Repercussões da expiração ativa sobre a ventilação pulmonar em situações de hipóxia - Mendes, Letícia Rodrigues [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
A coordenação da atividade dos músculos respiratórios é essencial para mover o ar para dentro e para fora dos pulmões. Em situação de repouso, a inspiração é um processo ativo, onde contrações dos músculos diafragmáticos (DIA) e intercostais externos (eIC) geram o fluxo do ar inspiratório. Entretanto, o fluxo de ar expiratório é gerado passivamente por forças elásticas de recuo do tórax e dos pulmões. A exposição a níveis reduzidos de oxigênio (hipóxia) ou excesso de dióxido de carbono (hipercapnia) transforma a expiração num processo ativo, com recrutamento dos músculos abdominais (ABD) e intercostais internos (iIC) que aumentam o fluxo respiratório. No entanto, ainda não está claro como os músculos ABD e iIC são coordenados durante a expiração ativa e como o seu recrutamento modifica o fluxo expiratório para melhorar a ventilação pulmonar. Para explorarmos esse questionamento, no presente estudo utilizamos ratos Holtzman adultos (n=15, 250-300 g) anestesiados (uretana, 1,2 mg/kg, i.v.), nos quais foram implantados eletrodos nos músculos DIA, eIC, iIC e ABD . Esses animais também receberam uma máscara no focinho que permitiu a exposição à mistura de gases enquanto monitorava-se o fluxo de ar nasal. Os parâmetros fisiológicos foram registrados em condições de repouso e durante a exposição a hipóxia (10% e 7% de O2), hipercapnia (10% e 7% de CO2) ou isquemia (10% O2 e 7% CO2) por 10 min. Os protocolos experimentais foram aprovados pelo CEUA local (protocolo 17/2020). Em condições de repouso, o DIA e o eIC apresentaram atividades sincronizadas durante a fase inspiratória, ao passo que o ABD e o iIC não apresentaram atividade expressiva. O fluxo de ar expiratório apresentou um pico durante a primeira fase de expiração (E1). De forma geral, a exposição à hipóxia (n = 7) causou: 1) aumento inicial na frequência respiratória (fR, P<0,05) seguido de uma redução até os valores pré-hipóxia; 2) elevação (P<0,05) das amplitudes dos músculos DIA (∆: 25-41%) e eIC (∆: 37-58%); e 3) surgimento de atividade expiratória ABD (∆: 60-120%) and iIC (∆: 116-325%) durante os seis minutos iniciais de exposição (P<0,05). Esse padrão expiratório ativo foi acompanhado por um aumento progressivo do fluxo de ar durante a segunda fase de expiração (E2). A exposição à hipercapnia (n = 8) promoveu uma elevação da fR nos minutos finais de exposição, aumentos sustentados (P<0,05) na amplitude da atividade DIA (∆: 45-56%) e eIC (∆: 111-128%) (P<0.05), e incrementos nas atividades ABD (∆: 105-144%) e iIC (∆: 219-255%) especialmente nos momentos finais de exposição (P<0.02). Diferentemente da hipóxia, as alterações motoras promovidas pela hipercapnia não impactaram no padrão de fluxo de ar expiratório, que permaneceu com pico máximo durante a fase E1. Durante a isquemia, as alterações motoras e na fR observadas foram semelhantes à somação das respostas observadas durante os estímulos isolados (P<0,05), com exceção do padrão de fluxo de ar expiratório, que permaneceu com pico em E1 assim como observado durante a exposição à hipercapnia. Nossos resultados mostram que as exposições à hipóxia, hipercapnia e isquemia causam ativação dos músculos ABD e iIC de forma coordenada durante a fase expiratória. No entanto, a dinâmica e impacto da expiração ativa sobre fluxo de ar expiratório é diferente dependendo da condição gasosa (hipóxia ou hipercapnia e isquemia), indicando que os impactos da expiração ativa na mecânica pulmonar envolvem o recrutamento de músculos respiratórios adicionais.

The coordination of the activity of respiratory muscles is essential for moving air in and out of the lungs. At rest, inspiration is an active process where contractions of the diaphragmatic muscles (DIA) and external intercostal muscles (eIC) generate inspiratory airflow. However, expiratory airflow is passively generated by elastic recoil forces of the chest and lungs. Exposure to reduced oxygen levels (hypoxia) or excess carbon dioxide (hypercapnia) transforms expiration into an active process with recruitment of abdominal muscles (ABD) and internal intercostal muscles (iIC), which increase respiratory flow. However, it is still unclear how ABD and iIC muscles are coordinated during active expiration and how their recruitment modifies expiratory flow to improve lung ventilation. To explore this question, in the present study, we used anesthetized adult Holtzman rats (n=15, 250-300 g) (urethane, 1.2 mg/kg, i.v.), in which electrodes were implanted in the DIA, eIC, iIC, and ABD muscles. These animals also received a mask on their snouts that allowed exposure to gas mixtures while monitoring nasal airflow. Physiological parameters were recorded under resting conditions and during exposure to hypoxia (10% and 7% O2), hypercapnia (10% and 7% CO2), or ischemia (10% O2 and 7% CO2) for 10 min. Experimental protocols were approved by the local CEUA (protocol 17/2020). At rest, DIA and eIC showed synchronized activities during the inspiratory phase, while ABD and iIC showed no significant activity. Expiratory airflow exhibited a peak during the first phase of expiration (E1). Generally, exposure to hypoxia (n=7) caused: 1) initial increase in respiratory rate (fR, P<0.05) followed by a reduction to prehypoxia values; 2) elevation (P<0.05) of DIA (Δ: 25-41%) and eIC (Δ: 37-58%) burst amplitudes; and 3) emergence of ABD (Δ: 60-120%) and iIC (Δ: 116-325%) expiratory activity during the first six minutes of exposure (P<0.05). This active expiratory pattern was accompanied by a progressive increase in airflow during the second phase of expiration (E2). Exposure to hypercapnia (n=8) promoted an elevation of fR in the final minutes of exposure, sustained increases (P<0.05) in DIA (Δ: 45-56%) and eIC (Δ: 111-128%) activity amplitude (P<0.05), and increments in ABD (Δ: 105-144%) and iIC (Δ: 219-255%) activities especially in the final moments of exposure (P<0.02). Unlike hypoxia, the motor changes promoted by hypercapnia did not impact the pattern of expiratory airflow, which remained with a peak during the E1 phase. During ischemia (n=7), motor changes and fR observed were similar to the summation of responses observed during isolated stimuli (P<0.05), except for the pattern of expiratory airflow, which remained with a peak in E1 as observed during exposure to hypercapnia. Our results show that exposures to hypoxia, hypercapnia, and ischemia cause activation of ABD and iIC muscles in a coordinated manner during the expiratory phase. However, the dynamics and impact of active expiration on expiratory airflow are different depending on the gaseous condition (hypoxia or hypercapnia and ischemia), indicating that the impacts of active expiration on lung mechanics involve the recruitment of additional respiratory muscles.
Impacts of active expiration on pulmonary ventilation in hypoxic conditions
Keywords: Atividade muscular; Fluxo de ar; Hipóxia; Respiração