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Come calcolare il rischio di tossicità polmonare dell’ossigeno

Reading Time: 9 minutes

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livello difficile

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ARGOMENTO: MEDICINA IPERBARICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA

parole chiave: Tossicità polmonare ossigeno
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Dalla lettura di un articolo del dott. Ran Arieli (*), tratto dalla rivista “InDepth” ottobre 2020, sono emersi alcuni aspetti sul rischio di tossicità polmonare dell’ossigeno che ho riassunto in questo articolo.

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La maggior parte dei subacquei tecnici calcola la propria esposizione all’ossigeno nelle immersioni lunghe e profonde tramite il computer, utilizzando metodi, come gli UPTD o REPEX, sviluppati negli anni ’80. Tuttavia alcuni ricercatori ritengono che questi metodi non siano accurati. Il fisiologo iperbarico israeliano Ran Arieli nell’articolo citato ha proposto un nuovo metodo per calcolare il rischio di tossicità polmonare dell’ossigeno.

L’ossigeno iperbarico (HBO) è un aspetto intrinseco dell’immersione. Tuttavia, il rischio di POT – Polmonary Oxigen Toxicity (tossicità polmonare dell’ossigeno) è diventato un problema importante a causa dell’aumento delle tecniche di immersione, che includono miscele di gas arricchite di ossigeno ed immersioni tecniche. Come vedremo, non esiste ancora un metodo soddisfacente e praticabile per calcolare il rischio di tossicità da ossigeno durante un’esposizione ad ossigeno iperbarico.

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è curva-baler-oxigen-toxicity.png

questa curva rappresenta l‘equazione per il calcolo la tossicità polmonare dell’ossigeno sviluppata empiricamente dalle curve di tolleranza all’ossigeno polmonare. Le curve erano basate su misurazioni del tasso di diminuzione della capacità vitale in “uomini normali” durante la respirazione di ossigeno puro ad elevate pressioni assolute. La capacità vitale VC è il volume massimo di aria (o gas) che una persona può espellere dai suoi polmoni dopo averli prima riempiti alla loro massima estensione e poi espirata nella misura massima. Le curve di tolleranza sono iperboliche con un asintoto della pressione parziale di Ossigeno PO² ad un valore uguale a 0,5 (soglia limite fissata da Lambersten per gli effetti polmonari rilevabili). La curva, che rappresenta a Il decremento del 4% della capacità vitale, è stata spesso utilizzata per sviluppare i limiti di esposizione alle immersioni tecniche per la tossicità polmonare dell’ossigeno – da Oxygen Toxicity Calculations by Erik C. Baker, P.E

Il concetto di Unit Polmonary Toxic Dose (UPTD), che si basa su una modifica dell’iperbole rettangolare, è stato proposto in risposta ad una richiesta di quali fossero i limiti di esposizione all’ossigeno, ma è basato su una quantità molto ridotta di dati di ricerca. Di fatto leggiamo un valore di un’ora a 4 bar e l’assenza di lesioni note a 0,5 bar (fissato da Lambertsen), un limite meramente descrittivo e non basato su alcun meccanismo fisico-chimico-fisiologico. D’altro canto il metodo REPEX della NOAA, originariamente sviluppato da R.W. “Bill” Hamilton negli anni ’80, si basa su un semplice presupposto lineare, senza una sufficiente convalida della ricerca. Come è noto entrambi questi metodi non sono accurati.

Poiché qualsiasi reazione chimica, inclusa la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e dell’azoto (RNS), può essere descritta da un’espressione polinomica, Arieli scelse l’approccio della legge di potenza. Avendo una conoscenza incompleta della reazione chimica, ha ipotizzato che il tasso di sviluppo della tossicità da ossigeno POT sia correlato alla massima potenza della PO². Quando i vari parametri di tossicità dell’ossigeno come, tra gli altri; una diminuzione della capacità polmonare, un ridotto impulso ventilatorio ipossico, cambiamenti nella conduzione cutanea o l’aumento dello spessore della parete alveolare, cambiano in funzione del tempo di esposizione, il risultato può essere espresso al meglio come un’equazione quadratica. Il tasso di produzione del perossido di idrogeno (un precursore di ROS e RNS) è anche correlato al quadrato del tempo, il che può spiegare questa relazione temporale. È stato dimostrato che l’equazione della potenza ha una buona capacità predittiva (vedi gli articoli 1 e 2 citati nella bibliografia).

