FISIOLOGIA E METABOLISMO CEREBRAL

Muitos pacientes criticamente doentes se apresentam com doenças neurológicas graves ou desenvolvem complicações neurológicas.  Uma grande parte destas complicações resulta de hipoperfusão cerebral.  Por isso, o conhecimento da fisiologia do fluxo sanguíneo e do consumo de oxigênio cerebral é importante para aqueles que trabalham em unidades de terapia intensiva.

Qualquer lesão neurológica pode ter conseqüências devastadoras. Lesão neurológica definitiva do tecido cerebral com seqüela permanente pode ocorrer no momento da injúria primária. Mas o risco de injúria neurológica adicional por alterações da dinâmica intracraniana também é alto e dependente de hipertensão intracraniana e de vários outros fatores potencialmente deletérios. Um grande número de alterações clínicas pode afetar a dinâmica cerebral e o cérebro secundariamente, ampliando a lesão primária. Muitas dessas alterações podem ser prevenidas ou tratadas precocemente, aumentando a chance de recuperação neurológica desses pacientes. Nisso reside a importância do conhecimento da fisiologia e da monitoração neurológica e as suas conseqüentes intervenções efetivas.

Alguns dos fatores envolvidos na lesão neurológica relacionada às alterações da dinâmica cerebral incluem hipertensão intracraniana, regulação do fluxo sanguíneo cerebral, formação de edema cerebral e alterações no líquor. Uma compreensão fisiopatológica plena dos princípios subjacentes à dinâmica cerebral é essencial para o manejo adequado dos pacientes neurológicos graves.

As alterações fisiológicas que mantêm o fluxo sanguíneo cerebral (FSC) e acomodam as alterações no volume cerebral são relativamente complexas, mas fáceis de se entender. Grandes avanços no atendimento dos pacientes com graves doenças cerebrais têm se desenvolvido nos últimos dez a quinze anos e baseiam-se fundamentalmente na compreensão das regras fisiológicas básicas e do processo fisiopatológico subjacente.

O cérebro é capaz de suportar apenas períodos muito curtos de isquemia, diferentemente dos rins, do fígado e dos músculos, por exemplo. Então o FSC deve ser mantido para assegurar uma oferta constante de oxigênio e glicose, além de retirar os produtos do metabolismo cerebral. A manutenção do FSC depende de um equilíbrio entre a pressão dentro do crânio, a pressão intracraniana (PIC) e a pressão arterial média do sangue (PAM). É importante manter um FSC relativamente constante. Assim, quando a PAM diminui, alguns mecanismos fisiológicos são ativados para manter o FSC e evitar isquemia neuronal. Da mesma forma, se a PAM se eleva, o FSC também deve ser mantido senão o cérebro incharia pelo aumento do FSC e a PIC se elevaria. Este processo é denominado de auto-regulação e será melhor explicado posteriormente.

PRESSÃO INTRACRANIANA

O crânio possui, nos adultos, um compartimento rígido preenchido com 3 componentes: tecido cerebral, sangue e líquor. De acordo com a doutrina de Monro-Kellie, todos os três componentes estão em um estado de equilíbrio dinâmico. Se o volume de um dos componentes aumenta, o volume de um ou mais dos outros componentes deve diminuir ou a pressão intracraniana irá aumentar. Dentro dos ventrículos, a pressão intracraniana normalmente deve ser menor que 15 mmHg.

Os principais elementos dentro do crânio são o encéfalo (80%), o sangue (10-12%) e o líquor (8-10%). O volume total é de cerca de 1600 ml. Como o crânio pode ser visto fisiologicamente como uma caixa rígida cheia de líquido, se o volume de um de seus constituintes aumentar, a pressão dentro do crânio deverá aumentar, a não ser que algum de seus elementos líquidos possa escapar. E este não pode ser o encéfalo, mas o sangue ou o líquor.

