La aerosolterapia en ventilación mecánica continúa siendo el método elegido más eficaz y con menos impacto sistémico para la entrega de determinadas drogas, en especial los broncodilatadores.
Sin embargo, la deposición real de droga que se absorbe en la mucosa bronquial es baja. La misma depende del método de ejecución y de diversos factores que están relacionados con el circuito y el ventilador, así como con la droga y el paciente.
Características del aerosol
Definimos a un aerosol como una suspensión de partículas sólidas o líquidas en un gas y las mismas tienden a depositarse en la primera superficie con la que entran en contacto.
Un dato importante es el llamado diámetro aerodinámico de masa mediana (MMAD). Este representa el tamaño de las partículas de un aerosol expresado en micrones y constituye la dosis que llega a impactar, excluidas las que se depositan en la ‘garganta’.
El rango respirable de partículas está comprendido entre 0,1 y 6 micrones.
Otro dato a tener en cuenta es la velocidad final de deposición. Esta es la velocidad con que la partícula caerá desde el aire debido a la gravedad. Está relacionada con el tamaño y la densidad de la misma.
Teniendo en cuenta el tamaño de las partículas se podrá conocer el mecanismo de deposición de las mismas en el circuito, en la vía aérea o en el parénquima.
Mecanismos de depósito de un aerosol
Las partículas de aerosol se depositan en las vías respiratorias (VA) por uno o varios de los siguientes mecanismos:
- Impactación inercial: Las partículas grandes y pesadas se desvían del flujo laminar del aire y chocan contra las paredes de las VA. Este mecanismo es más importante para las partículas de tamaño superior a 10 micras.
- Sedimentación: Las partículas pequeñas y ligeras se depositan en las VA por la acción de la gravedad. Este mecanismo es más importante para las partículas de tamaño inferior a 5 micras.
- Difusión: Las partículas muy pequeñas se mueven aleatoriamente por el aire y pueden colisionar con las paredes de las VA. Este mecanismo es más importante para las partículas de tamaño inferior a 2 micras.
- Intercepción: Las partículas de cualquier tamaño pueden depositarse en las VA cuando se encuentran con otras partículas o estructuras. Este mecanismo es más importante para las partículas elongadas.
- Precipitación electroestática: Las partículas con carga eléctrica pueden atraerse entre sí y depositarse en las VA. Este mecanismo es poco frecuente.
Los primeros mecanismos son los más importantes.
Mecanismos más relevantes
Los tres mecanismos más relevantes son la impactación inercial, la sedimentación y la difusión. Estos mecanismos determinan la distribución de las partículas de aerosol en las VA.
- Las partículas de tamaño superior a 10 micras se depositan principalmente por impactación inercial en las vías respiratorias proximales, como la tráquea y los bronquios principales.
- Las partículas de tamaño inferior a 10 micras se depositan principalmente por sedimentación y difusión en las vías respiratorias distales, como los bronquiolos y los alveolos.
Factores generales que influencian el depósito de un aerosol en la vía aérea
Podemos agrupar a estos factores de la siguiente manera:
Naturaleza física de la partícula:
– Tamaño y masa
– Higroscopicidad
– Tonicidad
– Carga eléctrica
Aerosol:
– Tamaño de la particula y gravedad
– Inercia
– Temperatura y humedad del gas
– Tipo de gas
Paciente:
– Edad
– Patrón respiratorio
– Anatomía de la vía aérea
– Mecánica respiratoria
Equipos:
– Generador del aerosol (inhalador, nebulizador, polvo seco).
– Tipo de medicamento
– Propelente
– Aerocámara o adaptador para circuito de ventilación
Factores que influye en la entrega y deposito de un aerosol en pacientes en ventilación mecánica invasiva
- Ventilador
Tipo de ventilador
Modo ventilatorio
Flujo inspiratorio y su patrón
Volumen tidal
Frecuencia respiratoria
Mecanismo para iniciar el ciclo (trigger)
Duración del ciclo y relación tiempos inspiratorio/espiratorio
Posee o no nebulizar incorporado - Circuitos
VA artificial: tubo endotraqueal o cánula (largo y diámetro interno)
Temperatura y humedad del gas inhalado
Densidad del gas inhalado (oxígeno mas aire o helio). - Dispositivo generador
– Inhalador de dosis medida presurizado: tipo de aerocámara, posición de la misma en el circuito, tipo de IDMp utilizado, relación entre momento de activación del IDMp con el ciclo respiratorio.
