Hipoxia la altitudine mare

Altitudinea mare afecteaza corpul uman din cauza deprivarii de oxigen (hipoxie). Alti factori cum ar fi frigul extrem, vantul puternic si radiatia solara intensa pot fi prezenti, de asemenea, insa efectul lor este redus considerabil prin aplicarea de masuri de protectie adecvate. Hipoxia este insa inevitabila, atata timp cat nu este corectata de administrarea de oxigen suplimentar sau cresterea presiunii prin plasarea persoanei intr-un sac hiperbaric (sacul Gamow).

Ce inseamna altitudine mare

Altitudinea este distanta deasupra nivelului marii si poate fi poate fi masurata cu ajutorul unui instrument denumit altimetru.

Altitudinea este definita astfel:

• Altitudine intermediara: 1500-2500 m
• Altitudine mare: 2500-3500 m
• Altitudine foarte mare: 3500-5500 m
• Altitudine extrema: peste 5500 m

Varful Everest este cel mai inalt punct de pe Pamant, cu o altitudine de 8848 m deasupra nivelului marii. Se afla in Muntii Himalaya, la coordonatele 27°59’20.62″ N si 86°55’28.27″ E, pe granita dintre Nepal si Tibet. Zona urbana El Alto din Bolivia este orasul cel mai inalt situat de pe Pamant, toti cei 1.2 milioane de rezidenti traind la aproximativ 4150 m deasupra nivelului marii.

De ce este mai putin oxigen in aer la altitudine mare

Altitudinea este in stransa corelatie cu presiunea aerului. Pe masura ce altitudinea creste, presiunea aerului scade.

Acest lucru se intampla din doua motive. Pe de o parte, din cauza gravitatiei pamantului care trage aerul cat mai aproape posibil de suprafata sa. Iar pe de alta parte, din cauza densitatii aerului: pe masura ce altitudinea creste, cantitatea de molecule de gaz din aer scade – aerul devine mai putin dens comparativ cu aerul de la nivelul marii (aerul se “subtiaza”). Acest aer mai putin dens exercita o presiune atmosferica mai mica. Totusi, desi presiunea scade aproape exponential cu altitudinea, compozitia aerului ramane constanta intre nivelul marii si o altitudine de 90 kilometri – 78.09% nitrogen, 20.95% oxigen si restul, cantitati foarte mici din alte gaze.

Relatia dintre altitudine si presiunea atmosferica

Evangelista Torricelli (1608-1647) a fost un matematician si fizician italian care a realizat pentru prima data ca atmosfera de deasupra noastra creaza o presiune. In acest sens, remarca sa este una memorabilia: “Traim scufundati pe fundul unui ocean format din elementul aer, care fara indoiala exercita o greutate.”

Presiunea atmosferica si presiunea oxigenului in aerul inspirat scad cu cresterea altitudinii:

• La nivelul marii, coloana de aer de deasupra pamantului exercita o forta aproximativ echivalenta cu greutatea unei coloane de mercur (Hg) de 760 milimetri inaltime. Procentul de O2 in atmosfera ramane constant cu altitudinea, fiind de 20.95% din total aer, ceea ce corespunde cu o presiune partiala a oxigenului inspirat (PiO2) de aproximativ 149 mmHg la nivelul marii
• La altitudinea de 3000 m, unde se afla cele mai multe statiuni de schi, presiunea atmosferica este de 537 mmHg, iar presiunea partiala a oxigenului inspirat este aproximativ 70% din cea de la nivelul marii (PiO2 103 mmHg)
• La altitudinea de 5000 m, cea mai inalta inaltime unde traiesc oameni, presiunea atmosferica este de 420 mmHg, iar presiunea partiala a oxigenului inspirat este la aproximativ jumatate din cea de la nivelul marii – 52% (PiO2 78 mmHg)
• Pe Everest, la altitudinea de 8848 m, presiunea atmosferica este de 253 mmHg, iar presiunea partiala a oxigenului inspirat este sub o treime din cea de la nivelul marii – 29% (PiO2 43 mmHg). Aceasta cifra subliniaza efortul hipoxic imens la care este supus organismul, aceasta presiune fiind foarte apropiata de limita de toleranta a corpului uman in ceea ce priveste sustinerea necesarului metabolic

Efectele hipoxiei la altitudine mare

Altitudinea mare afecteaza corpul uman din cauza deprivarii de oxigen (hipoxie). Oxigenul este critic pentru functionarea normala a celulelor deoarece este o parte esentiala din lantul de transport al electronilor implicati in producerea de energie in celule.