Calcolo dell’equazione della potenza (PO2c )
Dalle considerazioni precedenti, ne consegue che lo sviluppo della tossicità da ossigeno dovrebbe essere correlato al quadrato del tempo di esposizione (t) e ad una certa potenza della PO² (PO²c). Inizialmente, Arieli ha calcolato l’equazione di potenza per la perdita di capacità vitale (VC), con l’aggiunta di un parametro per regolare le unità:
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La capacità predittiva dell’equazione di potenza rispetto al concetto UPTD è mostrata nella figura 1.
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Con una PO² superiore a 1 bar, il concetto di UPTD fallisce. È stato riscontrato che il recupero di capacità vitale VC (a PO² < 0,48 bar) ha la forma di un’espressione esponenziale, dove la costante di tempo aumenta linearmente con la pressione dell’ossigeno della precedente esposizione, come si vede nella figura 2.
Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è POT-fig.2.png

È stato dimostrato che la patologia polmonare è diversa ad alta e bassa PO² cioè si tratta di patologie distinte. Con l’esposizione a un aumento della PO² gli effetti centrali (cerebrali) sul polmone sono maggiori degli effetti polmonari locali dell’ossigeno iperbarico HBO. Pertanto, il recupero esponenziale della tossicità polmonare da ossigeno ha assunto la forma:

ΔVCtr% = ΔVCe% × e- [- 0,42 + 0,384 × (PO²)ex ] × tr

dove
tr è il tempo di recupero in ore
ΔVCtr è il valore dopo il tempo di recupero
ΔVCe è il valore che segue la precedente esposizione iperbarica all’ossigeno
(PO2)ex è la precedente esposizione all’ossigeno iperbarico in bar.

Il tasso di recupero dipende quindi dalla PO² che ha causato la patologia polmonare e si verifica con l’esposizione a una PO² > 1,1 bar.

Uno studio pubblicato di recente ha proposto altri parametri per sostituire i cambiamenti nella capacità vitale VC come indicatore della tossicità polmonare dell’ossigeno POT: l’incidenza dei sintomi (bruciore inspiratorio, tosse, oppressione toracica e dispnea) e un cambiamento nei parametri fisiologici polmonari (FVC, FEV25-75, FEV1 e DLCO).  Poiché le unità dell’indice POT [t² × (PO²)*4,57 ] sono al quadrato per il tempo e per la PO², questo indice può anche contenere stime che impiegano gli altri parametri appena indicati.

L’incidenza della tossicità polmonare dell’ossigeno (POT) in 16 diverse esposizioni ad ossigeno iperbarico (HBO), condotte presso la US Navy Experimental Diving Unit (NEDU), è tracciata nella figura 3 in funzione dell’indice POT calcolato.

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Pertanto, l’indice POT può essere utilizzato per prevedere la percentuale di rischio di tossicità polmonare da ossigeno (POT):
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Facciamo un pò di calcoli … per calcolare l’accumulo di tossicità a PO² superiore a 0,6 bar si utilizza l’equazione sottostante (2):

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è POT-eq.-2.png

Per un numero di periodi (n) di esposizione iperossica continua, ciascuno per un periodo di tempo diverso e con una PO2 diversa, il calcolo dovrebbe assumere la forma dell’equazione 3:
Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è POT-eq.-3.png

Durante il recupero di VC a pressioni di ossigeno inferiori a 0,50 bar si utilizza l’equazione (4):

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è POT-eq.-4.png
dove:
tr è il tempo di recupero in ore
indice POT è il valore dopo il tempo di recupero
indice POTe è il valore che segue la precedente esposizione iperbarica all’ossigeno
(PO²)ex è il PO² nell’esposizione precedente misurata in bar.

Quando c’è un periodo di recupero tra le esposizioni iperossiche, l’indice POT alla fine del recupero dovrebbe essere calcolato utilizzando l’equazione (4). Il tempo necessario per ottenere lo stesso indice POT per la successiva PO² cioè (PO²nx) nella successiva esposizione iperossica verrà quindi ricavato modificando l’equazione (2) in questo modo:

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Questo tempo t* dovrà essere aggiunto al tempo del prossimo periodo iperossico, come se l’intera esposizione iniziasse a questa PO². Perciò si ottiene l’equazione (6):

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La US Navy raccomanda limiti di esposizione all’ossigeno che comportino una variazione del 2% nella VC, poiché si prevede che l’esposizione massima consentita produrrà una diminuzione del 10%.

Pertanto, l’inserimento di ΔVC = 2% o ΔVC = 10% nell’equazione della potenza determinerà la PO² e i limiti di tempo. Per questi due valori di ΔVC, l’indice POT non deve superare rispettivamente 244 e 1.220, sia a pressione costante che per un’esposizione complessa. Arieli propone che l’indice POT sia utilizzato per sostituire i metodi UPTD o REPEX.