– Nebulizador: tipo de nebulizador (jet, ultrasónico, de malla), volumen de llenado y dosis emitida, volumen residual, flujo de gas, ciclado: entrega solo en inspiración o modo continuo, duración de la nebulización, posición en el circuito. - Medicamento: dosis y formulación, propiedades del medicamento, tamaño y masa de la partícula, sitio “blanco” de la entrega, duración de la acción y vida media del fármaco.
- Paciente: diagnósticos de base y condición aguda, severidad y mecanismo de la obstrucción al flujo, presencia de hiperinsuflación dinámica (AutoPEEP), sincronía del paciente con el ventilador, patrón ventilatorio espontáneo.
Factores que influyen en el depósito de las partículas
El tamaño de las partículas es el factor más importante que influye en el depósito de las partículas de aerosol. Sin embargo, otros factores también pueden influir, como:
- La forma de las partículas: Las partículas elongadas son más propensas a depositarse por intercepción.
- La velocidad y el patrón de la respiración: Una respiración lenta y profunda favorece el depósito de las partículas en las vías respiratorias distales.
- La viscosidad del aire: Un aire más viscoso dificulta el movimiento de las partículas y favorece su depósito.
- La carga eléctrica de las partículas: Las partículas con carga eléctrica pueden ser atraídas por las paredes de las VA y depositarse allí.
Naturaleza física de las partículas
Las partículas de aerosol tienen propiedades físicas que influyen en su distribución en las vías respiratorias. Estas propiedades incluyen la higroscopicidad, la tonicidad y la carga eléctrica.
- Higroscopicidad: Las partículas higroscópicas absorben humedad del aire y aumentan de tamaño. Las partículas higroscópicas tienden a depositarse en las vías respiratorias proximales.
- Tonicidad: Las partículas hipertónicas absorben humedad del aire y aumentan de tamaño. Las partículas hipotónicas liberan humedad del aire y disminuyen de tamaño.
- Carga eléctrica: Las partículas con carga positiva tienen un tránsito más lento en las vías respiratorias.
¿Qué es la impactación inercial?
La impactación inercial es el mecanismo primario de deposición de partículas mayores a 5 micrones y relevante para aquellas de 2 micrones.
Se refiere a la tendencia del aerosol a depositarse cuando la corriente de aire cambia de dirección. Está determinada por la masa y la velocidad de la partícula.
La bifurcación de las vías aéreas y los flujos turbulentos incrementan la impactación de partículas mayores a 2 micrones en la vía aérea grande.
Sedimentación
La sedimentación ocurre cuando las partículas pierden inercia y se depositan fuera de la suspensión debido a la gravedad.
Esto afecta a partículas menores a 2 micrones.
El sostenimiento de la respiración permite extender el tiempo de deposición por sedimentación gravitacional, pudiendo alcanzar un 10%, lo cual no tiene una mejora clínica probada en relación a la respuesta a la medicación.
Difusión
El tercer mecanismo es la difusión o también conocido como movimientos brownianos.
Es el mecanismo primario de las partículas más pequeñas. Cuando el gas alcanza las regiones más distales del pulmón, el flujo cesa.
Las partículas de aerosol rebotan alrededor y contra las moléculas de gas y se depositan por contacto sobre la superficie pulmonar.
Mecanismos de aerosolterapia
Si bien la inhalación de sustancias con fines medicinales está descrita en la historia con una antigüedad mayor a los 4000 años, en el siglo XIX fueron concebidos los precursores de los nebulizadores actuales tales como los atomizadores.
Si bien en la actualidad hay diversas formas de entrega de aerosoles, se describirán dos de los métodos mas utilizados en ventilación mecánica: nebulizadores por jet o neumáticos y los inhaladores de dosis medida.
Nebulizador por Jet o Neumático
Su funcionamiento está basado en el principio de Bernoulli, que consiste en movilizar gas a alta presión a través de un orificio restringido que está posicionado para atraer el fluido desde un tubo capilar inmerso en la solución hacia adentro de la corriente de gas.
