Mokslo ir technologijų pasaulis

Skamba kaip fantastika ir dalykas, kurio nenorėtumėte patirti – ar žmogus gali kvėpuoti skysčiu, kaip pavaizduota Džeimso Kamerono mokslinės fantastikos filme „Gelmė“?

1989 m. Jameso Camerono povandeninio trilerio „Gelmė“ („The Abyss“) vienoje iš scenų naftos platformos naras Budas Brigmanas, kurį vaidina Edas Harrisas, apsirengia eksperimentinį nardymo kostiumą, kuriame vietoj oro jis kvėpuoja specialiu deguonies prisotintu skysčiu.

Tai leidžia jam išvengti mirtinų ekstremalių vandens slėgio padarinių ir nusileisti į gilaus vandenyno tarpeklio dugną, kad būtų sunaikintas branduolinis užtaisas.

Nors tai tikrai įsimintina siužeto scena, tokia technologija yra gryna mokslinė fantastika, tiesa?

Na, ne tiek, kiek jūs manote. Filme pavaizduotas deguonimi prisotintas skystis perfluorokarbonas iš tikrųjų egzistuoja, ir nors scenos su nardymo kostiumu buvo filmuojamos Edui Harrisui sulaikant kvėpavimą, ankstesnė scena, kurioje žiurkė yra panardinta į kvėpavimo skystį, buvo nufilmuota iš tikrųjų.

Nors filmas „The Abyss“ neabejotinai yra žinomiausias skysto kvėpavimo pavyzdys, su šia technologija buvo eksperimentuojama daugiau nei šimtmetį ir, nors ji gali būti ne visai paruošta naudoti nardant giliavandenėje jūroje, ji gali išgelbėti gyvybes medicinos srityje.  

Pirmieji eksperimentai su skystu kvėpavimu buvo atlikti netrukus po Pirmojo pasaulinio karo, kai gydytojai pradėjo tirti deguonies prisotintų druskos tirpalų naudojimą, kad padėtų išgydyti nuodingų dujų pažeistus karių plaučius.

Tačiau tik Šaltojo karo įkarštyje, 1950-ųjų pabaigoje buvo pradėti išsamūs moksliniai tyrimai, nes JAV karinis jūrų laivynas ieškojo būdų, kaip leisti jūreiviams išsigelbėti iš skęstančio povandeninio laivo, nenukentėjus nuo dekompresinės ligos.

Dekompresinė liga yra būklė, atsirandanti kvėpuojant oru esant dideliam slėgiui. Kai naras leidžiasi žemyn ir didėja vandens slėgis, vis daugiau azoto iš oro ištirpsta jo kūno audiniuose.

Jei naras per greitai pakyla į paviršių, staigus slėgio kritimas sukelia azoto išsiskyrimą iš tirpalo ir sudaro mažus burbuliukus, kurie gali sukelti stiprų sąnarių skausmą, oro emboliją, insultą ir mirtį.

Vadinasi, narai turi lėtai kilti aukštyn ir užtikrinti lėtą dekompresiją, kad azotas pamažu išsiskirtų iš organizmo. Bet jei naras vietoj oro galėtų kvėpuoti deguonies prisotintu skysčiu, slėgis plaučių viduje ir išorėje būtų vienodas, užkertant kelią azoto kaupimuisi, todėl nereikėtų atlikti dekompresijos.

Skystas kvėpavimas taip pat padėtų sumažinti ar panaikinti kitus giluminio nardymo pavojus, įskaitant azoto narkozę - panašų į alkoholiu apsinuodijimą, kurį sukelia kvėpavimas azotu esant dideliam slėgiui. Pats deguonis taip pat tampa pavojingas jam esant žemiau tam tikro gylio – reiškinys, vadinamas deguonies toksiškumu.

Kad išvengtų šių padarinių, narai naudoja įvairius kvėpuojamųjų dujų mišinius, tokius kaip „Heliox“ ar „Trimix“, kur deguonis ir azotas atskiestas heliu. Tačiau net ir tai veikia tik iki tam tikro taško, nes žemiau 160 metrų kvėpuojant heliu, jis sukelia stiprų drebėjimą ir kitus neurologinius reiškinius, vadinamus aukšto slėgio nervų sindromu.

