Numa instalação experimental da Marinha dos Estados Unidos, estavam em curso testes para novos programas de descompressão utilizando misturas de nitrox com uma concentração de oxigênio mais elevada do que os 21 por cento no ar.
Os investigadores da Marinha usaram pela primeira vez O2 a 100% em várias pressões para calcular os limites de tolerância para o próprio oxigênio. Estabeleceram uma “curva limite” provisória baseada em dados presumivelmente fiáveis. Os testes reais foram realizados por tempos 25% mais longos do que na curva limite. Nenhuma toxicidade grave foi observada dentro da curva limite, portanto isso foi aceito como seguro.
Parecia racional assumir que a PO2 era a única variável crucial para determinar limites para misturas. A simples tradução dos limites de 100% de O2 em curvas para diferentes misturas de nitrox com base nas pressões parciais de oxigênio significava que as misturas deveriam estar corretas.
Mas no primeiro experimento em que testaram misturas de Nitrox, o mergulhador teve convulsões. Depois disso, houve problemas sugerindo envenenamento precoce por oxigênio e outros efeitos estranhos onde nenhuma dificuldade era esperada.
O que está acontecendo com o gás misturado ?
O ano era 1952. A Unidade Experimental de Mergulho (EDU) da Marinha dos Estados Unidos, então localizada em Washington, DC, foi encarregada de elaborar um sistema que utilizasse “mistura de gás” para reduzir os requisitos de descompressão para aplicações práticas, como a remoção de minas de um porto. O Oficial do Projeto, Tenente Comandante JV Dwyer, e o Oficial Médico Assistente, Tenente EH Lanphier (MC), assumiram a maior responsabilidade por este trabalho.
Os mergulhos com misturas de nitrox pareciam produzir um número incomum de problemas em comparação com os limites de oxigênio previamente estabelecidos. Além disso, estes problemas não ocorreram quando se utilizaram misturas de hélio-oxigênio com a mesma pressão de oxigênio.
A única explicação plausível envolvia o dióxido de carbono. Não havia CO2 nas misturas e o espaço morto no aparelho respiratório era mínimo; mas dados de um estudo anterior (1) indicaram que, em profundidade, alguns mergulhadores respiravam menos do que outros durante esforços semelhantes. Os mergulhadores que respiraram muito menos provavelmente não eliminaram o CO2 de forma adequada. Isto era particularmente preocupante do ponto de vista da suscetibilidade às convulsões de oxigênio. O excesso de CO2 aumenta o fluxo sanguíneo cerebral e isso aumenta a “dose” de oxigênio para o cérebro.
Lanphier e Dwyer verificaram experimentalmente que alguns mergulhadores EDU respiravam menos do que outros durante trabalhos equivalentes. Eles coletaram amostras de gás expirado (o último gás expirado em uma expiração normal, idealmente consistindo apenas de gás alveolar) para uma estimativa dos níveis de CO2 no sangue arterial. Em profundidade, o CO2 expirado foi definitivamente elevado em certos indivíduos, particularmente quando foram utilizadas misturas de N2-O2 (2).
Observação: às vezes é possível que as amostras de CO2 no final da expiração superestimem os níveis arteriais com certos padrões de respiração, principalmente respiração lenta e profunda. Por esse motivo, estudos que usam leituras de gás no final da expiração devem fazer verificação cruzada com amostras arteriais, como foi feito neste estudo.
Um estudo independente realizado em 1995 repetiu as condições da EDU e confirmou os resultados. Os investigadores analisaram a retenção de CO2 durante o exercício hiperbárico enquanto respiravam nitrox 40/60. Eles determinaram que “não se espera que a retenção de CO2 seja agravada globalmente pela respiração de nitrox até 30 metros, mas que alguns indivíduos podem ser afetados”. (3)
Resultados surpreendentes com a misturas de hélio-oxigênio
A partir do trabalho contínuo, ficou claro que, ao respirar misturas de nitrogênio e oxigênio em profundidade, ocorria retenção de dióxido de carbono, enquanto que com hélio e oxigênio, a ventilação permanecia essencialmente intacta e os níveis de CO2 permaneciam próximos do normal. As conclusões alcançadas após os estudos de 1956 e 1957 (4) incluíram o seguinte:
(1) A retenção de dióxido de carbono durante mergulhos de trabalho a profundidades moderadas é uma realidade definitiva.
