Análisis de la regulación autonómica vía la causalidad de Granger de los sistemas cardiovascular y respiratorio en la fibrosis pulmonar idiopática Público Deposited
Oxygen is essential for life, especially for aerobic organisms that depend on it for energy. Particularly in the human species, oxygen is vital for obtaining ATP and thus maintaining homeostasis. When a respiratory disease occurs, oxygen delivery is altered. The administration of supplemental oxygen to pulmonary patients is one of the first recommendations to contend with symptoms such as dyspnea and hypoxemia. However, the evidence of this group's autonomic response to oxygen is scarce and limited to COPD patients. In this sense, the present study aimed to characterize the temporal dynamic behavior of autonomic nervous system (ANS) regulation of the cardiovascular and respiratory systems, as well as the interactions between them, through the stimulation of chemoreceptors by oxygen supply in patients with idiopathic pulmonary fibrosis (IPF); under the hypothesis that these patients have a predominance of the sympathetic branch of the ANS, and supplemental oxygen helps to moderate it. This is a comparative and cross-sectional type study with an experimental design that includes the administration of supplemental oxygen by nasal cannula at low flow (3 L/min) after 10 minutes of rest in a supine position. The study was performed with a population sample of 20 patients with IPF (11 men, nine women) and 19 healthy pulmonary subjects as the control group (11 men, eight women) matched by age and anthropometric characteristics. Physiological information (ECG, impedance cardiography, non-invasive blood pressure, respiration, and SPO2) was acquired non-invasively. Through the construction of time series (RESP, BBI, SYS, and DIA), the physiological behavior was explored using linear (mean, rmssd, LF, HF) and nonlinear (symbolic dynamics and DFA) univariate analysis, as well as the interactions and causalities between them through the concept of Granger causality, mainly using instantaneous partial directed coherence. Through the analysis of hemodynamic variables, it was found that patients with IPF, in comparison to the control group, presented elevated heart rate, decreased stroke volume, decreased cardiac output, and elevated total peripheral resistance even under the condition of oxygen supply, which established the hypothesis that this elevation might be the result of a probable alteration in the regulatory control over the cardiovascular system or of local regulatory mechanisms. Accordingly, in a second study, a first approach to the autonomic profile of IPF patients was performed by classical analysis of temporal, spectral, and nonlinear indices of heart rate and blood pressure variability. Within the main findings of this study, we found that IPF patients compared to their control group under ambient air conditions, present: a) sympathetic predominance (BBI-mean, BBI-α2, SYS-rmssd, SYS-nLF); b) lower parasympathetic modulation (BBI-rmssd, BBI-HF, but not BBInHF), and c) evidence of possible damage at the autonomic level due to the disease by analysis of symbolic dynamics. This situation is preserved during oxygen supply for some indices, particularly with the BBI-LF/HF index. A different trend was found between IPF and its control group; while the former presented a tendency to increase, the control group went downwards, suggesting a possible sympatheticvagal imbalance. In addition, it was observed that supplemental oxygen supply mainly affects autonomic control over the heart. Therefore, through the study of the interactions, the behavioral patterns between the cardiovascular and cardiorespiratory systems were explored, where it was found that the group of patients with IPF presented depressed respiratory sinus arrhythmia and baroreflex, which did not recover with the administration of oxygen. This conclusion was obtained by analyzing the high and low-frequency bands of the time-frequency representation of the partial directed coherence in its extended version and the concept of Granger causality. The results suggest a warning about the physiological effects of acute oxygen therapy and highlight the importance of studying the induced deleterious effects.
