La maggior parte dei subacquei tecnici calcola la propria esposizione all'ossigeno nelle immersioni lunghe e profonde tramite il computer utilizzando metodi, come gli UPTD o REPEX, sviluppati negli anni '80. Tuttavia i ricercatori ritengono che questi metodi non siano accurati. Il fisiologo iperbarico israeliano Ran Arieli in questo articolo propone un nuovo metodo per calcolare il rischio di tossicità polmonare dell'ossigeno.

L'ossigeno iperbarico (HBO) è un aspetto intrinseco dell'immersione. 

Tuttavia, il rischio di  POT - Polmonary Oxigen Toxicity (tossicità polmonare dell'ossigeno) è diventato un problema importante a causa dell'aumento delle tecniche di immersione, che includono miscele di gas arricchite di ossigeno e immersioni tecniche. Non esiste però ancora un metodo soddisfacente e praticabile per calcolare il rischio di tossicità da ossigeno accumulato durante un'esposizione a ossigeno iperbarico. 

Il concetto di Unit Polmonary Toxic Dose (UPTD), che si basa su una modifica dell'iperbole rettangolare, è stato proposto in risposta a una richiesta di quali fossero i limiti di esposizione all'ossigeno basata su una quantità molto ridotta di dati di ricerca: un punto a 4 bar e l'assenza di lesioni note a 0,5 bar (Lambertsen, comunicazione personale). Tuttavia, questo limite era meramente descrittivo e non basato su alcun meccanismo fisico-chimico-fisiologico. 
Invece il metodo REPEX della NOAA, originariamente sviluppato da R.W. "Bill" Hamilton negli anni '80, si basa su un semplice presupposto lineare senza una sufficiente convalida della ricerca. 

È ben noto ormai che entrambi questi metodi non sono accurati.

Poiché qualsiasi reazione chimica, inclusa la produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e delle specie reattive dell'azoto (RNS), può essere descritta da un'espressione polinomica, abbiamo scelto l'approccio della legge di potenza. 

Avendo una conoscenza incompleta della reazione chimica, abbiamo ipotizzato che il tasso di sviluppo della tossicità da ossigeno POT sia correlato alla massima potenza della PO₂. 

Quando i vari parametri di tossicità dell'ossigeno come, tra gli altri; una diminuzione della capacità polmonare, un ridotto impulso ventilatorio ipossico, cambiamenti nella conduzione cutanea o l’aumento dello spessore della parete alveolare, cambiano in funzione del tempo di esposizione, il risultato può essere espresso al meglio come un'equazione quadratica.

Il tasso di produzione del perossido di idrogeno (un precursore di ROS e RNS) è anche correlato al quadrato del tempo, il che può spiegare questa relazione temporale. 
È stato dimostrato che l'equazione della potenza ha una buona capacità predittiva (vedi gli articoli1 e 2 citati nella bibliografia). 

Calcolo dell'equazione della potenza

Dalle considerazioni precedenti, ne consegue che lo sviluppo della tossicità da ossigeno dovrebbe essere correlato al quadrato del tempo di esposizione (t) e ad una certa potenza della PO₂ (PO₂c ).

Inizialmente, abbiamo calcolato l'equazione di potenza per la perdita di capacità vitale (VC), con l'aggiunta di un parametro per regolare le unità:

La capacità predittiva dell'equazione di potenza rispetto al concetto UPTD è mostrata nella figura 1 seguente. 
Con una PO2 superiore a 1 bar, il concetto di UPTD fallisce.

È stato riscontrato che il recupero di capacità vitale VC (a PO₂ < 0,48 bar) ha la forma di un'espressione esponenziale, dove la costante di tempo aumenta linearmente con la pressione dell'ossigeno della precedente esposizione, come si vede nella figura 2 seguente.

È stato dimostrato che la patologia polmonare è diversa ad alta e bassa PO₂ cioè si tratta di patologie distinte. 
Con l'esposizione a un aumento della PO₂ gli effetti centrali (cerebrali) sul polmone sono maggiori degli effetti polmonari locali dell'ossigeno iperbarico HBO. 