(2) Somente quando o meio respiratório é uma mistura de hélio-oxigênio é que o aumento na tensão corporal de dióxido de carbono é ausente ou pequeno.
(3) Embora o aumento da resistência respiratória e o espaço morto favoreçam a retenção de dióxido de carbono, manter estes fatores num mínimo prático não elimina o problema.
(4) Alguns indivíduos são muito mais propensos a desenvolver tensões elevadas de dióxido de carbono do que outros, mas todos os indivíduos mostram uma tendência nesta direção, especialmente quando respiram uma mistura de azoto-oxigênio. Não existe uma linha divisória nítida entre “retentores” e “normais”.
(5) O método mais eficaz para minimizar as complicações causadas pela retenção de dióxido de carbono é usar misturas de hélio-oxigênio para mergulhos com “mistura de gases”.
As recomendações do Relatório de Pesquisa 7-58 podem ser reproduzidas literalmente:
“Recomenda-se que:
(1) As tentativas de usar misturas de nitrogênio-oxigênio com alto teor de oxigênio sejam abandonadas como meio de reduzir os requisitos de descompressão.
(2) Os estudos que levem ao uso de misturas de hélio-oxigênio para mergulho com “mistura de gases” sejam realizados o mais rápido possível.”
Por que a retenção de CO2 é um problema ?
Já em 1878, o fisiologista Paul Bert demonstrou a “autointoxicação” de animais pelo seu próprio dióxido de carbono num ambiente superoxigenado. Ele também estava ciente da possível ligação entre o dióxido de carbono e a toxicidade do oxigênio (5). A retenção de CO2 em profundidade já foi sugerida como a única causa da narcose por nitrogênio (6, 7). Outra ideia, menos proeminente, era que apenas os retentores de CO2 poderiam sofrer toxicidade de oxigênio durante o esforço mais facilmente do que outros (8).
A retenção de dióxido de carbono é agora vista como um contribuinte para a toxicidade do oxigênio e para a narcose por azoto, suspeita de contribuir para a doença descompressiva e implicada em incidentes de confusão subaquática e perda de consciência.
Durante a Segunda Guerra Mundial, torpedeiros da Marinha Real Britânica que usavam rebreathers de oxigênio desmaiavam sem aviso prévio. O termo “apagão em águas rasas” foi usado em 1944 por Barlow e MacIntosh (9) para suspeita de apagão, e posteriormente confirmado, devido a níveis muito elevados de CO2 (hipercapnia). Foi denominado “águas rasas” porque os rebreathers de oxigênio não podiam ser usados em águas profundas devido ao alto teor de oxigênio.
A maioria dos casos não era profunda o suficiente para ser toxicidade por O2, que anteriormente era o principal suspeito. O problema diminuiu depois de melhorar os recipientes de absorção de dióxido de carbono. Embora o termo “apagão em águas rasas” tivesse o significado estabelecido de apagão induzido pela retenção de CO2, foi posteriormente aplicado à inconsciência devido a níveis muito baixos de oxigênio (hipóxia) no mergulho com apneia, especialmente após hiperventilação excessiva. A confusão continuou em uso comum.
Produção e remoção normal de CO2
Normalmente, o CO2 arterial é mantido, quase sem exceção, dentro de 3 mmHg durante o repouso e o exercício, uma faixa muito restrita. Como seu corpo faz isso?
A quantidade e a profundidade com que você respira são reguladas pela pressão arterial de oxigênio, pela tensão do dióxido de carbono, pelo pH, pelos reflexos no pulmão e na parede torácica e pelo controle do cérebro.
