Toxicidad del Oxígeno

Naturaleza del Oxígeno

El oxígeno es el tercer elemento más abundante del universo, tras el hidrógeno y el helio, y el más abundante en la corteza terrestre. Es esencial para la vida en la Tierra, regulando innumerables procesos ecológicos del planeta y rutas metabólicas imprescindibles para la vida. El oxígeno es un elemento químico de número atómico 8 (el átomo de oxígeno tiene 8 protones y 8 electrones) y representado por el símbolo O, forma parte del grupo de los anfígenos en la tabla periódica y es un elemento no metálico altamente reactivo que forma fácilmente compuestos (especialmente óxidos) con la mayoría de elementos, excepto con los gases nobles helio y neón.

Toxicidad del Oxígeno

Su capacidad de combinarse con otros elementos sólo es superada por el flúor. En condiciones normales de presión y temperatura, dos átomos del elemento se enlazan para formar el dioxígeno, que es un gas diatómico incoloro, inodoro e insípido con fórmula O2. Debido a su alta reactividad química, el oxígeno de la atmósfera se consumiría rápidamente si no fuese reabastecido constantemente por la acción fotosintética de las plantas y el resto de los vegetales que utilizan la energía solar para producir oxígeno a partir del agua. El oxígeno elemental O2 empezó a acumularse en la atmósfera después de la aparición de estos organismos, aproximadamente hace 2500 millones de años. La atmósfera terrestre tiene una composición muy estable formada por el 78,084% de nitrógeno, el 20,946% de oxígeno, el 0.934% de argón y el 0,04% de dióxido de carbono.

Toxicidad del Oxígeno

Existen dos tipos de toxicidad del oxígeno asociadas a la respiración del mismo:

La toxicidad del oxígeno pulmonar o toxicidad de larga exposición, conocida como Efecto Lorrain Smith, quien en 1899 demostró que respirar altas concentraciones de oxígeno a presión atmosférica provoca graves lesiones pulmonares que comprometen la respiración si se administra durante periodos largos (24-48 horas). Este daño pulmonar se presenta como inflamación, también llamada neumonitis, que afecta a las células que tapizan los alvéolos pulmonares. El efecto irritante del oxígeno administrado muchas horas provoca la inflamación de estas estructuras sensibles y genera un edema o acumulación de fluidos que impide el normal intercambio de gases a través del epitelio alveolar.

Si se respira oxígeno puro, a presión atmosférica, durante más de 12 horas, o un mezcla con el 60% de oxígeno durante más de 24 horas, se empezarán a producir  toxicidad del oxígeno en forma de efectos inflamatorios que pueden comprometer la vida del paciente. Este es el motivo por el que los médicos y enfermeros mantienen un control muy estricto sobre las concentraciones de oxígeno y los periodos de administración a enfermos que necesitan respirar oxígeno en los hospitales.

Toxicidad del Oxígeno

El segundo tipo de toxicidad del oxígeno se denomina toxicidad del sistema nervioso central y fue descrita por el fisiólogo francés Paul Bert en 1878, por lo que también se conoce como Efecto Paul Bert. Los experimentos con todo tipo de animales que llevó a cabo Paul Bert demostraron que respirar oxigeno hiperbárico acaba por provocar un cuadro convulsivo que llamó síndrome hiperóxico y cuya manifestación es idéntica a una crisis epiléptica. Este envenenamiento o toxicidad que sufre el Sistema Nervioso Central (SNC) también es denominado intoxicación aguda del oxígeno y es muy conocida entre los buceadores ya que éstos se pueden someter a elevadas presiones parciales de oxígeno si se sumergen con mezclas respirables enriquecidas en oxígeno (nitrox).

Paul Bert demostró que el efecto fisiológico del oxígeno no depende tanto del porcentaje del gas sino de la presión parcial a la que se respira. Es decir, que el efecto tóxico del oxígeno se incrementa cuando se respira en ambiente hiperbárico. El Efecto Paul Bert o Síndrome hiperóxico está relacionado con la alteración que provoca el oxígeno respirado a altas presiones parciales sobre las membranas de las neuronas y la consecuente modificación de la comunicación intercelular mediante neurotransmisores.