El aerosol se forma cuando el jet rompe el fluido que fluye desde el capilar. El impacto contra un plafón o espera sobre el capilar remueve las partículas grandes que permite que vuelvan al reservorio, mientras las partículas más pequeñas se mantienen suspendidas en el gas y viajan desde el nebulizador hacia el exterior.
Hay tres variables principales que están relacionadas con el rendimiento de este tipo de nebulizadores:
- El tiempo de nebulización,
- El tamaño de la partícula producida
- La cantidad de droga aerosolizada
Tiempo de nebulización
El tiempo requerido para entregar el volumen deseado es directamente proporcional al volumen de líquido colocado en el reservorio del nebulizador e inversamente proporcional al flujo que lo propulsa.
Este factor ha sido estudiado y la dificultad radica en determinar que momento se elige para definir el final del procedimiento.
Se han definido tres posibles momentos de finalización de la nebulización:
- el tiempo de salpicado
- el tiempo total
- el tiempo clínico
El tiempo de salpicado es el momento en el que el aerosol se vuelve errático y puede ser visto y oído. El tiempo total es el momento en que el aerosol cesa por completo. El tiempo clínico es un tiempo ubicado entre los dos anteriores y es básicamente cuando el operador decide finalizar el procedimiento.
Con 3 ml de volumen en el reservorio se han estudiado cinco marcas diferentes de nebulizadores arrojando un valor promedio de 7,3 minutos para el tiempo total de salpicado, 9,9 para el tiempo clínico y 12,8 para el tiempo total.
Un dato importante a tener en cuenta es la viscosidad de la solución que se usa. Sustancias más oleosas como los antibióticos (a diferencia de los broncodilatadores) necesitan mayor propulsión para mantener la nebulización dentro de tiempos estándares.
Usando como ejemplo el salbutamol, con un volumen de 4 ml a un flujo constante de 6 litros por minuto (LPM), el tiempo aproximado es de 13 minutos en tanto que un volumen igual de gentamicina a mismo flujo puede llevar hasta 25 minutos.
Otro factor a tener en cuenta cuando se usan nebulizadores de jet durante la ventilación mecánica es el momento en que es entregado el aerosol. Aquellos ventiladores que puedan entregar el aerosol solo durante la inspiración generarán un mejor aprovechamiento de la dosis empleada.
Tamaño de la partícula producida
Seguramente este es el factor concluyente para definir el lugar de deposición de la droga en la vía aérea.
En el paciente ventilado el porcentaje de partículas que viajan por el circuito hasta alcanzar la vía aérea puede depender del vapor de agua contenido en el gas inspirado.
Además, el tamaño de la partícula producida por el nebulizador es inversamente proporcional al flujo propulsor que recibe el dispositivo.
Hess y colaboradores encontraron que el MMAD varió inversamente con flujos entre 6 LPM y 10 LPM consiguiendo las partículas entre 1 micrón y 5 micrones con los flujos más altos.
Cantidad de droga aerosolizada
Los factores que pueden afectar la cantidad de droga liberada por estos nebulizadores son el volumen de llenado y las características propias del nebulizador.
Incrementos en el volumen de llenado del reservorio da como resultado una baja concentración de droga que queda en el recipiente como volumen muerto del nebulizador.
Por otra parte, debido a la gran área de superficie que se crea entre las partículas de aerosol y el gas seco propulsor, se genera un proceso de evaporación. Esto produce una concentración de la droga durante el tiempo que dura el procedimiento (5% a 37%).
En la mayoría de los nebulizadores de pequeño volumen el “volumen muerto” es aproximadamente de 1 ml.
A veces suele ser efectivo agregar unos mL de solución diluyente al volumen muerto que queda en el nebulizador, para aprovechar esa cantidad de droga de alta concentración.
Inhaladores de dosis medida o MDI
Estos pequeños envases (MDI, metered dose inhaler), que son comúnmente llamados “aerosoles” pueden liberar hasta 200 dosis desde su interior y son utilizados habitualmente por los pacientes que los usan en forma directa o con ayuda de espaciadores.