A falta de oxigênio na mistura respiratória aumenta o impulso ventilatório; há um impulso hipóxico para respirar. O CO2 é um estimulante respiratório ainda mais profundo. De todas as diversas entradas, o CO2 arterial é o mais influente. Isso significa que o aumento da produção de CO2 com o exercício aumenta a quantidade e a rapidez com que você respira, regulando o seu CO2, de modo que o CO2 normalmente não aumenta, mesmo durante exercícios pesados.
Na população normal, o CO2 também é constante em repouso, aumentando apenas um pouco durante o sono. Uma exceção importante envolve a condição de apneia do sono. A apneia do sono é um distúrbio do sono que envolve ronco, em que quem ronca para de respirar durante o sono devido à obstrução das vias aéreas superiores, resultando em falta repetida de oxigênio para o cérebro.
Os níveis de dióxido de carbono aumentam, devido à ausência de ventilação por períodos variados, às vezes centenas de vezes por noite. Pessoas que sofrem de apneia do sono costumam ser homens com sobrepeso e pescoço pesado. Para tratamento de longo prazo, perder peso costuma ser muito eficaz.
Mecanismos de retenção de CO2
Normalmente, não ocorre grande aumento nos níveis de CO2 durante o repouso ou exercício. Às vezes, porém, aumenta. Por que é isso?
Diversas variáveis parecem prejudicar a resposta do CO2 durante o trabalho subaquático. De Lanphier surgiram três contribuintes principais: respiração com altas pressões parciais de oxigênio (PiO2 elevada), resposta ventilatória inadequada durante o esforço e aumento do trabalho respiratório (10).
PO2 elevado diminui a ventilação em algumas situações. Lanphier descobriu que o aumento da pressão inspiratória de oxigênio é responsável por cerca de 25% da elevação do CO2 expirado. Lambertsen et al. (11) demonstraram que o exercício enquanto respira oxigênio hiperbárico diminui significativamente a ventilação. Outros autores descobriram que, a uma determinada taxa de trabalho abaixo do limiar anaeróbico, a ventilação (exercício em estado estacionário) não é apreciavelmente diferente entre a respiração com 100% de O2 e a respiração com ar (12, 13, 14).
Seus centros respiratórios respondem ao CO2 na medida em que ele mantém as coisas niveladas, seja em trabalho ou em repouso, com algumas modificações. Trabalhar arduamente para produzir ácido láctico mudará isso para compensar a acidose metabólica, mas níveis elevados de oxigênio inspirado interrompem a resposta quimiorreceptora ao ácido láctico, o que ajuda a explicar a retenção de CO2 em mergulhadores que pelo menos estão à beira do limiar anaeróbico.
A maior parte da elevação da PaCO2 foi explicada pelo aumento do trabalho respiratório em profundidade. O trabalho respiratório é dificultado pela maior densidade do gás em profundidade. O seu corpo compensa reduzindo a ventilação – facilmente demonstrado ao tentar respirar através de um tubo estreito. Num estudo de 1977 sobre tolerância a vários gases em densidades extremas, Lambertsen et al., encontraram uma “redução proeminente da ventilação total e alveolar (15).
A resposta não estava relacionada com quaisquer propriedades narcóticas dos gases em questão, demonstrando que a supressão ventilatória não era função da depressão narcótica. Foi a densidade do gás e o trabalho respiratório que limitaram a função pulmonar. Os primeiros trabalhos na EDU pareciam mostrar que o fator crítico nos problemas do CO2 era a maior densidade do gás das misturas de azoto em comparação com as misturas de hélio.
Porquê aclimatização com CO2 ?
Normalmente, os níveis crescentes de CO2 produzem um desejo cada vez mais desconfortável de respirar mais. No entanto, há uma grande variedade de respostas. Algumas pessoas têm uma resposta normal, outras são notáveis na retenção de CO2 em grande medida – simplesmente não respondem muito ao CO2. A questão por trás da retenção de dióxido de carbono é: por que alguns indivíduos não aumentam a ventilação para regular os níveis crescentes de CO2 ?