Se o encéfalo aumenta de volume (tumor, hematoma, edema, etc.), alguma quantidade de sangue ou líquor deverá escapar de dentro do crânio para que a pressão não se eleve. Quando isto não puder mais ocorrer, a PIC irá se elevar acima de seu valor normal (5-15 mmHg). Normalmente, a resposta inicial é uma redução no volume de líquor do crânio. O líquor é desviado do crânio para dentro do saco espinhal. Desta forma, a PIC é inicialmente controlada. Se o processo patológico inicial progride com mais aumento de volume, o sangue venoso dos seios e eventualmente mais líquor podem ser forçados a sair do crânio. Quando este mecanismo de compensação é exaurido, qualquer aumento maior de volume intracraniano irá causar um rápido aumento da PIC.

As relações entre as variações de volume e de pressão dentro do crânio são representadas na figura 1. Ela indica que um aumento no volume com pouca mudança de pressão ocorre até certo ponto, quando pequenos aumentos de volume acarretam grandes aumentos de pressão. Este ponto geralmente indica que os mecanismos de compensação se tornaram exauridos e uma fase de aumento da PIC compensada foi sucedida por uma fase descompensada.

Fig. 1. Curva de Langfitt que expressa a relação entre pressão e volume intracraniano.

É interessante notar que esta curva clássica representa as alterações de pressão quando um único compartimento dentro do crânio varia, neste caso, o líquor. Na prática, quando o aumento do volume cerebral ocorre por um tumor ou hematoma, a curva é menos íngreme. Gradientes de pressão se desenvolvem dentro da substância cerebral e, dependendo da complacência e da compressibilidade das estruturas adjacentes e do desenvolvimento de hérnias cerebrais, a curva se torna geralmente menos abrupta. Aumentos de volume cerebral localizados podem levar a herniações cerebrais internas ou externas, acarretar torções do tronco cerebral e lesão cerebral irreversível (figura 2).

Fig. 2. Principais herniações cerebrais.

A complacência intracraniana é de grande importância para a manutenção da dinâmica intracraniana. Complacência intracraniana é a capacidade do crânio de tolerar aumentos no volume sem um aumento correspondente na pressão intracraniana. Quando a complacência é adequada, um aumento no volume do tecido cerebral, de sangue ou de líquor não produz inicialmente aumento na pressão intracraniana. Quando a complacência é diminuída, mesmo um pequeno aumento no volume de qualquer componente intracraniano é suficiente para causar uma grande elevação na pressão intracraniana.

A extensão da elevação da PIC decorrente do aumento do volume intracraniano é determinada pela complacência ou compressibilidade do conteúdo intracraniano. Quando a complacência é baixa, o conteúdo é pouco compressível e a PIC irá se elevar bastante mesmo que com pequenos aumentos de volume. A complacência também afeta a elastância ou a distensibilidade da parede dos ventrículos. Quando a elastância é reduzida, a distensibilidade da parede dos ventrículos é reduzida e, portanto, mais rígida. Conseqüentemente, haverá uma maior variação de pressão para uma mudança de volume. Se um cateter estiver inserido dentro de um dos ventrículos laterais, esta complacência poderá ser avaliada pela injeção cuidadosa de 1 ml de solução salina isotônica e subseqüente verificação da variação de pressão. Se a elevação de pressão for maior que 5 mmHg, então o paciente está numa fase avançada à direita da curva pressão-volume intracraniano, de baixa complacência e sem mais capacidade de compensação.

O volume de sangue contido dentro dos seios venosos é reduzido a um mínimo como parte do processo de compensação. Entretanto, se o fluxo livre de sangue venoso for impedido, mesmo que por algumas razões corriqueiras (tosse, aumento da pressão intratorácica, veias jugulares obstruídas), este aumento no volume de sangue venoso num cérebro criticamente inchado irá levar a um rápido aumento na PIC. Na prática é imperativo assegurar que estes pacientes mantenham a cabeceira da cama elevada a 30º e a cabeça seja mantida numa posição neutra. Isto melhora a drenagem venosa sem interferência significativa da pressão arterial. A drenagem venosa é passiva e maximizada se garantida que nenhuma interferência existe no fluxo livre através das jugulares.

PRESSÃO DE PERFUSÃO CEREBRAL

A pressão de perfusão cerebral (PPC) é definida como a diferença entre a pressão arterial média (PAM) e a pressão venosa jugular (PVJ). Como esta última é difícil de ser medida e é influenciada pela PIC, a PVJ geralmente é substituída pela PIC na avaliação da PPC. A PAM é a pressão arterial diastólica mais um terço da pressão de pulso (diferença entre a pressão sistólica e diastólica). A PAM então está entre as pressões diastólica e sistólica, mais próxima da diastólica. Ela é usada como uma estimativa da “cabeça de pressão” que perfunde o cérebro.