Pertanto, il recupero esponenziale della tossicità polmonare da ossigeno ha assunto la forma: ΔVCtr% = ΔVCe% × e^{- [- 0,42 + 0,384 × (PO} ₂⁾_ex ^{] × tr}

dove tr è il tempo di recupero in ore

ΔVCtr è il valore dopo il tempo di recupero

ΔVCe è il valore che segue la precedente esposizione iperbarica all'ossigeno

(PO₂)ex è la precedente esposizione all'ossigeno iperbarico in bar. 

Il tasso di recupero dipende dalla PO₂ che ha causato la patologia polmonare e si verifica con l'esposizione a una PO₂ > 1,1 bar.

Uno studio pubblicato di recente ha proposto altri parametri per sostituire i cambiamenti nella capacità vitale VC come indicatore della tossicità polmonare dell'ossigeno POT: l’incidenza dei sintomi (bruciore inspiratorio, tosse, oppressione toracica e dispnea) e un cambiamento nei parametri fisiologici polmonari (FVC, FEV25-75, FEV1 e DLCO).

Poiché le unità dell'indice POT [t2 × (PO₂)4,57 ] sono al quadrato per il tempo e la PO₂, questo indice può anche contenere stime che impiegano gli altri parametri appenaindicati. 

L'incidenza della tossicità polmonare dell'ossigeno (POT) in 16 diverse esposizioni ad ossigeno iperbarico (HBO) condotte presso la US Navy Experimental Diving Unit (NEDU) è tracciata nella figura 3 che segue in funzione dell'indice POT calcolato.

Pertanto, l'indice POT può essere utilizzato per prevedere la percentuale di rischio di tossicità polmonare da ossigeno (POT):

Un pò di calcoli...

Per calcolare l'accumulo di tossicità a PO₂ superiore a 0,6 bar si utilizza l'equazione 2:

Per un numero di periodi (n) di esposizione iperossica continua, ciascuno per un periodo di tempo diverso e con una PO₂ diversa, il calcolo dovrebbe assumere la forma dell’equazione 3:

Durante il recupero di VC a pressioni di ossigeno inferiori a 0,50 bar si utilizza l’equazione 4:

dove tr è il tempo di recupero in ore 

indice POT è il valore dopo il tempo di recupero 

indice POT_e è il valore che segue la precedente esposizione iperbarica all'ossigeno

(PO₂ )_ex è il PO₂ nell'esposizione precedente in bar.

Quando c'è un periodo di recupero tra le esposizioni iperossiche, l' indice POT alla fine del recupero dovrebbe essere calcolato utilizzando l’equazione 4.

Il tempo necessario per ottenere lo stesso indice POT per la successiva PO₂ cioè (PO_2nx) nella successiva esposizione iperossica verrà quindi ricavato modificando l’equazione 2 in questo modo:

Questo tempo t* dovrà essere aggiunto al tempo del prossimo periodo iperossico, come se l'intera esposizione iniziasse a questa PO_2.

Perciò si avrebbe l’equazione 6:

La US Navy raccomanda limiti di esposizione all'ossigeno che comportino una variazione del 2% nella VC, poiché si prevede che l'esposizione massima consentita produrrà una diminuzione del 10%. 
Pertanto, l'inserimento di ΔVC = 2% o ΔVC = 10% nell'equazione della potenza determinerà la PO₂ e i limiti di tempo. 
Per questi due valori di ΔVC, l'indice POT non deve superare rispettivamente 244 e 1.220, sia a pressione costante che per un'esposizione complessa. 

Proponiamo che l'indice POT sia utilizzato per sostituire i metodi UPTD o REPEX. 

In sintesi, è possibile utilizzare i limiti dell'indice POT da 244 (lieve) a 1220 (eccezionale) oppure

determinare il rischio scelto appropriato tramite l'equazione di incidenza: Incidenza (%) = 1,85 + 0,171 × indice POT

Immersioni in saturazione

In linea di principio, nessuna soglia è stata incorporata nell'espressione di potenza, che agisce quando la produzione di ROS e RNS supera l'attività antiossidante che produce il recupero della capacità vitale VC. È stato suggerito che in esposizioni prolungate con PO₂ relativamente bassa, ad esempio in immersioni in saturazione con PO₂ di 0,45–0,6 bar, un processo di recupero della POT accompagna lo sviluppo della tossicità, e ciò attenua ma non elimina completamente il risultato tossico ⁽³⁾.