Algumas evidências sugerem que a tendência para reter CO2 aumenta com a exposição crônica a ambientes com elevado teor de CO2, como os encontrados durante situações específicas de mergulho. O corpo se acostuma com níveis mais elevados, permitindo que ocorram sem a autorregulação usual que corrigiria a situação.
Nos primeiros estudos EDU, quase todos os participantes eram mergulhadores experientes com “capacete”. Os volumes de ar necessários para a ventilação adequada de um capacete são muito grandes, especialmente em profundidades significativas. A ventilação adequada do capacete é improvável, portanto a aclimatação ao CO2 pode ter sido uma necessidade ocupacional.
Os mergulhadores muitas vezes tinham outras razões para a elevação repetida de sua PCO2 arterial, como repetidos mergulhos profundos em apneia no treinamento de fuga de submarinos. Schaefer (16) descobriu que os instrutores de tanques de escape de submarinos retinham mais CO2 do que o homem médio não treinado. Ele sugeriu um possível efeito de adaptação. Kerem, et al. (17) descobriram que tanto os mergulhadores quanto os não mergulhadores exibiam níveis arteriais de CO2 em repouso semelhantes, mas durante o exercício, o CO2 arterial era mais alto nos mergulhadores.
Eles confirmaram isto num estudo posterior sobre a retenção de CO2 durante a respiração com nitrox (3). MacDonald e Pilmanis (18) encontraram um nível elevado de CO2 moderado e consistente e hipoventilação característica em 10 dos 10 mergulhadores do sexo masculino que testaram em mergulho autônomo de circuito aberto durante mergulhos em águas abertas.
Pode haver algum tipo de seleção, onde aqueles que toleraram altos níveis de CO2 através de um quimiorreceptor embotado ou outra resposta adaptativa, se auto-selecionam para continuar com sua carreira de mergulho. Essa situação deve ser menos prevalente hoje em dia, pelo que o número de mergulhadores tolerantes ao CO2 provenientes dessa fonte pode ser consideravelmente menor. Talvez alguns dos mergulhadores que retêm dióxido de carbono sejam apneicos do sono, que experimentam rotineiramente níveis elevados de dióxido de carbono durante o sono. O corpo grande e pesado de muitos mergulhadores sugere isso.
Em alguns casos, a retenção de CO2 ocorre em indivíduos sem experiência com ambientes com alto teor de CO2, mas que podem estar expostos de outras formas, principalmente uma adaptação aprendida a partir de padrões respiratórios que produzem regularmente níveis internos elevados de CO2. Quando o mergulho autônomo se tornou predominante, “pular a respiração” era frequentemente ensinado ou popularizado de boca em boca como forma de conservar o suprimento de ar no mergulho autônomo de circuito aberto. Os esforços educacionais para desencorajar a interrupção da respiração tiveram algum efeito, pelo que provavelmente menos indivíduos se tornaram tolerantes ao CO2 desta forma.
Alguns retentores de CO2 não possuem histórico de provável aclimatação. Existem alguns indivíduos (não sabemos quão poucos) que retêm CO2 sem nenhuma sugestão de que esta seja uma resposta adaptativa. Um estudo de 1995 realizado por Clark et al., (19) encontrou níveis aumentados de CO2 arterial com o aumento do esforço em indivíduos normais expostos a 2 atm de oxigênio em terra firme.
Ainda assim, a aclimatação ao CO2 não é tão simples quanto pode parecer. Um livro recente sobre o controle da respiração (20) faz esta afirmação: “. . . A retenção significativa e sustentada de CO2 é extremamente rara na saúde, mesmo sob as condições mais extremas de intensidade de exercício e limitação de fluxo.” Um dos editores, Jerome Dempsey, reconhece que esta afirmação não se aplica necessariamente a indivíduos que tiveram algum motivo para adaptação ao CO2. Dempsey (21) diz que numa carreira de investigação relacionada com o exercício, encontrou apenas um ou dois indivíduos que seriam classificados como “retentores de CO2” em termos da nossa definição.