                        PPC = PAM – PIC

A PPC normal é de cerca de 80 mmHg, mas quando reduzida abaixo de 50-60 mmHg aparecem sinais evidentes de isquemia e atividade elétrica reduzida. Existem alguns estudos em pacientes com trauma craniencefálico (TCE) que mostram um aumento da mortalidade ou de seqüelas neurológicas quando a PPC cai abaixo de 60 mmHg. A monitoração da saturação do bulbo jugular (SjO₂) pode ser usada para avaliar a adequação do fluxo sanguíneo cerebral (FSC). A SjO₂ é a saturação venosa do sangue que deixa o cérebro na base do crânio e sua variação normal é entre 55-75%. Se o FSC está diminuído abaixo de um nível crítico, o sangue venoso que deixa o cérebro irá demonstrar também uma diminuição na SjO₂. Mais especificamente, quando a PPC é inadequada para o consumo de oxigênio cerebral, a SjO₂ cai demonstrando uma maior extração de oxigênio pelo cérebro.

FLUXO SANGUÍNEO CEREBRAL

O cérebro recebe aproximadamente 750 ml/min de sangue arterial ou cerca de 15% do total do débito cardíaco em repouso, e tem cerca de 20% do consumo de oxigênio corporal. Sob condições normais, este suprimento sanguíneo permanece relativamente constante.

O fluxo sanguíneo cerebral (FSC) é definido como o volume de sangue que circula através da circulação cerebral num determinado tempo. Uma vez determinado o FSC, é possível calcular a oferta e o consumo de oxigênio cerebral a partir do conteúdo de oxigênio arterial e venoso. O FSC normal é de 50-60 ml/100 g/min, variando desde 20 ml/100 g/min na substância branca até 70 ml/100 g/min em algumas áreas da substância cinzenta (figura 3). Crianças entre 2 e 4 anos têm fluxos mais altos, ao redor de 100-110 ml/100 g/min, e que se “normalizam” ao longo da adolescência. Se o FSC cair, ocorrerá primeiro uma diminuição da função neuronal e, posteriormente, lesão irreversível. Se, entretanto, o FSC se elevar acima de limites fisiológicos, edema cerebral e áreas de hemorragia podem aparecer. Desta forma, o FSC deve ser mantido dentro de valores normais apesar das flutuações da PPC.

Fig. 3. Fluxo sanguíneo cerebral normal e seus limites funcionais.

De acordo com a lei de Ohm, o fluxo é diretamente relacionado com a pressão de perfusão e inversamente relacionado com a resistência cerebrovascular. Os principais vasos de resistência cerebral são as pequenas artérias e as arteríolas, as quais são capazes de alterar em até 300% seu diâmetro normal. O FSC é mantido e regulado pelas variáveis presentes na lei de Poiseuille, a qual relaciona o fluxo fisiológico com as variáveis do sistema cerebrovascular:

                        Q = Δ P π r⁴ / 8 λ η

Desta forma, o fluxo (FSC ou Q) é diretamente proporcional ao gradiente de pressão (ΔP ou PPC) e à quarta potência do raio dos vasos de resistência (r⁴), e inversamente proporcional ao comprimento da árvore vascular (λ) e à viscosidade do sangue (η). A viscosidade é primariamente afetada pelo hematócrito. Uma boa oferta de oxigênio (equilíbrio entre conteúdo arterial de oxigênio e uma adequada reologia) parece ocorrer com um hematócrito entre 30 a 34%. Quando a resistência e o hematócrito estão estáveis, a PPC (PAM – PIC) é o estímulo primário para as alterações de auto-regulação, mediada principalmente pelos vasos de resistência.

Em pacientes com uma lesão intracraniana, essencialmente três padrões de fluxo podem ser vistos: hiperêmico, normal e oligoêmico. Hiperemia pode causar edema na área envolvida e predispor a sangramento. Também pode causar isquemia de áreas adjacentes pelo fenômeno de roubo do fluxo. Oligoemia aumenta a vulnerabilidade da área envolvida à isquemia.