La nivelul corpului, hipoxia de mare altitudine determina:

• Afectarea performantei fizice
• Afectarea performantei mentale
• Tulburari ale somnului (respiratia periodica)
• Pierdere in greutate

Afectarea performantei fizice

Capacitatea fizica este redusa cu cresterea altitudinii. De aceea, pentru a face fata efortului fizic la altitudine mare, pentru succesul expeditiei, persoanele fara o pregatire fizica trebuie incurajate sa inceapa antrenamentul regulat cu cateva saptamani sau chiar luni inainte de data planificata a expeditiei.

Performanta fizica la altitudini din ce in ce mai mari va fi mereu mai redusa comparativ cu cea de la o altitudine inferioara, independent de cat de bine se realizeaza procesul de aclimatizare.

Comparativ cu valoarea de la nivelul marii, consumul maxim de oxgen (VO2 max) este redus cu 1% pentru fiecare 100 m peste 1500 m si este:

85% – la 3000 m

60% – la 5000 m

20% – pe varful Everest

Studii efectuate in cazul alpinistilor de elita au sugerat ca factorul genetic ar putea juca un rol in determinarea nivelului maxim de consum al oxigenului la altitudini mari (Montgomery et all., 1998).

Afectarea performantei mentale

Creierul consuma 20% din oxigenul intregului organism, acesta fiind folosit aproape exclusiv pentru oxidarea glucozei. Performanta mentala este afectata in conditii de hipoxie moderat-severa care apare la altitudini foarte mari.

Multe persoane care lucreaza la inaltimi de peste 4000 m experimenteaza un numar crescut de erori de calcul matematic, o reducere a duratei atentiei si o crestere a oboselii mentale. Acuitatea vizuala (de exemplu, vederea nocturna) este redusa de la altitudini de doar 2000 m si poate sa scada la 50% la 5000 m, fiind insotita de afectarea memoriei de scurta durata, concentrarii si abilitatii de a lua decizii.

Ingrijoratoare sunt studiile care au aratat ca alpinistii amatori si profesionisti au un risc crescut de a suferi leziuni subcorticale si atrofie cerebrala la altitudini foarte mari si extreme (Paola et al, 2008, Fayed at al., 2006).

Tulburari ale somnului – respiratia periodica

La altitudine mare somnul este, de asemenea, afectat si multe persoane considera acest aspect ca fiind cel mai mare disconfort. Persoanele care dorm la altitudini mari se trezesc frecvent, au vise neplacute si nu se simt odihniti dimineata.

Respiratia periodica – un fenomen universal care apare la persoanele sanatoase la altitudini de peste 4000 m – este probabil factorul cauzator. Acest tip de respiratie este produsa ca urmare a instabilitatii in sistemul de control al respiratiei datorate hipoxiei, pe de o parte si  raspunsului la dioxidul de carbon, pe de alta parte.

Atunci cand oxigenul din sange scade sub un anumit nivel, senzorii de oxigen comanda creierului sa intensifice respiratia, care devine mai ampla si mai frecventa. Aceasta hiperventilatie va avea ca efect eliminarea in aerul expirat de CO2 si in consecinta scaderea acestuia in sange. Senzorii de CO2 vor spune atunci creierului sa reduca frecventa respiratiei, cu aparitia hipoventilatiei sau chiar oprirea respiratiei (apnee). Se genereaza astfel un ciclu hiperventilatie-hipoventilatie care se autointretine.

Rezultatul este o respiratia neregulata, cu 4 sau mai multe respiratii ample urmate de apnee (absenta respiratiei). Prima respiratie ampla dupa o pauza respiratorie poate trezi uneori persoana din somn, cu o senzatie de sufocare sau respiratie cu dificultate. Modelul acesta de respiratie este mult mai deranjant in timpul noptii si desi este neconfortabil, nu este periculos. Poate fi tratat usor cu o doza mica de acetazolamida, care amelioreaza respiratia, imbunatateste somnul si creste nivelul de oxigen din sange. Din cauza riscului de deprimare a centrului respiratiei din creier, se recomanda evitarea somniferelor.

Scaderea in greutate

Expunerea la altitudine foarte mare poate duce la o scadere considerabila in greutate, care depinde atat de inaltime cat si de durata sederii la acea altitudine. Activitatea fizica, greata datorata raului acut de munte si lipsa de gust a alimentelor contribuie la pierderea in greutate la altitudine. La acesti factori se pot adauga gastro-enteritele, infectiile respiratorii si temperaturile scazute.

Initial, apare o scadere in greutate de aproximativ 3% la altitudini de peste 4000 m care poate insa ajunge la 15% in conditiile sederii indelungate la altitudini intre 5000-8000 m. Pierderea in greutate initiala reflecta diureza de aclimatizare si degradarea grasimii, iar peste 5000 m apare si scaderea masei musculare, independent de activitatea fizica, posibil legata de efectul direct al hipoxiei asupra metabolismului proteic.