Para poder ser utilizados durante la ventilación mecánica, estos dispositivos deben ser conectados a una cámara espaciadora o a un adaptador en línea con características específicas para ser incluida en el circuito ventilatorio.
Básicamente el aerosol o MDI consiste en un envase que contiene droga en forma de suspensión o cristales con distintos propelentes y agentes de dispersión.
Al activar el disparador del dispositivo, previa agitación del envase, la presión de vapor del propelente llega a aproximadamente 3000 mmHg (400 kPa). De esta forma se produce el proceso de aerosolización del contenido, generando partículas con un MMAD de entre 2 y 3 micrones.
El dispositivo espaciador (interfase) que se necesita para adaptar el MDI al circuito ventilatorio puede ser un simple conector circular con una válvula que permite generar el disparo o la utilización de una cámara espaciadora.
Una cámara con un espacio de 150 ml o más puede asegurar un porcentaje mayor de droga depositada en la vía aérea.
El mantener al aerosol en suspensión dentro de un espacio mayor que el diámetro de la tubuladura disminuye la cantidad de partículas que se depositan por impactación inercial o por sedimentación. Esto da tiempo a que la niebla sea arrastrada por el flujo inspiratorio del ventilador.
El problema consiste que estas aero-cámaras aumentan considerablemente el espacio muerto y por lo tanto el volumen comprimido de circuito. El retirarlas una vez finalizada la sesión de aerosolterapia es lo apropiado, pero esto genera la desconexión del circuito, aumentando el riesgo de contaminación y descompresión de la vía aérea.
Una solución es el uso de aero-cámaras plegables, que sólo generan un pequeño espacio muerto de 20 o 30 ml cuando se pliegan.
Sitio de inserción en el circuito
La inserción del inhalador de dosis medida (IDMp) en el puerto del codo que va al tubo endotraqueal no es adecuada, ya que el espacio es insuficiente para la formación de la nube. Una mejor opción es colocar una aerocámara valvulada a 15 cm de la Y del paciente. Con adaptadores unidireccionales, también es posible utilizar una porción de la tubería como espaciador, aunque se debe tener en cuenta que el aerosol se deposita en las paredes.
Efecto del calor y la humedad en la administración de medicamentos
- La humedad calefaccionada disminuye la cantidad de medicamento administrado por nebulizador de chorro (jet) y IDMp en todas las posiciones.
- El IDMp con espaciador en la posición 2 es tan eficaz como con el espaciador conectado directamente a la Y.
- Fink et al. (2017) reportaron una deposición del 16% y el 30%, en condiciones húmedas y secas, respectivamente, con un IDMp de albuterol de clorofluorocarbono y un espaciador AeroVent.
- Fink et al. (2017) también reportaron una reducción de aproximadamente el 20% de la administración de aerosol con un IDMp de hidrofluoroalcano en condiciones húmedas y secas.
- Fuller et al. (2019) reportaron una administración del 30% con un IDMp en un circuito humidificado a 32°C, pero la humedad absoluta puede haber sido menor que en el estudio actual.
- Lange y Finlay (2015) demostraron que los cambios en la deposición son más un factor de humedad absoluta que de humedad relativa y temperatura.
- Con nebulizadores de malla vibratoria y ultrasónica, no hay diferencias significativas entre las condiciones húmedas y secas. Esto puede deberse a la densidad relativamente alta del aerosol producido por estos nebulizadores.
REFERENCIAS
2. Kradjan WA, Lakshminarayan S. Efficiency of air compressor-driven nebulizers. Chest. 1985 Apr;87(4):512-6. doi: 10.1378/chest.87.4.512. PMID: 3979140.
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4. Hardy, S.P. Newman, M. Knoch. Lung deposition from four nebulizers. Respiratory Medicine, Volume 87, Issue 6, 1993, Pages 461-465, ISSN 0954-6111,https://doi.org/10.1016/0954-6111(93)90074-A.
5. Hess DR. Aerosol delivery devices in the treatment of asthma. Respir Care. 2008 Jun;53(6):699-723; discussion 723-5. PMID: 18501026.
Graduado en Lic. Kinesiología y Fisiatría (UBA). Especialista en Kinesiología Cardio-Respiratoria por la Universidad Favaloro.