Biofísica Respiratória: Complacência, Elastância e Trabalho Ventilatório

Toda troca gasosa depende de um gradiente de pressão que empurra ar para dentro dos alvéolos e de propriedades mecânicas que determinam quanto volume entra para cada unidade de pressão aplicada. Essa última grandeza é a complacência, provavelmente a variável mais cobrada de biofísica respiratória: ela conecta a fisiologia pura (Lei de Laplace, surfactante, curva pressão-volume) com a cabeceira do leito (pressão de platô, driving pressure e PEEP na SDRA). O estudante que domina complacência entende por que o prematuro extremo retrai esternalmente e dessatura, por que o enfisematoso tem diafragma achatado e tórax em barril, e por que o paciente com SDRA é ventilado com volumes correntes de 6 mL/kg de peso predito. Este artigo percorre a lógica completa, com os números que caem em prova.

01As pressões do sistema respiratório: o alicerce do raciocínio

No fim da expiração passiva, com glote aberta e músculos relaxados, a pressão alveolar é igual à atmosférica (referência de 0 cmH2O) e não há fluxo. O que mantém os alvéolos abertos é a pressão transpulmonar, definida como pressão alveolar menos pressão pleural. Na inspiração, a contração do diafragma e dos intercostais externos expande a caixa torácica, torna a pressão pleural mais negativa (de cerca de -5 cmH2O no repouso para -7 a -8 cmH2O em inspiração tranquila) e cria o gradiente que leva ar até os alvéolos. A expiração, no indivíduo saudável, é passiva por recuo elástico, sem gasto energético.

• Pressão atmosférica: referência zero em qualquer situação de equilíbrio sem fluxo.
• Pressão pleural (intratorácica): cerca de -5 cmH2O no fim da expiração tranquila; fica mais negativa na inspiração e positiva na tosse e na manobra de Valsalva (pode superar +20 cmH2O).
• Pressão alveolar: zero quando não há fluxo; torna-se levemente negativa na inspiração (cerca de -1 cmH2O) e positiva na expiração (cerca de +1 cmH2O).
• Pressão transpulmonar (Palv - Ppl): força distensora real do parênquima pulmonar; é a pressão que mantém os alvéolos abertos e aumenta na inspiração.
• Pressão transmural da via aérea: explica o colapso expiratório dinâmico em asma e DPOC e a compressão dinâmica das vias na tosse.

02Complacência: definição, fórmula e valores de referência

Complacência (C) mede a distensibilidade do sistema respiratório: quanto volume o pulmão ganha para cada centímetro de água de pressão aplicada. A fórmula é C = variação de volume dividida pela variação de pressão (ΔV/ΔP), expressa em mL/cmH2O. Um adulto saudável apresenta complacência do sistema respiratório em torno de 100 mL/cmH2O, do pulmão isolado em torno de 200 mL/cmH2O e da parede torácica isolada também em torno de 200 mL/cmH2O. Como pulmão e parede trabalham em série, a complacência total é menor do que qualquer uma das partes isoladas e obedece à soma dos inversos: 1/Ctotal = 1/Cpulmão + 1/Cparede. Em números: 1/200 + 1/200 = 1/100, logo a complacência total vale 100 mL/cmH2O.

Exemplo numérico de prova: se uma inspiração leva 500 mL de ar com aumento de 5 cmH2O na pressão transpulmonar, a complacência é 500/5 = 100 mL/cmH2O. Na ventilação mecânica, a complacência estática do sistema respiratório é calculada como volume corrente dividido pela pressão de platô menos a PEEP total: se VT = 400 mL, Pplat = 24 cmH2O e PEEP = 14 cmH2O, a complacência é 400/10 = 40 mL/cmH2O, valor compatível com SDRA. Vale lembrar que essa medida mistura pulmão e parede: obesidade, ascite e rigidez da caixa torácica também reduzem a complacência medida no ventilador, mesmo com parênquima normal.

03Pulmão e caixa torácica: duas molas com tendências opostas

O pulmão, rico em elastina e colágeno, é uma mola que tende ao colapso; a caixa torácica, por sua vez, tende à expansão. No fim da expiração passiva as duas forças se equilibram no volume chamado capacidade residual funcional (CRF), cerca de 2,5 L no adulto típico, que coincide com o ponto de maior complacência da curva pressão-volume. Abaixo da CRF a complacência cai, porque alvéolos basais colabam e a parede torácica se torna rígida na porção inferior da curva; acima de aproximadamente 80 por cento da capacidade pulmonar total ela cai novamente, por estiramento máximo das fibras de colágeno. Obesidade, ascite, decúbito dorsal e deformidades da coluna reduzem a CRF e a complacência do sistema; o enfisema faz exatamente o oposto, aumentando CRF e complacência.

