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Pulmonary gas exchange and severe obesity: bariatric surgery effects

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Universitat de Barcelona. Facultat de Medicina

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[eng] Background: Obesity is a global and growing public health problem. Bariatric surgery (BS) is indicated in patients with morbid obesity. To our knowledge, the effects of mòrbid obesity and BS on ventilation/perfusion (VA/Q) ratio distributions using the multiple inert gas elimination technique have never before been explored. Methods: We compared respiratory and inert gas (VA/Q ratio distributions) pulmonary gas exchange, breathing both ambient air and 100% oxygen, in 19 morbidly obese women (BMI, 45 ± 1 kg/m2), both before and 1 year after BS, and in eight normal-weight, never smoker, age-matched, healthy women. Results: Before BS, morbidly obese individuals had reduced arterial PO2 (76 ± 2 mm Hg) and an increased alveolar-arterial PO2 difference (27 ± 2 mm Hg) caused by small amounts of shunt (4.3 ± 1.1% of cardiac output), along with abnormally broadly unimodal blood flow dispersion (0.83 ± 0.06). During 100% oxygen breathing, shunt increased twofold in parallel with a reduction of blood flow to low VA/Q units, suggesting the development of reabsorption atelectasis without reversion of hypoxic pulmonary vasoconstriction. After BS, body weight was reduced significantly (BMI, 31 ± 1 kg/m2), and pulmonary gas exchange abnormalities were decreased. Conclusions: Morbid obesity is associated with mild to moderate shunt and VA/Q imbalance. These abnormalities are reduced after BS. Manuscript 2. Postural effects on pulmonary gas exchange abnormalities in severe obesity before and after bariatric surgery Background: We hypothesized that in morbid obesity, pulmonary gas Exchange abnormalities will worsen when supine and that bariatric surgery (BS) will mitigate this effect. Methods: Gas exchange was investigated in 19 morbidly obese and 8 non-obese, age-matched control females, spontaneously breathing ambient air, both upright and supine, before and one year after BS. Results: In control non-obese individuals, no postural changes in arterial blood gases (ABGs) were observed. While obese subjects had more altered PaO2, SaO2 and AaPO2 values than controls (p<0.05 each) when upright, the values unexpectedly remained unchanged when supine. This was also the case in the subset of 6 normoxemic obese but the remaining 13 hypoxemic individuals actually improved ABGs when supine: AaPO2 (by –3.4 ± 1.4 mmHg), SaO2 (by +1.5 ± 0.6 %), pH (by +0.01 ± 0.01); and cardiac output increased (by +0.4 ± 0.2 L·min-1) (p<0.05 each). After BS, PaO2 (from 75.5 ± 2.4 to 89.4 ± 2.4 mmHg) and AaPO2 (from 27.0 ± 2.0 to 15.4 ± 2.1 mmHg) (p<0.05 each) and pulmonary gas exchange were improved compared to before BS when upright, but ABGs worsened when supine (PaO2, by –4.6 ± 1.7 mmHg; AaPO2, by +4.2 ± 1.6 mmHg) (p<0.05 each). Conclusions: Before BS, ABGs are not altered in normoxemic obese subjects moving from upright to supine, even improving in those with hypoxemia when supine. After successful BS, pulmonary gas exchange improved when upright in all subjects but ABGs deteriorated when supine. However, the important clinical observation is the lack of gas Exchange deterioration when supine, which may have implications for critical care and anesthesia settings. Manuscript 3. Lung tissue volume is elevated in obesity and reduced by bariatric surgery Background: Bariatric surgery (BS) in severely obese subjects causes a significant reduction of body weight and improvement in lung function. We have shown previously that abnormalities in pulmonary gas exchange in morbidly obese are substantially improved with BS. These abnormalities were thought to be related to reduced lung volumes as well as to abnormal endothelial function induced by low-grade chronic inflammation linked to perivascular adipose tissue (PVAT). In this study we used computed tomography (CT) to assess whether BS also caused measurable structural changes in the lung. We focused in lung tissue volume (Vtiss) and cross-sectional vessel analysis hypothesizing that these measures could be related to the previously reported lung functional changes. Methods: Pulmonary vessels and lung volumes, including Vtiss, were quantified in thoracic CT scans. We compared findings in 12 obese women before and after BS and in 8 healthy lean women. Results: Vtiss was significantly elevated in obese subjects before BS compared to control subjects and systematically reduced after BS (by 8%); other CT lung volumes or vascular areas were not affected in a consistent manner. No relationship was observed between BS-induced individual changes in Vtiss and pulmonary vessel area. Conclusions: Vtiss is elevated in morbidly obese, compared to lean individuals of similar body height, and is systematically reduced by BS. These effects do not appear related to vascular changes but may be caused by elevated extra-vascular lung water, due to low-grade inflammation, and/or hypertrophic PVAT in severe obesity.