O consumo de oxigênio pelo encéfalo é de aproximadamente 35% da oferta de oxigênio. Em pacientes com SaO₂ normal, isso acarreta uma SjO₂ normal de cerca de 65%. Sob circunstâncias normais, 30 a 40% do oxigênio consumido pelo cérebro é necessário para manutenção da sua integridade celular, enquanto o restante é utilizado para realizar trabalho eletrofisiológico (figura 3). A energia necessária para a manutenção da integridade celular do neurônio é diretamente relacionada à temperatura cerebral (figura 4).  Em geral, um declínio de 10º C está associado a uma queda na taxa de consumo de oxigênio cerebral em 50% (isto significa um Q10 de 2, ou seja, a mudança no consumo de oxigênio associada com a alteração na temperatura cerebral). Na prática clínica, isso significa que a depressão metabólica produzida pela hipotermia pode fornecer alguma proteção cerebral em pacientes adequadamente selecionados. Da mesma forma, uma elevação na temperatura pode aumentar o risco de lesão cerebral permanente.

Modificações no nível de atividade elétrica do cérebro também alteram o consumo de oxigênio (figura 4). Depressão profunda da atividade, como a produzida por doses elevadas de barbitúricos ou benzodiazepínicos, suficiente para gerar eletroencefalogramas com atividade suprimida, podem diminuir até a metade o consumo de oxigênio. Pelo contrário, agitação psicomotora e crises convulsivas aumentam bastante o consumo de oxigênio cerebral. A diminuição da taxa metabólica pode fornecer proteção contra a injúria isquêmica, enquanto o aumento da taxa metabólica pode precipitar isquemia se o paciente não for capaz de aumentar o fluxo sanguíneo cerebral para satisfazer o aumento adicional de demanda metabólica.

Fig. 4. Efeitos da atividade cerebral e da temperatura sobre o fluxo sanguíneo e o consumo de oxigênio cerebral.

AUTO-REGULAÇÃO

O FSC é mantido num nível relativamente constante, mesmo frente às flutuações normais na PAM, pelo mecanismo de auto-regulação. Este é um mecanismo vascular fisiológico de vasoconstrição e vasodilatação, ainda dependendo de uma melhor compreensão dos seus mecanismos fisiopatológicos intrínsecos. Uma queda da PPC é compensada com vasodilatação, assim como uma elevação da PPC é compensada por vasoconstrição, dentro de limites fisiológicos. Estes ajustes são regulados principalmente pela demanda metabólica, pela inervação simpática e parassimpática e pela concentração de algumas substâncias como adenosina, óxido nítrico, PaO₂ e PaCO₂.

Normalmente, a auto-regulação mantém o FSC normal entre uma PAM de 60 a 140 mmHg. O FSC normal de 50-60 ml/100 g/min a uma PAM de 80-100 mmHg pode ser mantido às custas de vasodilatação (quando a PAM cai até o limite de 60 mmHg) ou vasoconstrição arteriolar cerebral (quando a PAM se eleva até o limite de 150 mmHg), o que protege o cérebro de isquemia ou hiperemia, apesar das flutuações fisiológicas da PPC (figura 5). Nos pacientes com hipertensão arterial crônica, tanto os limites inferiores quanto superiores são mais elevados. Nesta situação, o uso agressivo de anti-hipertensivos pode diminuir a PAM para valores “normais”, mas abaixo da capacidade de auto-regulação destes pacientes, podendo comprometer significativamente o FSC.

Pacientes com TCE, isquemia cerebral ou agentes vasodilatadores (anestésicos voláteis, nitroprussiato de sódio) podem ter diminuição ou perda da auto-regulação cerebral. Neste caso, o FSC torna-se dependente da PAM. Então, se a PAM se eleva, o FSC também se eleva e pode  causar um aumento no volume cerebral. Se a PAM cai, o FSC também diminui, reduzindo a PIC, mas podendo acarretar isquemia e necrose (figura 5).

Fig. 5. Auto-regulação cerebral normal e alterada patologicamente.