1962 m. Duke universiteto dr. Johanneso Klystros vadovaujamai komandai pavyko priversti peles ir kitus smulkius gyvūnus kvėpuoti deguonimi prisotintu druskos tirpalu, suslėgtu iki 160 atmosferų – aukštas slėgis būtinas norint ištirpinti pakankamai deguonies skystyje. Tačiau nors tokiu būdu kvėpavimas buvo palaikomas maždaug valandą, gyvūnai netrukus mirė nuo kvėpavimo acidozės – apsinuodijimo anglies dioksidu.

Tai atskleidė vieną didžiausių skysto kvėpavimo trūkumų, kurie nuo to laiko kamuoja tyrėjus: nors kvėpavimo skystis gali lengvai tiekti pakankamai deguonies į kūną, jis yra daug mažiau efektyvus pašalinant iškvėptą anglies dioksidą.

Norint išvengti acidozės, vidutinis žmogus ramybės būsenoje turėtų per plaučius įkvėpti 5 litrus per minutę kvėpuojančio skysčio ir 10 litrų per minutę, kai atlieka bet kokią fizinę veiklą – žmogaus plaučiai negali išlaikyti tokios tėkmės greičio.

Taigi bet kokia praktiška skysčių kvėpavimo sistema turėtų aktyviai siurbti skystį į plaučius ir iš jų, kaip ir ligoninėse naudojami mechaniniai ventiliatoriai.

1966 m. amerikiečių tyrinėtojai Lelandas Clarkas ir Frankas Gollanas padarė perversmą skysčio kvėpavimo tyrimuose, pakeisdami dr. Klystra deguonies druskos tirpalą egzotišku skysčiu, vadinamu perfluorokarbonu arba PFC. PFC, sukurtas kaip dalis Manheteno projekto Antrojo pasaulinio karo metu, yra bespalvis skystis, sudarytas iš anglies ir fluoro elementų.

Ryšys tarp šių dviejų elementų yra vienas stipriausių, todėl PFC nereaguoja ir yra biologiškai inertiškas. Jis turi dvigubai didesnį vandens tankį, bet ketvirtadalį klampumo ir gali išlaikyti beveik 20 kartų daugiau deguonies ir anglies dioksido nei vanduo – savybės, dėl kurių jis idealiai tinka kaip kvėpavimo skystis. Ankstyvieji Clarko ir Gollano eksperimentai apėmė tik žiurkių ir pelių panardinimą į deguonimi prisotintą PFC ir leidimą joms natūraliai kvėpuoti.

Nors didelis skysčio tankis apsunkino kvėpavimą, gyvūnai galėjo išgyventi visiškai panardinti iki 20 valandų be jokio neigiamo poveikio organizmui. Didesniems gyvūnams reikėjo naudoti priverstinę ventiliaciją, kad būtų išvengta anglies dioksido kaupimosi, tačiau eksperimentai su anestezuotais šunimis dar labiau parodė PFC kaip kvėpavimo skysčio prtaikomumą.

Tęsinys kitame puslapyje:

Dr. Klystra, remdamasis Clarko ir Gollano darbais su PFC, 1969–1975 m. atliko vieną iš išsamiausių skysčio kvėpavimo tyrimų istorijoje, bandymų subjektais naudodamas ir gyvūnus, ir žmones. Šio tyrimo metu JAV karinio jūrų laivyno naras Francis J. Falejcykas tapo pirmuoju žmogumi, įkvėpusiu tiek deguonies prisotinto fiziologinio tirpalo, tiek PFC.

Nepaisant to, kad Falejcykas negavo jokių vaistų, išskyrus vietinę nejautrą, kad palengvintų intubaciją, ši patirtis nebuvo pernelyg nepatogi, nors buvo sunku pašalinti skystį iš plaučių ir dėl to išsivystė plaučių uždegimas.

1971 m. Falejcyk skaitė paskaitą apie savo patirtį, kurioje dalyvavo tuometinis 17-metis Jamesas Cameronas. Būsimą garsų režisierių ši paskaita įkvėpė parašyti trumpą istoriją, kuri galiausiai taps „The Abyss“ scenarijumi.

Klystra tyrime buvo padaryta išvada, kad žmogus iki valandos gali kvėpuoti PFC, nepatirdamas apsinuodijimo anglies dioksidu, todėl kvėpavimas skysčiu yra perspektyvus būdas ištrūkti iš skęstančio povandeninio laivo.

Klystra taip pat eksperimentavo su PFC ir natrio hidroksido emulsijomis, kurios galėtų lengviau absorbuoti anglies dioksidą iš kraujotakos. Tačiau galiausiai nė vienas iš šių metodų niekada nebuvo praktiškai naudojamas realaus pasaulio scenarijuose.