Conceito de prova: a complacência específica (complacência corrigida pela capacidade residual funcional) é praticamente igual entre a criança e o adulto. O pulmão infantil é menos complacente em valor absoluto apenas porque é menor, e não porque sua estrutura seja diferente. Outra comparação útil: a complacência da parede torácica do recém-nascido é muito alta (tórax muito deformável), o que facilita o retraimento esternal e intercostal quando a complacência pulmonar cai, como na doença da membrana hialina.

04Surfactante e a Lei de Laplace: por que alvéolos pequenos não esvaziam nos grandes

A Lei de Laplace para uma esfera com uma única interface líquido-gás estabelece que a pressão necessária para manter o alvéolo aberto é P = 2T/r, em que T é a tensão superficial e r é o raio. Se a tensão superficial fosse constante, alvéolos pequenos exigiriam pressões internas maiores e esvaziariam nos alvéolos grandes, tornando o pulmão instável. O surfactante pulmonar resolve o problema: secretado pelos pneumócitos tipo II, que aparecem por volta da 24ª semana de gestação e se tornam funcionalmente adequados por volta da 34ª a 35ª semana, ele é composto principalmente de dipalmitoilfosfatidilcolina associada a proteínas surfactantes (SP-A a SP-D). Quando o alvéolo fica pequeno, as moléculas se comprimem contra si mesmas e a tensão cai a valores muito baixos, próximos de zero; quando o alvéolo expande, o filme se espalha e a tensão volta a subir. A tensão superficial, portanto, é variável com o raio, e é isso que estabiliza unidades alveolares de tamanhos diferentes.

• A tensão superficial responde por cerca de dois terços do recuo elástico pulmonar; o tecido elástico (elastina e colágeno), por apenas um terço. Essa proporção vem do experimento clássico de von Neergaard, de 1929, comparando pulmões insuflados com ar e com saline.
• O surfactante aumenta a complacência, reduz o trabalho respiratório, mantém a estabilidade entre alvéolos e ainda ajuda na defesa pulmonar e na prevenção de edema alveolar por forças de sucção superficial.
• A deficiência de surfactante no prematuro causa a síndrome do desconforto respiratório neonatal (doença da membrana hialina): complacência muito baixa, atelectasias difusas, hipoxemia e membranas hialinas (proteínas do exsudato e detritos de pneumócitos necrosados) na microscopia.
• O tratamento é reposição intratraqueal de surfactante exógeno (poractante alfa 100 a 200 mg/kg ou beractante 100 mg/kg) associada a suporte ventilatório e oxigenoterapia.
• Corticoide antenatal para gestantes com risco de parto prematuro entre 24 e 34 semanas acelera a maturação dos pneumócitos tipo II e reduz a incidência e a gravidade da doença.

05Curva pressão-volume: formato sigmoidal, histerese e pontos de inflexão

A curva de complacência (volume no eixo vertical e pressão no horizontal) tem formato de S. No trecho inicial plano, grandes aumentos de pressão geram pouco volume, porque alvéolos colabados precisam ser recrutados; no trecho médio, linear e íngreme, pequenos acréscimos de pressão geram grande ganho de volume (complacência máxima, na região da CRF); no topo, a curva volta a achatar por distensão máxima do parênquima e estiramento dos filamentos de colágeno. A curva de insuflação se situa à direita da curva de deflação, fenômeno denominado histerese: para um mesmo volume, a pressão necessária na insuflação é maior que a pressão mantida na deflação. A histerese decorre do trabalho de recrutamento de alvéolos fechados e da mudança de estado do filme de surfactante ao comprimir e reexpandir.

Na SDRA, a curva se desloca para baixo e para a direita (menos volume para cada pressão), com trecho recrutável reduzido e ponto de inflexão inferior deslocado. A estratégia histórica de ajustar a PEEP acima do ponto de inflexão inferior para manter os alvéolos recrutados evoluiu com as evidências: a análise de Amato e colaboradores mostrou que a pressão de condução (driving pressure), e não a PEEP isolada, é a variável que melhor se associa à sobrevida, como detalhado na seção de ventilação mecânica.

