeno en sangre cayeran a los niveles observados en pacientes con COVID-19, el flujo sanguíneo tendría que ser mucho más alto de lo normal en áreas del pulmones que ya no pueden recolectar oxígeno, lo que contribuye a niveles bajos de oxígeno en todo el cuerpo, dicen.

A continuación, observaron cómo la coagulación de la sangre puede afectar el flujo sanguíneo en diferentes regiones del pulmón. Cuando el revestimiento de los vasos sanguíneos se inflama por la infección por COVID-19, se pueden formar pequeños coágulos de sangre demasiado pequeños para ser vistos en las exploraciones médicas dentro de los pulmones. Descubrieron, utilizando modelos informáticos de los pulmones, que esto podría incitar a la hipoxia silenciosa, pero por sí solo probablemente no sea suficiente para hacer que los niveles de oxígeno caigan tan bajo como los niveles observados en los datos de los pacientes.

Por último, los investigadores utilizaron su modelo de computadora para averiguar si COVID-19 interfiere con la proporción normal de flujo de aire a sangre que los pulmones necesitan para funcionar normalmente. Este tipo de relación de flujo de aire a sangre no coincidente es algo que ocurre en muchas enfermedades respiratorias, como en los pacientes con asma, dice Suki, y puede ser un posible contribuyente a la hipoxia grave y silenciosa que se ha observado en COVID-19. pacientes. Sus modelos sugieren que para que esto sea una causa de hipoxia silenciosa, el desajuste debe estar ocurriendo en partes del pulmón que no parecen lesionadas o anormales en las exploraciones pulmonares.

En conjunto, sus hallazgos sugieren que es probable que una combinación de los tres factores sea responsable de los casos graves de oxígeno bajo en algunos pacientes con COVID-19. Al tener una mejor comprensión de estos mecanismos subyacentes y de cómo las combinaciones podrían variar de un paciente a otro, los médicos pueden tomar decisiones más informadas sobre el tratamiento de pacientes utilizando medidas como ventilación y oxígeno suplementario.

Actualmente se están estudiando una serie de intervenciones, incluida una intervención de baja tecnología llamada posición prona (boca abajo) que voltea a los pacientes sobre el estómago, lo que permite que la parte posterior de los pulmones extraiga más oxígeno y nivele la relación aire-sangre no coincidente .

"Diferentes personas responden a este virus de manera tan diferente", dice Suki. Para los médicos, dice que es fundamental comprender todas las posibles razones por las que el oxígeno en la sangre de un paciente puede ser bajo, para que puedan decidir la forma adecuada de tratamiento, incluidos los medicamentos que podrían ayudar a contraer los vasos sanguíneos, eliminar los coágulos de sangre o corregir un problema. relación de flujo de aire a sangre no coincidente.

 

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