In sintesi, è possibile utilizzare i limiti dell’indice POT da 244 (lieve) a 1220 (eccezionale) oppure determinare il rischio scelto appropriato tramite l’equazione di incidenza:
Incidenza (%) = 1,85 + 0,171 × indice POT

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Immersioni in saturazione
In linea di principio, nessuna soglia è stata incorporata nell’espressione di potenza, che agisce quando la produzione di ROS e RNS supera l’attività antiossidante che produce il recupero della capacità vitale VC. È stato suggerito che in esposizioni prolungate con PO² relativamente bassa, ad esempio in immersioni in saturazione con PO² di 0,45–0,6 bar, un processo di recupero della POT accompagna lo sviluppo della tossicità, e ciò attenua ma non elimina completamente il risultato tossico (3).

Nel report di un’immersione sperimentale in saturazione in campana della durata di 261 ore con una PO² di 0,5‒0,6 bar, risulta che due degli otto soggetti (25%) hanno sviluppato tossicità polmonare da ossigeno (POT). L’indice POT calcolato con l’equazione (1) per il 25% è risultato pari a 136.  Per correggere questi due effetti opposti della tossicità cumulativa e del processo di recupero, è possibile utilizzare l’equazione (7):

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dove t è il tempo di esposizione a un livello tossico di iperossia espresso in ore (h).

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E’ evidente che otto immersioni sono un campione insufficiente, ma, Arieli, dopo aver pubblicato nel 2019 l’articolo Pulmonary oxygen toxicity in saturation dives with PO² close to the lower end of the toxic range – a quantitative approach, ha ottenuto un ulteriore campione di otto immersioni in saturazione. Durante questo ulteriore test i subacquei si sono immersi per quattro giorni ad una PO² di 0,6 bar e la metà di loro ha sofferto di POT. La percentuale calcolata utilizzando l’equazione (7) e l’equazione (1) ha prodotto il 43,6%, cioè un dato piuttosto vicino al 50%.

In sintesi, Arieli suggerisce l’uso delle equazioni (7) e (1) per le immersioni di lunga durata in saturazione con una PO² vicina al range inferiore di tossicità e superiore a 0,48 bar.

Marcello Polacchini

 

Bibliografia

  1. Arieli R, Yalov A, Goldenshluger A. Modeling pulmonary and CNS O2 toxicity and estimation of parameters for humans. J Appl Physiol. 2002;92:248‒56. doi: 10.1152/japplphysiol.00434.2001. PMID: 11744667.
  2. Arieli R. Calculated risk of pulmonary and central nervous system oxygen toxicity: a toxicity index derived from the power equation. Diving Hyperb Med. 49: 154-160, 2019. doi: 10.28920/dhm49.
  3.  154-160. PMID: 315237893. Arieli R. Pulmonary oxygen toxicity in saturation dives with PO2 close to the lower end of the toxic range – a quantitative approach. Respir Physiol Neurobiol 268: 103243, 2019. doi: 10.1016/j. resp.2019.05.017. PMID: 31158523

Ulteriore documentazione
– La fisiologa respiratoria Barbara Shykoff della US Navy Experimental Diving Unit (NEDU), ha anche sviluppato un modello per la stima del rischio di tossicità polmonare: Calculator For Estimating The Risk of Polmonary Toxicity (2018);
– Shearwater Research: Perché i calcoli UPTD non dovrebbero essere utilizzati di Barbara Shykoff, 2017;
– Shearwater Research: Oxygen Toxicity Calculations di Erik C. Baker (2012) che spiega i calcoli UPTD e REPEX precedenti;
– Tolerating Oxygen Exposure di R.W. “Bill” Hamilton (1997) che è il testo originario di Hamilton sul metodo REPEX: Tolerating Exposure To High Oxygen Levels: Repex And Other Methods di R.W. Hamilton, 1989;
– Una revisione dell’inizio del 1985 del modello UPTD: Predicting Pulmonary O2 Toxicity: A New Look at the Unit Polmonary Toxicity Dose di AL Harabin, LD Homer, PK Weathersby e ET Flynn

 

Sull’autore (*)
Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è Ran-Arieli.jpgIl dottor Ran Arieli, attualmente in pensione, era il responsabile dell’Unità di ricerca di fisiologia iperbarica presso l’Istituto medico navale israeliano. Ha conseguito il dottorato di ricerca dall’Università di Tel Aviv, completando un post-dottorato a Buffalo presso la State University of New York. Ha tenuto lezioni di fisiologia della respirazione presso la Facoltà di Medicina Technion di Haifa. I suoi principali argomenti di ricerca sono la fisiologia respiratoria, la fisiologia integrativa, la tossicità da ossigeno e la fisiologia della decompressione. Il dottor Arieli ha studiato i fattori ambientali che influenzano la tossicità dell’ossigeno, proponendo algoritmi per la predizione della tossicità da ossigeno del sistema nervoso polmonare e centrale. Nella sua ricerca sulla fisiologia della decompressione, Arieli ha presentato un nuovo meccanismo alla base della formazione di bolle durante la decompressione. Inoltre ha pubblicato 128 articoli sulle sue ricerche scientifiche.
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