Unidade Experimental de Mergulho USN Estudo de Resposta ao Dióxido de Carbono 1957
Identificação de retentores
Muitas tentativas foram feitas para identificar retentores de dióxido de carbono. Essas pessoas podem correr um risco inesperado de apagão de CO2, graus incomuns de narcose por nitrogênio ou suscetibilidade à toxicidade do oxigênio. A identificação, por esse motivo, seria uma triagem útil.
A principal esperança da EDU originalmente era que os retentores de CO2 excelentes pudessem ser identificados e protegidos de exposições perigosas. Nesse caso, outros poderiam aproveitar os benefícios do mergulho com nitrox. Foi realizado um teste em terra seca da resposta ventilatória a vários níveis de CO2 inspirado (3).
Houve uma grande difusão de resultados (Figura 2), e estes foram comparados com os níveis de CO2 que os mergulhadores desenvolveram espontaneamente em profundidade. Em cerca de 60% dos casos, o CO2 elevado em profundidade correspondia a uma resposta baixa ao CO2 inspirado; mas nos outros 40% não foi observada tal relação. A correlação não foi boa o suficiente para um teste de seleção justo e confiável.
Em outro trabalho envolvendo natação amarrada em ritmo de trabalho submáximo, 11 dos 19 indivíduos desenvolveram níveis elevados de CO2. Um teste de reinalação de CO2 não pré-identificou claramente essas pessoas, levando à conclusão de que a identificação de retentores de CO2 pode exigir um teste com exercício (22). Um teste de natação com nadadeiras amarradas é um exemplo.
David Elliott recomenda que sejam desenvolvidos testes de triagem para mergulhadores de ar comprimido, para mergulhadores que realizam trabalho pesado a profundidades superiores a 36 metros e que podem estar em risco de inconsciência (23). No entanto, parece que não existe um método fácil e confiável de identificar antecipadamente os retentores. No entanto, taxas de utilização do ar invulgarmente baixas levantariam as nossas suspeitas. A necessidade de testes melhores e mais precisos é evidente
Evitando a retenção de CO2
Se a solução do problema da retenção de CO2 não reside na seleção de pessoal, que outras vias estão abertas ?
Evitar “pular a respiração” e qualquer outra tentativa de conservar o ar parece óbvio, mas pode ser mais fácil recomendar do que realizar. Fornecer assistência ventilatória a mergulhadores pode merecer investigação.
Outra solução seria utilizar misturas de He-O2 em vez de N2-O2. Há trabalhos que sustentam que a retenção de CO2 é mínima ou inexistente quando o meio respiratório é uma mistura de hélio-oxigênio (2, 4) (por exemplo, 7-55 e 7-58). Na faixa provável de profundidades e tempos, o hélio não deveria ser muito menos desejável que o N2-O2 do ponto de vista da descompressão. Algumas vantagens do nitrox seriam perdidas se o heliox fosse adotado, mas a segurança pode ser considerada um fator decisivo.
O material deste artigo foi apresentado na 13ª Reunião do Painel sobre Fisiologia do Mergulho do Programa Cooperativo de Recursos Naturais dos Estados Unidos-Japão (UJNR) em Yokosuka, Japão, de 23 a 25 de outubro de 1995.
Referências
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23 Elliott D. (1990) Loss of consciousness underwater. In Diving Accident Management: Proc. Forty-first Undersea and Hyperbaric Medical Society Workshop, pp 301-310, Durham, NC.
Colaboração
- Jolie Bookspan, Ph.D. – Universidade da Pensilvânia, Filadélfia, PA
- Edward H. Lanphier, MD – Universidade de Wisconsin-Madison, Madison, WI
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Ernest S. Campbell
Médico cirurgião com anos de experiência, possuindo diversas especialidades médicas, sendo uma grande referência no mercado internacional do mergulho.
Membro de várias entidades norte americanas como a Undersea & Hyperbaric Medical Society (UHMS), e foi responsável pela área de educação e treinamento da DAN nos Estados Unidos.
