Sobre a oxigenação por membrana extracorporal (ECMO), e o uso de membranas de gases para a oxigenação e descarbonização do sangue

 

Procesos de oxigenação por membrana extracorporal.

A origem da ECMO

ECMO (oxigenação por membrana extracorpórea), também chamada de suporte de vida (ECLS) é uma evolução das máquinas de coração - pulmão usadas em cirurgia cardíaca. Dependendo de sua configuração - venovenosa ou venoarterial - é utilizada para apoiar a função respiratória, a circulação ou ambas. Este tratamento fornece uma ponte para a cura dos órgãos naturais ou para dispositivos de longo prazo ou transplante. Na verdade, embora tenha a capacidade de suportar a função cardiorrespiratória temporariamente, a ECMO não é uma cura para a doença subjacente. Como Warren Zapol, um dos pais da ECMO respiratória, apontou num editorial no New England Journal of Medicine em 1972, o objetivo do ECLS é "ganhar tempo" enquanto mantém uma perfusão tecidual adequada [I].

(...) [Apesar de] a primeira tentativa de oxigenar artificialmente o sangue em circulação extracorpórea foi realizada em 1869 por Ludwig e Schmidt (...) a primeira circulação extracorpórea com sucesso foi realizada em 1953, pelo cirurgião John Gibbon. Em 1954, Gibbon descreveu como a máquina de coração e pulmão poderia ser usada, em caso de emergência, para apoiar as atividades respiratórias e circulatórias. Essa intuição teórica colidiu com a impossibilidade prática de estender a duração da circulação extracorpórea por mais de 6 horas. Isso deveu-se principalmente ao dano celular causado pela exposição direta do sangue ao gás. A interposição de uma membrana de troca gasosa entre o sangue e o fluxo gasoso resolveu grande parte desse problema e, com essa inovação tecnológica, a máquina tornou-se mais eficaz, permitindo a realização de ECMO por períodos mais longos.

_____
Fonte: F. Sangalli, N. Patroniti, A. Pesenti, ECMO-Extracorporeal Life Support in Adults, Springer Science & Business, 2017.

O Oxigenador e a sua membrana:

O principal componente da ECMO moderna é a membrana oxigenadora. Procurando eliminar a interface sangue ‐ gás nos oxigenadores, Clowes e colegas realizaram um trabalho pioneiro no uso de lâminas plásticas para transferência de gás.

Vários filmes plásticos foram testados como membranas de difusão entre uma alimentaçaão de oxigênio puro a 760 mm Hg e um reservatório de sangue continuamente agitado. Um desses filmes de polietileno, de 25 µm de espessura, foi capaz de transferir 11,2 mL de O₂ m^-2 min^-1; embora as películas de polietileno mais finas fossem capazes de maior permuta gasosa, as técnicas de fabricação contemporâneas produziram defeitos pinhole que permitiram que bolhas de oxigénio entrassem no canal sanguíneo [9]. Clowes posteriormente demonstrou uma oxigenação bem-sucedida por difusão através de membranas de etilcelulose de 25 µm de espessura num sistema de placas paralelas de 6 m², proporcionando troca de oxigénio de 14,6 mL O₂ m^-2 min^-1. No entanto, a etilcelulose permitiu que a água se infiltrasse no canal de gás e o material quebradiço era difícil de sustentar mecanicamente.

Esquema do fluxo sanguíneo intraluminal

oxigenador de fibra oca

Após os pulmões artificiais terem contado com Teflon e borracha de silicone em folhas planas ou tubos devido à disponibilidade e prexistência industrial deste materiais, os oxigenedaores de fibras ocas tornaram-se o padrão na década de 1970 até à atualidade.

O domínio de suporte de vida extracorpóreo começou a transição para o uso de fibras ocas após o sucesso demonstrado e ampla disponibilidade de dialisadores de fibra oca para hemodiálise [33], com o primeiro oxigenador de fibra oca em grande escala relatado em 1971 [11]. O sangue foi encaminhado através de um coletor para lumens de dezenas de milhares de fibras ocas com comprimentos de 10–18 cm; o gás de varredura fluiu através de uma camisa em torno das fibras, como mostrado na figura acima.

_____

Fonte: Yeager, T. and Roy, S. (2017), Evolution of Gas Permeable Membranes for Extracorporeal Membrane Oxygenation. Artificial Organs, 41: 700-709.

 

A dissolução de O2 no sangue no oxigenador:

Compreender os determinantes fisiológicos das trocas gasosas é crucial para a utilização ideal da ECMO. O conteúdo de oxigénio no sangue depende do nível de hemoglobina, da pressão parcial de oxigênio (PO₂ ), da curva de dissociação da oxihemoglobina e, em menor grau, do oxigénio dissolvido. Isto tem implicações no fluxo sanguíneo mínimo necessário para fornecer oxigenação total (se necessário) [8], que é da ordem de 4 litros por minuto.

A capacidade de oxigenar o sangue depende muito do tamanho e das propriedades do oxigenador de membrana, e da diferença em PO₂ entre o fluxo de sangue para o oxigenador e o PO₂ do gás fornecido ao pulmão de membrana (gás de varredura), normalmente oxigénio ou uma mistura de oxigénio e ar.

_____
Fonte: Combes, A., Schmidt, M., Hodgson, C. L., Fan, E., Ferguson, N. D., Fraser, J. F., Jaber, S., Pesenti, A., Ranieri, M., Rowan, K., Shekar, K., Slutsky, A. S., & Brodie, D., Extracorporeal life support for adults with acute respiratory distress syndrome. Intensive care medicine (2020) 1–13.

 

Equipamento de oxigenação por membrana extracorporal.

Também a remoção de CO₂ ocorre no oxigenador:

Em qualquer fluxo sanguíneo, a remoção do dióxido de carbono é mais eficiente do que a oxigenação. A níveis fisiológicos, o teor de dióxido de carbono de um determinado volume de sangue é substancialmente maior do que o teor de oxigénio e, portanto, para uma determinada taxa de fluxo de ECMO, uma maior percentagem da produção de CO₂ do paciente pode ser removida em comparação com a percentagem de consumo de oxigênio que pode ser fornecido [10, 11]. Da mesma forma, o CO₂ é mais solúvel do que o O₂, permitindo que se difunda através do circuito da membrana com maior eficiência.

Para entender o desempenho dos dispositivos ECCO2R disponíveis, é importante entender que a remoção de CO₂ aumentará com o aumento do teor de CO₂ no sangue, a pressão parcial de CO₂ venoso (PvCO2), a área de superfície pulmonar artificial, bem como aumentos no gás de varredura e sangue fluxo através da membrana pulmonar. Taxas de fluxo sanguíneo de 1-3 L / min podem ser suficientes para remover totalmente a produção de CO₂ da maioria dos pacientes, mas insuficientes para fornecer o consumo total de O₂ do paciente. Para um determinado tamanho de membrana pulmonar e taxa de fluxo de sangue, a remoção de CO₂ aumentará com o aumento da taxa de fluxo do gás de varredura até ~ 10–12 L / min [8]; um alto PCO₂ aumentará o gradiente de difusão de CO₂ para fora da membrana; e a acidificação do sangue artificial pode aumentar a quantidade de CO₂ disponível para a membrana [12, 13].

_____
Fonte: Combes, A., Schmidt, M., Hodgson, C. L., Fan, E., Ferguson, N. D., Fraser, J. F., Jaber, S., Pesenti, A., Ranieri, M., Rowan, K., Shekar, K., Slutsky, A. S., & Brodie, D., Extracorporeal life support for adults with acute respiratory distress syndrome. Intensive care medicine (2020) 1–13.