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[spa] rimer artículo (First Manuscript). Anomalías de las distribuciones ventilación-perfusión en la obesidad grave, antes y después de cirugía bariátrica En la actualidad, la obesidad es un grave problema de salud pública a escala mundial. La cirugía bariátrica (CB) es un tratamiento efectivo de la obesidad grave. No existen Trabajos previos sobre los efectos de la obesidad grave y la pérdida ponderal inducida por CB sobre el intercambio gaseoso pulmonar, específicamente en la distribución de las relaciones ventilación-perfusión (VA/Q) con el empleo de la técnica de gases inertes múltiples (TEGIM). Métodos: Se investigó el intercambio gaseoso pulmonar mediante la TEGIM en 19 mujeres obesas graves (índice de masa corporal [IMC] 45 ± 1kg/m2) antes y después CB y, también en 8 mujeres con peso normal, no fumadoras, de la misma edad. Resultados: Antes de la CB, las mujeres obesas tenían una PaO2 reducida (76 ± 2 mm Hg) y un gradiente alveolo-arterial de oxígeno aumentado (27 ± 2 mm Hg) secundarios a un aumento discreto del shunt intrapulmonar (4 ± 1% del gasto cardiaco) y de la dispersión de la distribución de la perfusión pulmonar (Log SDQ, 0,83 ± 0,06 [valores normales ≤0,60]) (aire ambiente). Tras respirar oxígeno al 100%, el shunt se duplicó sin cambios acompañantes en la dispersión de la perfusión pulmonar (Log SDQ), todo ello sugestivo del desarrollo de atelectasias de reabsorción sin reversión de la vasoconstricción pulmonar hipóxica. Después de la CB, tanto el peso corporal (IMC, 31 ± 1 kg/m2) como las alteracions del intercambio gaseoso pulmonar se redujeron significativamente. Conclusiones: La obesidad mórbida se asocia con la presencia de shunt intrapulmonar discreto asociado a un desequilibro leve-moderado de las relaciones VA/Q. Estas anomalies se reducen tras CB. Segundo artículo (Second Manuscript). Efecto de los cambios posturales sobre las anomalías del intercambio gaseoso pulmonar en la obesidad grave, antes y después de cirugía bariátrica Introducción: En este trabajo se planteó la hipótesis de que las alteraciones del intercambio gaseoso pulmonar empeorarían en posición supina en la obesidad grave, hallazgo que debería mejorar tras cirugía bariátrica (CB). Métodos: Se investigó el intercambio gaseoso pulmonar (aire ambiente) en los dos grupos de mujeres, obesas graves y peso normal, en posición sentada y supina, antes y después de la CB. Resultados: No se observaron cambios gasométricos posturales en el grupo control. Mientras que todas las mujeres obesas tenían valores de PaO2, SaO2 y AaPO2 más alterados que las controles (p<0,05, respectivamente) en posición sentada, no se observaron cambios en supino. El mismo comportamiento gasométrico se observó en las mujeres obesas normoxémicas (PaO2≥80 mmHg). Por contra, la oxigenación arterial mejoró (AaPO2, –3,4 ± 1,4 mmHg; SaO2, +1,5 ± 0,6 %; pH, +0,01 ± 0,01) y el gasto cardiaco aumentó (+0,4 ± 0,2 L·min-1) (p<0,05, respectivamente) en supino en las 13 obesas hipoxémicas (PaO2<80 mmHg). Tras CB , la PaO2 (de 75,5 ± 2,4 a 89,4 ± 2,4 mmHg) y el AaPO2 (de 27,0 ± 2,0 a 15,4 ± 2,1 mmHg) (p<0,05, respectivamente) y en general el conjunto del intercambio gaseoso mejoraron en la población obesa en posición sentada, si bien la gasometría arterial (PaO2, –4,6 ± 1,7 mmHg; AaPO2, +4,2 ± 1,6 mmHg; p<0,05, respectivamente) empeoró en supino. Conclusiones: Antes de CB, la gasometría arterial no varió con los cambios posturales en las mujeres obesas normoxémicas e incluso mejoró en las hipoxémicas en supino. Tras una CB exitosa en todos los casos, el intercambio gaseoso pulmonar mejoró en posición sentada si bien la gasometría arterial empeoró en supino. El interés clínico de estos hallazgos radica en la ausencia de un deterioro del intercambio gaseoso en posición supina, lo que puede conllevar connotaciones prácticas en medicina intensiva y anestesiología. Tercer artículo (Third Manuscript). Aumento del volumen de tejido pulmonar en la obesidad grave y su reducción tras cirugía bariátrica. Introducción: En este tercer estudio, se empleó la tomografía computarizada (TC) toràcica para valorar si la cirugía bariátrica (CB) es capaz de provocar cambios estructurales a nivel pulmonar, para centrarnos en el análisis del volumen de tejido pulmonar (Vtiss) y el área de corte de los pequeños vasos pulmonares. Nuestra hipótesis fue que estos parámetros podrían correlacionarse con los cambios funcionales pulmonares descritos previamente. Métodos: Se cuantificaron mediante TC los volúmenes pulmonares, incluido el volumen de tejido pulmonar (Vtiss) y el área de los vasos pulmonares, en un subgrupo de 12 mujeres obesas mórbidas, antes y después de CB, así como en las 8 mujeres del grupo control ya referidas en los dos artículos previos. Resultados: Los valores de Vtiss estaban aumentados en las mujeres obesas antes de CB, en comparación con el grupo control, y se redujeron (en un 8%) sistemáticamente un año después. No se observaron cambios en el resto de volúmenes pulmonares o en áreas vasculares. No se observó ninguna asociación entre los cambios inducidos por la CB en las áreas vasculares pulmonares ni en el Vtiss. Conclusiones: El volumen de tejido pulmonar (Vtiss) está aumentado en las personas+ obesas graves antes de CB, en comparación con el de mujeres de peso normal y se reduce de forma sistemática tras CB. Estos efectos sobre el Vtiss no se relacionan con cambios vasculares pulmonares, pero podrían estar influidos con el aumento de agua pulmonar extravascular inducido por la inflamación sistémica y/o la hipertrofia del tejido adiposo perivascular subyacentes.

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Pulmonary gas exchange and severe obesity: bariatric surgery effects