Pranešama, kad devintojo dešimtmečio pradžioje JAV jūros pajėgos „SEAL“ eksperimentavo su skysčio kvėpavimu, tačiau PFC kvėpavimas buvo toks įtemptas, kad bandymų metu keli narai patyrė šonkaulių patempimus ir lūžius.

Vienas iš siūlomų acidozės problemos sprendimo būdų yra įrengti narams veninį šuntavimo prietaisą, kuris pašalina anglies dioksidą tiesiai iš kraujotakos. Deja, tokiam prietaisui būdingos medicininės ir logistinės problemos yra gana akivaizdžios, o skysto kvėpavimo technologijose dar reikia daug nuveikti, kol jis taps perspektyviu giluminio nardymo metodu. Tačiau jis gali atlikti svarbų vaidmenį medicinoje, ypač neišnešiotų naujagimių priežiūroje.

Mūsų plaučiuose yra apie pusė milijardo alveolių, mažų maišelių audinių, per kuriuos deguonis absorbuojamas į kraują. Kad jos nesubliukštų kaip šlapias popierinis maišelis, organizmas gamina medžiagą, vadinamą plaučių paviršiaus aktyviąja medžiaga – lipidų mišinį, kuris sumažina vandens paviršiaus įtempimą ir leidžia alveolėms likti atviroms.

Tačiau neišnešioti kūdikiai negali pagaminti pakankamo paviršiaus aktyviųjų medžiagų kiekio, ir vos gimus, dauguma jų alveolių subliūkšta, todėl jiems sunku kvėpuoti. Nors tam naudojami tradiciniai mechaniniai ventiliatoriai, kurie padeda neišnešiotiems kūdikiams kvėpuoti, šių mašinų sukeltas didelis slėgis gali smarkiai pažeisti jų subtilius plaučius. Tačiau užliejus plaučius kvėpavimo skysčiu, skystis atkuria gimdoje esančias sąlygas ir leidžia atsiverti alveolėms, o tai labai padidina dujų apykaitą. Ši technika taip pat yra patogi priemonė pristatyti vaistus tiesiai į plaučius.

Naujagimių plaučių skystą ventiliaciją 1989 m. pirmą kartą praktiškai pritaikė J.S. Greenspanas Temple universiteto ligoninėje Filadelfijoje. Skysti plaučių ventiliatoriai,  24–96 valandas padėjo kvėpuoti 13-kai neišnešiotų naujagimių. Visi buvo sėkmingai vėl sugrąžinti kvėpuoti oru, o 11 iš 13  kūdikių pastebimai pagerėjo plaučių funkcija, nors vėliau šeši mirė dėl priežasčių, nesusijusių su eksperimentu.

Panašus tyrimas, kurį 1995 m. atliko R. B. Hirschl, 19 suaugusių, vaikų ir naujagimių pacientų, taip pat patvirtino skystos ventiliacijos efektyvumą – 11 iš 19 pacientų pagerėjo plaučių funkcija.

Tačiau buvo nustatyta, kad įranga, reikalinga pilnai skysčio ventiliacijai atlikti, yra pernelyg sudėtinga ir brangi, todėl 1991 m. Fulmanas sukūrė paprastesnę techniką, žinomą kaip dalinė skysčio ventiliacija arba PLV.

PLV atveju plaučiai yra tik iš dalies pripildyti kvėpavimo skysčio, o likusieji yra tiekiami oru per įprastą mechaninį ventiliatorių. Tai leidžia kvėpavimo skysčiui atverti apie 40% plaučių alveolių, tuo pačiu efektyviau pašalinant anglies dioksidą. Kitas siūlomas metodas apima kvėpavimo skysčio įvedimą kaip aerozolį, sumaišytą su oru ar deguonimi, o tai duoda panašius rezultatus, tuo tarpu pacientams yra daug komfortabiliau nei kvėpuoti grynu skysčiu.

1995 m. Mike'as Darwinas ir Stevenas Harrisas pademonstravo skysto kvėpavimo pritaikymą terapinei hipotermijai sukelti. Dirbtinis žmogaus kūno atvėsimas taikomas po širdies sustojimo, kad sulėtėtų smegenų ir kitų audinių pažeidimų atsiradimas. Perfuzuodami plaučius atšaldytu PFC, Darvinas ir Harrisas pasiekė 0,5 laipsnių Celsijaus per minutę aušinimo greitį – greičiau nei bet kokia esama technika.