El oxígeno es fundamental para la vida, sobre todo para los organismos aeróbicos quienes dependen de éste para la obtención de energía. Particularmente, en la especie humana el oxígeno es fundamental para la obtención de ATP y de esa manera mantener la condición de homeostasis. Cuando se presenta una enfermedad respiratoria la obtención de oxígeno se ve alterada. La administración de oxígeno suplementario a pacientes pulmonares es una de las primeras recomendaciones clínicas para contender con los síntomas como la disnea e hipoxemia. Sin embargo, la evidencia sobre los efectos del oxígeno sobre la regulación autonómica cardiovascular y respiratoria en este grupo es escasa y restringida a pacientes con Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica. En ese sentido, el objetivo del presente estudio fue caracterizar el comportamiento dinámico temporal de la regulación del sistema nervioso autónomo (SNA) de los sistemas cardiovascular y respiratorio, así como de las interacciones entre los mismos, a través de la estimulación de quimiorreceptores por suministro de oxígeno, en pacientes con fibrosis pulmonar idiopática (FPI); bajo la hipótesis de que estos pacientes tienen un predominio de la rama simpática del SNA y el oxígeno suplementario ayuda a contrarrestarlo. La investigación que se desarrolló es de tipo comparativa y transversal, con un diseño experimental que incluye la administración por cánula nasal de oxígeno suplementario a bajo flujo (3 L/min) después de 10 minutos de reposo en posición supina. El estudio fue realizado con una muestra poblacional de 20 pacientes con FPI (11 hombres, 9 mujeres) y un grupo de 19 sujetos pulmonarmente sanos, como grupo control (11 hombres, 8 mujeres), pareado por edad y características antropométricas. Se adquirió información fisiológica (ECG, impedancia cardiográfica, presión arterial continua no invasiva, respiración y SPO2) de manera no invasiva. Mediante la construcción de series tiempo de variabilidad (RESP, BBI, SYS y DIA), se exploró el comportamiento fisiológico utilizando métodos univariados lineales (mean, rmssd, LF, HF) y no lineales (dinámica simbólica y DFA), así como las interacciones entre subsistemas fisiológicos mediante el concepto de causalidad de Granger, principalmente la coherencia parcial dirigida extendida. Mediante el análisis de las variables hemodinámicas se encontró que los pacientes con FPI en comparación con su grupo control presentaron frecuencia cardíaca elevada, volumen de eyección disminuido, gasto cardíaco disminuido y resistencia periférica total elevada aún bajo la condición de suministro de oxígeno, lo que estableció la hipótesis de que esta elevación puede ser resultado de una probable alteración en el control regulatorio sobre el sistema de cardiovascular o de los mecanismos locales de regulación. En consecuencia, en un segundo estudio, se realizó un primer acercamiento al perfil autonómico de los pacientes con FPI mediante el análisis clásico de los índices temporales, en frecuencia y no lineales de la variabilidad de la frecuencia cardiaca y la presión arterial. Dentro de los hallazgos principales de este estudio se encontró que los pacientes con FPI en comparación con su grupo control en condiciones de aire ambiente presentan: a) predominio simpático (BBI-mean, BBI-α2, SYS-rmssd, SYS-nLF); b) una modulación parasimpática menor (BBI-rmssd, BBI-HF, pero no BBI-nHF); y, c) evidencia de un posible daño a nivel autonómico debido a la enfermedad mediante el análisis de la dinámica simbólica. Esta situación se preserva durante el suministro de oxígeno para alguno de los índices; particularmente con el índice BBI-LF/HF se encontró una tendencia diferente entre FPI y su grupo control, mientras el primero presentó una tendencia a incrementar, el grupo control fue hacia la baja, sugiriendo un posible desbalance simpático-vagal. Además, se observó que el suministro de oxígeno suplementario afecta principalmente al control autonómico sobre el corazón. Por lo que a través del estudio de las interacciones se exploraron los patrones de comportamiento entre los sistemas cardiovascular y cardiorrespiratorio, en donde se encontró que el grupo de pacientes con FPI presenta una arritmia sinusal respiratoria y barorreflejo deprimidos, los cuales no se recuperaron con la administración de oxígeno. Esta conclusión fue posible obtenerse mediante el análisis de las bandas en alta y baja frecuencia de la representación tiempofrecuencia de la coherencia parcial dirigida en su versión extendida y el concepto de causalidad de Granger. Los resultados obtenidos sugieren una condición de alerta sobre los efectos fisiológicos de la terapia aguda con oxígeno y resaltan la importancia de estudiar particularmente los efectos deletéreos inducidos.
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