Nel report di un'immersione sperimentale in saturazione in campana della durata di 261 ore con PO₂ di 0,5‒0,6 bar, risulta che due degli 8 soggetti (25%) hanno sviluppato tossicità polmonare da ossigeno (POT). L'indice POT calcolato con l'equazione 1 per il 25% è risultato pari a 136. 
 

Per correggere questi due effetti opposti della tossicità cumulativa e del processo di recupero, è possibile utilizzare l’equazione 7:

dove t è il tempo di esposizione a un livello tossico di iperossia espresso in ore (h). 

E’ evidente che solo 8 immersioni sono un campione insufficiente. Tuttavia, dopo aver pubblicato nel 2019 il mio articolo Pulmonary oxygen toxicity in saturation dives with PO2 close to the lower end of the toxic range – a quantitative approach, ho ottenuto un ulteriore campione di 8 immersioni in saturazione. Durante questo ulteriore test i subacquei si sono immersi per 4 giorni a un PO₂ di 0,6 bar. La metà di loro ha sofferto di POT. La percentuale calcolata utilizzando l’equazione 7 e l’equazione 1 ha prodotto il 43,6%, cioè un dato piuttosto vicino al 50%. 

Suggerirei quindi l'uso delle equazioni 7 e  1 per le immersioni lunghe in saturazione

con una PO₂ vicina al range inferiore di tossicità e superiore a 0,48 bar.

Bibliografia
1. Arieli R, Yalov A, Goldenshluger A. Modeling pulmonary and CNS O2 toxicity and estimation of parameters for humans. J Appl Physiol. 2002;92:248‒56. doi: 10.1152/japplphysiol.00434.2001. PMID: 11744667.

2. Arieli R. Calculated risk of pulmonary and central nervous system oxygen toxicity: a toxicity index derived from the power equation. Diving Hyperb Med. 49: 154-160, 2019. doi: 10.28920/dhm49.

3.154-160. PMID: 315237893. Arieli R. Pulmonary oxygen toxicity in saturation dives with PO2 close to the lower end of the toxic range – a quantitative approach. Respir Physiol Neurobiol 268: 103243, 2019. doi: 10.1016/j.resp.2019.05.017. PMID: 31158523

Ulteriore documentazione

- La fisiologa respiratoria Barbara Shykoff della US Navy Experimental Diving Unit (NEDU), ha anche sviluppato un modello per la stima del rischio di tossicità polmonare: Calculator For Estimating The Risk of Polmonary Toxicity (2018)

- Shearwater Research: Perché i calcoli UPTD non dovrebbero essere utilizzati di Barbara Shykoff, 2017

- Shearwater Research: Oxygen Toxicity Calculations di Erik C. Baker (2012) che spiega i calcoli UPTD e REPEX precedenti.

- Tolerating Oxygen Exposure di R.W. "Bill" Hamilton (1997) che è il testo originario di Hamilton sul metodo REPEX: Tolerating Exposure To High Oxygen Levels: Repex And Other Methods di R.W. Hamilton, 1989

- Una revisione dell'inizio del 1985 del modello UPTD: Predicting Pulmonary O2 Toxicity: A New Look at the Unit Polmonary Toxicity Dose di AL Harabin, LD Homer, PK Weathersby e ET Flynn 

L'Autore (*)

Il dottor Ran Arieli, attualmente in pensione, era il responsabile dell'Unità di ricerca di fisiologia iperbarica presso l'Istituto medico navale israeliano. Ha conseguito il dottorato di ricerca dall'Università di Tel Aviv, completando un post-dottorato a Buffalo presso la State University of New York. Ha tenuto lezioni di fisiologia della respirazione presso la Facoltà di Medicina Technion di Haifa. I suoi principali argomenti di ricerca sono la fisiologia respiratoria, la fisiologia integrativa, la tossicità da ossigeno e la fisiologia della decompressione. 

Il dottor Arieli ha studiato i fattori ambientali che influenzano la tossicità dell'ossigeno, proponendo algoritmi per la predizione della tossicità da ossigeno del sistema nervoso polmonare e centrale. Nella sua ricerca sulla fisiologia della decompressione, Arieli ha presentato un nuovo meccanismo alla base della formazione di bolle durante la decompressione.

Il dottor Arieli ha pubblicato 128 articoli sulle sue ricerche scientifiche.

Torna su all'inizio della pagina