Efectele hipoxiei la altitudine extrema

Altitudinea extrema, ca de exemplu pe varful Everest, este foarte aproape de limita tolerantei umane la deprivarea de oxigen.

Inca din anul 1924, alpinistii au escaladat fara oxigen suplimentar pana la aproape 300 m sub varf. Insa de-abia in anul 1978, Reinhold Messner si Peter Habeler au urcat fara oxigen pe Everest. Altfel spus, a fost nevoie de 54 de ani pentru ultimii 300 de metri!

Presiunea atmosferica de pe Everest poate fi tolerata doar pentru ca varful este localizat la latitudinea de 28 grade N, ceea ce ii furnizeaza alpinistului avantajul proeminentei ecuatorului asupra presiunii atmosferice determinate de acumularea unui aer dens rece in stratosfera de deasupra. Acest efect creste presiunea atmosferica deasupra varfului cu 7% comparativ cu valoarea prezisa.

In anul 1981, s-a organizat Expeditia Americana de Cercetare pe Everest – American Medical Research Expedition to Everest – al carei scop a fost acela de a se obtine masuratori fiziologice la altitudine extrema, inclusiv la nivelul varfului. In cadrul a doua laboratoare, s-au obtinut la peste 8000 m, esantioane de aer de la nivelul sacilor alveolari, s-au facut multe determinari si s-a masurat pentru prima data presiunea barometrica la nivelul varfului Everest.

Pe varf, presiunea barometrica a fost de 253 mmHg, aproape 1/3 din cea de la nivelul marii de 760 mmHg. Aceasta a insemnat ca presiunea oxigenului din aerul inspirat (PiO2) era de 43 mmHg (normal 149 mmHg), iar presiunea alveolara a oxigenului (PaO2) a fost mentinuta la o valoare aproape de limita viabila de doar 35 mmHg (normal 100 mmHg) ca urmare a hiperventilatiei extreme, care a fost de 5 ori mai mare decat cea de la nivelul marii. Presiunea partiala a oxigenului arterial (PaO2) a fost mica, de 28 mmHg (normal 95 mmHg) ca urmare a limitarii difuziunii oxigenului la nivelul membranei alveolo-capilare in aceste conditii extreme. Datorita hiperventilatiei extreme, presiunea partiala arteriala a CO2 (PaCo2) a fost intre 7-9 mmHg (normal 40 mmHg), iar pH-ul de 7.7 (normal 7.4). Aceasta alcaloza extrema a avut ca efect cresterea afinitatii hemoglobinei pentru oxigen, ceea ce a facilitat incarcarea oxigenului la nivelul capilarelor pulmonare.

O constatare interesanta a fost faptul ca peste 7000 m, PO2 alveolara nu mai scade si este mentinuta la o valoare usor peste 35 mmHg prin cresterea ventilatiei. Altfel spus, desi presiunea oxigenului in aerul inspirat continua sa scada pe masura ce se apropie varful, PO2 alveolara ramane constanta, si desi la o valoare extrem de mica, este suficienta sa mentina alpinistul in viata.

Raspunsurile fiziologice ale organismului uman la altitudini extreme reprezinta un exemplu extraordinar de cum corpul nostru poate tolera si supravietui unei astfel de agresiuni fiziologice. De departe, cea mai importanta adaptare fiziologica la aceasta altitudine extrema este hiperventilatia.

Modificarile adaptative la altitudine mare – Aclimatizarea

Aclimatizarea este procesul prin care organismul se adapteaza la scaderea disponibilitatii oxigenului la altitudini mari.

Fiziologii considera aclimatizarea la altitudine mare ca unul din cele mai bune exemple de cum raspunde organismul la un mediu ostil. Corpul uman se aclimatizeaza foarte bine la hipoxia moderata, insa necesita timp. Cea mai mare parte a aclimatizarii acute se produce in primele 1-3 zile pentru o anumita altitudine, insa rata aclimatizarii poate sa varieze de la o persoana la alta. Aclimatizarea completa dureaza considerabil mai mult, uneori saptamani. Nu exista un predictor pentru cat de repede se va produce aclimatizarea in cazul unei persoane, cu exceptia faptului ca exista o tendinta de a avea o consistenta in modul in care aceasta se aclimatizeaza in diferite expeditii.

Aclimatizarea previne bolile de mare altitudine, imbunatateste somnul, creste confortul si starea de bine, desi performanta fizica va fi mereu mai redusa comparativ cu cea de la o altitudine mai mica.