El cuadro clínico se desarrolla en tres fases:

  • Fase tónica: Contracción muscular generalizada, el sujeto se tensa “como un arco”. La duración de esta fase es de 2 o 3 minutos.
  • Fase clónica: Se producen convulsiones de alta frecuencia y baja amplitud, además de relajación de esfínteres. También dura 2 o 3 minutos.
  • Fase de relajación: El sujeto se muestra soñoliento, recupera la consciencia y presenta amnesia desde los instantes previos a la aparición de la crisis.

Antes de la instalación del síndrome aparecen signos premonitorios que anuncian la crisis. Estos síntomas y signos se suelen enumerar con la regla nemotécnica: “VENTID”

  • V      Visión en túnel
  • E      Ecos
  • N     Nauseas
  • T      Tics nerviosos
  • I       Irritabilidad
  • D     Descoordinación

Existe también riesgo de Síndrome Hiperóxico por la vía acumulativa, es decir, someterse a la respiración de presiones parciales de oxígeno dentro de los límites recomendados, pero en sesiones largas y/o repetitivas, podría llevar a la aparición del Efecto Paul Bert no por la vía repentina sino por la vía de acumulación de toxicidad. Existen tablas que permiten evaluar este incremento de la toxicidad en función del tiempo y de la presión parcial de O2 a la que se somete un sujeto.

Límites de Exposición al Oxígeno

En relación con la toxicidad del oxígeno, el Efecto Lorrain-Smith se suelen aplicar los valores de “dosis tóxica de seguridad” para prevenir la aparición de los nefastos cuadros pulmonares descritos más arriba. Se define la “unidad de lesión pulmonar de oxígeno” (UTPD): Daño pulmonar producido al respirar una PPO2 de 1 Ata durante 1 minuto. Se considera que una dosis de menos de 615 UTPD no constituye riesgo pulmonar significativo, mientras que una dosis superior a 1425 UTPD puede acarrear lesiones pulmonares irreversibles.

En relación con la toxicidad del oxígeno del sistema nervioso central o Efecto Paul Bert, cada persona tiene unos valores de tolerancia a la presión parcial de oxígeno y además existen factores de riesgo como el frío, el sobreesfuerzo, el estrés, etc que modifican la tolerancia del sujeto.  Sin embargo se definen límites para determinadas actividades. Por ejemplo, para los buceadores -que se someten a ambiente hiperóxico en condiciones muy particulares- la legislación española establece unos límites máximos de PPO2 de 1,6 atmósferas. Otros límites, como los elaborados por la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOOA) recomiendan no sobrepasar la presión parcial de oxígeno 1,4 atmósferas para buceadores recreativos. Estos valores no son aplicables a exposiciones al oxígeno en tierra firme ni a tratamientos en cámara hiperbárica, cuyos valores son más altos. La exposición permitida debe ser cuidadosamente establecida por el personal especializado.

CONCEPTO DE PRESIÓN PARCIAL

La presión total (PT) de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales (PP) de los gases componentes.

PT = ∑ PP

Si tomamos como ejemplo el aire, que es una mezcla con el 79% de nitrógeno y el 21% de oxígeno, podemos calcular las presiones parciales de nitrógeno (PPN2) y de oxígeno (PPO2).

Para el cálculo conviene utilizar la notación de fracción en lugar del porcentaje, es decir: el 79% es lo mismo que una fracción del 0,79 y el 21% es lo mismo que una fracción del 0,21. Con esta notación podemos decir:

PTAire = PPN2 + PPO2

Para una PT= 3 atmósferas = (3 x 0,79) + (3 x 0,21)  → 3ata = 2,37ata + 0,63ata

Es decir, respirar aire a 3 atmósferas, supone someterse a una Presión Parcial de oxígeno de 0,63 atmósferas.