06Elastância: o inverso da complacência

Elastância (E) é a variação de pressão dividida pela variação de volume (ΔP/ΔV), em cmH2O/L, e expressa a rigidez do sistema: o sistema respiratório normal, com complacência de 100 mL/cmH2O (0,1 L/cmH2O), tem elastância de aproximadamente 10 cmH2O/L. Processos que infiltram ou fibrosam o interstício (fibrose pulmonar, SDRA, pneumonias extensas, edema alveolar) aumentam a elastância e reduzem a complacência; processos que destroem parênquima e redes de fibras elásticas (enfisema) aumentam a complacência e reduzem a elastância e o recuo elástico. Em prova: complacência elevada, CRF aumentada, aprisionamento aéreo e diafragma achatado apontam para enfisema; complacência baixa, volumes reduzidos e restrição apontam para fibrose, SDRA ou obesidade extrema com restrição da parede.

07Constante de tempo: quando resistência e complacência se encontram

O tempo necessário para um alvéolo com determinada resistência e complacência se encher ou esvaziar é descrito pela constante de tempo, produto τ = R x C. Com resistência de vias aéreas de cerca de 1,5 a 2 cmH2O/L/s e complacência de 0,1 L/cmH2O, a constante de tempo normal situa-se em torno de 0,15 a 0,3 segundo; após três constantes de tempo (aproximadamente 0,5 a 0,9 segundo) já entraram ou saíram cerca de 95 por cento do volume possível. Se o tempo expiratório disponível for menor que três constantes, o ar fica preso e gera auto-PEEP (PEEP intrínseca), situação clássica na asma grave e na DPOC exacerbada, em que a resistência muito aumentada alonga a constante de tempo. Em crianças, a via aérea de menor calibre eleva a resistência e aproxima esses limites mesmo sem doença.

08Complacência na ventilação mecânica: platô, driving pressure e proteção pulmonar

Na ventilação mecânica com pausa inspiratória ao final da inspiração, a pressão de vias aéreas cai da pressão de pico para a pressão de platô: o pico contém o componente resistivo (vias aéreas) e o elástico, enquanto o platô reflete apenas o componente elástico (pressão alveolar em condição estática, sem fluxo). O ensaio do ARDS Network demonstrou que ventilar pacientes com SDRA e lesão pulmonar aguda com volume corrente de 6 mL/kg de peso predito, pressão de platô limitada a 30 cmH2O e PEEP titulada reduziu a mortalidade hospitalar de 39,8 por cento para 31,0 por cento, com redução relativa de 22 por cento (número necessário para tratar em torno de 11). Amato e colaboradores, analisando 3.562 pacientes de nove ensaios randomizados, mostraram em seguida que a pressão de condução (driving pressure = Pplat - PEEP total) foi a variável que melhor se associou à sobrevida, com aumento progressivo do risco acima de 15 cmH2O.

A definição de Berlim (2012) gradua a SDRA pela relação PaO2/FiO2 com PEEP ou CPAP de pelo menos 5 cmH2O, dentro de até 7 dias do insulto conhecido ou de piora respiratória, com opacidades bilaterais não totalmente explicadas por derrame, atelectasias ou nódulos e sem insuficiência cardíaca ou sobrecarga hídrica como causa principal: leve de 201 a 300, moderada de 101 a 200 e grave até 100. O documento também destaca que a complacência do sistema respiratório menor ou igual a 40 mL/cmH2O ajuda a identificar os pulmões mais rígidos dentro de cada categoria, úteis para estratificação de gravidade.

09Condições que aumentam e reduzem a complacência: tabela de prova

10Pegadinhas clássicas e resumo de alta retenção

• Cálculo direto: complacência = ΔV/ΔP; refaça sempre o exemplo 500 mL por 5 cmH2O.
• Estruturas em série: 1/Ctotal = 1/Cpulmão + 1/Cparede.
• Surfactante: dipalmitoilfosfatidilcolina, pneumócito tipo II, a partir da 24ª semana e maduro por volta da 35ª.
• Dois terços do recuo elástico vêm da tensão superficial e um terço do tecido elástico.
• Constante de tempo τ = R x C; três constantes garantem 95 por cento do volume.