O aclimatizare adecvata este absolut esentiala pentru a trai la altitudine mare si pentru a asigura succesul expeditiilor in muntii inalti. Fara aclimatizare, efectele hipoxiei limiteaza atat activitatea fizica, cat si capacitatea mentala. De exemplu, persoanele expuse acut fara aclimatizare la altitudinea muntelui Everest raman constiente doar un minut sau doua, in timp ce alpinistii aclimatizati pot urca gradual pana pe varf.

Modificarile adaptative la hipoxia de mare altitudine constau in:

• Hiperventilatie (cresterea ventilatiei): respiratia devine mai ampla si mai frecventa – de departe cel mai important mecanism adaptativ
• Adaptarea renala – modificarile acido-bazice
• Policitemie (producerea de masa eritrocitara)

Hiperventilatia

Cel mai precoce si mai pronuntat raspuns adaptativ la efectele hipoxemiei este cresterea ventilatiei: respiratia devine mai ampla si mai frecventa, ceea ce duce la cresterea ventilatiei alveolare.

Acest mecanism adaptativ poate fi dus la extrem. De exemplu, pe Vf. Everest, unde PO2 inspirat este doar 29% din valoarea de la nivel marii, ventilatia alveolara creste de aproximativ 5 ori. Aceasta hiperventilatie permite ca PO2 la nivelul alveolelor sa scada mult mai lent pe masura ce altiudinea creste. La 8000 de metri, PO2 in plamani se stabilizeaza la aproximativ 35 mmHg, care este o valoarea foarte mica, insa suficienta sa mentina alpinistul in viata.

Echilibrul acido-bazic

Hiperventilatia determina eliminarea in aerul expirat a dioxidului de carbon cu scaderea acestuia in sange si aparitia alcalozei respiratorie cu o crestere a pH-ului sangelui. Scaderea dioxidului de carbon din sange va deprima ventilatia. In decurs de 24 de ore la altitudine moderata, rinichii raspund la alcaloza prin cresterea excretiei (eliminarii in urina) a bicarbonatului. Aceasta functie adaptativa a rinichilor va continua ore sau zile si va avea ca efect corectarea alcalozei si normalizarea ph-ului sanguin. Rata si amplitudinea compensarii metabolice este mai inceata si doar partiala la altitudini foarte mari.

Policitemia

De asemenea, rinichii raspund la hipoxie prin cresterea secretiei de eritropietina care are ca efect cresterea masei de celule rosii si in consecinta, a capacitatii de transport a oxigenului in sange.

Totusi, desi se crede ca aceasta masura adaptativa este una importanta, policitemia se dezvolta lent, dupa cateva zile, si nu este completa decat dupa cateva saptamani sau luni. Ca urmare, in cazul ascensiunilor cu durata de una-doua saptamani (durata obisnuita), cresterea masei eritrocitare are importanta minora, insa devine un mecanism valoros in cazul expeditiilor de lunga durata.

Bolile acute de mare altitudine

Persoanele care urca rapid la altitudine mare si nu sunt aclimatizate au riscul de a face o serie de boli acute de mare altitudine care apar in primele zile dupa sosirea la acea inaltime.

Notiunea de boala de altitudine sau rau de munte descrie un continuum de sindroame (asocieri de simptome si semne) ca urmare a expunerii prelungite la hipoxie:

• Raul acut de munte (RAM)
• Edemul cerebral de mare altitudine (ECMA)
• Edemul pulmonar de mare altitudine (EPMA)

Relatia dintre altitudine si bolile de altitudine

Traditional, se considera altitudinea de 2500 de metri ca fiind pragul pentru aparitia bolilor de mare altitudine. Foarte rar, pot sa apara forme usoare de boala intre 2000 si 2500 de metri.

Altitudine intermediara: 1500-2500 metri

• Modificari fiziologice detectabile
• Saturatia arteriala a O2 > 90%
• Boli de altitudine posibile, dar rare

Altitudine mare: 2500-3500 metri

• Boli de altitudine frecvente daca ascensionarea este rapida

Altitudine foarte mare: 3500-5500 metri

• Boli de altitudine frecvente
• Saturatia arteriala a O2 < 90%
• Hipoxemie (PO2 arterial) marcata in timpul efortului fizic

Altitudine extrema: peste 5500 metri

• Hipoxemie marcata in repaus
• Deteriorare progresiva, in ciuda aclimatizarii maximale
• Supravietuirea permanenta nu poate fi mentinuta

Cea mai importanta masura de tratament in cazul raului acut de munte este oprirea ascensionarii si repausul, iar daca simptomele se inrautatesc dupa o zi de odihna la acea altitudine, cobararea imediata la o altitudine inferioara. In cazul ECMA si EPMA, coborarea imediata este esentiala. Administarea de oxigen, medicamente sau alte tratamente sunt considerate adjuvante la coborare.