Uma queda na PAM ou na PPC também pode ser deletéria em pacientes com TCE, mesmo com preservação da auto-regulação. A isquemia decorrente da queda da PPC elicita uma vasodilatação como resposta auto-regulatória. Se o encéfalo estiver sem complacência, isto acarreta uma elevação da PIC e maior queda da PPC, acentuando a isquemia e a hipertensão intracraniana. Esta seqüência de eventos é chamada de cascata isquêmica ou vasodilatatória e contribui significativamente para injúria neurológica secundária por isquemia (figura 6). A forma de corrigir estes eventos deletérios é elevar a PPC ou qualquer outro estímulo primário para a vasodilatação.

Fig. 6. Auto-regulação cerebral normal e alterada patologicamente.

ACOPLAMENTO METABÓLICO

Acoplamento metabólico refere-se ao equilíbrio da oferta e demanda de oxigênio e glicose cerebrais. Normalmente, estas funções estão intimamente relacionadas e se alteram proporcionalmente. Durante a ativação cortical, o aumento no consumo de oxigênio e de glicose é compensado por um aumento concomitante no FSC regional (figura 4). O contrário ocorre durante sedação, anestesia e hipotermia.

Vários mediadores têm sido imputados na mediação entre consumo e demanda metabólica. Os principais vasodilatadores são o íon hidrogênio, o ácido lático, a concentração extracelular de potássio, a prostaciclina, a adenosina como produto de degradação do ATP e o óxido nítrico. O tromboxane A₂ é um importante vasoconstritor.

DIÓXIDO DE CARBONO

O dióxido de carbono (CO₂) causa vasodilatação cerebral. O aumento da PaCO₂ causa vasodilatação arteriolar cerebral, aumento do FSC e pode elevar a PIC (figura 7). O contrário ocorre com a diminuição da PaCO₂ e a conseqüente vasoconstrição arteriolar cerebral. Desta maneira, hiperventilação pode levar a uma redução na PIC, mas às custas de uma diminuição no FSC e de um potencial de isquemia cerebral. O FSC é diretamente proporcional à PaCO₂ entre 20 e 80 mmHg. Dentro destes limites, uma variação de 1 mmHg na PaCO₂ se acompanha de uma variação de 1 a 3 % no FSC. Uma boa regra prática diz que uma elevação da PaCO₂ de 40 para 80 mmHg duplica o FSC e, uma queda da PaCO₂ de 40 para 20 mmHg, diminui para a metade o FSC.

O efeito de vasodilatação ou vasoconstrição parece ser mediado pela concentração do H⁺ na parede da arteríola cerebral. Portanto, a vasoconstrição hipocápnica aguda dura apenas algumas horas. Quando a hipocapnia é mantida por mais tempo, existe uma gradual correção do pH sérico e um retorno do FSC aos valores normais. Se a PaCO₂ for “normalizada” agudamente após algumas horas, isso poderá levar a hiperemia cerebral e aumento da PIC.

OXIGÊNIO

Valores muito baixos da PaO₂ também podem ter profundos efeitos no FSC (figura 7). Quando a PaO₂ cai abaixo de 50 mmHg, existe um rápido aumento no FSC e no volume de sangue intracraniano por vasodilatação. Valores muito altos de PaO₂, geralmente acima de 300 mmHg, podem acarretar vasoconstrição.

Hipóxia cerebral é um sério risco em pacientes hipoxêmicos, principalmente quando a PaO₂ é menor que 50 mmHg, devido à diminuição na oferta de oxigênio cerebral, mas também por causa da marcante vasodilatação. Vasodilatação cerebral põe o cérebro em risco adicional por duas razões. Primeiro, a vasodilatação leva a hiperemia e predispõe ao edema cerebral nas áreas lesadas e também nas regiões normais. Segundo, o aumento no FSC e no volume cerebral eleva a PIC e pode diminuir significativamente a PPC, causando isquemia cerebral global e lesão neuronal secundária.

Fig. 7. Relação entre o FSC e a PaCO2 e a PaO2.

Em muitos pacientes com doença neurológica grave, o prognóstico neurológico a longo prazo pode depender criticamente da adequação do FSC global ou regional. O progresso da monitoração neurológica e o desenvolvimento recente de tratamentos eficientes somente estão se tornando realidade devido ao conhecimento fisiológico e fisiopatológico bem caracterizado das últimas décadas.

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